散射相函数是研究电磁波传输特性的重要参数, 直接影响电磁波传输方程的简化程度和解的精度。 基于电磁散射与辐射传输中的基本理论, 对非球形粒子散射相函数的经验公式进行了研究。 为了很好的模拟非球形粒子的后向散射峰值, 提高辐射传输方程的简化程度和解的精度, 提出了一种新的相函数经验公式。 分析新的相函数对非球形粒子的适用性, 以单个沙尘性气溶胶为例, 计算了不同形状粒子的Henyey-Greenstein*相函数和新的相函数随角度的变化, 并与T矩阵法的计算结果进行了对比, 发现椭球形粒子的长短轴比和有限长圆柱形粒子的径长比大于0.5时, 新的相函数在大角度后向散射部分与T矩阵法的吻合程度较高。 考虑波长变化, 对比了尺寸谱满足对数正态分布的四种气溶胶粒子的Henyey-Greenstein*相函数和新的相函数与T矩阵法的计算结果。 研究表明, 对于椭球形粒子和有限长圆柱形粒子, 在大角度（大于90°）后向散射部分, 除了0.694时的椭球形海洋性气溶胶, 新的相函数均方根差较小的占100%, 证明了新的相函数可以较好的模拟非球形粒子的后向散射特征。 新的相函数对准确模拟辐射传输过程具有重要意义。

当今中药市场上掺假现象屡见不鲜, 不良商贩利用三七须根粉末假冒主根和剪口粉末, 严重影响三七的质量与药效。 通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）结合化学计量学建立三七主根、 剪口和须根粉末鉴别及四种皂苷含量快速预测模型, 为快速三七质量控制提供基础。 采集三七主根、 剪口和须根红外光谱, 超高效液相色谱（UPLC）测量样品中三七皂苷R1、 人参皂苷Rg1、 人参皂苷Rb1和人参皂苷Rd含量。 采用纵坐标归一化及二阶导数对原始红外光谱进行预处理; Kennard-stone算法将60个样本分为2/3训练集与1/3预测集。 训练集数据结合支持向量机（SVM）判别建立三七主根、 剪口和须根粉末鉴别模型, 最佳核函数c和g采用交叉验证进行网格式搜索, 预测集数据用于对判别模型进行外部验证。 正交信号校正偏最小二乘回归（OSC-PLSR）建立三七中四种皂苷含量预测模型, 红外光谱采用一阶、 二阶导数及Savitsky-Golay平滑5点、 7点、 9点、 11点预处理。 60个样本分为2/3训练集与1/3预测集, 训练集数据建立OSC-PLSR模型, 预测集数据对OSC-PLSR模型的预测结果进行外部验证。 结果显示: （1）二阶导数可有效的分离原始谱图的叠合隐蔽谱峰, 并提高谱图的分辨率; （2）交叉验证网格式搜索计算出最佳核函数c=2.828 43, g=4.882 81×10-4, 此时训练集判别正确率为100%; （3）SVM判别模型核函数设置为最佳核函数, 预测集数据外部验证正确率为100%, 所有样本均被正确鉴别; （4）三七皂苷R1、 人参皂苷Rg1、 人参皂苷Rb1和人参皂苷Rd最优含量预测模型预测值与UPLC检测值接近, 预测效果良好。 FTIR结合SVM判别能对三七主根、 剪口和须根粉末快速鉴别, 结合OSC-PLSR能对四种皂苷含量进行准确预测。 该方法准确可靠, 可为中药材三七提供快速有效的质量控制。

尖晶石的有序-无序相变作为尖晶石的一种重要性质, 在国内缺少相关研究成果。 运用拉曼光谱仪通过785 nm激光在液氮环境下激发含Cr的宝石级天然粉红色尖晶石, 避免了532 nm激光激发下产生的469 nm的荧光峰和在常温测试下由于热振动对光谱的影响, 得到清晰尖锐的拉曼光谱, 为拉曼光谱参数的分析奠定基础。 同时通过对一颗Cr元素致色的天然粉色镁铝尖晶石进行热处理使尖晶石逐步发生有序-无序相变, 并反映在拉曼光谱的谱峰参数之中。 各项参数分析结果显示, 尖晶石的拉曼光谱主要由Eg, T2g(1), T2g(2), N3和Ag, 五种振动模式产生, 其谱峰位置分别为407.8, 312.4, 667.5, 720.0和769.0 cm-1; 尖晶石拉曼光谱谱峰参数在800 ℃时发生突变: 各谱峰半高宽和各峰相对主峰Eg峰的相对强度明显增大, 常温下几乎不可见的N3峰在高温处理后出现, 并且T2g(1)峰向低波数偏移, T2g(2)向高波数偏移, 同时峰的对称性逐渐消失。 研究结果表明尖晶石的有序-无序相变可以通过拉曼光谱检测并且可以通过谱峰参数: 半高宽、 谱峰相对高度等进行半定量表征。 由于拉曼光谱具有的无损检测特点, 使其成为宝石级热处理尖晶石鉴定应用的重要参考依据之一。

寻找实验上定量测定芳香性分子芳香性大小的方法是科学家一直追求的一个目标, 应用拉曼光谱测量半三明治配合物芳香性大小是一项新的尝试。 采用Gaussian09计算程序中的密度泛函理论(DFT), 对(η6-C6X6)和半三明治配合物［(η6-C6X6)M］n+(X=F～Br, M=Ti~Mn, n=1, 2)进行几何优化, 并对其几何结构、 静电引力、 稳定化能ΔE、 核独立化学位移(NICS)值及环伸缩振动拉曼光谱频率(RSVRSF)大小进行了理论计算。 结果表明: 取代苯及其形成的半三明治配合物的NICS值均为负值, 均为芳香性分子; 取代苯及其半三明治配合物中均存在A1g或A1对称性的RSVRSF, 且其峰强度均很大, 其NICS绝对值、 RSVRSF值均随着F, Cl, Br取代的顺序逐渐减小, 均呈高度正相关, 且相关性系数均达到0.99以上, 理论预测可通过实验测定其RSVRSF值测定该类物质的芳香性大小。

食源性致病微生物导致的食源性疾病已成为全球化的公共卫生问题。 快速、 有效地检测食源性致病微生物是实现食源性疾病预防与控制的关键环节, 也是保障食品安全的技术关键。 表面增强拉曼光谱（SERS）具有简单、 快速、 灵敏度高等优点, 在食品安全、 生物医学、 环境监控等领域展现出良好的应用前景。 介绍了近年来SERS在食源性致病微生物检测中的应用研究进展。 对SERS技术概况、 SERS增强理论及SERS增强基底进行了简要介绍, 重点回顾了SERS在食源性致病微生物检测中的应用和发展现状。 在食品安全分析方面, 利用SERS与模式识别方法相结合对食品中常见食源性致病微生物能实现快速、 有效鉴别, 部分研究已应用于不同食品样品的分析, 体现了SERS作为“指纹图谱”的分析优势; 在医学诊断方面, SERS可对病理样品（如血液、 尿液等）中食源性致病微生物进行快速检测, 缩短了样本分析时间, 使食源性疾病的快速诊断成为可能; 随着微流控技术的发展, 微流控平台结合SERS技术被称为“芯片实验室”应用于食源性致病微生物的检测, 可提高分析的可控性, 稳定性, 特异性和灵敏度。 通过对比分析, 发现不同研究可采用不同分离方法、 不同基底、 不同目标捕获方式等实现了食源性致病微生物的检测, 展示了不同方法间的差异性。 已有研究表明了SERS在食源性致病微生物检测中应用可克服传统方法耗时等缺点, 实现灵敏快速分析, 为食品安全实时监控, 食源性疾病即时诊断提供了有效的分析工具。 同时, 指出了SERS技术应用于食源性致病微生物分析依然面临很大挑战, （1）大多数研究并没有聚焦于实际样品, 而标准培养液和实际样品的SERS检测存在较大差异, 实际样品组分会对SERS响应产生干扰; （2）不同方法结果有较大差异, 主要是由于纳米增强基底差异, 吸附方式原理的差异, 稳定性的差异等, 因此需要更多深入研究进一步优化条件; （3）期望建立标准化的SERS方法替代传统技术, 充分展示SERS作为新兴分析工具快速、 灵敏、 简捷的优势应用于食品安全, 医学诊断等领域。 将来, 随着研究的深入及相关学科的发展, SERS作为极具潜力的快速分析工具, 将在食品安全, 生物医学等领域具有更广阔的应用前景。

西维因是一种广谱、 高效的氨基甲酸酯杀虫剂。 提出一个基于表面增强拉曼光谱进行定量和定性分析小白菜中西维因残留的方法。 密度泛函理论B3LYP/6-311G基组被用于计算西维因农药的理论拉曼光谱。 硫酸镁、 PSA、 石墨化炭黑和C18被用来去除叶绿素、 矿物质和维生素等物质的影响。 采用MSC, SNV和归一化三种方法对原始光谱进行预处理, 建立小白菜中西维因残留的偏最小二乘模型。 研究表明, 小白菜中西维因农药残留检测可以达到0.976 mg·L-1以下。 经MSC预处理后所建PLS模型预测性能最好, 当主成分数为9时所建模型的性能最好, Rc为0.977, RMSECV为2.09 mg·L-1, Rp为0.986 5, RMSEP为1.71 mg·L-1。 五个未知西维因农药浓度小白菜样本用来验证模型的准确度, 相对误差为1.98%~7.28%, 预测回收率为95.73%~107.28%, T值为0.397, 小于t0.05, 4=2.776, 说明模型是准确可靠的。 SERS方法是一种有效的方法, 可以实现小白菜中西维因农药残留的快速可靠检测。

菜籽油在加工及贮藏过程中, 易受氧气、 温度、 光照等因素的影响, 产生氧化酸败现象。 为准确判断油脂氧化程度, 实现不同氧化模式下菜籽油品质的快速判别, 采用三维同步荧光光谱技术结合平行因子分析法及BP神经网络法建立菜籽油氧化状态的智能评价模型。 以冷榨菜籽油为原料, 将样品分别置于常温、 Schaal烘箱、 高温模式中氧化处理, 期间采集菜籽油的三维同步荧光光谱数据及理化指标, 当理化指标超出国标限定范围时, 停止采集数据。 结果表明, 菜籽油中荧光物质在不同氧化模式中的演变规律呈显著差异, 氧化温度对菜籽油荧光光谱有明显影响。 常温氧化350 d与第1 d相比, 菜籽油的特征荧光峰位置无变化, 仅在激发波长Ex为620和660 nm附近荧光峰强度发生微弱变化; Schaal烘箱氧化26 d后, 在激发波长Ex为620和660 nm附近荧光峰强度显著减弱, 且在激发波长Ex为350～450 nm之间有新的荧光峰生成; 高温氧化48 h后, Ex为620和660 nm处荧光峰消失, 在Ex为400～550 nm处产生显著荧光峰, 相对Schaal烘箱氧化, 荧光波长发生一定程度红移, 这是由于高温氧化过程中油脂氧化生成的物质稳定性较差引起的。 利用平行因子分析法对三维同步荧光光谱数据进行分解获取有效的二维荧光光谱数据, 当组分数为6, Δλ=60 nm时激发波长的载荷值最大, 不同样品间差异最显著。 选定Δλ=60 nm波段的二维荧光光谱数据用于智能评价, 作为BP神经网络模型的输入值, 以极性组分作为模型输出值, 分别对菜籽油三种氧化模式数据建模训练。 实验结果表明, 三种氧化模式对应的训练集、 验证集、 测试集模型相关系数r均能达到0.9以上, 其中常温氧化模式中验证集及测试集模型的相关系数r为1, 输出值与目标值较接近, 模型的预测效果较好; 综合三种氧化模式数据建模, 对应训练集、 验证集、 测试集模型的相关系数分别为0.999, 0.913和0.988, 均方误差均较小, 说明该模型能准确判断菜籽油的不同氧化状态。 因此, 三维同步荧光光谱技术结合平行因子分析法、 BP神经网络法建立快速检测模型能实现菜籽油不同氧化状态的判别, 为菜籽油的氧化程度的评价提供新方法, 同时为其他食用油的品质评价提供参考。

火花源原子发射光谱原位统计分布分析技术（OPA）是近十几年发展起来的一种大尺度金属截面的高通量成分分布分析技术, 具有分析速度快、 多元素信号同时定位采集、 统计解析信息量大等独特优势, 已被广泛应用于中低合金钢铸坯中的成分分布分析。 采用火花源OPA技术对铸&锻变形FGH96高温合金航空发动机涡轮盘纵剖面中的主要合金元素Al, Cr, Co, Ti, W, Mo和Nb进行了成分分布分析, 并通过适宜的校准曲线的拟合实现了七种合金元素的定量统计解析。 采用直读光谱仪对纵剖面轮毂至轮缘的不同部位进行了定点分析, 两种方法具有较好的一致性。 结果表明, 经过新的铸&锻工艺生产的变形FGH96涡轮盘中除了含量较低的Nb元素外, 大部分元素的统计偏析度都小于5%。 由于涡轮盘不同部位冷却方式的差异, 导致轮毂和轮缘上某些元素分布的差异, 其中Ti, Nb等碳化物形成元素在轮缘处存在一定的偏析, 含量有所升高, 而W, Mo和Co则在轮中部分布较不均匀, 采用扫描电镜结合能谱分析的方法也观察到了轮缘处了大颗粒的Ti和Nb的碳化物的存在, 进一步证实了涡轮盘边缘Ti和Nb偏析的存在。 大尺度涡轮盘的元素成分分布分析结果对于FGH96合金涡轮盘新型铸&锻变形工艺的改进和性能提高具有重要的指导作用。

水作为生命之源与人类的生存息息相关, 近年来关于水环境污染的报道越来越多, 不容忽视。 实验以萘酚的两种同分异构体1-萘酚、 2-萘酚的混合物作为研究对象, 提出了一种新的算法, 通过对混合物的三维荧光光谱进行分析来实现水中萘酚的定性定量分析。 利用FS920稳态荧光光谱仪对配制的混合溶液进行扫描得到荧光光谱数据, 并对数据进行一系列的预处理去除拉曼散射和瑞利散射的影响。 将解决盲源分离(BSS)问题的独立成分分析（ICA）算法应用到荧光光谱定性定量分析问题当中, 盲源分离技术就是将测量得到的混合信号作为处理对象进行分解, 实现未知系统中源信号的求解, 并得到混合矩阵。 对混合物中单一物质的识别与测量与盲源分离问题类似。 采用基于负熵最大的快速独立成分分析（FastICA）算法对实验数据进行分解, 将所有样本的三维荧光光谱数据沿发射波长方向展开成为向量, 得到一个大小为（N×M）的矩阵（N为样本数, M为波长数）, 将该矩阵作为快速独立成分分析的输入进行独立分量提取, 输出分别为单组分物质的展开荧光光谱和混合矩阵。 FastICA算法的关键是利用牛顿迭代算法得到解混矩阵, 但迭代过程中复杂的求导问题会使计算量增大、 迭代速度减慢, 针对该算法存在的问题, 提出用差分法（又称为双点弦截法）代替求导的解决方法。 为了验证算法的可行性, 用改进后的算法和原有算法分别对荧光光谱数据进行了五次独立分量提取实验, 原有算法平均运行时间为17.78 s, 而改进后的算法平均运行时间为3.22 s, 比原有算法提高了14.56 s, 有效地减少了计算量, 改善了FastICA算法的迭代速度并且使其收敛性更加稳定。 通过实验结果可以看出改进后的算法得到的光谱更接近真实的光谱。 利用快速独立成分分析算法分解得到的混合矩阵与物质浓度相关, 这是物质定量分析的依据, 但它们之间的关系可能是非线性的, 采用能实现非线性拟合的支持向量回归机（SVR）进行回归预测, 将混合矩阵和实际浓度矩阵分别作为SVR的输入和输出, 利用遗传算法（GA）对支持向量回归机的参数进行优化选择, 并选择径向基核函数（RBF函数）作为SVR的核函数, 建立回归模型, 实现对荧光光谱的定量分析。 1-萘酚的拟合相关系数（r）为0.998 6, 样品回收率（Recovery rate）为96.75%～104.2%, 预测均方根误差（RMSEP）为0.119 μg·L-1; 2-萘酚的拟合相关系数为0.998 8, 样品回收率为96.8%～105.5%, 预测均方根误差为0.1 μg·L-1, 预测结果比较令人满意, 符合预测要求。 实验证明改进的基于负熵最大的FastICA-SVR算法能实现对混合物中1-萘酚、 2-萘酚准确有效的识别和测量, 并且改进之后加快了算法的分解速度。

胭脂红是一种应用广泛的食品色素, 在各种食品、 饮料的添加剂里都有它的身影, 过量食用人工合成色素会严重危害健康。 食物中色素一般都是多种联用, 各种色素之间会相互产生干扰, 这加大了对食品中色素检测的难度, 模拟食品中多种色素共存的环境, 采用荧光光谱技术, 结合PSO-SVM算法, 建立一种测定混合溶液中胭脂红含量的方法。 从试剂公司购买胭脂红和苋菜红固体粉末, 选择胭脂红为待检测色素, 苋菜红为干扰色素, 配成不同浓度的胭脂红单色溶液以及加入苋菜红后的混合溶液样本, 其中胭脂红的浓度在0.1~30 μg·mL-1之间, 干扰色素苋菜红的浓度在0.1~10 μg·mL-1之间随意添加。 运用Edinburgh Instruments 公司生产的FS920稳态荧光光谱仪, 测得胭脂红单色溶液与加入苋菜红后混合溶液的荧光光谱图, 分析得到胭脂红的最佳激发波长为λex＝326 nm, 最佳发射波长为λem＝430 nm。 各选取6组不同浓度的单色样本以及混合色素样本, 其中, 胭脂红的物质浓度同为3, 4, 5, 6, 7和8 μg·mL-1, 苋菜红的物质浓度都定在2 μg·mL-1。 观察6组样本在激发波长λex=326 nm时的发射光谱和荧光强度的关系。 单色样本中, 胭脂红浓度与荧光强度线性关系良好; 而在混合溶液中, 随着胭脂红浓度的增加, 荧光强度呈现出先降后增再降的过程, 光谱线型、 强度与各组分浓度间存在复杂的非线性关系, 得以证明混合溶液的荧光光谱并不是由各组分光谱简单的叠加, 而是在吸收光谱的过程中, 胭脂红溶液与苋菜红溶液存在竞争和相互影响。 配取25组胭脂红、 苋菜红混合溶液, 从中选择7个作为预测样本, 其余18组作为训练样本。 7 个预测样本中胭脂红的浓度分别为 1.0, 2.0, 4.0, 6.0, 9.0, 12和15 μg·mL-1, 干扰物质苋菜红的物质浓度在0.1~10 μg·mL-1之间。 选择各组样本在最佳激发波长λex＝326 nm 下对应的荧光强度, 作为检测模型的输入, 以胭脂红的预测浓度作为输出。 对PSO参数初始化设置后, 训练输出SVM的最佳参数c和g, 将所得的最佳参数输入PSO-SVM模型, 得到7组预测样本的浓度预测结果分别为: 1.146 9, 1.860 6, 3.854 4, 6.146 9, 9.133 8, 11.857 6和14.859 8 μg·mL-1。 分析PSO-SVM的预测结果, 得到胭脂红平均回收率为100.84%, 预测均方根误差（RMSEP）为1.03×10-4, 模型输出与真实值之间的相关系数是0.999。 在同等条件下, 采用误差逆向传播算法（BP）预测得到的7组样本浓度分别为: 1.140 1, 2.139 8, 3.188 2, 6.436 2, 8.882 7, 11.860 1和12.664 3 μg·mL-1, 其平均回收率为98.56%, 均方根误差为4.65×10-3, 输出值与真实值之间的相关系数为0.972。 与误差逆向传播算法（BP）的预测结果相比较, PSO-SVM 相关系数高出2.7%, 平均回收率高出0.6%, 均方根误差降低了将近一个数量级。 分析结果表明, 通过荧光光谱技术与PSO-SVM相结合的方法, 能够有效的避开干扰色素的影响, 准确的测定混合溶液中胭脂红的含量, 并且效果相比较于BP更加理想。

系统分析了黑龙江穆棱地区巨晶斜方辉石的性质、 化学成分和光谱学特征。 电子探针（EMPA）的分析结果表明, 该巨晶斜方辉石属于斜顽辉石, 其元素组成包括Ca, Na, Mg, Fe, Al, Ti, Si和O, 结构水含量为20～130 ppm。 拉曼光谱（Raman）的特征峰位于1 015, 678和345 cm-1, 分别由不同的振动类型引起。 傅里叶红外光谱（FTIR）的分析表明巨晶斜方辉石在官能团区具有三个明显的吸收峰, 它们分别位于3 550~3 590, 3 510~3 520和3 410~3 420 cm-1, 与幔源辉石结构水的吸收峰较为一致; 对巨晶斜方辉石的红外微区含水量测试分析表明, 结构水在不同巨晶斜方辉石间存在差异, 但在单一辉石样品内部分布均匀, 无明显核-边变化。

紫外吸收方法中, 硝酸盐氮（NO-3-N）的紫外吸收峰在202.0 nm左右, 而亚硝酸盐氮（NO-2-N）的紫外吸收峰在210.0 nm左右, 两者吸收峰位置距离很近, 因此, 在分析过程中两者的紫外吸收曲线严重重叠, 相互之间严重干扰, 不经过分离很难用单波长对二者的含量进行测定而常用的国标方法过程又过于繁琐, 耗时较长。 为了准确、 快速、 环保的实现环境水体和饮用水中的硝酸盐氮和亚硝酸盐氮快速监测, 避免国标方法中对二者测定的诸多不足, 结合紫外吸收和二阶导数光谱法, 在不经过任何预先分离处理的情况下, 建立了水体中这两种物质的快速分析方法, 实现水样中二者的快速准确测定。 研究采用优级纯试剂配制硝酸盐氮和亚硝酸盐氮系列标准溶液。 以去离子水做参比, 采用紫外-可见光分光光度计扫描其在195～250 nm范围内的紫外吸收光谱, 之后采用Origin软件对所获得的光谱图做二阶导数处理, 并采用Origin软件中的Savitzky-Golay方法对处理后的二阶导数光谱进行平滑处理以去除其他无关的干扰和噪声。 通过观察上述所得两组二阶导数光谱图, 得出以下结论, 不同浓度的亚硝酸盐氮样品在223.5 nm处吸光度的二阶导数均为0, 不同浓度的硝酸盐氮样品在216.5 nm处的吸光度的二阶导数也均为0。 通过实验可见硝酸盐氮和亚硝酸盐氮混合样品的紫外吸收光谱的二阶导数在这两个特定波长处符合朗伯比尔定律。 实验通过配制硝酸盐氮和亚硝酸盐氮混合样品, 并扫描混合样品的紫外吸收光谱, 采用上述方法对所得光谱做二阶导数及平滑去噪处理。 研究混合样品二阶导数光谱图可以看出在硝酸盐氮浓度相同而亚硝酸盐氮浓度不同时, 亚硝酸盐氮的浓度变化会对硝酸盐氮的吸光度的二阶导数有影响, 但是各种混合样品的二阶导数光谱在223.5 nm处几乎交叉于一点, 说明此处亚硝酸盐氮的浓度不同不会对硝酸盐氮的二阶导数吸光度有影响。 且在223.5 nm处硝酸盐氮二阶导数吸光度随浓度增加而线性增加。 因此, 223.5 nm可作为混合组分中硝酸盐氮的测定波长。 参照以上方法, 可得亚硝酸盐氮的测定波长为216.5 nm。 在223.5 nm处对单组分的硝酸盐氮的浓度值及其相应的吸光度的二阶导数进行线性回归, 其线性关系良好, 得到标准曲线的回归方程为C=438.69A+0.015, R2=0.995 9。 同理, 得到亚硝酸盐氮在216.5 nm处回归方程为C=-657.29A+0.068 8, R2=0.998。 为了验证这种方法在实际水样测量中能否成立, 取秦皇岛市新河、 汤河以及戴河三种河水水样进行实验验证, 结果表明, 回收率在96.7%～103.0%之间, 相对标准偏差在1.46～3.68之间。 该方法结果较准确, 且操作更加简便, 成本较低, 可同时实现硝酸盐氮和亚硝酸盐氮快速在线监测。

古陶瓷是历史的遗存, 具有不可再生性, 因而理想的古陶瓷分析技术应该是无损的。 为客观、 有效地对古陶瓷窑口进行无损鉴定, 提出了一种基于紫外、 可见光和近红外的多波段漫反射光谱无损鉴定方法。 针对传统单一波段古陶瓷窑口鉴定对目标特征描述不足的问题, 即在可见光波段区域, 漫反射光谱数据可反映古陶瓷的颜色特征, 但在同一窑口烧制的陶瓷也会有不同的颜色属性, 仅仅根据可见光波段的漫反射反射率来鉴定窑口来源是不合理的, 在紫外与近红外波段, 古陶瓷内部分子与此波段光发生作用后的漫反射光谱数据, 可反映古陶瓷携带的丰富样品结构和物质属性信息, 结合紫外与近红外光谱漫反射光谱数据可有效提高特征的表达, 因此提出利用紫外、 可见光和近红外的多波段特征提取方法。 在实验过程中, 基于多波段线性特征融合窑口平均鉴定准确率为92.9%, 相比于单波段的窑口鉴定平均准确率91.1%提高了1.8%, 实验结果验证了所提多波段方法相对单波段方法的有效性; 在特征提取过程中, 常用小波变换对光谱信号进行处理, 但由于古陶瓷漫反射光谱波信号在紫外、 可见光与近红外波段形波动大, 频率变化大, 因此, 在小波基的选取上存在很大困难, 提出利用自适应时频分析特征提取方法, 其特点是可自适应分配不同频率子波本征模态函数, 通过选择合适的本征模态函数来提取古陶瓷不同波段的光谱特征, 但在分解过程中存在过分解现象, 即虚假的本征模态函数, 将所有样本与分解的本征模态函数的平均相关系数和平均方差贡献率作为选择本征模态函数的标准, 实验结果表明, 随着分解阶次的递增平均相关系数和平均方差贡献率递减, 当分解阶次为4时, 相关系数和方差贡献率都为0.30, 但当分解阶次为5时, 相关系数和方差贡献率仅为0.15和0.18, 因此选择4阶分解, 用于不同波段的特征提取; 所提取的特征给与分类器进行分类时, 不同波段的特征对分类的准确率贡献不同, 因此在此基础上, 计算不同光谱特征的散布矩阵, 利用类内与类间散布矩阵的迹, 计算特征融合时不同波段特征的权重, 自适应分配权重并进行非线性特征融合, 权重越大, 表明该类特征对鉴别的贡献越大, 非线性特征融合时, 平均鉴定准确率为94.5%, 相比于线性特征融合鉴定平均准确率92.9%提高了1.6%; 其中分类器采用k最近邻分类器对来自不同窑口的古陶瓷进行无损分类识别。 通过客观定量地将该方法与同类方法进行对比, 朱旭峰等利用非线性特征融合方法, 窑口平均鉴定准确率为86.97%, 该方法比其高7.53%。 刘峰等采用基于协方差阵进行特征级融合多波段方法, 窑口平均鉴定准确率为89.63%, 该方法比其高4.87%。 实验结果表明所提方法有效、 可行, 可作为古陶瓷窑口鉴定的有效辅助鉴定方法。

富铁釉瓷在中国古陶瓷史上具有重要地位, 综合利用光学相干层析成像技术（OCT）、 光学显微镜（OM）、 激光拉曼光谱技术(LRS)和X射线荧光光谱分析技术(XRF) 对河南省宝丰清凉寺窑址出土宋金时期富铁釉瓷样品进行无损分析研究, 获取了富铁釉瓷的釉层结构、 釉面析晶的物相信息及胎釉化学成分等信息, 探讨了釉层断面OCT灰度图像特征与其显微结构之间的关系以及富铁釉瓷的烧制工艺。 结果表明, 酱釉瓷和柿叶红釉瓷表面及黑釉红斑区存在富铁析晶层, 黑釉瓷釉层表面未发现富铁析晶层的存在。 酱釉瓷釉层富铁析晶层中铁的氧化物以ε-Fe2O3晶体为主, 而柿叶红釉层则主要是α-Fe2O3晶体, 黑釉红斑层同时存在ε-Fe2O3, α-Fe2O3晶体以及磁铁矿。 上述差异形成的原因与釉层化学成和烧制工艺存在联系。 釉层中高含量碱土金属氧化物及氧化铁区域更容易析出氧化铁晶体。 黑釉瓷烧成气氛以还原气氛为主, 而酱釉瓷和柿叶红釉瓷则倾向于氧化烧成气氛, 且柿叶红釉瓷的烧成温度高于酱釉瓷。 该研究将OCT, OM, LRS与XRF相结合, 有助于加强对富铁釉瓷的整体认知, 为富铁釉瓷的断源断代提供更为丰富的线索。

除草剂可以快速、 有效地进行除草, 已被广泛应用, 但是在除草剂使用同时也会对周围环境和农作物带来一定程度的污染, 例如农业生产过程中经常发现由于除草剂使用不当而使果树中毒的现象。 异丙甲草胺是一种酰胺类选择性除草剂, 被广泛应用于旱地作物、 蔬菜和果园、 苗圃。 根据相关文献报道, 基于气相色谱法、 气相色谱-质谱联用法和固相萃取等方法可以实现异丙甲草胺残留检测, 而基于吸收光谱法对异丙甲草胺的分析未见相关文献报道, 提出直接利用吸收光谱及其导数光谱分析法实现异丙甲草胺农药及其在苹果汁中的农药残留检测。 首先利用分光光度计对不同浓度异丙甲草胺药液进行吸收光谱实验研究, 发现在266 nm处有明显吸收光谱特征峰。 对农药吸收光谱进行拟合分析, 得到异丙甲草胺药液浓度和吸光度之间预测模型函数方程, 函数方程为y=2.147 09x+0.031 98, 相关系数为0.998 5。 然后利用分光光度计对苹果汁-异丙甲草胺混合溶液进行吸收光谱实验研究, 相对于纯苹果汁吸收光谱, 在混合溶液吸收光谱中发现266 nm处为异丙甲草胺所对应的特征峰。 对苹果汁中药物浓度和吸光度进行建模, 模型函数为: y=0.704 9+0.826 8x, 其相关系数为0.991 1。 可以看出, 当苹果汁中异丙甲草胺残留量很低时, 其农药吸收光谱特征峰并不明显。 为进一步提高检测效果, 对混合溶液吸收光谱进行一阶导数处理, 得到其一阶导数吸收光谱。 与苹果汁吸收导数光谱相比较, 苹果汁-农药混合溶液导数光谱有两个明显特征光谱峰, 分别位于269和276 nm处。 进一步分析苹果汁-异丙甲草胺混合溶液的导数吸收光谱峰值与农药含量之间的关系, 对异丙甲草胺含量与导数光谱吸光度进行函数拟合。 其中269 nm对应预测模型函数关系式: y=0.005 3-0.090 6x, 相关系数r=0.992 5; 276 nm对应预测模型函数关系式为y=-0.000 769-0.302 8x, 相关系数r=0.990 6。 为验证由吸收光谱和其一阶导数光谱所得苹果汁中农药残留预测模型的准确性, 另外配置五种浓度苹果汁－异丙甲草胺混合溶液。 然后在同等条件下对其进行吸收光谱实验, 将266, 269和276 nm处的吸光度分别代入对应模型函数可求得浓度预测值, 结合已知浓度值可计算其平均回收率, 其中吸收光谱266 nm对应平均回收率为104.68%, 导数光谱269 nm对应平均回收率为104.59%, 276 nm对应平均回收率为105.18%。 对苹果汁中异丙甲草胺检测模型进行分析, 计算得到检出限(LOD)和定量限（LOQ）参数值, 其中原始吸收光谱对应LOD和LOQ分别为0.014 8和0.049 2 mg·mL-1, 一阶导数光谱对应LOD和LOQ最小值分别为0.001 5和0.004 9 mg·mL-1。 研究结果表明, 采用吸收光谱方法对苹果汁中异丙甲草胺进行直接检测与分析是快速和可行有效的, 而且对吸收光谱进行导数运算处理后, 检测效果更优。

高光谱成像已被应用于建立干贝水分含量预测模型, 其模型性能受样本划分方法及建模方法影响。 样本划分方法决定着所选样本是否具有代表性, 而建模方法决定着如何利用样本建立模型, 但样本划分方法与建模方法的内在联系却鲜有研究报道。 在方法优选上, 将样本划分方法与建模方法进行组合, 探究不同方法组合对干贝水分含量预测模型性能的影响, 对干贝水分检测建模及分级方法的优选具有重要意义, 同时也能为其他样本的光谱建模提供参考。 采集380～1 030 nm波段下270个干贝样本的高光谱图像, 提取干贝样本的光谱数据, 通过RS, KS, SPXY和CG四种常用的方法划分样本, 并以PLSR和LS-SVM两种常用的建模方法建立多个干贝水分含量预测模型, 计算和比较各模型的性能指标。 结果表明: PLSR模型使用RS法划分干贝水分含量样本最为适宜(其RPD为4.079 6), LS-SVM模型使用SPXY划分法最为适宜(其RPD为4.175 6), 划分样本方法的优劣与建模方法有关, 其优选需要结合特定的建模方法进行。 在常用的四种样本划分方法和两种建模方法中, 采用SPXY法划分干贝水分含量样本并结合LS-SVM法建模的效果和精度最好。

为弥补茶叶品质感官审评存在的缺陷, 利用计算机视觉技术对茶叶品质进行快速无损评价研究。 以碧螺春绿茶为对象, 依据专家感官审评结果, 将茶样分成4个等级; 采用中值滤波及拉普拉斯算子对茶样图像进行预处理, 并提取预处理后的茶样图像的颜色特征和纹理特征以表征茶叶图像的外形特征, 利用随机森林算法对茶叶外形特征属性进行重要性排序; 筛选出重要性较大的特征及随机森林算法中最优的决策树棵数建立感官评价模型, 并与建立的支持向量机（SVM）模型性能相比较。 结果表明: 色调均值、 色调标准差、 绿体均值、 平均灰度级、 饱和度均值、 红体均值、 饱和度标准差、 亮度均值、 一致性等9个特征属性的重要性较大, 且与感官审评特征描述结果相一致; 当采用优选出的9个重要性较大的特征及决策数棵数为500时, 建立的模型性能最优, 模型总体判别率为95.75%, Kappa系数为0.933, OOB误差为5%, 较SVM模型分别提高了3.5%, 0.066, 优选的9个重要性较大的图像特征与感官审评特征描述相一致。 研究表明: 利用随机森林方法筛选出对茶叶外形特征属性贡献最大的少数几个特征建立模型, 模型性能就能达到很好的识别效果, 模型得到简化, 同时模型精度和稳定性都高于其他方法。

聚山梨酯80又名吐温80, 为一种亲水型非离子表面活性剂, 是食品、 保健品和药品中常用的辅料, 作为增溶剂和澄清剂广泛用于中药注射剂。 近年来, 不良反应的发生使得聚山梨酯80的质量和应用愈加受到重视, 有研究认为其加入可能引起注射剂不良反应增加。 为避免超量使用, 有必要对该辅料的投料加以严格控制。 中药注射剂中聚山梨酯80的含量测定是当下研究的热点和难点, 可以通过分光光度法、 分子排阻-蒸发光散射检测法（SEC-ELSD）、 液质联用法（LC-MS）直接测定, 也可以水解后法经液相色谱-紫外检测法（HPLC-UV）或气相色谱法（GC）间接测定。 但由于聚山梨酯80为聚氧乙烯聚合数目不同的混合物、 不同厂家生产的聚山梨酯80化学组分及比例存在较大差异, 难以采用统一的转换公式或对照品准确定量。 此外, 中药注射剂的复杂基质造成的假阳性干扰也对定量提出了挑战。 为解决以上问题, 以生脉注射液为例, 提出基于吸收系数的中药注射剂中聚山梨酯80含量测定新方法。 优化检测波长、 显色剂种类、 液液萃取过程振荡和静置时间, 在6个不同品牌仪器上测得聚山梨酯80-硫氰酸钴配合物的吸收系数（E1%1 cm）为104.23, 相对标准偏差（RSD）为2.08%。 生脉注射液稀释10倍后, 精密量取供试品溶液1.0 mL, 精密加入硫氰酸钴溶液10 mL, 二氯甲烷20 mL, 涡旋振荡3 min。 将混合液移至分液漏斗中, 静置30 min, 取下层二氯甲烷液, 将前1 mL弃去, 接收约15 mL, 在320 nm处测定吸光度, 再根据Lambert-Beer定律, 利用获得的吸收系数计算得到聚山梨酯80的含量。 方法阴性无干扰, 精密度和重复性相对标准偏差均低于3%, 平均回收率为98.42%。 为进一步验证方法的准确性, 分别采用吸收系数法和标准曲线法测定了2个厂家的10批生脉注射液, 并与实际投料量比较。 配对t检验结果表明, 当置信度为95%时, 两种方法无显著性差异, 吸收系数法测得结果与企业生产中聚山梨酯的实际投料量也无显著性差异。 研究采用前人未采用的、 灵敏度更高的320 nm为检测波长, 显著降低了基质干扰, 克服了中药注射剂中聚山梨酯80测定结果与实际投料量难以吻合的问题。 吸收系数法无需使用对照品, 亦不用制备标准曲线, 可为中药注射剂中聚山梨酯80的检查标准提供切实可行的解决方案。 所建方法灵敏、 准确、 快速、 简便, 为含聚山梨酯80制剂的质量控制提供了关键常数及新的思路。

傅里叶红外光谱法具有测量速度快、 信噪比高、 检测范围广等优势, 在针对污染源废气排放的快速检测及长时间在线监测中具有巨大的发展潜力。 水汽是红外光谱污染气体检测中的主要干扰物, 影响NOX, SO2等重要污染物的检测, 差减水汽背景谱消除光谱中水汽干扰可提高这些污染物的检测精度, 具有重要意义。 气体光谱中水汽吸收峰由于受到水分子团簇、 仪器线型函数等影响, 通过数值方法对其计算的误差较大; 为此, 水汽背景谱一般需采用同一台光谱仪实测获得。 主要有两种方法: 第一种是通过反复调节水汽/氮气混合气中的水汽浓度, 使水汽背景谱中的水汽吸收峰与污染气体光谱中水汽吸收峰相同, 此方法耗时较长, 且受环境条件制约很难在现场检测中使用; 第二种方法是预先测量不同浓度的水汽光谱, 在检测污染气体时选取两幅与污染气体光谱中水汽吸收峰最为接近且将其夹在中间的水汽光谱作为参考谱, 使用这两幅参考谱线性拟合与污染气体光谱中水汽吸收峰相同的水汽背景谱, 此方法可获得高度近似的水汽背景谱, 但当前缺乏相关自动算法妨碍了其在快速自动消除水汽干扰方面的应用。 为此, 提出一种选取水汽参考谱及拟合水汽背景谱的自动算法, 用于自动差减消除水汽干扰。 在参考谱选取中, 使用污染气体光谱依次减去浓度由低至高的水汽光谱, 依据差减后光谱中水汽吸收峰所在波数的吸光度正负性来选取参考谱。 在水汽背景谱计算中, 基于迭代最小二乘法逐步剔除光谱中受污染物吸收峰干扰的波数, 采用剩余波数上的数据拟合水汽背景谱, 使其与污染气体光谱中水汽吸收峰相一致。 使用水汽背景谱对污染气体光谱进行差减即可消除污染气体光谱中的水汽干扰。 对含有NO2的污染气体光谱进行了差减消除水汽干扰实验, 结果表明所提出的自动算法可快速准确消除水汽干扰; NO2在消除水汽干扰后可由其位于1 629 cm-1的强吸收峰检测, 相比消除水汽干扰前使用不受水汽干扰的位于2 917 cm-1的弱吸收峰检测, 其检出限得到了大幅提高。

沙生植物资源量大、 生长快、 占地面积广, 是改善环境和治理荒漠化的主要植物, 但其饲用价值没有得到充分利用。 目前由于畜牧业的规模化、 集约化发展, 出现牧草匮乏, 商品牧草供应量严重不足, 导致畜草矛盾日益增加。 沙生植物平茬收获, 充分挖掘沙生植物的潜在饲用价值, 开发、 生产非常规饲料, 对推动我国荒漠、 半荒漠地区的畜牧业发展和生态修复至关重要。 选择内蒙古阿拉善左旗珍珠猪毛菜(简称珍珠)、 红砂、 油蒿、 骆驼刺、 柠条锦鸡儿(简称柠条) 和沙米六种常见沙生植物为研究对象, 利用光谱学方法测定样品中粗蛋白(CP)、 粗脂肪(EE)、 粗纤维(CF)、 钾(K)、 钠(Na)和钙(Ca)等14种营养成分和亮氨酸(Leu)、 赖氨酸(Lys)、 蛋氨酸(Met)、 胱氨酸(Cys)、 苏氨酸(Thr)等17种氨基酸含量, 并与四种常规饲料(优质玉米、 NT-2级稻谷、 GB-2级大豆和GB-3级苜蓿草粉)进行比较, 获得沙生植物营养价值和潜在饲用价值的评价结果。 结果表明: (1)六种沙生植物的CP含量、 EE含量和矿物元素含量均处于较高水平, CF含量高于泌乳母牛日粮中CF占日粮干物质的13%, 等同于或优于以上四种常规饲料。(2)该研究中氨基酸含量和氨基酸化学评分(CS)的结果为: 六种沙生植物都含有17种氨基酸, 且组成较为均衡。 其中油蒿、 骆驼刺、 柠条和沙米中的必需氨基酸含量及营养价值均高于优质玉米和NT-2级稻谷。 Leu和Lys分别是3种沙生植物红砂、 骆驼刺、 柠条和珍珠、 优质玉米、 NT-2级稻谷的第一限制氨基酸, 而Thr和Met+Cys分别是油蒿和沙米、 GB-2级大豆、 GB-3级苜蓿草粉的第一限制氨基酸。(3)主成分分析结果表明, 珍珠、 柠条和沙米的营养价值高于常规饲料GB-3级苜蓿草粉, 且六种沙生植物的营养价值均高于优质玉米和NY-2级稻谷。 综上表明, 研究区常见的六种沙生植物不仅具有生长快、 地上生物量大和耐刈割等特点, 更具有较大的饲用开发潜力, 是荒漠、 半荒漠地区良好的饲料来源, 研究结果为指导饲料氨基酸的平衡和合成氨基酸提供可信的实验依据和理论依据。

荒漠地区由于气候干燥, 降水稀少, 水分常成为制约植被生长的因素之一, 水分胁迫对植物长势和产量的影响比任何其他胁迫都要大。 随着高光谱技术的发展, 国内外已有众多学者利用高光谱数据研究植被遭受胁迫作用, 然而这些研究对象多集中于甜菜、 棉花、 玉米、 水稻等作物, 针对干旱区盐生植被遭受胁迫作用的研究较少。 梭梭作为荒漠、 半荒漠地区的典型盐生植被之一, 具有极高的经济和生态效益。 选择梭梭作为研究对象, 培育一年生梭梭, 并设置三个水分梯度, 形成受不同水分量胁迫的梭梭。 使用原始光谱、 红边位置参数, 结合植被指数及二维相关光谱研究其叶片光谱特征, 为干旱区利用高光谱遥感监测盐生植被提供借鉴。 结果表明: （1）分析梭梭叶片反射光谱曲线发现, 在可见光至中红外各波段范围内, 受不同水分量胁迫作用的梭梭叶片光谱反射率有显著差异。 在可见光（350～610 nm）波段, 各水分处理的梭梭叶片反射率依次为100 mL>500 mL>200 mL, 这是由于100和200 mL水分促进梭梭内部叶绿素合成, 使该波段反射率降低, 而过多的水分（500 mL）对梭梭内部的叶绿素合成没有更大的促进作用。 在红光区（611～738 nm）, 随着水分量的增多, 受不同水分量胁迫的梭梭叶片光谱反射率依次减小。 在738～1 181和1 228～1 296 nm波段, 受不同水分量胁迫作用的梭梭叶片光谱反射率为: 200 mL>100 mL>500 mL; 在1 182～1 227 nm波段, 受不同水分量胁迫作用的梭梭叶片光谱反射率为: 100 mL>200 mL>500 mL。 这是由于植被细胞结构对近红外区域的反射率影响较大, 因而受不同水分胁迫作用的梭梭叶片光谱反射率有显著差异。 在1 300～1 365和1 392～1 800 nm波段, 受各水分胁迫作用的梭梭叶片反射率为: 100 mL>200 mL>500 mL。 这表明在500 mL水分胁迫量范围内, 水分越多, 叶子的细胞液、 细胞膜对水分的吸收能力越强, 使得反射率下降。 通过对原始光谱求取一阶导数并提取红边位置参数发现, 各水分处理下的梭梭叶片一阶微分光谱曲线中红边位置未发生移动。 这是由于梭梭在长期的干旱环境影响下, 形成了特殊的适应机制, 水分对其红边位置影响不敏感。 （2）选取若干植被指数分析各水分处理下的梭梭光谱指数变化。 当水分胁迫量由100 mL增至200 mL时, WI/NDWI, MSI和NDII指数值变化显著, 可用于研究水分胁迫下梭梭的光谱特征。 （3）使用二维相关光谱技术分析受各水分胁迫作用的梭梭光谱特征, 得出在100 mL水分胁迫下, 在536, 643, 1 219和1 653 nm波段处, 吸收峰对水分的微扰敏感; 在200 mL水分胁迫下, 在846和1 083 nm波段处, 吸收峰对水分的微扰敏感; 在500 mL水分胁迫下, 在835和1 067 nm波段处, 吸收峰对水分的微扰敏感。 总之, 在近红外波段, 与100 mL水分量相比, 梭梭受200和500 mL水分量胁迫时, 吸收峰对水分的微扰敏感度上升。 由100 mL水分胁迫下梭梭的二维同步相关谱图可知, 1 044和1 665 nm, 1 072和903 nm, 903和1 264 nm, 1 230和1 061 nm波段处形成正交叉峰, 表明这些波段处光谱强度随水分的干扰同时变化。

利用高光谱反演、 监测植被生长状况的基础是光谱特征识别。 以半干旱采煤塌陷区为样地, 利用Field Spec 3地物光谱仪与SPAD-502叶绿素仪同步采集采煤地表塌陷形成的不同应力区（非采区、 中性区、 拉伸区、 压缩区）典型植物叶片光谱反射率与叶绿素含量（SPAD值）, 分析典型植物相同应力区SPAD值升高其光谱特征的变化, 对比不同应力区典型植物SPAD值较高与较低时光谱特征的差异, 并借助Matlab软件深入研究不同应力区典型植物SPAD值与差值指数、 归一化指数的相关关系。 结果表明: （1）不同应力区同种植物光谱曲线随着SPAD值不同变化规律相异, 可见光波段区分明显, 其余波段受应力影响的区域样本SPAD值不同, 反射率比非采区波动更为剧烈与无序。 可见光波段, 糙隐子草、 柠条、 杨树、 油蒿SPAD值低的样本光谱曲线绿峰缺失, SPAD值升高, 绿峰出现但位置红移, SPAD值高于30时, 为典型植被光谱曲线, 油松样本SPAD值越高反射峰值越小; 受应力影响的区域SPAD值低的样本谷、 峰、 边特征参数缺失更多, 光谱变化规律不强。 （2）400～700 nm波段, 不同应力区糙隐子草、 油蒿、 油松、 柠条样本SPAD值较低组反射率显著高于较高组, 杨树样本相反; 780～1 350 nm波段, 拉伸区的糙隐子草、 非采区的油蒿和柠条、 压缩区的油松和杨树样本SPAD值较高组与较低组的反射率差异小; 相较于非采区, 受应力影响的糙隐子草、 油蒿、 柠条样本在所测波段SPAD值较高组与较低组的同波段反射率差值显著减小。 （3）受应力影响的区域样本SPAD值与光谱指数相关性较之非采区在某些波段大面积增强。 与非采区相比, 中性区的油蒿、 油松、 柠条、 杨树样本SPAD值与光谱指数的最大相关系数值均增大, 糙隐子草相反; 非采区植物SPAD值与NDVI最大相关系数均高于DI, 波段组合多位于近红外, 受应力影响区域的样本最大相关系数多数位于可见光波段。 本研究为矿区不同应力区典型植物高光谱波段识别与植物健康状态监测、 矿区生态环境精准治理提供了理论支撑。

小麦作为主要的粮食作物在我国农业生产、 运输、 食品加工等方面占有重要地位。 不完善籽粒严重影响了小麦质量与粮食安全。 不完善籽粒主要在生产、 存储、 包装等过程中产生, 目前我国小麦质量检测多以人工分选为主, 但存在人主观性较强, 肉眼易疲劳, 且费时费力等问题, 因此, 如何快速准确鉴别小麦不完善粒是现阶段提高生产率和保证粮食安全的重要问题。 运用高光谱成像技术和特征波段选取方法提出一种快速有效的小麦不完善粒鉴别方法。 利用近红外高光谱成像系统获得1 000粒小麦样本在862.9～1 704.2 nm共256个波段的高光谱反射图像, 其中包括健康粒、 生芽粒、 霉变粒和赤霉粒各250粒, 提取每个样本感兴趣区域的平均反射率光谱作为分类特征。 本文首先对提取的全波段光谱信息进行窗口平滑、 一阶导数差分、 矢量归一化等数据预处理, 将原始光谱数据的隐藏信号放大并消除随机误差; 在预处理的基础上运用伪偏最小二乘(DPLS)和正交化线性判别分析(OLDA)对光谱进行特征提取, 降低数据的冗余度; 最后采用仿生模式识别（BPR）建立四类小麦的鉴别模型。 实验结果表明, 采用全波段光谱信息建立的小麦不完善粒鉴别模型的平均识别精度达到97.8%, 分析结果可知, 利用近红外高光谱成像技术的全波段光谱信息对小麦不完善粒鉴别是可行的。 尽管全波段光谱信息取得了较好的鉴别效果, 但高光谱成像设备较为昂贵, 获取高光谱全波段光谱信息数据量较大, 无法满足对现场设备运算速度的高要求, 因此, 采用连续投影算法（SPA）对全波段光谱数据进行特征波段的选择, 使波段数量由256维降低到10维, 从而提高系统的可行性和运算速度。 采用选取的10个特征波段建立小麦不完善粒鉴别模型, 实验结果表明10个特征波段的平均识别精度仅为83.2%, 分析结果可知, 尽管采用10个特征波段提高了系统实时性, 但鉴别准确性较差。 为达到与全波段特征基本相当的鉴别效果, 利用光谱特征与图像特征结合的方法建立小麦不完善粒鉴别模型, 将上述选取的10个特征波段的形态信息、 纹理信息和光谱信息进行结合, 实验结果表明, 10个特征波段的光谱信息与图像信息结合使鉴别的平均识别精度达到94.2%, 此识别效果与利用全波段光谱数据的识别效果基本相当。 利用高光谱成像系统探索了小麦不完善粒鉴别的可行性, 通过分析以上实验可知, 基于近红外高光谱成像技术对小麦不完善粒检测具有良好的效果, 在有效的提高运算速度的同时也保证了系统的鉴别精度, 为后期小麦不完善粒快速检测设备的开发提供了有效的研究方向。

采用可见-近红外高光谱成像技术结合化学计量学方法检测灵武长枣维生素C（VC）含量, 探究一种全新的水果内部成分的快速无损检测方法。 采用高效液相色谱法（HPLC）测得长枣的VC含量化学值, 可见-近红外高光谱成像系统采集164个灵武长枣400～1 000 nm的高光谱图像, 利用ENVI4.8软件提取图像的感兴趣区域（region of interest, ROI）, 计算其平均光谱, 获得光谱值, 将化学值与光谱值通过The UnsecramblerX 10.4软件建立模型。 利用蒙特卡洛交叉验证法剔除异常值, 采用光谱理化值共生距离法（sample set partitioning based on joint x-y distance, SPXY）进行样本划分以提高模型的预测性能; 对光谱采用移动平滑（moving average）、 中值滤波（median filter）、 归一化（normalize）、 基线校准（baseline）、 多元散射校正（multiple scattering correction, MSC）、 去趋势（detrending）和标准正态变量变换（standard normal variate, SNV）等7种方法进行预处理; 为进一步减少数据量, 降低维度, 提高运算速度, 使用竞争性自适应加权算法（competitive adaptive reweighted sampling, CARS）、 无信息变量消除算法（uninformative variable elimination , UVE）和连续投影算法（successive projections algorithm, SPA）提取特征波长, 以期实现以少数波段代替全波段; 将全波段光谱（full spectrum, FS）以及CARS, UVE和SPA三种方法提取的特征波长分别建立偏最小二乘（partial least squares wavelength regression, PLSR）和支持向量机（support vector machine, SVM）模型, 从而确定最优的建模模型。 利用蒙特卡洛交叉验证法共剔除7个异常样本, 采用SPXY法将剔除异常样本后的157个数据区分为校正集和预测集, 校正集中样本个数为117, 预测集中样本个数为40。 将未经光谱预处理的建模结果与分别经过七种光谱预处理的建模结果相比, 选择未经光谱预处理的数据进行后续分析; 将未经光谱预处理的光谱值采用CARS, UVE, SPA方法进行提取特征波长, CARS共优选出406, 415, 487, 631, 636, 655, 660, 665, 670, 684, 689, 694, 723, 732, 747和881 nm下的光谱变量16个, 利用CARS提取出的特征波长占总波长的12.8%; UVE共优选出406, 415, 627, 631, 636, 651, 655, 660, 665, 670, 675, 679, 684, 689, 694, 699, 703, 708, 742, 747, 751, 756, 761, 766, 771, 775, 780, 785, 790, 795, 919和924 nm下的32个特征波长, 利用UVE提取出的特征波长占总波长的25.6%; SPA共优选出401, 665, 684 nm三个特征波长, 利用SPA提取出的特征波长占总波长的2.4%。 将全波段光谱与提取出的特征波长建立PLSR模型和SVM模型, 对比模型结果显示UVE-SVM模型最优, 其R2c为0.847 1, R2p为0.714 9, 说明UVE有效地对光谱进行降维, 简化了数据处理过程。 本研究对高光谱成像技术在水果领域的应用进行了有益探索, 探究了一种全新的灵武长枣VC含量的无损检测方法, 相应建立的可见-近红外高光谱模型为其他水果成分的快速检测提供了理论基础。

光谱偏振探测可以综合获得目标的光谱、 强度、 偏振态等参数, 有利于改善对目标的探测和识别能力。 本文介绍了基于红外高光谱偏振特性的伪装目标识别方法, 搭建了长波红外高光谱偏振测量系统, 开展了对两类伪装目标在不同温度下的高光谱偏振成像实验, 获取了有效的实验数据并进行处理分析。 结果表明: 两类伪装目标即使涂覆相同的表面涂料, 但受基底材料的热传导率影响, 在相同温度差异下红外偏振特性的提升量明显大于辐射亮度, 并有着温差越大偏振特性提升量差异越大的规律, 同时显示出波段选择性。 利用两类伪装目标偏振特性提升量的差异, 有效解决相同温度下伪装目标无法识别的难题。

白茎绢蒿是一种广泛分布于新疆富蕴县各个矿区的一种植物。 在矿区进行矿产勘查时, 由于植物等障碍信息的存在, 传统的勘查方法已经难以发挥作用, 急需一些新方法、 新思路。 遥感植物地球化学方法可以巧妙地利用植物这一天然的信息源, 把植物从障碍信息转换为了有用信息。 帮助人们快速、 经济地获取植物屏障下的矿产有用信息。 由于其具有大面积、 快速、 无损性等优点, 受到了越来越多学者的关注, 成为当下的研究热点。 近些年虽然有学者综合考虑“吸收系数”和“衬度系数”这两个指标, 证明了白茎绢蒿是对隐伏矿床的勘查具有较好指示性作用的植物, 生在在矿床上部的植物可以较好的吸收土壤中的成矿元素, 在其体内形成地球化学异常, 相比于其他植物异常信息更加清晰可见。 但是目前没有人研究是否可以从光谱的角度来发现白茎绢蒿体内的地球化学异常, 进而为隐伏矿床的勘查提供参考。 因此, 本研究首次尝试从白茎绢蒿的光谱信息中寻找出与地球化学异常密切相关的特征波段或者特征值, 然后构建基于植物光谱的隐伏矿床预测模型。 采取的方法是首先利用ASD FieldSpec3 型光谱仪分别对生长在矿床上部和背景区的植物进行光谱测定, 然后从原始光谱、 一阶导数光谱、 二阶导数光谱、 一阶导数的分形维数、 二阶导数的分形维数五个层面对生长在这两个区域的植物光谱进行对比分析, 最终优选出了10个差异显著的特征波段, 分别为: R′824, R′834, R′1 533, R′1 573, R′1 633, R′1 643, R″1 284, R″1 703, 一阶导数的分形维数以及二阶导数的分形维数。 这些特征波段可以作为植物地区寻找隐伏矿床的植物地球化学标志。 以优选出的10个特征波段作为输入参数, 分别用随机森林 (RF)和偏最小二乘-支持向量机(PLS-SVM)构建了基于植物光谱数据的隐伏矿床预测模型。 结果表明: （1）两种模型均可以取得较好的效果, 但是相比于随机森林模型, 偏最小二乘-支持向量机模型具有更好的鲁棒性, 泛化能力也更强; （2）利用植物的光谱异常寻找隐伏矿床具有较大的潜力, 因为相比于传统方法, 更加简单、 快速。 课题组已经利用动力三角翼和HySpex成像高光谱传感器构建了“超低空探测平台”, 可以实现对地“亚米级”的观测。 但是如何有效的解决“空间尺度”和“光谱尺度”问题, 如何把地面试验场建立的模型更好的应用于超低空探测平台, 实现研究区大面积地、 快速地植物异常信息提取将是我们下一步的研究重点。

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种新型的物质成分测量方法已经在越来越多的领域得到广泛应用, 但是与传统的分析方法相比, LIBS技术的分析性能还需进一步提高。 LIBS技术的理论基础是激光诱导等离子体, 从物理机理上研究等离子体特性, 对LIBS系统实验参数的优化具有指导作用, 也为提高LIBS技术的检测能力奠定理论基础。 激光诱导等离子体是一个与空间相关的非稳态辐射源, 空间分辨光谱测量是探究等离子体物理特性的重要手段之一。 为研究激光诱导等离子体的辐射特性, 采用1 064 nm的Nd∶YAG调Q固体激光器烧蚀合金钢样品产生等离子体, 利用空间分辨装置测量二维空间的等离子体辐射光谱信号, 通过分析可知实验采集的光谱信号是信号探测器测量路径上的积分光谱强度, 由此计算得到的等离子体参数也是观测路径上的平均值。 为了深入研究等离子体由内层到外层的辐射规律, 首先测量得到等离子体路径积分光谱强度的横向空间分布, 然后以等离子体为光学薄和圆柱对称的前提条件, 采用三次样条函数算法对路径积分光谱强度进行Abel逆变换, 反演得到等离子体由内层到外层谱线辐射率的径向空间分布。 选取等离子体辐射光谱中的原子谱线Fe Ⅰ: 374.55 nm和Mn Ⅰ: 403.08 nm为研究对象, 分析等离子体辐射光谱的空间分布特征, 研究结果表明, 等离子体辐射路径积分光谱强度的横向分布呈现出中心位置强度大边缘位置强度小的特征, 这是由于等离子体膨胀扩张的结果引起的; 通过Abel逆变换得到等离子体光谱辐射率的径向分布, 结果表明等离子体从内层到外层谱线的辐射率经过了先增加后减小的变化规律, 等离子体中心处出现辐射率的极小值, 造成这种现象的主要原因是由于等离子体辐射源中心区域具有较低的电子密度; 选取等离子体辐射光谱中Fe元素的11条原子谱线, 采用Boltzman法分别由谱线相应的积分光谱强度和辐射率计算等离子体温度, 得到等离子体温度的横向空间和径向空间的二维分布, 两者具有类似的变化规律; 由等离子体温度的横向空间分布可以看出, 随着离样品表面距离的增加, 等离子体温度呈现单调减小的趋势, 等离子体中心到边缘区域等离子体温度逐渐降低, 这是由等离子体膨胀扩张以及与环境气体相互作用共同的结果; 由等离子体温度的径向空间分布可以看出等离子体由内层到外层等离子体温度逐渐降低, 这是由于等离子体膨胀扩张冷却引起的。 由此可见, 采用Abel逆变换能够实现等离子体由内层到外层的辐射特性分析, 为深入理解等离子体产生和演变的物理机理提供实验依据, 从而为提高激光诱导击穿光谱技术的分析性能奠定理论基础。

探月工程三期项目将完成“绕、 落、 回”三个阶段中的采样返回任务, 将在未来发射嫦娥五号（CE-5）探测器, 执行月面着陆、 采样并返回地球的任务。 嫦娥五号月球矿物光谱分析仪（LMS）是探月工程三期重要的数据来源, 通过LMS光谱数据分析识别月球表面物质的矿物组成, 包括含水矿物, 同时有助于判断岩石类型, 辅助地层学分析。 为月球的形成过程、 月球地质演变及岩石-水交互作用的研究提供数据支撑。 相比于嫦娥三号红外成像光谱仪, LMS将光谱范围从450～2 400 nm扩展到了480～3 200 nm, 除了能探测月球表面主要矿物辉石、 橄榄石等, 还可以探测3 000 nm附近的羟基吸收峰特征, 为月球表面是否存在“水”提供强有力的证据。 此外, 嫦娥五号月面工作任务将获取月表以下物质, LMS可以对月表采样前后的采样区域进行光谱探测, 比较不同深度、 不同风化程度下的月壤光谱特征, 且与后期返回样品的实验室光谱对比分析。 为保证LMS月面数据的可靠性, 在探测器发射之前开展了LMS地面验证试验, 采用多种矿物及矿物混合样品, 在不同试验环境下获取LMS的探测数据, 分析研究LMS的矿物成分探测能力, 并结合标准比对仪器光谱进行光谱质量分析。 计算了所有实验样品的光谱不确定度参数。 除了具有低反射率的钛铁矿外, 所有样品都具有高质量的光谱数据。 同时, 在相同条件下, LMS光谱特征与标准比对仪器得到的光谱数据相一致, 表明LMS整体数据质量高。

水下动态参数的测试是特种**、 两栖**、 水下专用**性能考核的必备环节, 而水下运动体的速度信息是评价水下**性能的重要指标之一。 针对现有的水下高速目标参数测试系统中存在的成本高、 安装调试复杂、 设备体积庞大等问题, 提出一种以激光光幕为有效区域水上、 水下分体式, 实时、 非接触的测速方法。 通过分析Lambert-Beer定律和体散射函数等数学原理, 确定了水下光谱传输规律综合考虑性价比获得最佳峰值波长; 将1m的圆柱体作为散射体模拟光在水中的散射情况, 追迹空间区域内的光线总数为1×105, 获得位于传播方向上1, 3, 5和7 m处的接收面上辐照度的光能量分布, 从而获取系统激光光源的最佳峰值功率。 以此为依据, 采用定距测时原理和一维原向反射技术, 由峰值波长为532 nm的半导体光纤耦合绿光激光器、 光纤耦合式鲍威尔棱镜防水扩束器、 一维原向反射器等构建光学系统。 激光光源、 光电转换部分和信号调理部分位于水上, 激光光幕和原向反射器位于水下, 通过光纤束完成两路光信号的发射和反射光的回收。 发射端光纤一端与光源耦合, 另外一端与鲍威尔棱镜耦合置于水下形成扇形光幕。 接收端光纤一端均布于鲍威尔棱镜出口, 另一端与PIN型光电传感器耦合。 设计齿形一维原向反射器并完成加工制造, 光线将沿着入射光方向原向返回, 另外一维方向则仍为镜面反射, 将接收系统置于发射点垂直光面内附近即可接收大部分光能量, 解决了现有原向发射器因水介质折射率不同于空气而导致原向反射特性消失的问题。 实验采用波长为(532±5) nm绿光激光器, 功率稳定性<1%, 光学噪声< 0.5%, 准直后耦合至长度为2 m的单模光纤再经过鲍威尔棱镜展宽为60°扇形一字线光幕, 扩束模块封装采用尼龙防水材料, 接收光纤均布于光源周围形成环形光纤束, 光纤另外一端均匀排列与PIN光敏二极管直接耦合。 光敏二极管前加中心波长为532 nm的光学滤光片, FWHM=(3±1) nm, 透过率为70%。 PIN型光敏二极管有效尺寸为5.0 mm×5.0 mm。 采用多档可调的光电信号调理电路以适应不同尺寸的测试对象。 该系统进行了不同目标速度参数测试实验, 以钢弩为发射装置, 信号经过光纤回收、 信号调理, 采集至计算机处理获得波形及区间内平均速度, 两激光光幕之间的距离为定值300 mm, 波形峰值作为计时时刻。 成功获取了较高信噪比的波形信号和目标速度值。 利用水下运动体模型与模拟结果进行比较得到其绝对误差。 实验结果表明: 本方法结构简单、 重复性好, 可实现有效区域达到1 m×1 m, 最小可测目标尺寸为5 mm, 理论测速上限可达1 000 m·s-1, 实验数据通过与理论经验公式结果比对表明, 系统测试精度可达0.2%。

内标法是激光诱导击穿光谱(LIBS)最常用的定量分析方法之一。 为了提高定量分析精度, 研究了谱线强度比的相对波动特性随分析线和内标线之间激发能级差(ΔE)和波长差(Δλ)变化的规律。 在局部热力学平衡条件下, 建立了考虑等离子体中某元素电子上能级跃迁到下能级产生原子发射谱线的激发能级差、 等离子体温度、 配分函数和离子密度等强度影响因素的数学模型, 对模型中激发能级差对谱线强度相对波动的影响进行了研究。 得到在-2 eV<ΔE<2 eV和等离子体温度范围在3 000～15 000 K条件下, 谱线强度随着ΔE和T变化的趋势: 随着ΔE变大, 谱线强度比呈上升, 在ΔE=2 eV, T=3 000 K时谱线强度比最大; 并且谱线强度比相对波动对ΔE和T敏感, ΔE趋近于零时相对波动变小, T对谱线强度比相对波动影响变化不大, 整体趋势平稳。 在T=10 000 K时, ΔE<0相对波动比ΔE>0时小, 因此理论上优先选择ΔE<0的谱线对。 通过理论分析得出|ΔE|越接近于零, 谱线强度比相对波动越小。 实验装置中采用工作波长1 064 nm, 脉冲能量85 mJ, 重复频率1 Hz, 脉冲宽度13 ns的Nd∶YAG脉冲激光诱导击穿样品; 采用工作波长200～975 nm, 光学分辨率优于0.05 nm的Andor公司Mechelle 5000光谱仪, 配合Andor New iStar型号ICCD采集光谱; 利用激光诱导铁基合金等离子体光谱进行验证。 实验中, 以Fe为内标元素, Cr和Mn为分析元素。 筛选NIST谱线库中跃迁概率在106以上的谱线, 并优先选择共振线能级差相近的非共振线进行对比分析。 结果表明, 选择激发能级相近或波长相近的谱线作为分析谱线的原则有一定的局限性。 对于Cr和Fe, |ΔE|在0.14和1.51 eV时得到的谱线强度相对标准偏差(RSD)分别为6.7%和4.6%, 其谱线强度比理论值和实际值之差分别为1.14和0.59; |Δλ|在11.7和50.8 nm时得到的RSD分别为6.3%和4.4%, 其谱线强度比理论值和实际值之差分别为1.69和0.62。 分析表明, 相比于波长差, 激发能级差对Cr/Mn相对波动影响较大。 分析元素Cr/Mn与内标元素Fe波长差绝对值不断增大, RSD反而不断减小; 在1.50 eV和90 nm较大约束范围内, |ΔE|大的谱线得到的谱线强度比相对波动相对较小, Cr和Fe的RSD最大相差为2.06%; |Δλ|大的谱线得到的谱线强度比相对波动相对较小, Cr和Fe的RSD最大相差为1.35%。 由以上实验结果得出, 在实际选择分析谱线时, 尽量选择激发能级和波长相近的谱线原则有一定的局限性。 |ΔE|或|Δλ|大的谱线得到的RSD较小, 选择谱线强度比理论值和实际值最接近的谱线可以作为谱线选择依据。 另外, 选择谱线强度比理论值和实际值最接近的谱线, 可以降低谱线强度比相对波动。

生物吸附法以其材料易得、 吸附效果好、 易解析、 环境友好等优点而被广泛的应用于水溶液中低浓度重金属离子的吸附去除。 光谱学显示苦荞茶含有多种基团且表面结构疏松, 对水溶液中金属离子具有一定吸附潜力。 探讨苦荞茶对水溶液中铅、 铜、 镉、 锌、 铬离子吸附作用光谱分析。 采用扫描电镜(SEM)、 能谱分析(EDS)、 傅里叶红外光谱(FTIR)对苦荞茶吸附铅、 铜、 镉、 锌、 铬前后进行表征, 初步解析苦荞茶对水溶液中铅、 铜、 镉、 锌、 铬离子吸附作用。 使用等温吸附方程(Langmuir, Freundlich, Temkin和Dubinin-Radushkevich) 与动力学方程(准一级、 准二级和颗粒内扩散)来评价苦荞茶对水溶液中铅、 铜、 镉、 锌、 铬离子吸附方式及行为。 响应面法是一种数学建模的优化方法, 能回归拟合各因素与实验结果之间的函数关系, 从而确定实验因素及其交互作用对目标值的影响程度。 采用响应面法考察目标离子初始浓度(A)、 吸附剂颗粒大小(B)、 吸附剂投加量(C)和吸附时间(D)四个因素对苦荞茶吸附水溶液中铅、 铜、 镉、 锌、 铬离子能力的影响作用及程度。 等温吸附方程显示, 苦荞茶对水溶液中铅、 铜、 镉、 锌、 铬离子吸附方式以多层吸附方式为主, 伴有其他吸附类型, 苦荞茶对目标重金属吸附量排序为: 铅＞镉＞铜＞锌＞铬, 即为: 30.67＞16.18＞13.85＞10.81＞8.43 mg·g-1。 动力学方程与苦荞茶扫描电镜(SEM)提示, 苦荞茶对水溶液中铅、 铜、 镉、 锌、 铬离子吸附过程符合准二级动力学, 其吸附速率由液膜扩散和颗粒内扩散作用共同控制, 而且苦荞茶表面疏松的结构出现表面趋于平滑, 孔洞出现融合的现象。 能谱分析(EDS)与傅里叶红外光谱(FTIR)证实了水溶液中铅、 铜、 镉、 锌、 铬离子被苦荞茶所吸附, 苦荞茶中-OH, -CH2, -CH3, CO, -NH, -C-O, CH基团参与水溶液中铅、 铜、 镉、 锌、 镉离子结合吸附作用并存在同一类型的基团吸附结合不同目标离子的现象。 响应面法构建考察因素影响苦荞茶对水溶液中铅、 铜、 镉、 锌、 铬离子去除能力模型, 其调整回归决定系数分别为Adj R2Pb=97.10, Adj R2Cu=98.44, Adj R2Cd=94.55, Adj R2Zn=92.71, Adj R2Cr=97.02, 说明非线性模型可用来评价考察因素对苦荞茶吸附水溶液中铅、 铜、 镉、 锌、 铬离子影响作用。 响应面法分析表明, 考察因素［离子初始浓度(A)、 吸附剂颗粒大小(B)、 吸附剂投加量(C)和吸附时间(D)］对铅、 铜、 镉、 锌、 铬离子去除率影响作用大小排序为: 铅离子(A＞D＞B＞C)、 铜离子(A＞C＞D＞B)、 镉离子(A＞B＞C＞D)、 锌离子(B＞C＞A＞D)、 铬离子(C＞B＞D＞A)。 研究结果说明, 苦荞茶对水溶液中铅、 铜、 镉、 锌、 铬离子具有良好的吸附作用, 为苦荞茶拓展新的应用途径提供了参考依据。

在工业现场生产水泥的过程中, 各种成分的含量直接影响着水泥的质量, 因此如何快速准确地监测水泥中各个成分的含量意义重大。 采用的实验方式为, 将不经过任何预处理的水泥粉末直接放入位于二维移动平台上的物料盒中, 通过激光诱导击穿光谱（LIBS）直接对水泥粉末表面的不同位置进行激发检测, 对得到的光谱数据首先进行归一化和主成分分析等预处理操作, 然后针对水泥中Ca, Si, Al, Fe, Mg五种元素, 分别建立偏最小二乘（PLS）和支持向量回归（SVR）两种定量分析模型进行方法比较。 此外, 对比了粉末状水泥与压片式水泥两种测量方式的结果。 实验结果表明, 采用粉末状水泥直接测量的方式下, 针对水泥样品元素浓度与所得到的光谱中特征线强度的关系, SVR方法比PLS方法更具优势, 粉末状水泥直接测量的精度接近压片式测量的精度, 说明LIBS技术对水泥粉末状样品直接在线测量具有可行性。

为探讨锥栗不同授粉组合果实中矿质元素是否也存在花粉直感效应, 应用全自动间断化学分析仪和原子吸收光谱法测定了“华栗1号”、 “华栗2号”、 “华栗3号”和“黄榛”四个锥栗主栽品种自交、 异交以及自然授粉的子代坚果中主要矿质元素的含量。 结果表明, 锥栗不同授粉组合坚果的N, P, K, Ca, Mg, Fe, Zn和Mn八种矿质元素含量差异较为显著, 其矿质元素具有明显的花粉直感效应, 尤其是铁、 锌元素受花粉直感作用的影响较大, “华栗2号”ד黄榛”授粉组合果实铁、 锌元素含量最高, 分别为162.13和41.79 μg·g-1; “黄榛”ד华栗1号”授粉组合果实中Mn元素含量最高为165.67 μg·g-1, 为锰微肥的利用提供了参考; 通过主成分分析, 评价出19个组合中在矿质元素方面表现最优的授粉组合为“华栗2号”ד黄榛”。 该研究结果可为锥栗生产上合理配置授粉树和改善果实品质提供科学的依据。

二氧化碳作为大气中重要的温室气体, 与气候变化和人类活动密切相关, 因此对其浓度的探测具有重要意义。 利用近红外可调谐二极管激光器结合自主设计的便携式小型化柱面镜光学多通吸收池, 实现了二氧化碳气体的高灵敏探测。 通过Matlab编写光线传输矩阵, 优化设计了基于柱面镜的光学多通吸收池, 相比于传统Herriott型多通池, 具有腔镜利用面积高、 在相同体积内可实现有效光程长等特点, 在物理基长为15 cm的情况下, 实现了14 m的有效光程。 实验中使用中心波长为1.57 μm的DFB二极管激光器, 采用直接吸收光谱方法对CO2气体进行了探测研究, 并用Allan方差对系统性能进行了分析。 结果表明, 在平均时间为5 s时, 系统的探测灵敏度为33.1 μL·L-1, 平均时间为235 s时, 系统的探测灵敏度可达到5.3 μL·L-1。 此外, 利用该系统实现了大气中CO2的探测, 得到大气中的CO2浓度为383.4 μL·L-1。 基于柱面镜多通池搭建的可调谐激光吸收光谱(TDLAS)系统, 结合了柱面镜多通池可在小体积内实现长光程和可调谐激光吸收光谱技术高灵敏度、 高分辨率、 快速响应的优点, 大大减小了系统体积, 提高了系统探测灵敏度, 在气体探测领域有广泛的应用。

楔形滤光片型光谱成像仪具有无运动部件、 低光机复杂度等优点, 是低成本微型化光谱成像仪的一个重要发展方向。 不同于传统色散型光谱成像仪, 楔形滤光片型光谱成像仪获取的数据是光谱-空间混合调制的图像。 针对直接应用CCSDS123进行楔形滤光片型光谱成像仪数据压缩时压缩比较低的问题, 结合楔形滤光片型光谱成像仪“谱像混合”、 “推扫成谱”的特点, 通过定义新的局部差向量, 构建了一种低运算复杂度适合硬件实现的快速无损压缩方法WCCSDS123。 新的局部差向量中参与计算的像元集合代表的是同一被观测点的光谱信息。 WCCSDS123方法首先利用局部和与改进的局部差向量对采样点的值进行预测, 再利用预测值与真实值计算预测残差并对其进行整数映射, 最后采用采样自适应熵编码对映射预测残差进行编码完成压缩。 在6组楔形滤光片型光谱成像仪数据上分别采用WCCSDS123和CCSDS123进行了压缩实验。 实验结果表明, 与CCSDS123相比, WCCSDS123的压缩比提高了约21.62%, 压缩耗时没有明显差异。 因此, 该方法在提高压缩比同时, 继承了CCSDS123复杂度低, 易于硬件实现的优点。 该方法WCCSDS123具有较低的计算复杂度, 能够更加有效地利用空间光谱冗余信息, 获得更好的压缩效果, 是针对楔形滤光片型光谱成像仪的一种良好的快速无损数据压缩方法。

基于毛细管X光透镜技术的便携式能量色散X射线荧光分析因其无损分析等优点成为分析文物样品的有利工具。 但由于文物样品的表面不平整或弧度以及毛细管X光透镜聚焦X射线的特点, 导致在测量过程中样品测量点与毛细管X光透镜出端之间的距离产生变化, 引起照射样品的X射线束斑大小发生改变, 从而影响测量结果的准确性和元素区域扫描的分辨率。 介绍了本实验室自行研发的一种新型便携式微束X射线荧光谱仪, 此谱仪主要是由SDD X射线探测器、 30 W低功率X射线管、 毛细管X光透镜、 CCD和一个新型闭环控制系统构成。 该闭环控制系统是在激光位移传感器能够精确控制样品测量点到毛细管X光透镜出端距离的基础上, 结合LabVIEW语言环境下开发的计算机控制程序以及步进电机、 样品台等器件组成。 基于此系统, 该实验室研发的便携式微束X射线荧光谱仪在测量过程中可以时刻保证照射样品的X射线光斑大小固定不变。 同时, 该谱仪还可以通过调整样品测量点到透镜出端的距离来选择不同尺寸的X射线照射光斑。 为了验证设备的可行性, 使用该便携式微束X射线荧光谱仪在激活激光位移传感器和关闭激光位移传感器两种情况下测量了一块表面不平整古陶瓷样品釉彩层中K, Ca, Zn和Fe等元素的含量及分布, 并将测量结果进行了对比。 结果显示, 在激活激光位移传感器的情况下测得的样品微区元素含量与真实值较接近, 扫描区域元素分布图的分辨率更好, 表明本谱仪基于激光位移传感器开发的自动调整样品测量点到透镜出口端距离的闭环控制系统能有效的减少由于样品表面不平整或弧度带来的测量误差, 弥补了现有微束X射线荧光谱仪在此方面的不足。 因此, 本便携式微束X射线荧光谱仪在无损分析检测文物方面具有潜在的应用前景。

对石英音叉增强型光声光谱(QEPAS)系统中常用的石英音叉进行了有限元模态计算, 获得石英音叉前6阶振型与模态频率, 认知了第4阶对称摆动振型为有效振动, 利用单因素法分析了石英音叉的音臂长度l1、 音臂宽度w1、 音臂厚度t、 音臂切角θ、 音臂圆孔直径d及音臂圆孔高度h对低阶有效共振频率（Fre）的影响, 敏感度依次为: l1> w1>d>θ>t>h, 考虑实际设计情形, 筛选出了l1, w1, d与h四个石英音叉设计变量, 采用Box-Behnken实验设计方案与RSM(response surface methodology)方法, 以Fre为函数目标, 建立l1, w1, d与h的二次回归响应面模型, 得到了参数之间的交互作用, 利用Design-Expert软件对响应面模型进行设计参数反求, 结果表明, 在15 000 Hz≤Fre≤25 000 Hz计算区域内误差较小, 基本满足QEPAS系统的计算需求, 所提出的研究与设计方法具有一定通用性, 可为QEPAS系统中石英音叉结构参数设计提供参考。

近年来随着我国新型国产高分影像的相继问世以及相关应用的逐步展开, 不少研究涉及了不同国产高分影像多光谱数据之间的交互对比, 但两种国产分辨率最高的GF-2 PMS2与ZY-3 MUX传感器多光谱数据之间的对比仍未见报道。 为了使这两种国产主力高分辨率传感器的多光谱数据能够在实际应用中相互补充使用, 发挥更大的作用, 基于它们的3对同日过空影像, 采用两种方法对其进行交互对比。 第一种方法是对整个试验区采用逐像元光谱比较法进行对比, 第二种是采用样区光谱均值比较法进行对比, 即在试验影像上选择一系列的样区, 然后以各样区的均值进行对比。 通过对两种传感器同步影像对的表观反射率进行回归分析, 获得各对应波段的回归散点图, 查明它们之间的定量关系, 并据此提出相互转换的关系方程。 研究结果表明, 两种对比方法得出的结果相一致, 但使用样区光谱均值比较法进行交互对比的结果的准确性更高。 GF-2 PMS2与ZY-3 MUX各对应波段具有很强的相关性, 其线性回归方程的决定系数(R2)都大于0.9, 但其值在蓝绿波段较高, 在红光和近红外波段有所下降, 表明两种传感器的表观反射率在蓝绿波段的一致性好于红光和近红外波段。 总体上看, GF-2 PMS2的信号强于ZY-3 MUX, 二者的信号差异在蓝、 绿光波段较大, 在红光和近红外波段较小, 但却明显受到地物类型的影响。 对于以裸土为主的影像, 两种传感器之间的差异随着波长的增大而逐渐减小, 而对于以植被为主的影像, 二者之间的差异却随着波长的增大而逐渐增大。 将纯植被与纯裸土的样区单独提取出来做进一步分析, 结果表明, 两种传感器的信号差异程度在红光波段主要受裸土影响, 而在近红外波段则主要是受植被影响, 且植被长势越旺盛, 两种传感器的表观反射率差异越大。 通过研究获得了两种传感器多光谱波段数据之间的相互转换方程, 并对其进行验证, 结果表明: 经过转换后的GF-2 PMS2数据与ZY-3 MUX数据之间的差异大大减小, 各波段均方根误差的均值降幅可达64.79%, 平均相对偏差率也有明显的降低。 这表明, 所查明的两种传感器的定量关系是有效的, 其对应波段的转换方程可以用于两种传感器数据的相互转换, 经转换后的数据更有利于这两种传感器数据的协同使用。 分析两种传感器数据的差异原因表明: 二者数据的差异主要是由于它们的光谱响应函数的差异和空间分辨率的差异引起的。 ZY-3 MUX的光谱响应函数曲线相对平缓, 没有明显的起伏波动, 而GF-2 PMS2则较不稳定, 在四个波段呈现出程度不同的起伏变化, 从而影响了二者表观反射率信号的一致性; 而GF-2 PMS2具有的4 m空间分辨率明显高于ZY-3 MUX的6m空间分辨率, 因此更容易捕捉到细小地物的光谱信息, 这也使得二者信号出现不一致。

当近红外光谱信息远远大于样本量时, 对光谱信息进行自动变量选择进而建立光谱与微量成分含量之间的稀疏线性模型重要且具有挑战性。 针对聚苯醚生产过程中微量成分邻甲酚难以测量的问题, 将变量选择方法Adaptive Elastic Net用于建立近红外光谱与邻甲酚含量之间的定量校正模型, 并将其模型性能与ElasticNet方法进行对比。 在变量数目远远大于样本量的情形下, ElasticNet方法虽可以实现变量选择, 但由于其系数估计不具备Oracle性质, 使得模型的可解释性和预测精度受到影响, 而Adaptive Elastic Net方法通过对L1惩罚项施加自适应权重从而很好的解决了上述问题并提高了模型性能。 为了验证Adaptive Elastic Net方法的模型性能指标, 用最终被选中的自变量数目来评价模型复杂度; 利用复相关系数R2来评价模型的可解释性, 利用平均相对预测误差MRPE（mean relative prediction error）和预测相关系数Rp来评价模型的预测精度。 Elastic Net方法建立的模型性能指标为: NSIV=529, R2=0.96, MRPE=3.22％, Rp=0.97; Adaptive Elastic Net方法的性能指标为: NSIV=139, R2=0.99, MRPE=2.00％, Rp=0.99。 结果表明: Adaptive Elastic Net所建立模型的性能指标优于Elastic Net方法, 可以得到更加简单且具有较强可解释性和较高预测精度的稀疏线性模型。

研究的目的是通过全基因组DNA的傅里叶变换红外光谱(FTIR)对41种茶花品种进行聚类分析和品种鉴定。 研究发现, 41个茶花品种基因组DNA的FTIR光谱不同, 方差分析显示, 各茶花品种FTIR数据之间的差异显著, 因而, 红外光谱可以作指纹光谱鉴定茶花。 通过系统聚类结合主成分分析, 建立了41种茶花品种的标准聚类和识别模型。 41种茶花品种基因组DNA样本的平均光谱的聚类正确率为92.68%, 品种鉴定准确率为100%。 聚类结果表明, 在1.0聚类距离, 41个山茶品种可分为9个类别, 在15.0聚类距离下可分为3个大类。 亲缘关系分析表明, 滇山茶中的楚雄居群来自楚雄、 腾冲和大理。 结果表明: 基因组DNA的FTIR光谱数据的系统聚类结合主成分分析可用于茶花快速分类和鉴定。

采用熔融淬火方法制备了一系列Sn2+, Dy3+单掺及Sn2+-Dy3+共掺氟磷酸盐玻璃荧光体。 利用紫外-可见分光光度计分别对各玻璃荧光体的透过光谱、 激发光谱、 发射光谱及荧光寿命等进行了测试和分析。 结果发现在紫外光激发下, 对于Sn2+、 Dy3+单掺氟磷酸盐玻璃可分别获得高效的蓝光与黄光发射, 且Sn2+单掺氟磷酸盐玻璃荧光体发光显色指数和量子效率最高; 对于Sn2+-Dy3+共掺氟磷酸盐玻璃荧光体可实现高效的白光发射, 且发现在Sn2+和Dy3+之间存在明显的能量传递, 通过调节Dy3+掺杂浓度, 两离子之间的能量转移效率亦随之改变, 从而可对其白光色度进行调节。 当Dy3+掺杂浓度为3 Wt%时, 利用280 nm商用LED芯片激发可获得对应色坐标为（0.311, 0.330）, 量子效率为56.3%, 亮度为6 706 cd·m-2的近纯白光发射。 此外, 对各类玻璃样品的DSC、 导热及其他光学性能也进行了测试与计算, 获得了各样品的热导率、 量子效率、 色坐标、 显色指数等参数。 研究结果表明, 制备的高效氟磷酸盐玻璃完全有望作为可调谐白光发光荧光体应用于商用LED。

藏红花和天然牛黄是广泛应用于临床实践的中药材, 由于产量较低、 药用价值和价格高, 市场需求量大等因素, 掺伪和伪品较多, 不仅严重损害患者健康, 而且妨碍市场正常运转。 传统的“一看、 二闻、 三泡”等经验鉴别方法已经越来越难以分辨高仿伪品; 而通过化学提取和色谱、 质谱等理化检测方法往往步骤繁琐、 费时, 且对检测环境、 人员及设备的要求和依赖度较高, 不能适应现场、 快速、 简便等实际需求, 亟需探索新的有效检测方法和鉴别技术。 太赫兹时域光谱（THz-TDS）不但具有单纯化合物的高度专属性和特异性, 又具有混合体系的“宏观指纹特征”, 可以鉴别混合物化学成分的多样性和复杂性。 另外, 主成分分析(PCA)作为一种常用的统计分析手段, 主要是用少数几个且能最大解释原始数据方差的综合变量来取代原始变量, 可以对不同种类的样本进行模式识别。 采用粉末研磨压片技术分别压制了藏红花和草红花样品各18个、 天然牛黄和人工牛黄各20个, 并利用太赫兹时域光谱测试技术分别测量了两种名贵中药材及其伪品在0.3～2.5 THz范围的吸收光谱, 最后利用主成分分析方法对获得的光谱数据进行分类识别。 为了提高PCA对测试数据的鉴别能力, 一方面将数据集映射到一组基（特征向量）进行简化, 选用较大的特征值代替原来的主要光谱信息; 另一方面, 为了消除无关因素对分类处理的干扰, 在进行PCA之前采取了Savitzky-Golay（S-G）平滑处理进行降噪, 去除冗余、 不相关的光谱特征; 然后通过Fisher诊断线进行判别分析。 对比未处理和经过S-G平滑处理的主成分得分图, 可以看出平滑处理后的分类效果明显优于未做处理的, 在未处理的得分图中, 两类样品点重叠比较严重, 而经过平滑后的得分图却只有相对较少的部分样品点重叠, 由此可以看出SG平滑在光谱识别中的重要性; 另外, 前两个主成分（PC1和PC2）已经基本能反映光谱之间的差异性。 分类结果显示, 藏红花和草红花具有明显的聚类趋势, 分类鉴别准确率均为100%; 而人工牛黄和天然牛黄的类内样品基本聚在一起, 但是类间略有重叠, 分类鉴别准确率分别为100%和90%。 除此之外, 样本的主成分得分图还可以反映样本的内部特征和聚类信息。 其中, 藏红花样本由于藏红花素、 藏红花酸等化合物成分含量较高, 聚合度较好, 分布范围相对集中; 反之, 天然牛黄为胆囊分泌物, 成分较为复杂, 聚类效果较差, 分布范围较广。 研究结果表明, 太赫兹光谱技术结合主成分分析可以区分藏红花和草红花以及天然牛黄和人工牛黄, 结果可靠。 该研究结果为丰富中草药的质量标准提供检测手段和理论依据。

太赫兹光谱可以反映与固体中晶格振动有关的信息, 特别适合于检测相同分子形成的不同晶体, 因此利用太赫兹光谱对检测并控制药物的不同晶型具有重要的意义。 而药物分子的晶型会影响药物在存储中的稳定性等性质。 选取最早使用的喹诺酮类抗生素萘啶酸作为研究对象, 首先合成了萘啶酸的两种晶型NA-Ⅰ和NA-Ⅱ。 通过X射线粉末衍射确认了两种晶型。 使用太赫兹时域光谱技术在室温下对合成的两种萘啶酸不同晶型NA-Ⅰ和NA-Ⅱ在0.2～2.4 THz范围内进行检测, NA-Ⅰ和NA-Ⅱ在太赫兹光谱中表现出明显的差异。 NA-Ⅰ在0.94, 1.41, 1.88, 2.05和2.17THz处有五处特征峰, 而NA-Ⅱ在0.72, 0.96, 1.38, 1.80, 2.04和2.16 THz处有六处特征峰。 二者最明显的差异是NA-Ⅱ在2.04 THz处的峰为肩峰, 而NA-Ⅰ在2.05 THz处的吸收强度要大得多。 不同于其他光谱, 如红外光谱, 太赫兹光谱中的特征峰不对应特定的官能团, 因此对光谱峰的指认尤为重要。 利用密度泛函理论对两种晶型进行理论计算, 理论峰与实验特征峰基本对应, 得出萘啶酸两种晶型在此低频范围的振动模式主要是分子的骨架运动, 并从两种晶体堆积方式的不同阐述了光谱显著差异的原因。 该研究为利用太赫兹光谱检测药物的同质多晶提供了依据。

2016年9月15日发射的TG-2空间实验室上搭载的MAI是我国首个在轨运行的多角度偏振成像仪, 主要用于获取云和气溶胶等大气环境信息。 星载遥感仪器的定标是观测资料定量应用的关键前提且贯穿仪器的整个寿命期。 MAI发射前已经进行了实验室定标, 且精度较高。 为了监测MAI发射后的在轨运行情况, 针对其未配置在轨定标装置的问题, 利用Metop-B/GOME-2可见光波段的高光谱分辨率和较高探测精度的优势, 提出了基于GOME-2对MAI 565, 670以及763 nm通道进行在轨监测及交叉定标的方法。 该方法首先通过时空匹配、 视线几何匹配等获取MAI与GOME-2相近时刻、 相近视线几何条件下的同目标观测数据, 再将GOME-2反射率按照MAI可见光通道光谱响应函数进行卷积, 得到各通道的参考反射率, 与MAI反射率进行对比分析, 从而实现对MAI的定标。 利用不同反照率特性目标的匹配观测数据, 该方法能够实现仪器的高、 中、 低端观测的全覆盖定标。 定标过程主要包括: （1）对2016年12月到2017年2月期间TG-2和Metop-B的运行轨道进行预报, 获取二者交叉观测的整轨数据; 设置观测时间差为900 s, 初步匹配得到8组MAI与GOME-2交叉观测样例, 包含2 455组匹配像元; （2）对匹配像元空间位置进行检验, 保留单个GOME-2像元覆盖的MAI像元数超过338的交叉样本, 以确保单个GOME-2像元尽可能被MAI观测充满; （3）给定GOME-2观测天顶角小于30°的限制条件, 同时设置视线几何检验条件为两仪器观测天顶角余弦的比值接近于1, 且相差不超过0.05, 并充分利用MAI的多角度观测优势, 对每一个MAI像元采用最多14个方向的视线几何进行匹配, 从而选择最优的视线匹配方向; （4）设置观测目标均匀性检验条件为一个GOME-2像元覆盖的全部MAI像元反射率的标准差和均值之比小于0.5, 对匹配像元进行检验, 得到469个匹配的GOME-2像元。 （5）将以上GOME-2像元对应的各个波长的反射率按照MAI可见光通道的光谱响应函数进行积分, 即可得到MAI各通道对应的GOME-2参考反射率。 （6）利用GOME-2像元空间分辨率显著大于MAI分辨率的特征, 对每个GOME-2像元覆盖的全部MAI像元反射率进行平均作为MAI反射率, 显著降低了定标结果对观测目标均匀性的依赖程度。 （7）将GOME-2参考反射率与MAI反射率进行回归分析, 得到定标系数, 实现对MAI的在轨交叉定标。 为了分析各匹配条件对定标结果的影响, 利用单一变量法对像元匹配过程中各检验条件阈值进行调整并开展了分析试验。 结果表明, 当进一步严格匹配筛选条件时, 定标结果不会产生显著变化。 基于该方法对MAI三个通道反射率和GOME-2参考反射率进行对比分析, 结果表明二者之间存在显著地线性关系, 且相关系数均优于0.97, 对比差异的均值分别为1.6%, 4.2%和2.3%, 标准差分别为3.1%, 4.1%和2.4%。 总体来看, 利用在轨交叉定标方法能够实现MAI可见光波段的在轨监测及定标, 为MAI数据的定量应用奠定了基础。

近些年, 由于硅半导体材料在微电子工业中的潜在应用, 其理论和实验研究备受人们广泛关注。 尤其是过渡金属掺杂的硅团簇材料在物理化学性质方面表现了极好的稳定性。 这些主要归因于过渡金属含有未填满的d轨道电子, 可以填充硅团簇表面的空轨道, 减少团簇表面的悬挂键, 进而提高整个掺杂硅团簇的结构稳定性, 同时产生各种特殊光学、 磁性和超导等性质。 采用密度泛函理论DFT-B3LYP方法对HmTiSin (m=1～2; n=2～8)团簇的几何结构和电子性质进行了理论计算, 讨论了Ti掺杂硅团簇TiSin(n=2～8)及其氢化团簇基态结构的变化规律、 解离通道和HOMO-LUMO能隙等特征。 结果表明, 随着Si原子数目的增加, 在TiSin(n=2～8)团簇中其掺杂Ti原子依次吸附在团簇的棱、 面及结构内部。 当在掺杂团簇表面吸附氢原子时, 都优于吸附在团簇的硅原子上, 而且绝大多数的氢化结构采纳了TiSin团簇的骨架构型。 解离能和HOMO-LUMO能隙的分析结果表明在团簇表面吸附两个H原子时能够明显提高整个团簇的结构稳定性。 二阶能量差分的研究发现TiSi2和TiSi6团簇相对其他团簇具有较高的稳定性, 同时两个H1TiSi7和H2TiSi7氢化团簇的稳定性更高。 此外, 模拟了这些氢化团簇的红外振动特征峰, 对主要特征峰进行了归属。 这些研究将为过渡金属掺杂硅基团簇材料的实验制备和表征提供重要的理论参考。

飞行目标在2.7和4.3 μm谱段附近具有较强的红外辐射, 因此这两个波段是探测飞行目标的最佳波段, 但是由于这两个波段并非大气窗口, 不被大多数遥感器包含。 对这两个谱段的典型地物特性开展研究具有重要的价值, 但由于缺乏必要的数据获取能力, 经常面临数据缺乏的问题。 世界范围内频频有各种程度的火山爆发, 火山爆发时温度较高的火山口, 是否对于天基红外探测系统典型目标探测有影响, 其影响程度如何一直缺乏相关的分析和研究。 基于大气辐射传输理论, 利用多元统计分析得到波段转换模型, 使用气象卫星已有波段获得红外吸收谱段数据。 将火点像元视为明火和背景的混合像元, 采用目标与背景分离的方式描述高温目标像元的热辐射。 对高温目标辐射量, 在气溶胶模式固定的情况下, 选取观测天顶角、 大气可降水量、 大气廓线为自变量影响因子。 对于背景辐射亮度关系, 选取观测天顶角、 大气可降水量、 大气廓线、 背景温度为自变量影响因子, 利用多元统计, 建立相关模型。 利用对地面热状态非常敏感的风云三号可见光红外扫描辐射计第3通道数据的统计特征探测火山口, 获取高温目标在特定波段的表观多维特征并定量分析。 火山的多维特征分析, 主要从时间和空间两个维度展开。 时间维度是对同一火山在不同时间的数据进行分析, 空间维度上, 主要统计火山口的辐射亮度和亮度温度的空间分布特征。 一般气象卫星分辨率较低, 单纯利用像元个数表示火山面积, 明显夸大了火山的实际面积, 所以基于亚像元特性对火山进行分析, 将混合像元火点视为明火和背景的组合, 运用线性光谱混合模型, 通过混合像元的辐射率精确计算火山高温点的面积和温度, 提高定量分析精度。 分析结果表明: 通过仿真手段结合多元统计分析方法建立高温目标的波段转换模型是一种可行的预研手段。 在2.7~2.95 μm谱段, 火山口在弱背景环境下可能会对高温目标造成干扰, 而在4.2~4.45 μm谱段, 火山口能量远高于一般地表类型, 是不可忽视的干扰。

微藻富含类胡萝卜素、 维生素、 蛋白质、 多不饱和脂肪酸等多种人体和动物所必需的营养成分, 同时在水生态系统的维持和保护中也扮演着重要的角色, 因此开展微藻生物学的研究具有十分重要的实际应用价值。 传统的微藻成分的检测分析需要经过微藻细胞研磨破碎、 有机溶剂分离提取、 液（气）相检测等一系列的繁琐的操作步骤, 有费时、 需要高昂的仪器设备、 操作过程复杂等缺点, 因此需要发展更加快速高效的微藻细胞组分检测分析技术。 红外光谱作为一种高效的物质检测和分析手段可以实现对微藻样品中的蛋白、 脂类、 核酸、 多糖、 叶绿素、 类胡萝卜素等多种成分同时分析, 具有简单、 快速和无损检测等优势, 特别是结合显微镜技术的红外光谱成像可以在微空间尺度上研究单一细胞或组织中各组分的变化。 近年来, 尤其是随着同步辐射技术的迅速发展, 为红外光谱仪器提供质量更好、 能量更高的同步辐射光源, 使得红外光谱显微光谱及成像检测技术具有更高的灵敏度和空间分辨率, 实现了能够在细胞和亚细胞尺度上对个体进行高空间分辨的原位观测, 这在一定程度上解决了许多常规的检测分析技术不能同时兼顾高通量测量和高空间分辨率观察之间的矛盾。 首先介绍了红外光谱技术的原理及其特点并分析了显微红外光谱及成像技术在生物样品检测中的独特优势, 特别介绍红外光谱结合化学计量学的分析方法在生物学研究领域的应用。 接下来综述了此项技术在分类鉴定、 生长代谢监测、 育种、 水环境、 食品医药等与微藻相关领域国内外的应用研究进展。 比如, 结合化学计量学方法红外光谱能够进行微藻的快速鉴定、 判别和分类。 利用红外光谱多组分快速检测的优势, 可以实现微藻生长代谢的研究。 基于红外光谱无损、 高效检测的特点, 可以实现油脂、 β-胡萝卜素、 虾青素等高产藻株的快速筛选。 另外, 微藻还可以有效地吸附废水中的重金属和有机活性染料, 利用红外光谱可以对其吸附和降解环境污染物的机理进行研究。 红外光谱还能够快速高效地实现微藻成分的分析和鉴定, 因而可以用于微藻食品药品质量的检测和真伪的鉴定。 然而, 红外光谱在微藻的研究和应用方面还处于发展阶段, 尚存在着一定的缺点和不足, 对此进行了讨论和分析并提供了相应的解决方案。 最后, 对红外光谱在微藻的规模化养殖、 高产藻株的筛选、 微藻的生理、 细胞器的结构和功能的研究等领域进行了展望。

提出了一种可用于表面增强拉曼测量的基于金属纳米圆盘上方放置金属纳米球颗粒构成的金属纳米结构, 其在径向偏振光束激发下, 由于金属纳米圆盘的呼吸模式表面等离激元共振的作用, 可以形成纵向电场有效增强的间隙模式等离激元共振。 对此进行了有限元模拟计算研究, 计算结果证明该间隙模式的纵向电场分量相对于径向偏振入射光的有效激发横向电场分量增强了100倍以上。 为了更清晰地展现这种新型纳米结构的光谱特性以及表面电场分布特征, 同时对单个金属纳米圆盘, 单个金属纳米球, 金属薄膜, 金属纳米球-金属薄膜这几种纳米结构在同一个模拟计算框架下进行了计算以及比较分析。 由于可以把金属纳米球类比为金属探针的尖端, 所提出的新型间隙模式也有望在针尖型拉曼增强中得到应用。

表面等离激元是金属表面自由电子在入射光激发下产生的电子集体振荡行为及其相应的电磁场分布。 目前, 金微纳颗粒表面等离激元除了在可见光波段内被大量研究和应用外, 在中红外波段内也显示出独特的光谱特性, 具备设计生产优良传感器的潜力, 因而同样备受瞩目。 研究表明, 在中红外波段内设计表面等离激元传感器的关键问题在于如何有效地调节共振谱的共振波长、 峰值吸收率以及半峰宽等主要特征参数。 相比于单个微纳颗粒而言, 阵列结构由于拥有良好的周期性, 从而能够在上述参数的宽光谱调节方面具有独特的优势。 基于此, 提出一种基于金微纳颗粒组成的阵列结构, 利用时域有限差分方法, 在4～18 μm波段范围内, 通过分别改变该阵列的结构参数, 包括颗粒半径、 高度、 间距及颗粒形状等, 系统地研究了该微纳阵列结构在中红外波段对入射光的反射光谱、 透射光谱和吸收光谱等特性的影响。 研究发现, 在8～10 μm光谱内, 入射光能够与其所激发的金微纳阵列表面等离激元产生共振效应, 表现出明显的共振峰特性。 可以通过分别改变上述结构参数来有效调节吸收率谱线共振峰的共振波长、 峰值吸收率和半峰宽等主要特征参数。 研究结果对中红外光谱内基于金微纳阵列结构传感器的科学研究和实际设计具有独特的理论应用价值。

由于近红外光谱在药品鉴别应用中具有分析速度快、 样品无损、 可现场检测等突出优点, 目前已在众多领域中广泛应用。 但近红外光谱存在信噪比低, 吸收强度弱且谱峰重叠等缺点, 无法从光谱中直接得到定性/定量的物质信息, 因而近红外光谱分析技术常作为一种间接分析技术, 并且光谱的化学计量学建模方法成为近红外光谱分析的核心内容。 深度学习是机器学习的一个新的分支, 并已经成功运用于多个领域。 深度学习的网络结构和非线性的激活能力, 使其模型特别适合高维、 非线性的大规模数据建模。 为进一步丰富近红外光谱建模方法, 并提高近红外光谱分析技术的回归精度或分类准确率, 将深度学习方法应用于近红外光谱分析, 发展新的建模方法十分必要。 面向近红外光谱定性分析技术, 提出一种基于堆栈压缩自编码网络（SCAE）光谱定性分析方法, 并应用于多类别药品的光谱分析, 以区分或鉴别不同厂家生产的同种药品。 压缩自编码网络（CAE）以自编码网络（AE）为基础, 进一步加入雅克比矩阵作为约束项。 自编码网络最初是用实现数据降维, 以学习数据内部特征, 而雅克比矩阵包含数据在各个方向上的信息, 将其作为AE的约束项则可使提取到的特征对输入数据在一定程度下的扰动具有不变性, 从而提高AE提取特征的能力。 SCAE是一种由多层CAE构成的神经网络。 前一层CAE的隐藏层作为后一层CAE的输入层, 网络的全部参数是通过采用逐层贪婪的训练方式来获取的, 训练结束后将所有网络视为一个整体, 通过反向传播算法进行微调, 最后使用Logistic/Softmax分类器进行定性分析。 实验数据均为中国食品药品检定研究院采集, 以头孢克肟胶囊作为二分类实验数据, 硝酸异山梨酯片作为多分类实验数据。 通过Bruker Matrix光谱仪测定每个样本在不同波长下的吸光度值得到其光谱曲线, 再通过OPUS软件消除漂移等因素对光谱样本之间产生的偏差。 接下来通过实验确定约束项雅克比矩阵的系数λ为0.003之后建立模型。 建模过程分为五个阶段, 分别为: 预处理阶段, 预训练阶段, 微调阶段, 测试阶段和对比阶段。 为了验证SCAE在分类准确性、 算法稳定性和建模时间等方面的性能, 与BP神经网络、 SVM算法、 稀疏自编码(SAE)和降噪自编码(DAE)开展对比实验研究。 分类准确性方面, 在不同的训练集与测试集的比例下, SCAE均有最佳的分类准确性与算法稳定性。 建模时间方面, 由于SVM算法不需要预训练和特征提取, 所以运行时间方面比其他算法有大的优势, 但是SCAE建模速度优于除SVM之外的其他对比算法。 综合而言, 使用SCAE进行药品鉴别有效可行。