为了解北京市某城区2013年冬季雾霾天气细颗粒物(PM2.5)中元素浓度水平及污染特征, 连续采集2013年1月—2月北京市某城区大气PM2.5, 采用滤膜称重法检测PM2.5浓度, 电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)分析PM2.5中36种元素总量并采用富集因子法分析元素污染特征。 结果表明: 与正常天气相比, 雾霾天气发生时PM2.5和其中的27种元素浓度均升高, 其中As, Cr, Pb, Ti和V等重金属是PM2.5中的主要无机污染物。 元素富集特征表明, 雾霾天气PM2.5中的金属元素可被分为三组, 其中As, Cr, Cu及Pb的富集因子高于10, 属于高度富集级别; Sb和Sn等元素富集因子介于1～10, 属于中度富集级别; Ti和V富集因子接近于1, 属于轻微富集级别。 ICP-MS用于大气PM2.5中多元素分析具有良好的精密度和准确性, 可满足同时检测PM2.5主、 痕量金属元素的要求。 雾霾天气发生时, As, Cr和Pb等重金属元素的增加主要与人类活动如汽车尾气、 化石燃料排放引起空气污染所致; 该研究为开展雾霾天气PM2.5中元素特征研究提供了准确、 简便的方法, 可以为相关部门采取有效的措施减轻污染, 保护人群健康提供科学依据。

采用X射线粉晶衍射(XRD)、 激光剥蚀等离子体质谱(ICP-MS)、 拉曼光谱(RAMAN)和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)对和田玉糖玉的致色机理进行研究。 结果显示, 糖玉的主要矿物成分为透闪石, 化学成分中的Fe含量和糖玉黄褐色色调有正相关关系, 颜色越深Fe的含量越高, Fe在糖玉中以独立铁质矿物的赋存形式分布于透闪石的颗粒间、 微裂隙中。 铁质矿物由于其含量低、 粒度细小, 本文设计实验对其进行富集后进行测试。 将铁质矿物富集后的样品进行透射电镜测试, 铁质矿物呈云状集合体, 电子花样衍射图显示其矿物为针铁矿。 因此, 针铁矿分布于透闪石颗粒间、 微裂隙中致使糖玉呈现黄褐色。 拉曼光谱显示糖玉表面少见红褐色矿物颗粒为金红石, 由于金红石含量少, 仅对颜色成因有部分贡献。

在抽运光和耦合条件不变的情况下, 研究了熔接组合的非零色散位移单模光纤(NZDSF)和标准单模光纤(SMF)中的受激拉曼散射(SRS)和四波混频(FWM)产生和传输特征。 采用532 nm脉冲激光抽运NZDSF, 从20 m处开始产生以LP01模传输的SRS第一级Stokes光; 紧接着在30 m处产生了FWM, SRS受到FWM抑制, 传输模式逐渐转化为LP11模; 经过80 m处熔接点后, 由于熔接处双锥光纤结构使光场模式互相干涉, 光波模式恢复为LP01模, FWM受到抑制。 该现象和机理有利于抑制密集波分复用(DWDM)系统中光学非线性失真和促进光孤子通信系统的发展。

“M+N”理论从误差理论的角度阐明了光谱分析中外界干扰因素即“N”因素对于测量精度的影响, 并给出了提高测量精度的方法。 通过采用实测变电压光源光谱数据与多组分线性吸收谱仿真模型相结合的方法, 构造了三组分的理想混合溶液并选择光源电压作为影响被测组分浓度测量精度的“N”因素, 分别设定了不同信噪比下的两组各三种不同的校正集与预测集样本“N”因素分布方式, 得出了对于系统误差类“N”因素而言, 校正集与预测集的“N”因素分布范围对组分浓度的预测精度具有一定影响的结论。 实验结果验证了“M+N”理论中“N”因素用于提高测量精度的可行性, 同时为其他测量系统减小外界干扰提高测量精度提供了理论指导。

基于奇异衍射近似理论和Kramers-Kronig关系, 通过实测铜绿微囊藻的吸收光谱数据和粒径分布估算出铜绿微囊藻折射率的实部和虚部, 结合Mie散射理论, 计算出铜绿微囊藻的吸收效率光谱、 散射效率光谱。 对比模拟结果与实验结果发现: 该模型估算得到的散射光谱与实验的散射光谱之间误差为10.08%, 吸收效率的误差为4.8%。 从模拟结果与实测结果来看, 均匀球形模型能够较好的重现铜绿微囊藻的吸收和散射特征。

传统经典的镀层分析方法分析速度慢, 对于不规则镀层样品较难分析, 文中在最佳分析条件下, 采用激光诱导击穿光谱法对两块不规则未知镀层样品进行分析, 镀层分析曲线表明, 两块未知镀层样品采用渗锌工艺制备而成, 镀层表面的锌、 铁元素是主量元素, 　少量的铬起钝化作用, 镀层界面下则是中低合金钢, 用一套中低合金钢标准样品建立校准曲线, 准确分析了镀层界面下中低合金钢的化学成分及Cr和Mo元素在镀层表面的含量变化情况, 从而对未知不规则镀层样品的化学成分有一个深入的了解。

将激光诱导击穿光谱技术(LIBS)应用于煤粉颗粒流的直接检测, 利用自行搭建的颗粒流实验台架重点研究不同收光角度下煤粉颗粒的等离子体光谱特性, 分析煤中具有代表性的C, Si和Al三种元素原子谱线的强度及其相对标准偏差的变化规律, 结果表明收光角度在30°～45°区间时收集到的等离子体信号强且稳定。

相干反斯托克斯拉曼散射是一种非线性四波混频效应, 但是通过探测共振信号不易进行物质成分的定量光谱分析。 本文利用单频相干反斯托克斯拉曼散射光谱分析法, 对不同体积比混合的乙醇溶液在远离双光子共振跃迁及其远离溶质与溶剂的特征拉曼共振态位置进行了光谱探测。 通过对实验结果进行分析发现, 在共振位置2 876 cm-1的信号强度随混合溶液中的乙醇的体积比增加而增加, 呈二次方关系。 而在远离共振态位置的非共振信号强度随混合溶液中乙醇的体积比增加而增加, 且呈线性关系, 进而说明了非共振信号强度随着分子数浓度N呈线性变化关系。 因此, 通过探测非共振信号强度与分子数浓度关系可以为混合物中特定成分的定量光谱分析提供一种研究途径。

利用傅里叶变换近红外光谱分析技术, 对源自国内外不同产地的软玉进行了测试与分析。 结果表明在7　000～7　400　cm-1波数范围内, 部分产地的软玉中出现四个由羟基倍频振动致近红外吸收谱带, 分别归属OH(Mg MgMg), OH(MgMgFe2+), OH(MgFe2+Fe2+), OH(Fe2+Fe2+Fe2+)的倍频振动所致, 并与软玉中透闪石矿物晶体结构中M1和M3位置的Mg2+, Fe2+占位有关。 随着透闪石中Fe2+/(Fe2++ Mg2+)比值的增大, 亦可导致软玉中羟基NIR谱带的进一步分裂, 谱带数目和强度增加, 并向低波数方向位移。 文中对软玉中羟基NIR光谱的产地鉴别意义一并给予了讨论。

用变温红外光谱法和荧光光谱法研究了聚乙烯吡咯烷酮与苯磺酸铕的相互作用。 聚乙烯吡咯烷酮的酰胺基团可与苯磺酸铕中的铕离子发生络合配位作用, 导致聚乙烯吡咯烷酮的酰胺Ⅰ带发生红移。 这种络合配位作用, 使原本不溶于氯仿的苯磺酸铕可溶于含聚乙烯吡咯烷酮的氯仿溶液。 在苯磺酸铕固体的发射光谱中, 只能观察到铕离子的f—f跃迁特征发射峰, 而在苯磺酸铕浓水溶液的荧光光谱中, 亦可观测到苯磺酸根的π*→π跃迁峰, 说明苯磺酸铕在水溶液中存在解络合现象。 苯磺酸铕在溶液中的解络合行为使铕离子周围的可配位空间增大, 这为PVP的酰胺基团与铕离子发生络合配位作用创造了条件。

该研究应用红外热像法测量绿化屋顶的表面温度, 进而分析屋顶绿化对热环境的影响。 通过采集斜坡屋顶绿化、 轻型屋顶绿化和蓄水覆土屋顶绿化在阴天、 雨后一天、 晴天三种天气条件下的红外热像图, 分析对比三种绿化屋顶在同一天内及三种不同天气条件下的温度变化。 结果表明绿化屋顶表面温度的变化主要受太阳辐射和气温的影响, 而蓄水覆土绿化屋顶的表面温度还受到其含水量的影响; 屋顶绿化在夏季天气条件下可有效降低屋顶的表面温度、 减小温度波动幅度, 有利于改善城市热环境。

运用傅里叶变换红外光谱技术研究了正常组织(30例)和细胞株(SW 620), 正常细胞核和癌变细胞核的红外光谱特征,　为红外光谱诊断结直肠癌奠定了细胞及亚细胞水平的实验基础。 将所得光谱图的峰位及峰强比进行统计分析发现: 细胞株(SW 620)和癌变细胞核中谱带(2 925, 1 240和1 085 cm-1)的峰位均向高波数移动(p<0.05), 而谱带1 400 cm-1的峰位均向低波数移动(p<0.05); 细胞株(SW 620)中峰强比(I1 650/I1 460, I1 400/I1 460,　I1 240/I1 460,)较正常组织升高(p<0.05), 而I1 740/I1 460则降低(p<0.01)。 癌变细胞核中(I1 650/I1 460, I1 400/I1 460, I1 240/I1 460)较正常细胞核亦升高(p<0.05).这些差异可作为区别组织良恶性的指标。

应用近红外光谱分析技术, 针对玉米诱导过程中产生的亚正常种子, 发展亚正常种子的单籽粒生活力判别方法。 该研究应用了一种基于Kolmogorov-Smirnov检验的方法(KS法)对近红外光谱进行特征提取, 并比较了十种采用不同预处理数据和特征提取方法建立的模型的判别性能, 每种模型试验了1134种参数组合, 并对采用多种方法和参数组合建立的模型进行交叉验证。 结果表明, 采用矢量归一化预处理, KS法提取特征波长, 并去除低信噪比区域的数据建立的模型判别效果最好。 发芽籽粒和不发芽籽粒的平均正确识别率分别达到92.20%和84.86%。 该方法将发芽籽粒的筛选准确率由随机筛选的不足40%提高至85%以上, 可显著提高筛选效率。

针对目前红外与可见光图像融合速度慢、 融合结果对比度不高且易产生伪影的缺点, 提出一种基于Tetrolet变换的改进融合算法。 首先, 将可见光图像转换到lαβ颜色空间得到三个几乎不相关的彩色通道; 然后对其l分量和红外图像分别进行Tetrolet变换, 对于低通系数引入邻域能量及其接近度的融合规则。 而对Tetrolet系数采用伪随机傅里叶矩阵进行观测并加权融合其观测值; 接下来对融合后观测值采用CoSaMP优化算法迭代出融合后的Tetrolet系数, 并经Tetrolet重构得到融合后的灰度图像; 最后将灰度图像映射到RGB颜色空间获得最终的融合图像。 实验证明了本文算法的有效性。

提出了一种结合自编码网络(AN)流形学习和偏最小二乘(PLS)法的红外光谱建模方法AN-PLS。 AN-PLS方法首先用AN算法对红外光谱数据进行非线性降维, 再结合PLS建立回归模型。 利用该方法建立了毛竹笋中不溶性膳食纤维含量的近红外光谱和中红外光谱回归模型。 结果表明, 用AN-PLS方法建立的回归模型, 比用其他常用光谱数据预处理方法结合PLS及用单独PLS算法建立的模型具有更小的预测均方根误差RMSEP和更高的决定系数R2, 因此, AN-PLS具有较优的建模与预测能力, 利用近红外光谱和中红外光谱技术结合AN-PLS建模, 可实现毛竹笋中不溶性膳食纤维含量的准确测量。

采用近红外光谱技术对烟草中常规化学成分总糖、 还原糖、 烟碱、 总氮、 淀粉和挥发性碱进行测定。 利用正交信号校正法(OSC)对烟叶的近红外光谱进行预处理, 再使用主成分回归方法(PCR)建立烟叶中六种化学成分的定量分析模型, 采用蒙特卡洛交互验证作为集成的建模策略优化模型参数, 使用外部预测的相对预测性能(RPD)评价模型。 结果表明, OSC有效解决了PCR投影方向并非浓度相关性最大方向的问题, 同时解决了噪声、 基线漂移、 杂散光等问题。 OSC-PCR建立的模型能够有效检测烟草常规化学成分。 该研究方法通过确定化学值的波动范围初步监控烟叶中常规成分的含量, 对于烟草品质评价和控制质量稳定性以及烟草香气成分分析具有重要意义。

为了快速、 精确地从卷烟燃烧的主流烟气中求出氨的浓度信息, 设计了基于红外吸收的检测系统。 根据氨在中红外的特征吸收曲线, 系统通过10.4 μm中红外固定波长激光器对准最强吸收峰波长位置。 由红外探测阵列获取经被测主流烟气红外光的干涉条纹后, 结合光谱数据库及光谱分析算法, 由比尔朗伯定律求解主流烟气中的氨浓度。 标准光谱数据选自NIST光谱数据库, 结合对主流烟气中多种干扰气体的降噪处理, 最终完成氨浓度信息的实时显示。 实验采用UnicornTM固定波长激光器、 静态傅里叶变换干涉具、 标准抽吸引擎等, 对五个不同品牌的卷烟进行测试。 每个品牌随机抽取十支, 分别采用传统的离子色谱法和本系统进行实验。 结果显示, 本系统的氨浓度检测与标准值基本一致, 同时速度快、 抗干扰能力强。

采用中红外光声光谱, 对一起交通事故中当事人身上的污渍和当事货车上的尘土样本进行定性鉴定。 结果表明, 当事人左手肘部的污渍与身体其他部位的污渍明显不同, 但与当事货车右车身上的污尘具有高度的相似性, 表明当事人的左肘与当事货车的右车身发生了直接的碰擦, 这为交通事故的定责提供了直接依据; 因此, 红外光声光谱可为中微量物质的精细鉴定提供了新手段, 在物证分析中具有潜在的应用前景。

应用傅里叶变换红外光谱技术对还未表现症状的大白菜根肿病病样进行早期快速检测。 结果表明, 健康与染病的根部样品谱图存在一定差异, 染病的根部样品在红外光谱图中的1　227, 1　143和1　105　cm-1有很强的吸收峰, 而健康根部样品的谱图没有, 结合吸收峰的峰面积值变化, 可以对大白菜根肿病进行早期快速检测。 同时, 以聚合酶链式反应(PCR)进行检测加以佐证。 二者在接种5天后均可以检测到大白菜根部组织中的根肿菌。 这表明傅里叶变换红外光谱具有灵敏性高、 方便、 快速等优点, 可以在病害未显症时进行早期快速检测, 为植物病害的早期诊断提供了新的思路及方法。

对掺入不同含量大豆油和菜籽油的鱼油进行鱼油掺假含量的可见-近红外光谱(Vis-NIR)研究。 向3个不同品牌鱼油中分别掺入不同比例的大豆油, 另外3个不同品牌中分别掺入不同比例的菜籽油, 共获得300个样本。 对所采集样本的光谱数据分别采用原始光谱, 以及平滑, 变量标准化(SNV), 多元散射校正(MSC), 一阶求导和二阶求导等预处理算法进行处理后, 建立偏最小二乘回归(PLSR)模型。 基于全波段光谱的鱼油中大豆油和菜籽油掺假含量预测的最优模型分别为全波段PLSR模型和MSC-PLSR模型, 其预测相关系数(Rp)分别达到0.938 6和0.959 3。 进一步采用连续投影算法(SPA)分析鱼油中大豆油和菜籽油掺假样品的光谱, 并分别获得了11个和15个光谱特征波长变量。 基于特征变量的PLSR模型的Rp分别为0.941 2和0.932 6。 试验研究表明, 可以采用Vis-NIR技术实现对鱼油掺假物含量的检测。

为探究无损鉴别转基因大豆的可行性, 利用近红外光谱分析仪对大豆扫描得到反射光谱, 应用主成分分析结合BP神经网络方法进行分析鉴别。 首先应用主成分分析法, 得到包含大豆99.03%的光谱信息的6个主成分, 再将其作为BP神经网络的输入, 对应的大豆种类作为输出, 建立一个三层BP神经网络模型。 该模型对于转基因大豆的正确识别率为100%, 说明近红外光谱结合主成分分析和BP神经网络的方法能无损快速准确地鉴别转基因大豆。

通过拟合带鱼糜及其鱼糕制品的近红外漫反射光谱与建立近红外的定量模型, 用于带鱼糜及其鱼糕制品中磷酸盐含量的快速无损检测。 以定标集和验证集的相关系数(rC, rV)及标准误差(SEC, SEP)作为评价模型优劣的根据。 结果表明, 采用偏最小二乘法(PLS)所建立的模型效果最佳, 带鱼糜及其鱼糕制品的定标模型的相关系数分别为0.983和0.960, 预测标准误差分别为0.032和0.101; 验证集的相关系数分别为0.951和0.954, 预测标准误差分别为0.058和0.097。 利用近红外光谱技术快速无损测定带鱼糜及其鱼糕制品中的磷酸盐含量是可行的。

表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering, SERS)是通过吸附在粗糙金属表面或金属纳米结构上的分子与金属表面发生的等离子共振(SPR)相互作用而引起的拉曼散射增强现象, 是一种高灵敏的探测界面特性和分子间相互作用的光谱手段。 文章归纳总结了近年来常用的SERS衬底的制备方法(溶液中的金属溶胶(MNPs in suspension)、 金属纳米粒子的自组装(self-assembly)、 模板法(Template method)和纳米光刻法(Nanolithographic)等; 综述了这些衬底的表面增强拉曼特性; 着重介绍了SERS增强在环境监测和生物医学应用上的最新国内外研究动态。 目前已经能够实现增强因子高、 可靠性好、 重现性强的SERS衬底的可控制备, 表明SERS可以作为一种高性能的分析探测工具, 充分实现其潜在应用价值。

借用两种化学计量学分析方法——主成分分析方法(PCA)和判别分析方法(LDA), 进行联合运用, 分析了乳腺癌血清的表面增强拉曼光谱(SERS)。 首先从分子角度上讨论了蛋白质主侧链在乳腺癌血清中变化, 结果发现: 主链空间结构遭到破坏。 侧链的有序性下降、 糖质环境也发生了改变; 其次采用上述两种计量学的多元分析方法对18例临床确诊为乳腺癌患者和20例健康人的血清样本进行了表面增强拉曼光谱分析。 发现主成分分析方法对于样本区分未能达到80%, 进而再用判别分析法, 准确率达到100%, 所得结果令人满意。

利用金刚石压腔结合拉曼光谱分析技术, 研究了文石在18～388 ℃, 71～2 014 MPa, 以及方解石在19～351 ℃, 96～1 823 MPa条件下的拉曼光谱特征, 并得到文石和方解石的拉曼位移与温度、 压力三者之间的关系式。 研究结果表明, 文石和方解石的拉曼位移随温度压力的变化规律相似, 都随压力升高向高频移动, 除文石的704 cm-1外均随温度升高向低频移动。 二者的晶格振动νi/T值均大于［CO3］基团内振动的值, 说明CaO6八面体的热膨胀性大于［CO3］基团的热膨胀性。 二者的对称伸缩振动ν/T及ν/P值不同, 由于该振动拉曼位移和C—O键的键长有关, 方解石的C—O键的热膨胀性比文石小而可压缩性比文石大。 另外升温升压过程中文石和方解石可以相互转化, 伴随该过程发生的［CO3］基团旋转变形等动力学因素也可以造成二者νi/T和νi/P值差异。

系统测定了汶川地震断裂带深溪沟剖面断层泥中石英和方解石颗粒的拉曼谱峰。 测试结果表明, 受到断层滑动、 断裂带构造挤压应力作用, 所有样品的特征拉曼谱峰向高波数偏移。 所测样品中微裂隙发育、 与绿泥石等粘土矿物共生的石英颗粒的464 cm-1谱峰向高波数偏移量为2.50 cm-1, 而比较完整的纯净石英颗粒的464 cm-1谱峰偏移量为3.78 cm-1。 这可能是由于石英颗粒早期发育大量微裂隙, 并填充了松散的粘土矿物, 增加了石英颗粒的表面积, 从而加速了石英内应力的释放。 断层泥中方解石颗粒的1　085 cm-1谱峰向高波数偏移2.70 cm-1, 为汶川8.0级地震断层面所受构造压应力所致。 根据方解石颗粒拉曼谱峰的变化及已有的实验数据, 估计汶川地震发生时断层面所受压应力的下限为496 MPa。 研究表明, 对断裂带内矿物颗粒进行拉曼谱峰测试, 可以为推测断层活动时断层面所受到的力学机制提供依据。

拉曼光谱技术在肿瘤与正常细胞株的鉴别方面有着广泛的应用。 对一个已有的诊断模型进行可靠性验证是非常重要和有意义的工作。 采用两种不同的支持向量机分类算法对鼻咽癌和正常鼻咽细胞株的拉曼光谱进行分析和识别, 结果显示灵敏度和特异性均在90%以上, 并且与已知的相关线性判别分析结果一致。 结论表明, 两种支持向量机算法都能较好地对细胞株进行鉴别, 同时也表明拉曼光谱技术结合相关统计分类算法的方法可以实现对肿瘤细胞的准确鉴别, 这一结果将进一步证实拉曼光谱可以作为鼻咽癌诊断的一种方式。

利用傅里叶红外光谱和共聚焦显微拉曼光谱技术, 比较分析了大蒜主要功能活性成分前体蒜氨酸和甲基蒜氨酸粉末纯品的红外和拉曼谱。 在3　200～2　800 cm-1和1　700～200 cm-1波段检测到显著的红外和拉曼吸收峰, 其中蒜氨酸在3　080, 1　617, 1　582, 1　496, 1　418, 1　342, 1　301, 919 cm-1处有8个较强的红外吸收峰, 以及在3　088, 1　636, 1　404, 1　290, 1　051, 790, 745, 693, 588 cm-1处有9个较强的拉曼振动峰, 可作为蒜氨酸的特征峰; 甲基蒜氨酸在1　644, 1　481, 1　395, 1　370, 1　233, 1　068, 1　004, 892 cm-1处有8个较强的红外吸收峰, 以及在1　644, 1　310, 1　073, 1　011, 998, 893, 846, 702, 676 cm-1处有9个较强的拉曼振动峰, 可作为甲基蒜氨酸的特征峰。 蒜氨酸和同系物甲基蒜氨酸的红外及拉曼光谱具有明显差异, 红外及拉曼光谱技术为蒜氨酸及其同系物的快速、 简便的分析提供了方法。

为了寻求一种快速鉴别分析不同产地和陈化年限的普洱熟茶科学的方法, 本文采用表面增强拉曼散射光谱技术, 在600～1　800 cm-1的拉曼波段比较了云南三大普洱茶产地和四个不同陈化年限的普洱熟茶的拉曼光谱的异同点。 结果: 不同产地和陈化年限的普洱熟茶的拉曼光谱走势基本一致, 但是由于不同产地和陈化年限的普洱熟茶之间的化学成分存在着差异, 导致它们的拉曼光谱之间存在着明显的差别, 利用这些差别可以快速、 简便鉴别分析不同产地和陈化年限的普洱熟茶。

任意多边形的最大内圆的快速查找在多个领域有着重要的应用。 首先给出了任意多边形的Voronoi图的生成方法, 以及基于Voronoi图实现该多边形的最大内圆的寻找算法, 在此基础上分别采用中线简化及并行化处理对算法进行了效率方面的改进, 并重点研究了矢量数据并行化过程中的数据分配策略, 给出了其最优数据划分策略——算法复杂度均衡法。 最后对北美阿拉斯加地区的多个湖泊进行了最大内圆的查找实验, 相应的实验结果表明, 改进的方法能够很大程度地提高最大内圆的查找效率。

通过使用红外热像仪技术获得冬小麦冠层不同温度值, 计算得到冬小麦主要需水阶段水分胁迫指标ICWSI(infrared crop water stress index)。 并根据此数据, 使用一次灌溉周期中3个时段不同的ICWSI的平均值作为输入因子, 相应实测冬小麦产量作为输出因子, 建立了BP神经网络模型对冬小麦的产量进行预测, 本文采用三层BP神经网络, 其拓扑结构为3-5-1, 数据归一化处理后收敛性能增强。 预测结果显示, 平均相对误差最大只有3.42%; 为了证实这一方法的优越性, 同时建立了基于ICWSI和冬小麦产量关系的非线性函数的预测模型, 预测结果与实际产量值进行比较, 平均相对误差最大达到了18.87%。 两种预测方法得到的不同预测结果表明, 将红外热像仪技术与BP神经网络预测方法相结合, 可以成功用来预测冬小麦产量, 比使用非线性函数预测的效果更好, 精度更高, 可靠性更强, 可以用于实际生产需要。

使用FieldSpec 3(350～2 500 nm)光谱仪野外测得新疆富蕴地区季节性积雪光谱, 与冰对比得出了该地区典型季节性积雪光谱特征, 并分析了太阳高度角、 坡度、 雪深、 污染物浓度对积雪光谱的影响。 研究结果表明: 积雪反射率在可见光波段较高, 随波长的增加逐渐减小; 随着太阳高度角的增大积雪反射率逐渐降低, 且在1 090和1 300 nm对太阳高度角的变化敏感; 坡度的存在使积雪反射率大幅上升; 在一定深度范围内, 积雪反射率随雪深的增加而增大, 在400～500和1 250～1 320 nm, 反射率对雪深变化敏感; 随着污染物的增加, 积雪反射率在可见光波段明显下降, 且波峰波谷趋于平缓。 季节性积雪的光谱测量和分析工作对于积雪参数的监测和反演具有重要意义。

雅鲁藏布江源区的草地退化监测研究对于揭示全球变化影响下的区域生态系统响应特征、 探讨其驱动因子及评价西藏高寒生态环境质量具有重要意义。 基于高寒草甸、 高寒草原和荒漠等不同类型和不同退化程度草地的地面实测数据, 对雅鲁藏布江源区高寒草地的典型植物光谱特征和草地退化过程中的光谱响应变化进行了分析。 结果表明作为高寒沼泽草甸、 高寒草甸、 高寒草原和高寒灌丛等类型的典型优势种藏北嵩草、 小嵩草、 紫花针茅和金露梅具有明显的光谱特征差异, 主要体现在红边位置、 红边形状、 红谷和纤维素吸收波段处, 与植物的生长形态和枯叶鞘固有特性密切相关。 在草地退化过程中, 光谱反射率整体上持续降低, 叶绿素吸收造成的“红谷”特征弱化, 近红外水分吸收谷变弱, 土壤背景光谱特征渐渐凸显。 通过对比常见的植被指数, 发现那些能够充分描述植物红边或者叶绿素吸收特征的指数具有更高的可分性, 表明可能对草地退化具有更好的表征能力, 为西藏高寒草地退化遥感监测提供了参考依据。

提出了应用光谱和纹理特征的高光谱成像技术早期检测番茄叶片早疫病的方法。 利用高光谱图像采集系统获取380～1 030 nm范围内71个染病和88个健康番茄叶片的高光谱图像, 同时采用主成分分析法(PCA)对高光谱图像进行处理。 选取染病和健康叶片感兴趣区域(region of interest, ROI)的光谱反射率值, 同时分别从前8个主成分的每幅主成分图像的ROI中提取对比度(Contrast)、 相关性(Correlation)、 熵(Entropy)和同质性(Homogeneity)4个灰度共生矩阵的纹理特征值, 再通过PCA和连续投影算法(SPA)结合最小二乘支持向量机(LS-SVM)构建番茄叶片早疫病的早期鉴别模型。 建立的6个模型中, 采用光谱反射率值的LS-SVM模型对番茄叶片早疫病的识别率最高, 达到100%。 结果表明, 应用高光谱成像技术检测番茄叶片早疫病是可行的。

小麦条锈病和白粉病作为我国麦区两种重要病害, 在田间常同时发生, 为病害防治管理带来困难。 基于实验测试获得白粉病、 条锈病叶片光谱数据, 探讨采用光谱分析对两种病害进行区分识别及严重度监测的可行性。 通过相关分析和独立T检验, 筛选出对白粉病和条锈病敏感度差异较显著的波段及光谱特征, 包括665～684, 718～726 nm等6个波段范围, 以及DEP550-770, SIWSI等11个光谱特征。 基于这些波段和特征, 采用FLDA构建病害判别模型; 借助PLSR分析构建病情严重度反演模型。 研究结果表明, 筛选得到的反射率波段和光谱特征能够较好地区分两种病害, 判别模型总体精度达到80%以上, 准确度较高。 其中, 染病比率超过20%的病叶区分和识别精度可达95%。 同时, 分别基于两种病害敏感光谱特征构建的病情严重度反演模型能够较好地估测病情严重度, 两种病害估测均方根误差均低于15%。 上述叶片尺度小麦白粉病和条锈病区分和严重度反演模型为进一步研究两种病害冠层尺度的区分和监测提供基础。

偏振三维荧光(PEEM)结合了偏振技术和三维荧光(EEM)的优点, 对于完整获取分子荧光特性能提供重要信息, 具有更高的选择性、 准确性及灵敏度。 运用PEEM进一步探讨了高铁酸钾对苯并［a］芘的降解过程, 并分别从该降解体系反应过程中的偏振度和PEEM特征变化, 深入揭示了高铁酸钾对苯并［a］芘的降解规律. 结果显示, t=15 s, 苯并［a］芘的降解率约60%, t=40 s,降解率达90%. 偏振度(P)更清晰反映了苯并［a］芘的难降解特性. 通过对高铁酸钾-苯并［a］芘体系降解的时间偏振曲线拟合, 获得了一级反应动力学方程: y=0.277x－0.004(r=－93.90%)。 以上研究结果与前期研究中应用EEM所获得的结果一致, 为研究高铁酸钾降解其他污染物反应过程, 机理提供了十分有益的方法选择的参考。

采用平行因子法(PARAFAC法)对太湖水样溶解性有机质(DOM)三维荧光光谱进行解析。 通过比较因子数分别为3, 4和5时, PARAFAC模型的核一致函数、 激发和发射光谱误差平方和、 各水样模拟的三维荧光光谱和残差谱图等情况, 选择因子数为3作为太湖水样DOM三维荧光光谱PARAFAC模型的最佳因子数。 太湖水样DOM的3类主要荧光组分分别是类腐殖质荧光物质、 类色氨酸荧光物质、 类酪氨酸荧光物质。

提出了一种应用三维荧光谱技术结合化学计量学方法快速无损鉴别蜂蜜中大米糖浆掺假的新方法。 利用特征参量法和主成分分析法对三维荧光光谱信息量进行压缩提取, 并结合线性判别分析法(LDA)和误差反向传播神经网络法(BP-ANN)对蜂蜜掺假进行分析。 结果显示, 在掺假蜂蜜判别试验中, 采用4个主成分时, 模型对预测集样本的识别率最佳, LDA模型识别率为94.44%, BP-ANN模型识别率为100%, 说明非线性的BP-ANN模型更适合蜂蜜掺假识别。 研究表明, 三维荧光光谱结合BP-ANN判别模型可以快速、 无损、 准确地鉴别蜂蜜中大米糖浆掺假。

应用RGB-3B型热释光仪和BG2003释光谱仪对一种正长石矿物的热释光和选频释光发光曲线进行测定, 获得正长石的释光特性。 研究表明: 天然正长石的三个热释光峰峰温为148, 197, 310 ℃, 辐照一定剂量后, 出现197 ℃和263 ℃两个稳定的热释光峰。 正长石的峰位温度随着增温速率的减小, 向左移动。 选频热释光290, 300, 310, 340, 400, 480 nm存在释光响应, 选频绿光释光280, 290, 300, 310, 320, 400, 460, 480 nm存在释光响应, 400 nm频道的光子计数随剂量的变化具有一定的线性关系, 具有辐射剂量计的特性, 具备释光测年的应用潜力。

为了在解决墨量超限问题的同时实现喷墨打印设备色彩再现色域的最大化, 提出了一种基于多维非线性插值的墨量限制方法。 以四类不同介质的墨水组合为研究对象, 以特殊设计的墨量评判样本墨层铺展情况为判断依据, 确定最大色域样本集, 并利用分光光度计测量获取各样本在380～730 nm波段的光谱反射率信息。 通过主成分分析法对光谱数据进行降维处理, 结合凸包算法, 实现设备最大色域的数学建模表达及可视化分析。 实验结果表明, 本文提出的墨量限制算法, 在解决喷墨打印墨量超限问题的同时, 其光谱、 色度及设备色空间的最大色域覆盖率皆大于95%, 说明此方法在高保真色彩复制的墨量限制环节具有较为理想的表现。

采用新型的热化学还原法, 制备了银纳米颗粒掺杂的铋酸盐复合玻璃材料。 利用紫外-可见吸收光谱观察到了银纳米颗粒表面等离子谐振(SPR)吸收的峰值位移特性, 用拉曼光谱表征了引入银纳米颗粒后玻璃的结构变化。 借助飞秒激光脉冲激发下的Z扫描与光克尔闸技术, 在近红外波段下研究了材料的三阶非线性光学特性。 研究结果表明银纳米颗粒铋酸盐复合材料有着亚皮秒级的非线性响应时间, 并且其非线性折射率γ在纳米颗粒的热电子效应以及局部场效应的影响下, 较基质玻璃最高可以提升29倍。

端元光谱提取是高光谱影像混合像元分解的关键。 现有的端元提取方法多是仅利用了影像的光谱信息, 忽略了像元间的空间相关性。 现有研究基础上, 提出了一种结合影像空间和光谱信息的高光谱影像端元光谱自动提取方法(integration of spatial-spectral information based endmember extraction, ISEE)。 该方法首先进行影像子空间划分以增强影像局部的光谱信息特征, 然后通过特征空间投影分析获得影像候选端元, 最后依次在影像空间信息约束下和端元光谱信息约束下进行优化, 得到最终的影像端元光谱集。 仿真高光谱影像和真实高光谱影像的实验结果表明, 结合影像空间和光谱信息的ISEE方法是有效的, 且比一些常用方法提取的端元光谱更为准确。

针对非结构化背景探测器中背景协方差矩阵估计的局限性, 提出了一种基于面向对象分析的高光谱小目标探测算法。 首先对图像进行自适应迭代分割处理, 将其划分为许多均质对象; 然后进行正态最优分布选取, 利用多元正态无偏检验选取最佳对象集; 最后将此数据集合作为局部背景并结合GLR基准算法进行目标探测。 该算法可以使局部背景最大化的服从正态分布, 有效地将背景光谱信息和目标光谱信息分离开来, 同时通过最优选取过程克服了目标信息“污染”问题。 为了验证算法的有效性, 利用真实的OMIS数据进行仿真实验, 并与非结构化背景探测器GLR和基于K-Means聚类的改进GLR算法的检测结果比较, 结果表明提出的算法具有良好的探测性能和较低的虚警概率。

以新疆渭干河-库车河三角洲绿洲不同盐渍化程度的土壤为研究对象, 以电磁感应仪(EM38)测得的盐渍土电导率数据和ASD Field Specpro FR光谱仪测得的盐渍土高光谱数据为基础数据源。 对利用Savitzky-Golay滤波进行平滑去噪后所得的光谱曲线进行均方根、 对数、 倒数、 倒数的对数、 连续统去除、 一阶微分等11种光谱变换, 并从中选取土壤光谱波长与基于EM38建立的土壤盐分解译模型, 所解译出的土壤盐分数据相关性最好的变换形式及响应波段进行SI, BI和NDSI等5种盐分指数的计算, 通过精度检验选取最优高光谱指数, 以此建立区域土壤盐渍化监测模型。 结果表明: 以一阶微分变换后的土壤光谱反射率456, 686和1 373 nm的波段组合作为最佳敏感波段所构建的SI2高光谱指数与EM38数据相结合建立的土壤盐渍化监测模型为最优模型; 与传统的遥感方法中单纯利用盐分指数所建立的监测模型相比, 基于高光谱指数和EM38数据所建立的土壤盐渍化监测模型的预测精度更高, 该模型的建立为进一步提高土壤盐渍化的监测和预测精度的研究提供参考借鉴。

光进入水体中, 经反射、 散射和吸收后, 出射的偏振光与水体的物理、 化学特性密切相关, 能够反映水体成分浓度的变化, 可以作为高光谱遥感的有益补充, 有利于动态定量监测湖泊复杂水体成分的变化。 研究工作以巢湖为例, 利用水面高光谱偏振多角度测量数据, 在偏振光学理论和生物光学模型的基础上, 建立了湖泊水体叶绿素三波段偏振高光谱半分析模型, 并对模型进行检验。 结果显示, 偏振高光谱三波段组合与叶绿素浓度拟合的相关系数为0.844, 均方根误差5.14 μg·L-1, 平均相对误差31.44%, 比传统的三波段辐射强度模型分别提高了4.1%, 2.05 μg·L-1和5.46%, 表明三波段偏振半分析模型对叶绿素a浓度具有较强的预测能力, 体现出运用偏振高光谱信息监测湖泊水质的优势。

精确的光谱表征是遥感专题地物信息提取的重要前提。 针对不同水体光谱之间特征差异性, 给水体信息全局光谱表征带来不确定性, 提出了基于局部端元光谱表征的各类水体自适应提取方法。 首先通过全局光谱指数计算实现水体的初步识别; 然后, 建立局部专题地物目标区, 进行PPI计算提取局部水体端元; 第三, 通过计算局部区域内水体端元光谱相似度, 统计光谱相似度直方图; 最后, 分析直方图分布特征, 选择初始分割阈值, 通过逐步迭代自动调整阈值达到最佳阈值选择, 实现局部水体单元的自适应高精度提取。 通过不同类型湖泊水体提取实验表明, 该方法要优于传统的全局水体光谱指数阈值分割法, 能够准确、 自动地提取遥感影像上水体分布信息, 几乎不受水体光谱特征差异的影响。

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC, 2007)指出, 伴随着全球变暖, 氮沉降的现象也日益加剧。 通过野外控制实验, 使用红外辐射器增温(+2　℃)和人工添加NH4NO3(+10 g N·m-2·a-1), 模拟未来气候变暖与氮沉降状态, 设计对照(CK)、 增温(IR)、 施氮(N)、 增温施氮(IRN)四种处理, 结合ICP-AES法研究气候变暖与氮沉降对传统蒙药材——阿给12种必需元素在生殖(营养)部位中分配的影响。 结果表明: 增温与施氮处理改变阿给对必需元素的吸收与分配。 增温条件下12种元素含量虽有波动, 但基本上呈现出负效应大于正效应的趋势。 施氮处理明显改善磷、 锰的吸收。 同时, 增温与施氮处理之间的交互作用不显著。 生殖枝与营养枝之间, 只有氮、 钾、 钙、 镁四种元素表现出显著性差异。

为了给我国高纯石英技术发展提供测试分析技术支撑, 以自主研制成功的4N高纯石英为实验样品, 对高纯石英质量的ICP检测分析方法进行深入研究, 结果表明: 由于试样重量、 试剂组合、 试剂用量、 试剂纯度等因素都能够明显地影响ICP检测效果, 因此高纯石英质量ICP检测技术的关键在于试样消解和溶矿条件的严格控制, 其优化条件是: 高纯石英试样重量≥2　000 mg; 试剂纯度为高纯级(MOS或BV-Ⅲ), 试剂组合为HF+HNO3; HF用量为25 mL; 浓HNO3分3次使用, 总用量≥5 mL。 另外, 为了避免铁质污染, 不能使用钢筛筛分和制备样品; 高纯石英的消解和溶矿若能在超净实验室条件下进行, 对减少检测误差可能是有利的。

首次制备了Fe(Ⅲ)改性修饰的海藻酸钠微球作为固相微萃取材料, 用该微球装载的微柱能够在不同形态砷化物共存时选择性富集水样中As(Ⅴ)。 结合氢化物发生-原子荧光光谱法, 可以实现实际水体样中无机As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的形态分析。 具体过程为: (1)以0.1 mol·L-1柠檬酸为介质, 在填充柱后流出液中选择性测定As(Ⅲ); (2)以20 g·L-1硫脲-10 g·L-1抗坏血酸溶液为预还原剂, 5%盐酸为介质, 测定不经过微萃取柱分离的原始水体样品中无机总砷(As(Ⅲ)和As(Ⅴ)), 然后以差减法计算As(Ⅴ)的量。 Fe(Ⅲ)改性海藻酸钠微球制备过程简便, 成本低廉、 绿色环保, 相应基于Fe(Ⅲ) 改性海藻酸钠微球微萃取过程的砷形态分离分析微萃取柱及其光谱联用技术, 可以有效、 快速地测定自然水体中As(Ⅲ)和As(Ⅴ), 具有实际意义。

基于牛血清白蛋白(BSA)在碱性介质中对luminol-H2O2体系化学发光的增敏作用, 结合流动注射化学发光技术提出了一种快速、 灵敏检测BSA的新方法。 在优化条件下, 检测BSA的线性范围为2.5×10-9～1.0×10-6 mol·L-1, 检出限为5.8×10-10 mol·L-1, 样品检测速率达112个·h-1。 对1.0×10-7 mol·L-1 BSA溶液重复测定11次, 相对标准偏差RSD为0.8%。 该方法已成功应用于实际样品牛血清中BSA含量的测定。 结合化学发光光谱和紫外可见吸收光谱, 对luminol-H2O2-BSA体系可能的反应机理进行了探讨。

采用扫描电子显微镜(SEM)、 X射线荧光光谱(XRF)、 X射线衍射(XRD)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR) 等手段对西北典型旱作农田黄土样品进行表征, Tessier连续提取法分析黄土Pb的赋存形态及含量。 结果发现: 黄土样品比表面积较大 (291 m2·g-1), 粉粒土壤占到80.87%的比例。 黄土表面轮廓清晰, 可见颗粒聚集形成叠片状结构, 晶片厚约3～5 μm。 黄土矿物相主要为石英和钾云母, 同时含有少量钾长石和蛇纹石等。 FTIR图谱表明高岭石和方解石也是构成黄土样品的重要组分, 但有机质的特征峰不明显, 说明土样中有机质含量较低。 Tessier连续提取法表明: 土样中Pb全量比陕西省和全国土壤Pb的平均含量要高, 其中残渣态Pb占Pb全量的64.04%。 黄土指纹图谱的鉴定可以为后续污染土壤修复研究提供参考。

通过人工神经网络的方法基于Lick线指数, 来进行大气物理参数的测量, 对Kurucz的合成光谱进行预处理以适应最后LAMOST光谱数据的要求, 以Lick线指数与对应的大气物理参数为输入, 用人工神经网络进行训练, 得到训练模型通过DR8光谱数据进行测试, 通过调整人工神经网络的相关参数来使实验效果达到最佳。 结果证明, 通过线指数人工神经网络的方法来进行大气物理参数的测量是可行的。

以宽光谱范围、 高分辨率的中阶梯光栅光谱仪为研制目标, 介绍了中阶梯光栅的色散特性, 阐述了基于它的交叉色散原理, 提出了分辨率优先的中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路设计方法, 包括高分辨率的主色散光路设计、 分辨叠级的辅助色散光路设计, 及主-辅色散光路联合校验三个递进的环节, 并结合商用光谱仪进行了实例设计, 仿真和实验表明, 当光谱范围为400~900 nm时, 该分光系统在Hg灯546 nm处的分辨率可达51 000, 在Na光589 nm处的分辨率为44 000。

在能量色散X荧光分析技术中, 常用基本参数法、 经验系数法、 人工神经网络等方法建立计数率和元素含量之间的物理模型, 此外, GMDH(group method of data handing)作为一种新型的处理复杂非线性问题的方法, 被大量理论和实验证明优于大部分的计算统计方法。 GMDH是一种自组织学习的前馈型网络, 自动筛选并在训练过程中确定其结构, 对GMDH进行改进并对结果进行定量预测, 参考值与预测值的相对误差在5%以内, 方法简洁、 合理、 可靠。

基于SIA顺序注射法以及分光光度原理研制了海水硝酸盐/亚硝酸盐原位快速测量仪。 对最佳不完全显色反应时间以及硝酸盐镉铜柱还原速度进行了实验优化筛选, 采用液芯波导替代比色皿作为样品池, 在实现原位快速测量(测量时间可短至4　min)的同时也大大减少了样品量, 缩小了仪器体积、 重量, 降低了仪器功耗, 提高其灵敏度(nmol·L-1), 使其更适于原位测量。 仪器具有良好的通用性和可扩展性, 稍作调整, 即可用于不同海域各种营养要素的剖面及定点测量。

研制了可用于大型爆炸现场的、 测量爆炸火焰真温的多光谱温度计(量程为800~3 500 ℃, 波长范围为0.6~1.1 μm)。 测量原理进一步改进, 加入亮温逼近法解决了二次测量法初值选取困难的问题, 并应用此高温计在空旷场地对3 kg TNT炸药爆炸的全过程进行测量。 通过实验结果的分析可知, 此高温计可以测量爆炸火焰真温变化全过程, 对波阵面瞬时温度与燃烧火球温度的测量均具有很好的效果。 同时, 分析了影响此高温计测量精度的各个因素, 得出目前制约多光谱高温计测量精度提高的主要因素仍然为真温算法及标定方法的误差, 这为今后研制高精度高温计明确了方向。

两种多光谱高温计无源温区标定方法, 即依据图形相似性原理的标定方法和依据高温计传递函数的标定方法。 为验证两种方法的实用性, 通过对黑体辐射出度加入不同大小的随机误差模拟不同测量精度的多光谱高温测量系统, 对这两种方法的抗干扰能力进行了研究。 实验结果证明, 依据图形相似原理的标定方法具有强抗随机误差能力, 适用于随机误差较大的测量系统。 当随机误差很小时, 其精度低于依据传递函数的标定方法, 但当随机误差增加到一定范围, 其精度远高于后者。 基于高温计传递函数的标定方法虽在一定的随机误差范围内具有高的外推标定精度, 但抗随机误差能力较弱, 适用于随机误差小的测量系统。