为了研究辅助侧吹氩气对光纤激光修锐青铜结合剂金刚石砂轮等离子体的影响, 利用高速摄像机拍摄不同侧吹工艺参数下等离子体空间膨胀形态, 结果表明: 氩气降低了等离子体的膨胀高度, 随着压力增加, 等离子体的膨胀距离减小, 等离子抑制作用增强。 利用光谱仪研究了等离子体发射光谱在砂轮径向上的最大值随氩气压力的变化情况, 并根据Boltzmann斜线法和Stark展宽法, 计算不同氩气压力下等离子体在砂轮径向上电子温度和电子数密度的最大值, 结果表明: 气体压力增大, 等离子体光谱线强度先增大后减小, 等离子体光谱线强度在0.2 MPa时达到峰值, 较大的氩气压力明显降低等离子体电子温度和电子数密度, 从而减小对砂轮表面形貌的影响。 利用超景深三维扫描仪观测添加侧吹气体前后砂轮表面形貌, 结果表明: 0.5 MPa侧吹氩气后, 砂轮表面形貌质量明显优于未添加侧吹气体时。

波谱吸收特征一般和物质成分具有密切联系, 其中描述波谱吸收特征的参数——波谱吸收深度可以作为一种定量评估样品化学组成的参数。 波谱吸收特征及化学特征之间的相关性研究已经在土壤学、 矿物学及植被科学等领域得到了证实, 但是针对稀土元素及其化学特征之间的相关性研究目前还未开展相关工作。 为开展此方面的研究, 针对赣南稀土矿区采集的10个不同浓度的稀土溶液样品, 运用便携式地物波谱仪和等离子质谱仪分别获取了其波谱特征和稀土总浓度, 研究结果表明稀土溶液呈现出水体和稀土氧化物的混合波谱特性, 在可见光-近红外波段有6个明显的稀土特征吸收谷。 针对这6个特征吸收谷, 运用原始波谱与纯水波谱比值的方法计算得出的波谱吸收深度和稀土总浓度进行线性回归分析, 表明两者高度线性相关, 由此建立了稀土浓度定量评估模型。 这一研究提供了一种间接评估溶液中稀土浓度的新方法, 并且为稀土元素高光谱信息提取研究提供了理论基础。

采用离子束溅射（IBS）方法制备了HfO2和Ta2O5两种金属氧化物薄膜, 通过测量薄膜的椭偏参数, 使用非线性最小二乘法反演计算获得薄膜的光学常数。 在拟合过程中, 采用L8（27）正交表设计了8组反演计算实验, 在初始选定Cauchy模型后, 对HfO2薄膜拟合影响最大的为表面层模型, 对Ta2O5薄膜拟合影响最大的为折射率梯度模型。 确定了不同物理模型对拟合函数MSE的影响权重和拟合过程中模型选择的次序, 按照确定的模型选择次序拟合, 最后加入弱吸收模型反演计算两种薄膜的光学常数, 反演计算的MSE相对初始MSE可下降79%和39%, 表明拟合过程模型选择物理意义明确, 具有广泛的应用价值。 在500 nm处, Ta2O5薄膜的折射率梯度大于HfO2薄膜, 而HfO2薄膜消光系数大于Ta2O5薄膜。 表明Hf金属与Ta金属相比容易氧化形成稳定的氧化物, HfO2薄膜的吸收要高于Ta2O5薄膜。

气体熔池耦合活性TIG焊接方法是一种新型的活性焊接方法, 该方法采用内外两层气体进行TIG焊, 内层惰性气体保护熔池金属和钨电极, 外层气体引入活性元素O, 使焊缝熔深增加, 并通过调节内外喷嘴的相对位置, 简单方便地调节外层活性气体与熔池表面的耦合度, 实现对焊缝成形和焊缝性能的控制。 外层气体的引入对焊接电弧有着重要的影响, 因此针对气体熔池耦合活性TIG电弧, 采用Boltzmann作图法分析了外层气体为O2时不同耦合度下电弧等离子体的温度分布, 在此基础上研究了电弧电压和电弧形貌的变化规律。 结果表明, 与普通TIG电弧对比, 气体熔池耦合活性TIG焊时, 外层气体引入氧可使电弧略有收缩, 电弧中心温度升高, 同时电弧电压上升; 与内外层气体都为Ar的情况相比, 外层采用O2对电弧的收缩作用更明显。 当耦合度从0增加到2时, 电弧中心温度和电弧电压都略有上升。 在气体熔池耦合活性TIG焊中电弧收缩不明显, 进行不锈钢焊接时熔深显著增加的主要机理不是电弧收缩。

激光电弧复合焊中, 热源间距会影响到等离子体物理特性, 进而影响到焊接过程的稳定性及焊接质量。 基于Boltzmann作图法和Stark展宽法研究了不同热源间距下的激光-脉冲GMAW复合焊峰值阶段的温度场和电子密度分布, 并结合高速摄影手段分析了热源间距对温度和电子密度的影响规律。 光谱诊断结果表明, 随着热源间距的增大, 激光等离子体的温度和电子密度都没有明显的变化; 电弧温度出现下降, 电弧电子密度则呈现先增高后降低的趋势。

表面等离子体共振（SPR）光学传感器能实现生物医学的快速、 无标记、 高精度检测, 是生物化学分析的重要方法。 研制了基于波长调制型的Kretschmann结构表面等离子体共振（SPR）生物传感系统, 研究了在体溶液传感方式下的传感性能。 利用不同浓度的乙醇和乙二醇溶液进行体溶液传感测试。 实验结果表明, 在折射率低时共振波长对折射率变化响应的灵敏度低, 但响应的线性度高; 随着折射率增大, 共振波长对折射率的响应变化的灵敏度提高。 在1.407 0～1.430 RIU折射率范围内, 灵敏度高达11 487 nm·RIU-1。 传感器的共振波长的稳定性为0.213 8 nm, 可分辨最小折射率趋近10-6 RIU。 所研制的波长调制型表面等离子共振传感器操作简单、 灵敏度高、 检测范围大, 可实现浓度极低生物标记物的有效检测, 在化学、 生物传感领域有重要的应用。

为了研究微波液相放电等离子体的基本物理现象和放电特性, 为微波液相放电技术奠定一定的理论基础, 利用发射光谱仪对水中微波液相放电及放电中产生的活性粒子进行了检测, 同时对微波液相放电光谱数据统计方法进行了研究。 利用发射光谱仪结合数控摄像机对微波液相放电过程中起始放电和稳定放电两个过程进行了同步检测拍摄。 实验结果发现: 微波液相等离子体发射光谱强度波动较大, 光谱强度可以用10个光谱数据点进行平均计算; 放电的强度在一定程度上可以由等离子体区域面积所反映, 尽管如此, 等离子体区域面积和羟基自由基发射光谱强度的变化梯度并不一致, 这主要是因为在放电过程中, 放电强度不仅体现在等离子体区域面积, 同时也与等离子体区域的亮度有关。

针对准连续激光调制吸收光谱谐波信号的解调, 设计了一种专用的准连续软件锁相放大器, 对采集的数据做有效性判断、 无效数据滤除、 数字相敏检测、 数字滤波等处理, 实现了准连续激光调制吸收光谱的谐波信号解调。 构建气体检测实验系统, 对准连续软件锁相放大器和商品化的高性能锁相放大器进行了对比实验, 结果表明, 使用准连续软件锁相放大器的Allan方差比后者小1个数量级、 检测限低2倍。 并能够解决小占空比时的信号失锁问题, 具有小的信号波形失真。

首次将超长光纤环形激光器的光放大应用于布里渊光时域分析(BOTDA)传感系统, 以延伸传感距离。 通过对布里渊泵浦消耗、 拉曼泵浦相对强度噪声（RIN）转移的抑制及拉曼泵浦功率分布的优化, 基于对布里渊增益谱分析的原理在94 km的传感距离上实现了3 m空间分辨率, 以及全程28 με/1.4 ℃应变/温度精度。

美洲山核桃是美国最重要的坚果之一, 内部虫害是影响山核桃质量的重要因素。 为了实现美洲山核桃内部虫害的有效快速、 无损检测, 初步探索应用太赫兹光谱技术检测山核桃虫害研究。 收集山核桃样本并制作核桃仁1, 2, 3 mm均匀厚度的切片, 切片大小为2 cm×1 cm, 按照同样的尺寸制作核桃壳和核桃仁中间夹层的切片; 利用太赫兹时域光谱设备采集不同切片0～2THz波段的太赫兹吸收光谱, 并对比分析了所测切片的光谱特性; 采集了活体烟草天蛾切片和干燥的山核桃虫害切片的太赫兹时域光谱, 由于活体害虫的较高含水量以及太赫兹光谱对水分等极性分子的强吸收特性, 与山核桃切片对比发现, 活体虫害呈现非常明显的光谱吸收特性; 最后, 对整个山核桃样本进行了无损透射试验。 研究表明, 太赫兹光谱技术在检测山核桃内部虫害方面具有较好的应用潜力, 为进一步认识太赫兹光谱性质, 掌握样品制备方法、 实验测试方法和数据获取及光学参数计算方法, 应用太赫兹光谱技术开展山核桃内部虫害快速无损检测提供参考。

依据β-环糊精的分子空腔容纳性质, 利用饱和水溶液法制备出阿维菌素-β-环糊精包合物, 利用高效液相色谱法测定其包封率。 结合红外光谱谱图说明了阿维菌素-β-环糊精包合物的形成; 分析了阿维菌素光解所产生的化学结构变化; 研究了所形成的包合物增强阿维菌素化学结构光稳定性的效应。 结果表明: 阿维菌素-β-环糊精包合物的包封率为40.5%; 从红外光谱谱图分析, 说明阿维菌素-β-环糊精包合物形成了分子间氢键, 组合效应与其物理混合物有区别。 阿维菌素B1a分子大环内酯结构可以被光分解破坏, 分解后大环内酯结构中的C—O—C结构红外伸缩振动峰消失, 内酯键发生明显断裂。 形成阿维菌素-β-环糊精包合物后, β-环糊精起包合作用的分子位点覆盖了阿维菌素B1a分子大环内酯结构, 为阿维菌素B1a分子大环内酯结构中的C—O—C结构提供良好的避光保护作用, 提高了阿维菌素B1a分子的光稳定性。 本实验的创新之处在于对所制备的阿维菌素-β-环糊精包合物的结构和特性从红外光谱角度进行了分析, 此类包合物可望作为理想的阿维菌素保护型控释制剂中间体。

采用紫外-可见（UV-Vis）反射光谱对天然与改色处理的金色海水养殖珍珠进行了谱图对比性研究, 并进一步探究了上述天然与经改色处理金珠中外层的珍珠层及内核中文石型碳酸钙的ν3, ν1, ν2和ν4特征吸收峰位的频率改变特征。 结果表明: (1)基于金珠样品的UV-Vis反射谱图的测试, 天然金珠样品由于表面微结构的差异, 同一颗天然金珠的UV-Vis反射光谱存在一定的差异性。 同时, 依据改色处理金珠的UV-Vis反射谱图的吸收峰的峰位及其谱图特征, 首次将目前较常见的改色处理金珠归纳为四类。 (2)天然的或者经改色处理的金珠的外层珍珠层中的文石ν2振动频率相对内核中文石的ν2振动频率而言, 前者出现明显的蓝移特征。 但两者中文石的ν3, ν1, ν4振动频率则表现出一致性, 且与合成文石的相关谱带频率一致。 此外, 天然与改色处理的金珠珍珠层中文石的红外特征吸收峰峰位一致, 结果表明改色处理工艺对珍珠层中文石的晶体结构无直接影响。

借助密度泛函理论采用B3LYP/6-31G(d)方法对209种多溴联苯醚（PBDEs）同系物进行了结构优化和频率计算, 利用已知的PBDEs结构和频率参数值对计算结果进行验证, 平均模拟系数为0.989。 在此基础上, 选取苯环上只有H原子或Br取代基且红外光谱各振动形式间干扰较少的二苯醚和BDE-209为代表, 分别对PBDEs的苯环振动和C—Br振动进行归属。研究发现苯环三角呼吸振动具有普遍性、 强振动性和可区分性, 而红外光谱中C—Br振动常与其他振动形式相耦合不易区分, 故选取苯环三角呼吸振动作为PBDEs同系物的特征振动, 以分析其振动频率与溴取代基之间的规律。 研究结果表明: 邻对位取代基可显著提高苯环三角呼吸振动频率, 间位取代基作用相反; 低溴代物中邻位取代基越多特征振动频率越高, 而高溴代物中同时存在邻对位取代基的同系物频率较高; 取代类型相同时, 位于同一苯环取代基数越多的同系物振动频率较高。 利用SVM回归模型对溴取代基与苯环三角呼吸振动频率间变化规律进行模拟, 所建模型的模拟效率系数为0.956, 说明所建分析方法可为红外光谱检测和辨别PBDEs同系物提供一定的理论基础。

环草石斛Dendrobium loddigesii Rolfe是中药石斛的源植物之一, 以茎入药, 具有滋阴清热、 益胃生津的功效。 本文采用红外光谱法对不同产地、 不同采收期的环草石斛分别进行分析比较。 结果显示, 不同产地环草石斛红外光谱中, 1 035, 1 051, 1 078, 1 156, 1 500, 1 511, 1 736 cm-1等附近峰的相对峰强皆有显著差异, 表明不同产地环草石斛的多糖、 酮、 酯类等成分的组成和含量有明显差异。 在二维相关红外光谱中, 越南、 云南、 广西、 贵州的环草石斛分别有7, 8, 8, 9个自动峰, 且广西环草石斛的最强峰在1 220 cm-1附近, 不同于其他三个产地样品（980 cm-1）。 不同采收期环草石斛的红外光谱中, 1 034～1 023 cm-1主强峰的波数, (1 617±4)cm-1 次强峰的波数以及1 078（1 076, 1 079）cm-1峰的有无, 皆随季节呈现出明显的阶段性变化, 显示了环草石斛生长过程中所含多糖、 酮类等成分积累的阶段性变化规律。 应用红外光谱法能较好把握环草石斛的生长状况, 帮助全面了解其成分组成与含量变化, 对环草石斛的合理开发与高效利用有重要意义。

药品是直接关系到每一个公民身体健康与生命安危的特殊商品, 其生命周期内的每一个环节都需要进行严密的质量监控。 近红外光谱分析技术由于快速、 非破坏性和无污染等特点, 十分适合于流通领域药品的质量监测。 因此, 将我国1997年以来, 应用近红外技术进行药品终产物快速分析的文献进行了总结、 整理, 从分析对象、 分析方法和分析仪器等方面综述了该领域的研究进展, 并阐述了亟待解决的问题和发展前景。

表面羟基是TiO2表面性质的一个重要组成部分, 是TiO2光催化活性的一个重要影响因素。 在光催化反应过程中, TiO2的表面羟基不仅能够与光生空穴反应生成羟基自由基（OH·）, 而且还可能成为有机物的吸附中心而改变反应物的吸附形态并影响反应物分子的催化反应, 因此, 研究TiO2的表面羟基有助于更深刻理解光催化反应机理。 本工作以金红石TiO2为研究对象, 在自制的原位红外测试系统中探测了样品在经过不同温度真空处理后, 样品表面羟基的数量、 种类和分布的变化; 以甲苯为反应探针分子, 采用原位FTIR技术研究了不同表面羟基对甲苯的吸附作用和光催化反应性能。 结果表明, 金红石TiO2表面含两种热稳定性不同的羟基, 一类是在高温下保持相对稳定的孤立羟基, 其红外吸收波数在3 724, 3 700, 3 652 cm-1, 其中3 652 cm-1的吸收强度最大; 另一类是热稳定性较差的氢键羟基, 其红外吸收波数在3 648, 3 610, 3 413, 3 362 cm-1, 这些羟基在热处理温度为250 ℃时几乎消失。 在吸附甲苯的过程中, 只有吸收波数在3 648, 3 610和3 652 cm-1的羟基强度减小, 是甲苯的吸附中心, 而其余羟基几乎不变。

以丙烯酰胺(AM)、 丙烯酰氧基乙基三甲基氯化铵(DAC)、 丙烯酸丁酯(BA)为单体, 采用紫外光引发聚合制备阳离子聚丙烯酰胺P(AM-DAC-BA)。 采用紫外光谱和红外光谱研究其结构特征; 分析AM, DAC, BA, P(AM-DAC-BA)的红外光谱中的典型红外振动频率的归属。 通过与单体红外光谱比较得出: 由于聚合产物的对称性增加, 聚合产物红外光谱更加简单。 P(AM-DAC-BA)的特性粘度随着光强、 BA含量、 光引发剂浓度、 光照时间的增加而增加。 选取AM, DAC, BA中的—CONH2, —COOCH2(CO), —COOCH2—(C—O—C), —CH2—N+(CH3)3基团吸收峰为特征吸收峰, 随着光强、 BA含量的增加, 特征峰面积增加; 随着光引发剂浓度增加特征峰面积却呈现减少趋势; 随着光照时间增加, 峰面积是先减小后增加。 但不同P(AM-DAC-BA)在红外光谱上对应的特征吸收峰的峰型类似, 特征峰位置基本一致。

为了能进一步分析水分对土壤近红外光谱检测的影响, 分别从三个地方（桃园堡、 牧场和农大示范田）采集了三种土壤, 经过筛、 烘干后分别配制了含水率为20%, 15%和10%的土壤, 然后采用ASD公司的FieldSpec3光谱仪在保证其他检测条件不变的情况下, 对不同含水率下不同采集地的土壤进行了检测, 获得了其不同含水率下的动态光谱图。 最后视水分为外部干扰, 应用二维相关光谱的理论对其进行了分析。 结果表明, 在350～2 500 nm波段范围内, 三个不同采集地土壤的同步二维相关光谱图比较类似, 都在2 210和1 929 nm附近处出现较强的自动峰, 在1 415 nm附近处有较弱的自动峰; 从三处自相关峰的密集程度来看, 1 929 nm处对应的官能团对水分最敏感, 2 210 nm处次之, 1 415 nm处最不敏感。 该研究明确找出了水分对土壤近红外光谱检测影响的敏感波段和敏感程度, 为今后消除水分影响建立抗水分干扰模型提供了依据。

提出一种新的有效的FTIR光谱气体浓度反演的方法。 该方法将区间划分的思想用于红外光谱波长优化筛选, 即将红外光谱在给定波长范围内划分为若干个子区间, 在每个子区间中利用遗传算法(genetic algorithm, GA)优化后的极限学习机(extreme learning machine, ELM)建立浓度预测模型, 根据每个子区间测试集均方根误差RMSE和相关系数R2的大小评价模型的泛化性能, 筛选出最优子区间组合建立预测模型。 通过含干扰组分(CO2, N2O)的CO气体的 FTIR光谱对提出的算法进行了验证, 在波段为2 140～2 220 cm-1范围内利用区间法筛选出的最优组合作为变量, 应用GA-ELM建立的浓度反演模型, 其决定系数R2为0.987 4, 均方根误差RMSE为154.996 3, 建模时间仅为0.8 s, 表明该算法(Interval-GA-ELM, iGELM)的应用不仅缩短了建模时间, 而且在干扰组分存在的情况下, 依然可以准确筛选出特征波长, 从而提高了模型稳定性和预测精度, 为大气污染气体遥测分析提供了行之有效的方法。

为快速地、 大范围地对天然气管道进行泄漏监测, 设计了基于静态傅里叶变换干涉系统的甲烷气体浓度遥测系统。 采用对准甲烷分子吸收峰的红外光源照射被测区域, 再由聚光准直系统和干涉模块完成干涉条纹的获取。 最后, 通过多特征波长光谱分析算法计算被测区域的浓度程长积, 进而反演相应的甲烷浓度。 通过HITRAN光谱数据库选择了1.65 μm的主特征吸收峰, 从而光源使用1.65 μm的DFB激光器。 为了在不增加系统硬件结构的基础上提高检测精度及稳定性, 引入辅助波长求解吸光度比值, 进而通过多特征波长比例运算的方法获得被测气体的浓度程长积。 实验针对泄漏速度恒定的标准甲烷液化气罐检测, 采用PN1000型便携式甲烷检测仪的检测数据作为标准数据与本系统的测试数据进行对比, 测试距离分别为100, 200和500 m。 实验结果显示, 甲烷浓度检测值在泄漏一段时间稳定后, 系统检测值也基本保持稳定。 对100 m的检测距离而言, 浓度程长积的检测误差小于1.0%。 随着测试距离的增大, 检测误差也相应的增大, 距离500 m的检测误差小于4.5%。 总之, 在气体泄露稳定后系统检测误差均小于5.0%, 满足野外天然气泄漏遥测要求, 该方法采用差分思想, 在求解吸光度比率的过程中将误差消除, 降低了外界干扰造成的误差, 从而提高系统的检测精度及稳定性。

以不同产地和年份的农华101（NH101）玉米杂交种和母本种子为对象, 研究了鉴别玉米杂交种子纯度的近红外光谱分析方法。 光谱采集时间跨度达10个月, 运用傅里叶变换（FT）近红外光谱仪器, 在不同季节用23天（分五个时间段）采集了这些样品共920条玉米单子粒近红外漫反射光谱。 全部原始光谱用移动窗口平均、 一阶差分导数和矢量归一化进行预处理, 使用主成分分析（PCA）方法和线性判别分析（LDA）方法降维, 采用仿生模式识别（BPR）方法建立模型。 通过对光谱预处理校正光谱失真, 使样品光谱集在特征空间分布的范围收缩, 相对距离增大了近70倍, 实现了母本和杂交种子的鉴别。 通过代表性样品的选择, 提高了模型对光谱采集时间、 地点、 环境等条件变动的应变能力, 也提高了模型对样品种子制种时间与地点变动的应变能力, 增强了模型的稳健性, 使测试集玉米单子粒杂交种和母本种子的平均正确识别率达到95%以上, 而平均正确拒识率也达到85%以上。

薏仁是一种药食两用资源, 对其品质快速鉴别的需求也越来越多, 近红外光谱技术（near infrared spectroscopy, NIRS）作为一种快速、 无损且环保的方法正适合这一需求。 以不同产地和品种薏仁的近红外光谱为基础, 结合化学计量学方法对薏仁种类进行鉴别。 对原光谱用无监督学习算法主成分分析（principal component analysis, PCA）和有监督学习算法学习向量量化（learning vector quantization, LVQ）神经网络、 支持向量机（support vector machine, SVM）进行定性判别分析。 由于不同地区和不同品种的薏仁营养物质组成复杂且含量相近, 所选两类薏仁的特征变量很相似, 因而PCA得分图重叠严重, 很难区分; 而LVQ神经网络和SVM都能得到满意结果, LVQ神经网络的预测正确率为90.91%, SVM在经过惩罚参数和核函数参数优选后, 分类准确率能达到100%。 结果表明: 近红外光谱技术结合化学计量学方法可作为一种快速、 无损、 可靠的方法用于薏仁种类的鉴别, 并为市场规范提供技术参考。

高光谱数据量大、 维数高且原始光谱噪声明显、 散射严重等特征导致光谱建模时关键波长变量提取困难。 基于此, 提出采用竞争性自适应重加权算法（CARS）对近红外高光谱数据进行关键变量选择。 鸭梨作为研究对象。 采用决定系数r2、 预测均方根误差RMSEP和验证集标准偏差和预测集标准偏差的比值RPD值进行模型性能评估。 基于选择的关键变量建立PLS模型（CARS-PLS）与全光谱变量建立的PLS模型进行比较发现CARS-PLS模型仅仅使用原始变量中15.6%的信息获得了比全变量PLS模型更好的鸭梨SSC含量预测结果, r2pre, RMSEP和RPD分别为0.908 2, 0.312 0和3.300 5。 进一步与基于蒙特卡罗无信息变量MC-UVE和遗传算法（GA）获得的特征变量建立的PLS模型比较发现, CARS不仅可以去除原始光谱数据中的无信息变量, 同时也能够对共线性的变量进行压缩去除, 该方法能够有效地用于高光谱数据变量的选择。 结果表明, 近红外高光谱技术结合CARS-PLS模型能够用于鸭梨可溶性固形物SSC含量的定量预测。 从而为基于近红外高光谱技术预测水果内部品质的研究提供了参考。

建立了一种傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR）快速无损鉴别当归及其不同炮制品多糖的新方法。 生当归（unprocessed Angelica sinensis, UAS）经炮制为酒当归(angelica sinensis parched with wine, WAS)、 土当归(angelica sinensis parched with soil, SAS)、 油当归(angelica sinensis parched with oil, OAS)和当归炭(charred angelica sinensis, CAS), 为了有效、 合理地使用当归及其不同炮制品多糖, 对其进行鉴别分析很有必要。 首先获取当归及其不同炮制品多糖的FTIR, 运用离散小波变换方法(discrete Wavelet transform, DWT)对其进行分解, 然后选取2, 3, 4尺度下的高频信息作为特征信息, 分别提取其小波熵作为特征值, 采用BP神经网络进行训练, 再用训练所得模型对当归及其不同炮制品多糖的FTIR小波提取出的特征值进行智能判别。 通过对30个样本进行预测, 判别率高达93.3%, 说明基于FTIR离散小波特征提取及BP神经网络分类法识别当归及其不同炮制品多糖, 具有较优的可行性。

线性多烯分子是重要的光电材料, 它还具有光采集、 光防护、 防癌、 抗癌功能, 也是物理学、 化学理论研究的理想分子。 共振拉曼光谱是研究线性多烯分子最有力的工具。 本文总结了线性多烯分子共振拉曼光谱的特征及其与分子结构的关系, 包括: 电子光谱（紫外-可见吸收光谱）、 拉曼光谱的性质及与外场的关系; 电子能隙对碳碳原子振动的调制作用; 给出几个实验结果: 温度降低、 溶剂密度增加、 溶液浓度降低等会使线性多烯分子结构有序增加, π电子能隙减小, 使紫外-可见吸收光谱红移; π电子离域扩展, 有效共轭长度增加, 拉曼活性提高, 拉曼光谱红移, 拉曼截面增加。 振幅模型是研究线性多烯分子较理想的模型。

红细胞是维持生命最重要的细胞之一, pH是影响其结构功能的重要因素。 结合人血液中存在血清白蛋白, 且可能会对红细胞起作用的特点, 在模拟人体内血液中血清白蛋白与血红蛋白摩尔比值的条件下, 研究pH协同血清白蛋白对单个活态人红细胞的形态, 细胞膜变形能力及胞内血红蛋白结构变化的影响。 结果显示, 不同pH下, 红细胞的表面形态、 膜变形能力的变化规律与其胞内血红蛋白结构的变化有关: 在pH 4.14, 4.76, 10.18时, 红细胞胞内血红蛋白螺旋结构的减少、 疏水性氨基酸的暴露, 血红素珠蛋白结合状态的改变, 影响了血红蛋白结构的稳定性, 从而导致红细胞的结构发生变化, 其形态、 膜变形能力与正常值相比, 变化结果显著。 而在pH 6.51和7.80下, 血红蛋白的拉曼谱结果并未发现有上述变化情况, 胞内血红蛋白的结构没有发生改变, 红细胞的形态、 膜变形能力也接近于正常值。 在pH 5.49和8.76下, 红细胞的表面形态和膜变形能力都有不同程度的变差, 但其胞内血红蛋白的结构并没有改变, 提示红细胞的形态和变形能力的改变可能是可逆的。 结果表明, pH协同血清白蛋白的作用下, 血清白蛋白能对红细胞起保护作用, 增强红细胞调节、 缓冲环境pH变化的能力。 研究结果全面地揭示了在模拟人体内血液中血清白蛋白与血红蛋白摩尔比值的情况下, 红细胞结构功能的变化情况, 不仅有助于阐明红细胞在有关生理、 病理状态下的结构与功能的变化, 而且对其临床表现与有关防治对策都有重要的指导意义。

表面增强拉曼光谱(SERS)是一种重要的高灵敏度分析技术。 基于SERS的技术特点, 建立了真实体系下孔雀石绿定性检测方法。 提出了一种光谱自动识别算法, 有机整合了稳健的傅里叶变换基线校正, 基于主成分分析的特征提取与人工神经网络分类器。 该方法结合基线的低频特征, 通过迭代傅里叶变换实现基线校正; 通过样本空间中类间与类内的欧氏距离判别自动获取拉曼光谱信号主成分的最优组合, 实现光谱数据的降维与特征提取; 最后构建三层反向传播神经网络分类器进行样本分类。 实验结果表明, 基线去除可排除基线变化对检测结果的影响; 光谱主成分的优化组合可减小基线校正残余及复杂体系中被测物以外的物质拉曼峰对检测结果的干扰, 同时实现了分类器最小化。 该方法用于养殖用海水中孔雀石绿的现场检测, 最低检出浓度0.1 μg·L-1。 该方法具有可拓展性, 可以直接应用于其他溶胶/凝胶体系中SERS光谱的定性分析。

通过溶胶-凝胶法以四甲氧基硅烷(TMOS)和甲基三甲氧基硅烷(MTMS)作为混合的前体, 聚乙二醇(PEG)为致孔剂, 制备了具有贯通孔道结构的双孔硅胶整体柱, 采用3-巯基丙基三甲氧基硅烷(MTPMS)对硅胶整体柱表面进行巯基化修饰后, 分别将金、 银纳米粒子组装在整体柱材料表面。 利用透射电子显微镜(TEM)、 紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、 扫描电子显微镜(SEM)对金、 银纳米粒子形貌、 吸收光谱及组装金、 银纳米粒子前后整体柱的形貌进行了表征。 以对巯基苯胺(PATP)为探针分子, 分别采用波长为633和532 nm的激发光作为激发光源, 研究金和银纳米粒子修饰的硅胶整体柱的在柱表面增强拉曼光谱(SERS)性能。 结果表明, 该基底呈现出很强的SERS活性, 结合整体柱的分离富集优势将在食品/环境领域现场痕量检测方面具有广泛的应用前景。

建立了测定食品中胭脂红和日落黄的一阶导数同步荧光光谱法。 研究了胭脂红和日落黄在不同pH值溶液中的同步荧光光谱特征, 确定了同步荧光光谱的最佳波长差。 当Δλ=130 nm时, 胭脂红和日落黄导数同步荧光光谱的零交点位于313.6和302.8 nm, 可分别测定日落黄和胭脂红的含量。 胭脂红在0.1~4.0 mg·L-1、 日落黄在0.1~2.0 mg·L-1范围内浓度与导数同步荧光值呈线性, 相关系数（R2）为0.999 2和0.996 6; 检出限为0.041和0.019 mg·L-1; 相对标准偏差（RSD）为4.8%和4.6%。 回收率在91.0%~110%之间。 测定结果与导数-分光光度法的结果相一致, 具有简便、 快捷等特点, 能够同时测定食品中胭脂红和日落黄的含量。

以藻蓝蛋白标准品和室内培养的铜绿微囊藻、 鱼腥藻为参照, 于2011年春、 夏、 秋三季在太湖采集75个水样, 分析太湖水体中藻蓝蛋白的紫外-可见吸收光谱特征, 及其与标准品、 单一藻种光谱特征的区别和联系。 结果表明: 太湖水体中藻蓝蛋白的吸收光谱形态可根据500～700 nm的吸收峰个数划分为无峰型、 单峰型和双峰型三类。 无峰型光谱在500～700 nm间变化平缓, 620 nm附近无藻蓝蛋白的特征吸收峰出现。 根据300～450 nm的吸收差异, 无峰型可划分为无峰Ⅰ和无峰Ⅱ两个亚类。 峰型Ⅰ仅在260 nm附近出现吸收峰, 250～800 nm的谱型更接近于有色可溶性有机物（CDOM）; 峰型Ⅱ在260和330 nm处均有吸收峰出现。 单峰型光谱在620 nm的藻蓝蛋白特征吸收峰明显, 受藻种差异和提取纯度的影响, 其在250～300, 300～450和500～700 nm的吸收峰出现位置和峰值比与标准品、 单一藻种不同。 双峰型光谱在620和670 nm附近各具一个吸收峰, 同时在350～450 nm出现吸收肩, 兼具藻蓝蛋白和叶绿素复合蛋白的吸收特征。

电子-声子耦合常数不仅可以反映出分子中π电子离域程度的强弱, 有效共轭长度的大小, 同时也可以表征分子中的原子和电子在外界环境作用下的相互振动耦合程度的强弱。 在一些研究中电子-声子耦合常数被定义为无量纲的系数。 应用R.Tubino等引用的一种有量纲的电子-声子耦合常数, 建立其与黄昆因子的关系式, 进而可以计算出共轭键中单个振动模的数值。 压强对多烯分子吸收光谱、 拉曼光谱频移影响的研究已有报道, 但对拉曼散射截面、 黄昆因子、 电子-声子耦合常数的研究还没有报道。 测量了β胡萝卜素分子在二硫化碳溶液中0.04～0.60 GPa的压强范围内的紫外-可见吸收光谱和共振拉曼光谱。 实验结果表明, 随着压强的增加, CS2溶液中的β胡萝卜素分子的紫外-可见吸收光谱的吸收带发生明显的红移现象, 而拉曼光谱的特征谱线却发生蓝移的现象, 拉曼散射截面减小, 电子-声子耦合常数增加。 其机理是随着压强的增加, β胡萝卜素分子被压缩又结构有序性下降, 导致电子能隙变窄, 有效共轭长度变短, π电子离域范围减小, 拉曼散射截面减小, 黄昆因子、 电子-声子耦合常数增加。

为了探索不同类型遥感传感器对地物反射光谱响应的异同和卫星遥感监测雪盖空间尺度的差异, 收集了2007年—2013年冬春季川西北米亚罗地区、 青海省祁连山区和新疆北疆地区各种积雪、 植被和裸土反射光谱数据, 经中分辨率成像光谱仪MODIS和环境与灾害监测预报小卫星HJ-1B传感器响应函数完成地基光谱到传感器可见光、 近红外及短波红外通道反射率的转换。 分析了新旧融雪、 不同雪深及不同积雪覆盖下的反射光谱特征及不同传感器对地物反射光谱响应的异同性, 并结合同期同区域影像分析了MODIS和HJ-1B积雪监测空间尺度的效果差异。 结果表明, 可见光波段范围内, 各传感器对新雪和污雪反射光谱响应一致性很高; 对裸土和矮株植被反射光谱响应程度较为一致; 对其他类型积雪反射光谱响应程度有所不同, 尤其是消融积雪和冻结积雪, 反射光谱响应性差异很大; 全雪覆盖下, 深度不同的积雪NDSI值域相对稳定, 不同传感器NDSI具有很好的趋势一致性; MODIS和HJ1B NDSI法监测积雪空间尺度差异明显, 很好的解释了混合像元存在的成因。

浒苔是我国近海一种新型的海洋生态灾害, 自2008年以来, 每年5—8月份在黄海海域周期性暴发与消亡, 给沿海地区造成不同的环境影响和经济损失。 基于2008年—2012年五年的MODIS数据, 计算了山东半岛海域长时间序列NDVI, 利用阈值分割法提取浒苔信息, 并进一步获得爆发的时间、 面积、 相对聚集密度、 影响范围及浒苔漂浮路径。 结果表明: 2008年以来各年浒苔最早发生在5月中旬至6月上旬, 6月中旬至7上旬进入爆发期, 浒苔面积、 影响范围及浒苔密度达到最大值, 其相对聚集密度峰值一般早于或晚于爆发期一个生长阶段, 最终于7月下旬或8月上旬进入消亡期, 平均持续时间约为71天。 浒苔漂浮路径整体为从东南外海逐渐开始向西北近海海域靠近。 从浒苔面积、 影响范围、 相对聚集密度等多项指标综合看, 2008年和2009年两年浒苔爆发较为严重。

晕苯是一种用于真空紫外光致发光重要的下转换材料。 本文研究旋涂法和热蒸发法制备紫外CCD用晕苯薄膜的工艺方法, 并对所制备的两种薄膜的性能进行了表征和对比。 测试结果表明: 旋涂方式成膜工艺简单, 材料利用率较高, 并且保持了荧光材料本身固有的晶体结构, 但是膜面粗糙度较大; 热蒸发方式成膜后紫外吸收较强, 荧光发射强度相对较高, 成膜后膜面粗糙度较小; 热蒸发工艺在加热过程中改变了晕苯的晶体结构并形成了新的结晶态; 相比于旋涂法, 热蒸发的整个制备工艺相对复杂, 并且生产成本较高。 此外, 该对比性研究工作为实现不同要求（如荧光发射强度、 表面粗糙度、 生产成本等）的荧光下转换薄膜的制备提供了理论指导。

目前临床上血氧饱和度的无创检测主要基于双波长的脉搏血氧饱和度测量原理, 但其检测精度仍然需要进一步的探究和完善。 近年来, 国内外的很多研究者采用三波长甚至八波长的方法测量血氧饱和度, 从某种程度上减小了误差。 动态光谱法作为一种新型血液成分无创检测方法, 能消除受试者个体差异和测量环境等的影响, 在血红蛋白浓度的无创检测研究中取得了很好的效果。 基于动态光谱法对多波长下脉搏血氧饱和度检测进行了研究: 对60名重症监护患者进行动态光谱采集以及动脉抽血分析血氧饱和度值; 采用高灵敏度光纤光谱仪, 采集受试者指端透射多波长下的光谱信息; 以单拍提取法提取波长范围为606.44~987.55 nm的动态光谱; 以动脉血气分析中血氧饱和度值为参考真值, 建立血氧饱和度与多波长动态光谱数据的组合间隔偏最小二乘校正模型; 得到预测集的相对误差为±0.017 6, 而两波长测量装置监护仪上得到的数据相对误差为±0.116 4。 结果表明: 利用高灵敏度光纤光谱仪采集多波长光谱信息, 用动态光谱法进行数据预处理, 进行多波长血氧饱和度检测, 有效降低了血氧饱和度的测量误差。

晚期糖基化终末产物在人体皮肤组织中的浓度与高血糖水平密切相关, 且具有自发荧光特性。 使用自行研制的光学无创检测装置对人体皮肤组织的自体荧光光谱进行测量, 建立神经网络模式识别模型对检测对象患有糖尿病的可能性进行风险评估。 利用检测装置获取荧光光谱后对光谱数据进行主成分分析, 选取前4个主成分作为光谱的特征, 建立一个具有4个输入层节点、 6个隐层节点、 1个输出节点的神经网络模式识别模型。 选取在安徽省立医院测量的487例对象数据训练该模型, 以70%数据作为训练集, 15%数据作为验证集, 15%数据作为测试集。 模型可给出测试对象罹患糖尿病的风险, 或直接给出是否糖尿病的判断。 结果显示该模型的受试者工作特性曲线的线下面积为0.81, 标准误差为0.02; 以模型输出0.5为分类界限时的敏感性为72.4%, 特异性为77.6%, 整体准确率为74.9%。 本研究首次提出使用皮肤组织自体荧光结合神经网络模式识别模型对糖尿病进行无创风险评估, 实验结果表明该方法的筛查效果优于目前常用的空腹静脉血浆血糖值法和糖化血红蛋白法。

多光谱/全色影像融合可以得到高空间分辨率的多光谱影像, 在影像解译和分类等方面具有十分重要的意义。 提出一种基于梯度一致性约束的遥感影像融合方法。 该方法在最大后验概率框架下, 通过梯度一致性约束建立理想高空间分辨率多光谱影像和全色影像之间的关系, 并结合多光谱影像观测模型和Huber-Markov影像先验, 构建融合目标函数, 最后采用梯度下降法求解得到融合影像。 本文方法在目标函数中引入了梯度一致性约束, 克服了现有的同类方法受限于波段数量的缺陷, 同时在求解中自适应确定每个波段的迭代步长, 充分顾及了各波段的光谱特性, 从而既确保了融合影像的光谱信息保真度, 也提高了融合影像的空间信息融入度。 通过IKONOS和WorldView-2影像对该方法进行了验证, 并和GS, AIHS和AMBF等融合方法从定性和定量两方面进行了比较分析。 实验结果表明, 相比于其他方法, 该方法可以在更好保持光谱信息的同时增强影像的空间分辨率, 具有更广泛的适用范围和更佳的融合效果。

传统的农药残留检测为理化检验方法, 具有前处理过程繁琐、 耗时、 复杂等不足, 以目前农业上使用较广的毒死蜱作为研究对象, 提出了一种有机磷农药残留快速定量检测方法。 首先, 根据毒死蜱的化学特性, 综合考虑比色剂的显色效果以及二次污染问题, 确定在弱碱性环境下以间苯二酚对毒死蜱进行显色反应的预处理方案; 然后, 通过分析0.5 ～400 mg·kg-1之间毒死蜱样品的紫外-可见光光谱数据, 确定了显色反应后的特征信息主要集中在365～420 nm之间。 接着, 以偏最小二乘法构建全谱预测模型, 其校正相关系数达到0.999 6, 预测相关系数达到0.995 6, 校正标准差RMSEC为2.814 7 mg·kg-1, 验证标准差RMSEP为8.012 4 mg·kg-1; 提取400 nm为中心波段的特征区域构建预测模型, 其校正相关系数达到0.999 6, 预测相关系数达到0.999 3, 校正标准差RMSEC为2. 654 6 mg·kg-1, 验证标准差RMSEP为3.465 5 mg·kg-1。 最后, 通过分析0.5～16 mg·kg-1之间毒死蜱样品的近红外光谱数据, 发现其显色功能团的特征不是很明显, 但会引起间苯二酚本身5 200 cm-1处吸收峰的变化。 实验结果证明了所提出用于快速定量预测有机磷农药残留的方法是有效可行的, 该方法通过比色剂的显色加强有机磷农药在全光谱特别是紫外-可见光范围内的信息, 为实现农产品农药残留的快速检测提供了一条新途经。

将经典光谱法与内滤光校正、 取代实验和分子对接等技术相结合, 较全面地研究了多西环素(DC)与人血清白蛋白(HSA)之间的相互作用。 通过荧光猝灭实验测得在298和310 K时, DC与HSA的结合常数分别为2.73×105和0.74×105 L·mol-1, 二者有一个结合位点, 表明DC与HSA间具有较强的结合作用, 属于静态猝灭。 根据Vant’Hoff公式计算的热力学参数(ΔH=-83.55 kJ·mol-1, ΔS=-176.31 J·mol-1·K-1)表明, 两者间主要作用力为氢键和范德华力。 根据Fster能量转移定律求得DC与HSA的Trp-214之间的结合距离为4.98 nm。 取代反应结果表明, DC键合在HSA的亚域IIA内。 三维荧光光谱结果显示, DC使HSA疏水性增加, 改变了HSA的构象。 DC与HSA作用前后红外光谱二级结构的定量分析结果表明, DC能使HSA结构松散。 分子对接技术进一步表明DC通过氢键和范德华力等键合在HSA的亚域IIA疏水腔中, 结合距离与光谱法计算结果相近。 实验结果为研究药物小分子与人血清白蛋白的相互作用提供了理论依据和可靠数据。

应用可见/短波近红外光谱分析测量土壤有机质和速效钾含量。 光谱预处理包括平滑, 标准归一化, 多元散射校正和平滑结合一阶导数, 以消除系统噪声和外部干扰, 分别应用偏最小二乘和最小二乘支持向量机方法建立校正模型, 模型的输入为基于连续投影算法得到的特征波长。 比较显示基于连续投影算法得到的特征波长为输入的最小二乘支持向量机优于偏最小二乘法建模。 模型评价指标由相关系数和预测均方误差表示。 有机质的相关系数和预测均方误差分别0.860 2和2.98, 速效钾为0.730 5和15.78。 表明基于连续投影算法可见/短波近红外光谱利用最小二乘支持向量机建模, 可以作为一个精确的土壤有机质和速效钾的测定方法。

叶面积指数（leaf area index, LAI）是反映作物生长状况和进行产量预测预报的主要指标之一, 对诊断作物生长状况具有重要意义。 遥感技术为大面积、 快速监测植被LAI提供了有效途径。 利用高光谱遥感影像, 结合田间同步实验数据, 探讨不同方法对冬小麦叶面积指数遥感反演的能力。 介绍了支持向量机、 离散小波变换、 连续小波变换和主成分分析四种LAI反演方法。 分别利用上述四种方法构建冬小麦LAI反演模型, 并对不同算法反演的LAI模型进行了真实性检验。 结果显示, 支持向量机非线性回归模型精度最高, 对冬小麦LAI估算能力最强, 反演值与实测值拟合的决定系数为0.823 4、 均方根误差为0.419 5。 离散小波变换法和主成分分析法都是基于特征提取和数据降维, 其多元变量回归分析对LAI估算能力相近, 决定系数分别为0.697 1和0.692 4, 均方根误差分别为0.605 8和0.554 1。 连续小波变换法回归模型精度最低, 不适宜直接用其小波系数来反演LAI。 结果表明, 非线性支持向量机模型最适宜用于研究区域的冬小麦LAI反演。

对冬小麦冻害严重度的精确反演是及时采取补救措施降低损失的关键, 同时及时预测产量损失对政府职能部门也具有积极意义。 针对冬小麦冻害群体严重度评估方法在经典统计反演模型存在估算效果不理想的情况下, 以冬小麦为试验对象, 首先对冬小麦冠层光谱反射率数据进行重采样平滑处理, 再用主成分分析（PCA）技术对高光谱数据进行分析, 进一步实现综合原始光谱主成分信息作为自变量参与冬小麦冻害严重度反演过程, 最后采用决定系数R2、 均方根误差RMSE、 准确度Accuracy三种模型精度验证方法对模型进行评价。 结果显示, 基于主成分分析法建立冬小麦冻害严重度模型精度分别达0.697 5, 0.184 2和0.697 5; 同时对反演模型进行验证, 其精度也分别达到0.630 9, 0.350 3和1.339 6。 因此, 该方法能有效地对冬小麦冻害严重度进行快速、 精确的反演。

提出了基于连续投影算法（successive projections algorithm, SPA）、 载荷系数法（x-loading weights, x-LW）和格拉姆-施密特正交（gram-schmidt orthogonalization, GSO）提取特征波长的高光谱成像技术检测番茄叶片早疫病的方法。 首先获取380～1 023 nm波段范围内70个健康和70个染病番茄叶片的高光谱图像信息, 然后提取健康和染病叶片感兴趣区域(region of interest, ROI)的光谱反射率值, 建立番茄叶片早疫病的最小二乘-支持向量机(least squares-support vector machine, LS-SVM)鉴别模型, 建模集和预测集的鉴别率都是100%。 再通过SPA 、 x-LW和GSO提取特征波长（effective wavelengths, EW）, 并建立EW-LS-SVM和特征波长-线性判别分析（ew-linear discriminant analysis, EW-LDA）鉴别模型。 结果显示, 每个模型的鉴别效果都很好, EW-LS-SVM模型中预测集的鉴别率都达到了100%, EW-LDA模型中预测集的鉴别率分别是100%, 100%和97.83%。 基于SPA, x-LW和GSO所建模型的输入变量分别是4个（492, 550, 633和680nm）, 3个（631, 719和747 nm）和2个（533和657 nm）, 较少的特征波长便于实时检测仪器的开发。 结果表明, 高光谱成像技术检测番茄叶片早疫病是可行的, SPA, x-LW和GSO都是非常有效的特征波长提取方法。

苹果损伤是一种发生在水果采摘和产后处理阶段的不可避免的主要缺陷。 为了快速有效地识别苹果的轻微损伤, 以具有代表性的双色红富士苹果为研究对象, 提出了一种以高光谱成像和最低噪声分离（MNF）变换的苹果轻微损伤识别检测方法。 首先, 使用高光谱成像系统获取苹果的可见-近红外波段（400~1 000 nm）的图像, 对比发现全波段的最低噪声分离变换比主成分分析（PCA）变换可获得更好的识别效果; 其次, 利用I-RELIEF算法对正常表皮和损伤区域的光谱进行分析得出权值系数图, 依据该系数曲线挑选出了5个特征波段（560, 660, 720, 820和960 nm）; 最后, 特征波段和最低噪声分离变换开发了损伤苹果的识别检测算法。 利用该算法对80个正常苹果和含有不同时间阶段轻微损伤的苹果进行试验, 损伤识别总体正确率为97.1%, 试验结果表明, 利用该方法和选取的特征波段可以快速有效地识别苹果的早期轻微损伤, 为利用多光谱成像技术和最低噪声分离变换在线检测苹果轻微损伤奠定了基础。

应用高光谱成像技术, 基于光谱主成分信息和图像信息的融合实现名优绿茶不同品牌的鉴别。 首先采集6个品牌名优绿茶在380～1 023 nm波长范围的512幅光谱图像, 然后提取并分析绿茶样本的可见近红外光谱响应特性, 结合主成分分析法找到了最能体现这6类样本差异的2个特征波段(545和611 nm), 并从这2个特征波段图像中分别提取12个灰度共生矩阵纹理特征参量包括中值、 协方差、 同质性、 能量、 对比度、 相关、 熵、 逆差距、 反差、 差异性、 二阶距和自相关,最后融合这12个纹理特征和三个主成分特征变量得到名优绿茶品牌识别的特征信息, 利用LS-SVM建立区分模型, 预测集识别率达到了100%, 同时采用ROC曲线的评估方法来评估分类模型。 结果表明综合应用灰度共生矩阵变量和光谱主成分变量作为LS-SVM模型输入可实现对绿茶品牌的鉴别。

叶绿素浓度是植物生长的指示剂, 而叶片的SPAD值则可以反映植物叶绿素含量, 从而监测植物的生长状况。 本文采用可见-近红外（380～1 030 nm）高光谱成像技术可以实现南瓜叶片SPAD值的可视化, 同时根据叶片霜霉病疫情与叶绿素含量呈显著正相关进而可以快速诊断霜霉病疫情。 通过测定健康叶片和感染不同霜霉病疫情的叶片光谱曲线, 采用竞争性自适应重加权算法（CARS）进行特征波段的选择, 可以得到10条特征波段, 再结合偏最小二乘回归法（PLSR）进行南瓜叶片SPAD的预测。 结果表明, 通过对48个样本的训练, 对23个样本进行预测, 可以得到南瓜叶片SPAD较好的预测效果, 其中RC=0.918, RMSECV=3.932; RCV=0.846, RMSECV=5.254; RP=0.881, RMSEP=3.714。 根据叶片光谱特征波段与SPAD之间的线性回归方程可以计算叶片各个像素点的SPAD值, 最后采用图像处理技术可以得到南瓜叶片SPAD的可视化分布图, 同时也反映了霜霉病的感染分布, 进而判断南瓜叶片的霜霉病疫情。 该研究为监测植物生长状况及判别南瓜叶片霜霉病疫情奠定了理论基础。

为达到高光谱图像数据RX异常检测处理的高速、 实时、 海量存储等要求, 本文提出了一种基于 CPCI Express 标准总线架构的多DSP高光谱图像并行处理系统的解决方案。 系统采用4片DSP共享数据总线和存储器的紧耦合与Link口互联相结合的硬件拓扑架构。 在该硬件平台上, 针对光谱RX异常检测算法以及光谱图像三维数据的特点, 分配各DSP并行处理任务, 提出了一种利用图像空间分块计算并求整个图像的均值矩阵与协方差矩阵的4DSP并行处理技术。 结果表明, 在保证同等探测效果的条件下, 采用本文的RX异常检测算法4DSP并行处理技术, 可以达到单DSP处理4倍的时间效率, 解决了DSP内存容量对大数据量图像处理的限制, 并较好的完成了光谱数据的实时处理要求。

高光谱数据具有图谱合一和数据量大的特点, 数据降维是主要的研究方向。 波段选择和特征提取是目前高光谱降维的主要方法, 就高光谱数据图像岩性特征提取的方法进行了试验和探讨。 基于高光谱影像的自相似特征, 探索了分形信号算法在CASI高光谱数据岩性特征提取上的应用研究。 以CASI高光谱影像数据为研究对象, 将基于地毯的方法进行修正后用于计算高光谱影像中每一像元的分形信号值。 试验结果表明, 与其他分类算法相比分形信号算法增强高光谱图像的影像特征从另一个侧面更细致的描述了不同光谱的可区分性。 分形信号影像在一定程度上可以更好地突出基岩裸露地区岩性特征, 从而可以实现影像地表岩性特征提取的目的。 原始光谱曲线自身形态特征、 初始尺度的选择以及迭代步长等对分形信号和分形特征尺度均有影响。 目前, 光谱曲线的分形信号特征研究还不多, 对其物理意义和定量分析尚需要深入研究。

在植物工厂全密闭环境中水培种植大速生生菜, 以光谱比例可调节的LED灯板为植物生长光源, 应用电感耦合等离子体原子发射光谱技术（ICP-AES）, 研究了红蓝LED组合光谱下生菜对K, P, Ca, Mg, Na, Fe, Mn, Zn, Cu, B, Mo等11种营养元素的吸收特性。 结果表明: （1）与叶绿素生理吸收波峰（峰值450和660 nm）对应的单一或组合光谱均可增强水培生菜根对Na, Fe, Mn, Cu, Mo元素的吸收能力, 且单一红光光谱的促进作用最为显著, 四种元素含量分别为荧光灯全光谱下的7.8, 4.2, 5.3, 11.0倍; （2）根对K和B元素的吸收量在荧光灯全光谱下达到最大分别为10.309 mg·g-1和32.6 μg·g-1, 而在红、 蓝单一或组合光谱下吸收能力降低; (3)单一蓝色光谱下根对Ca和Mg元素的吸收受到抑制, 分别比荧光灯对照降低35%, 33%; (4)生菜在30%蓝光+70%红光的光谱条件下生物量最高, 而在20%蓝光+80%红光条件下对Ca, Mg, Na, Fe, Mn, Zn, B七种元素的累积量达到最大值。 试验结果为水培生菜光源光谱选择及营养液配方调节提供了理论依据。

对辽河流域水库饮用水源地水样中重金属元素(Cr, As, Cd, Cu, Zn和Pb)浓度进行了调查研究, 并采用美国环保署推荐的健康风险评价模型对水库中重金属污染做了初步的健康风险评价。 结果表明, 辽河流域5个水库中6种重金属元素Cr, Cu, Zn, As, Cd和Pb的平均浓度分别为3.36, 1.03, 2.70, 1.23, 0.02, 0.03 μg·L-1, 均未超过国家生活饮用水卫生标准（GB 5749—2006）。 健康风险评价结果表明, 研究区域的金属致癌风险较高, 致癌重金属的健康风险大小依次为Cr>As>Cd。 其中, 水库中Cr元素致癌风险最高, 成人和儿童分别为4.50×10-5~7.53×10-5和6.29×10-5~1.05×10-4 a-1。 非致癌重金属引起的健康风险值为10-13~10-10 a-1, 均在国际辐射防护委员会(ICRP)所规定的可接受范围内, 健康风险大小为Cu>Zn>Pb。 重金属总健康风险成人为1.07×10-4~1.72×10-4 a-1, 儿童为1.49×10-4~2.40×10-4 a-1, 均超过ICRP推荐的5×10-5 a-1。 辽河流域饮用水源地致癌重金属的风险明显高于非致癌重金属。

肥料的投入是土壤重金属累积的重要污染来源之一, 研究肥料中重金属的含量对于农产品的安全生产意义重大。 为了调查我国市售含磷肥料中重金属含量状况, 在部分省份农资销售点采集了159个含磷肥料样品, 包括国产和进口的。 应用ICP-MS和AFS分析测定了含磷肥料中Cd, Cu, Zn, Cr, Pb, Ni, As和Hg八种重金属元素的含量。 结果表明, 采集的含磷肥料中含有一定量的重金属元素, Cd, Cu, Zn, Cr, Pb, Ni, As和Hg的均值分别为0.77, 35.6, 102.7, 24.1, 16.6, 15.4, 19.4和0.08 mg·kg-1肥料。 以P2O5为基础计算, Cd, Cu, Zn, Cr, Pb, Ni, As和Hg的均值分别为4.48, 258.4, 767.4, 190.0, 151.3, 134.5, 155.8和8.79 mg·kg-1 P2O5。 所有检测样品中, 只有一个磷酸一铵样品中As超标, 一个进口的磷酸二铵样品中Cd超标, 其余样品中重金属含量都符合肥料中砷、 镉、 铅、 铬、 汞生态指标要求（GB/T 23349-2009）。 分析了13个进口肥料样品中重金属含量, 重金属Cd的含量范围为0.02～27.2 mg·kg-1肥料, 均值和中位值分别为3.20和0.41 mg·kg-1肥料。 进口肥料中Cu, Cr和Hg高于国产肥料, 均值分别为39.4, 26.6和0.47 mg·kg-1肥料。

飞灰含碳量是评价锅炉燃烧效率的重要指标之一, 对其进行在线测量有助于实时进行燃烧优化调整, 从而提高整个机组的经济性和安全性。 利用螺杆式给粉机搭建飞灰颗粒流含碳量测量台架, 将脉冲激光直接作用于飞灰颗粒流, 形成等离子体, 利用激光诱导击穿光谱技术测量飞灰颗粒流中的含碳量信息。 重点研究了激光能量对飞灰颗粒流中未燃碳有效激发和测量的影响规律。 研究结果显示, 在40～130 mJ能量的脉冲激光作用下, 碳谱线强度随着激光能量的增大线性增强, 而其信噪比则先增加后趋于稳定, 无效光谱的剔除率则呈下降趋势。 本实验条件下, 激光能量在90～100 mJ之间, 可得到较强的等离子体发射信号和较优的光谱数据利用率。 因而激光能量与颗粒流的激发状态、 碳元素特征谱线强度等密切相关。 合理的激光能量有利于保证飞灰颗粒流的有效稳定激发, 并获得具有良好信噪比的等离子体光谱信号。

建立了工作场所空气中汞及其化合物的高锰酸钾-二氧化锰混合固体吸附管捕集、 冷原子吸收测定方法。 用高锰酸钾与二氧化锰按质量比1∶1混合后填装玻璃管制成固体吸附管捕集工作场所空气中汞, 并以0.90 mol·L-1的硫酸溶液解吸后冷原子吸收光谱法测定, 与高锰酸钾-硫酸吸收液法的采样效率、 样品稳定性、 穿透容量进行了比对。 在0.000 2~0.015 0 mg·L-1的浓度范围内线性关系良好, 相关系数为0.999 1, 空气中汞在0.001~2.820 mg·m-3范围内, 平均采样效率为99.9%~100.0%, 300 mg吸附剂对汞的穿透容量大于505.4 μg, 吸附管对汞的平均加标回收率为96.4%~103.8%, 日内、 日间精密度分别为3.0%~3.3%, 3.5%~5.2%, 最低检出浓度为0.001 3 mg·m-3（以采集7.5 L空气样品计）、 0.000 6（以96 L空气样品计）。 采集后的吸附管在室温下保存30 d, 下降率小于0.1%。 固体吸附管采样方法简单, 适用于工作场所空气中汞及其化合物的短时间、 时间加权平均浓度及个体暴露浓度的采样检测。

汶川地震在北川县擂鼓镇和赵家沟村一带产生了一系列的同震地表破裂带, 采集破裂带内的同震断层泥, 同时采集了平武县南坝镇断裂带中的老断层泥。 采用X射线衍射和红外吸收光谱对新老断层泥样品进行测试, 综合分析其矿物成分、 粘土矿物含量及组合等特征。 分析结果显示新老断层泥的矿物成分存在较为明显的差异, 老断层泥主要由围岩的碎屑或碎粉组成, 而新鲜断层泥的主要成分则为粘土矿物。 其中新鲜断层泥中的粘土矿物成分主要为伊利石、 蒙脱石和伊蒙混层, 这一粘土矿物组合表明断层活动的演化环境主要为温暖湿润的环境, 粘土矿物所受构造应力变质作用主要表现为低温低压的浅变质作用, 这也一定程度上指示了该区域断层最新的活动方式可能是蠕移。 前人对汶川地震带断层泥的研究主要集中在其力学性质和结构以及构造方面, 而本文的研究则主要通过断层泥中矿物成分和粘土矿物含量的特征来判定断层活动的物理化学环境, 这对于断层环境演化和地震的活动机制研究具有重要的科学意义。

探索海量的M型恒星中具有磁活动、 巨星等较特殊、 稀有的天体, 对于后续观测、 银河系结构、 演化等科学研究具有重要的意义, 针对M型恒星光谱特征线出现在子空间中的局部偏离, 设计并实现了晚型恒星离群数据挖掘系统。 首先采用稀疏因子和稀疏度系数度量样本在属性空间上的分布特征, 并在此基础上对M型恒星光谱特征线进行离散化、 降维等预处理, 获得光谱子空间; 然后采用微粒群算法搜索离群子空间, 并证认子空间内光谱是否离群; 此外, 选择SDSS M型光谱特征线指数集为样本, 实验分析了稀疏因子和稀疏度系数的设置对离群结果的影响, 并将离群挖掘结果与SDSS提供光谱型等参数对照, 表明利用该系统实现晚型恒星光谱特征线局部离群数据挖掘是可行并有价值的。

为了提高迈克尔逊干涉系统的抗干扰能力, 取代传统的动镜扫描结构, 设计了基于电光调制晶体折射率实现光程扫描的干涉系统。 通过加载在可变折射率晶体上的调制电信号, 使晶体折射率产生周期性变化, 从而在原有系统光路中调制折射率改变光程差。 通过理论计算获得了电光调制过程中系统可以产生的最大光程差, 并仿真分析了晶体厚度及晶体衍射效率对调制过程的影响。 经仿真分析可知, 随着调制电压范围的增大, 可获得的光程变化范围也增大, 从而系统光谱分辨能力也相应增大。 同时, 在调制过程中设置调制范围使衍射损失的能量小于总能量的10%, 从而保证较好信噪比。 实验结果显示, 随着调制电压的变化, 干涉条纹产生周期性移动, 但超过一定范围时会产生非线性误差。 通过修正算法后系统光谱分辨率可达7.2 cm-1。 在无抗震实验平台的条件下, 传统干涉系统的相对误差超过20%, 而本系统的相对误差低于3%, 证明了系统采用静态电光调制后抗干扰能力显著增强。

提出了一种基于稳定竞争自适应重加权采样（stability competitive adaptive reweighted sampling, SCARS）的无标模型传递方法。 利用有用信息标准即稳定度指数（定义为回归系数除以其标准偏差的绝对值）和传递后的预测均方根误差（root mean squared error of prediction, RMSEP）, 选择重要的、 受测样参数影响不敏感的波长变量, 能够消除或减少不同仪器或测量条件对样本信息反应差异, 提高模型传递效果。 此外, 在该方法中, 光谱变量被压缩、 降维, 从而使模型传递更稳定。 采用该方法对谷物的近红外光谱分析模型在不同仪器之间进行传递研究。 结果表明, 该方法能消除仪器间的大部分差异, 较好地实现模型传递效果。 与正交信号校正法（orthogonal signal correction, OSC）、 蒙特卡罗结合无用信息变量消除法（Monte Carlo uninformative variable elimination, MCUVE）、 竞争自适应重加权采样法（competitive adaptive reweighted sampling, CARS）的比较表明, SCARS不仅在传递精度上能取得比OSC、 MCUVE及CARS更好的效果, 而且能有效地对光谱数据进行压缩, 简化并优化传递过程。

结合谐衍射光学元件特殊的消热差以及对波面进行任意整形的特点, 针对现代最先进的像元尺寸为30 μm、 像元数320×240的红外双色探测器, 提出了一种轻小型双光谱超宽温度红外探测成像系统方案, 利用折射/谐衍射结构实现了超宽温范围内的被动式消热差红外成像探测, 仅用三片镜子的单结构就可实现系统在3.8～4.2和8.8～11.2 μm双光谱处在-120 ℃～200 ℃温度范围内同时探测。 系统仅使用锗和硒化锌两种材料, 引入了一个非球面和一个谐衍射面, 实现了消热差、 消色差和结构简单轻量化, 设计结果表明, 该系统在-120～200 ℃温度范围内, 3.8～4.2和8.8～11.2 μm光谱处的最大均方根半径值分别为19.07和17.75 μm, 小于红外探测器的像元尺寸30 μm, 在红外探测器两个像元内, 3.8～4.2和8.8～11.2 μm光谱处的能量集中度分别优于88.7%和82.4%, 成像质量良好, 方案工程实现性好, 设计方法和设计结果合理可行。