基于地对空高光谱观测获取大气CO2柱浓度(大气中CO2的垂直总含量)数据是验证和改进卫星高光谱观测反演CO2浓度的重要数据源之一, 而目前在中国还没有基于地面光谱观测进行大气CO2柱浓度反演研究的报告。 利用光谱分析仪与太阳跟踪仪等构成的地面观测系统在中国内蒙古锡林郭勒草原进行了地对空高光谱观测, 基于高光谱观测数据反演了大气CO2柱浓度。 在基于1.6 μm大气CO2的光谱吸收特征进行CO2浓度反演过程中, 评价分析了观测光谱的波长漂移和气象参数对大气CO2柱浓度反演精度的影响。 结果显示观测期间平均大气CO2柱浓度为390.9 μg·mL-1。 波长的漂移将会导致反演浓度值整体偏低; 波长漂移从-0.012～0.042 nm范围时, 将会导致1 μg·mL-1以上的偏差。 同时, 研究发现光谱透过率在6 357～6 358, 6 360～6 361和6 363～6 364 cm-1谱段敏感于气象参数的变化。 对比利用与光谱观测同时和非同时观测的气象参数进行的浓度反演结果发现, 非同时观测气象参数的利用引起的浓度偏差最小在0.11 μg·mL-1, 最大可达4 μg·mL-1; 本论文的分析结果对基于光谱反演CO2柱浓度算法的改进有着一定的参考价值。

地表发射率是地表温度遥感反演中不可缺少的参数之一。 常规获取地表发射率的遥感方法中, 存在温度和发射率病态反演的问题; 而实验室实测方法在恒定的自然条件下测定, 对于遥感实用有一定的局限性。 为解决上述问题, 本研究利用温度和发射率相互耦合的关系, 剔除温度效应的影响, 提高发射率的精度, 进而提高遥感反演地表温度的精度。 对于不同地表物质而言, 发射率和温度耦合关系又不同, 本研究针对典型的城市人造地表类型之一——水泥路面, 基于合理的自然状态下水泥路面发射率和温度观测实验, 筛选理想大气环境下实测数据; 利用最优发射率与温度分离算法取代光谱仪自带算法, 提取精度较高发射率数据; 分析时序水泥路面温度和发射率数据的耦合关系, 建立耦合模型, 并进行验证。 研究结果表明: 水泥路面的发射率二阶导数与温度相关性最高, 相关系数为-0.925 1。 以发射率二阶导数为自变量的逐步回归模型为最佳关系模型, 判定系数R2达到0.886, 验证结果的均方根误差RMSE为0.292 1。 水泥路面温度与其发射率耦合关系模型的建立为提高遥感反演地表温度的精度提供了一种途径。

应用英国Edinburgh公司生产的FLS920P荧光光谱仪实验测定了诱惑红、 日落黄和亮蓝三种合成食品色素混合溶液的三维荧光光谱, 将荧光光谱数据应用化学计量学中的平行因子分析(PARAFAC)和交替三线性分解(ATLD)二阶校正算法进行计算处理, 对混合合成食品色素溶液中各组分进行了定性和定量检测。 应用核一致诊断法, 确定主成分数为3。 PARAFAC算法解析后的回收率分别为98.75%±8.9%, 97.22%±2.9%和99.00%±2.9%, ATLD算法解析后的回收率分别为99.78%±5.9%, 92.52%±5.5%和97.23%±5.8%。 结果表明, 两种方法都可以用于三个组分的直接快速测定, PARAFAC算法更稳定, 更具优势。

三元体系NaCl-CaCl2-H2O是一种重要的天然水-盐体系。 然而, 研究人员在过去只研究了低温下该体系的相变, 但在高温高压条件下拉曼位移和物理参数之间的定量关系却并没有被报道。 利用利用热液金刚石压腔(HDAC)和石英压标, 对高温高压下三元体系NaCl-CaCl2-H2O的拉曼光谱特征进行了系统的研究, 并获得了水的O—H伸缩振动谱带的拉曼位移、 溶质质量分数和压力之间的定量关系。 其中盐的质量分数相等(NaCl与CaCl2), 分别为4.0 mass％, 8.0 mass％和12.0 mass％。实验结果表明, 当盐的质量分数和体系的压力保持不变时, O—H伸缩振动的标准拉曼位移差(Δν(O—H))伴随着温度的升高而增大。 当温度和压力恒定时, Δν(O—H)随盐的质量分数的增加而增大。 对于这个三元体系, 其Δν(O—H)与压力近似为线性关系, 且不同盐度条件下的关系斜率相近。 Δν(O—H)与温度(T)、 压力(P)、 溶质质量分数(M)之间的定量关系为P＝-31.892Δν(O—H)+10.131T+222.816M-3 183.567, 其中该方程的有效PTM范围为200 MPa≤P≤1 700 MPa, 273 K≤T≤539 K 以及M≤12 mass%。 该公式可以用来作为地质压力计, 用于研究等盐度条件下在NaCl-CaCl2-H2O体系流体包裹体。 该方法作为一种直观的地质探测技术, 具有潜在的应用价值。

双光子荧光显微镜作为一种高分辨光学仪器, 已经被广泛应用于生物样品的非侵入式三维光学成像中。 相比共聚焦显微镜, 双光子荧光显微镜拥有更深的探测深度。 然而, 即便如此, 在对较厚的生物样品进行非侵入式光学三维成像时, 样品的成像质量也往往会随着探测深度的增加而下降。 在临床和生物学领域对研究母性遗传起重要作用的小鼠卵母细胞拥有较大的直径(80～100 μm), 吸收和散射效应较为明显。 本文研究小鼠卵母细胞染色体的三维双光子荧光图像随探测深度增加图像质量的衰减程度。 通过对所得图像进行轴向衰减矫正, 利用体积作为参数, 将矫正前后小鼠卵母细胞内染色体三维双光子荧光图像进行对比。 结果表明, 由于吸收和散射效应, 卵母细胞存在较严重的光学轴向衰减问题, 因此, 对用双光子荧光三维成像手段获得的小鼠卵母细胞图像进行衰减矫正是有必要的。 这为进一步精确定量的研究卵母细胞内染色体的三维构像打下良好的基础。

K(5P)与H2反应产生KH(Х1Σ+)的ν″=0～3振动能级, 泛频激发KH至ν″=17高位振动态。 通过测定KH(ν″=17,3)与CO2碰撞过程中振动能的时间分辨分布(即Tν的变化过程), 研究了高低振动态碰撞传能的不同特点。 对于KH( ν″=17), 振动温度Tν的变化分为三个阶段: 第一阶段(0～5 μs)Tν迅速下降, 能量应主要转移至CO2(0001)振动态或(0000)高位转动态; 第二阶段(5～20 μs)Tν仅稍有下降, 向CO2振动态及高位转动态的能量转移已结束; 第三阶段(20 μs后)Tν虽然缓慢但明显下降, 表明向CO2低转动态及平动能的转移加速。 对于KH(ν″=3), Tν的变化只分为两个阶段: 第一阶段(0～10 μs)的共振V-R过程迅速降低了振动温度; 第二阶段(10～80 μs)Tν有一个缓慢下倾, 只能转移到很低的转动态和小的平动能。 这些结果表明了振动激发态分子与基态分子碰撞中仅用单一速率系数不能正确揭示复杂平衡过程的本质, 不同的阶段应该用不同的速率系数来描述。 利用瞬时吸收技术得到CO2(0000)和(0001)的原生态转动布居分布, 通过速率方程分析, 得到平衡过程中不同阶段的速率系数。

绿泥石矿物广泛发育于各种岩石和地质环境中, 其化学成分的变化, 可反映出其形成时的物理化学条件及其光谱特征的变化。 为了探索矿物光谱特征与其矿物化学成分间的内在关联性, 为利用高光谱技术探测矿物微观信息提供基础依据。 通过薄片显微分析, 鉴定了岩石样品中的矿物种类及矿物组合特征, 圈定出典型的绿泥石矿物颗粒和划分了绿泥石的产状特征; 并利用现代电子探针微区分析技术, 测定了16件岩石样品中共146个具有典型代表性的绿泥石矿物颗粒的化学成分, 据此计算了其n(AlⅣ), n(AlⅥ), n(Fe), n(Mg)与Fe/(Fe+Mg)比值等相关化学参数; 此外对测量的岩矿光谱进行分析, 提取了岩石样品中绿泥石矿物的特征光谱参量。 在以上基础上, 对绿泥石矿物的光谱特征参量和其主要晶体化学参数的关系进行分析研究, 研究表明绿泥石矿物的诊断性特征吸收波长位置随绿泥石中Fe离子含量的增加而向长波方向移动。 研究结果对于利用高光谱遥感技术进行蚀变矿物及造岩矿物种类、 成分及结构特征的识别和探测具有重要的指导意义。

通过具有高灵敏度、 非侵入式等特性的可调谐二极管激光吸收光谱技术对发动机气缸工作过程等高温高压燃烧环境进行实时在线检测, 是了解其内部燃烧过程进而研发高效发动机的重要手段之一。 作为一种重要的温室气体和化石燃料燃烧的主要产物, 二氧化碳对于了解燃烧过程具有重要的意义。 为了寻找一种能够对高温高压燃烧过程中的二氧化碳浓度进行快速检测的方法, 利用工作在室温条件下的近红外可调谐二极管激光器作为光源, 以二氧化碳位于5 006.140 cm-1处的跃迁作为传感谱线, 结合固定波长的吸收光谱调制技术, 通过该CO2谱线的一次谐波归一化的二次谐波信号峰值实现对高温高压环境中CO2浓度测量, 建立了一种可用于高温高压环境下的组份浓度的测量方法, 通过实验验证得出该方法在5 atm压力、 500 K温度下和10 atm压力、 1 000 K温度下对于CO2浓度测量的平均标准偏差为3.99%; 另外还对实验中所得CO2直接吸收及二次谐波信号进行了分析, 得到了其吸收光谱在高温高压环境下的特性。

可调谐半导体激光吸收光谱作为一种高灵敏度、 高选择性、 非侵入的痕量气体实时检测技术, 已在大气监测、 工业控制等方面得到广泛应用。 采用一种新型宽带可调谐的SG-DBR半导体激光器(可调谐范围1 520~1 570 nm)作光源, 并通过自编程序对该激光器设定了18个通道, 输出波长分别对应CO, CO2以及H2O的吸收谱线中心位置, 设计和构建了一个基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱的多组分气体光谱测量系统, 描述了相关的光学系统设置, 结合波长调制(wm)的二次谐波技术测量其中14个通道(分别对应CO和CO2的吸收谱线)的吸收光谱, 系统获得的CO和CO2峰值吸收探测极限能够达到10-5。 实验结果验证了SG-DBR激光器在波长调制吸收光谱多组分气体检测领域的可行性。 在实际应用过程中使用单个SG-DBR激光器可以实现多组分气体的同时测量, 有效降低设备成本和系统复杂性。

光传播路径横向风速风向的准确测量, 对于科学研究和工程应用都具有重要意义。 哈特曼传感器用来接收光波大气传输前向散射的波前和光强信息, 提出利用哈特曼传感器接收的前向散射光强闪烁相关信息, 实现路径横向风速廓线测量的方法。 理论推导给出了光传播路径上横向风速分段反演的公式。 根据不同的子孔径间距路径权重函数的差异, 针对不同子孔径间距对路径不同位置的敏感性, 分析了如何合理的选取光传播路径横向风速廓线的权重函数。 利用哈特曼传感器开展了水平1 000 m光传输路径横向风速的探测实验。 初步研究结果表明, 哈特曼传感器测量的路径横向平均风速与接收端附近的风速计测量的结果具有较好的一致性; 得到的两段路径横向风速的分布在随时间的变化趋势上一致性较好, 特殊的下垫面布局使得靠近光源的第一段路径与靠近探测器的第二段路径的平均横向风速分别为1.273和0.952 m·s-1。 将第二段横向风速与路径横向平均风速的测量结果进行了相关性分析, 具有一致的变化趋势, 两者的相关系数达0.86。

通过野外采样和实验室分析, 对淮河流域某镇农业土壤中Cd, Cr, Cu, Ni, Pb和Zn等六种重金属的含量特征进行了研究, 并利用富集因子法、 地累积指数法和潜在生态风险指数法对各种重金属的污染状况进行了评价。 结果表明, 研究区农田土壤中Cd和Cu的质量分数平均值分别为0.113 5和22.09 mg·kg-1, 超过了安徽省土壤重金属背景值0.097和20.4 mg·kg-1, 其余四种重金属的平均值均未超过安徽省土壤重金属背景值。 地累积指数法和潜在生态风险指数法的评价结果一致表明, 研究区域土壤中六种重金属污染程度最强的为重金属Cd, 部分采样点土壤中的Cd对于生态系统存在轻微的风险, 其他五种重金属均未对采样点生态系统造成风险。 整个研究区域土壤属于轻度综合潜在生态风险程度。

针对目前关于退火温度对原子层沉积法(ALD)制备ZnMgO薄膜晶体结构和光学性质影响鲜有报道的现象, 进行了相应的实验研究分析。 采用ALD在石英衬底上制备ZnMgO合金薄膜, 对制得的样品在空气中进行不同温度的退火处理。 利用X射线多晶衍射仪(XRD)、 光致发光谱(PL)和紫外可见(UV-Vis)吸收光谱测试, 系统的分析了不同退火温度对ALD法制备ZnMgO薄膜晶体结构和光学性能的影响。 XRD测试结果表明: 退火温度为600 ℃时, 薄膜的晶体质量得到改善, 且(100)衍射峰的强度明显增强。 结合PL和UV-Vis吸收光谱的测试分析得出: 退火温度为600 ℃时, 能明显促进薄膜中Mg组分的增加使薄膜的禁带宽度进一步增大。 从而说明适当温度的退火处理可有效的改善ZnMgO薄膜的晶体质量及光学特性。

为了解决在大范围、 多点位温度实时监测过程中温度传感器铺设工程复杂、 维护成本高等问题, 研究开发了基于光纤布拉格光栅结构的温度监测系统。 利用光纤光栅衍射对波长的选择性, 建立了温度与波长的函数关系, 通过计算波长变化量反演被测位置的温度信息。 由于环境、 材料等因素, 光谱分布与温度变化并不满足线性变化, 所以设计了光谱校正算法完成波长与温度函数的曲线拟合, 曲线拟合度大于99.7%。 实验采用FB136L-IAC型防爆干燥箱、 LPT-200型二极管, 1 550 nm光纤等对20～280 ℃范围内温度进行多点位实时检测, 实验结果显示, 当防爆干燥箱中的温度每改变1 ℃时, 对应的中心波长向长波方向偏移大约0.04 nm, 与标准温度测试数据进行对比, 误差低于±0.3 ℃。 由于系统采用光纤传感网络, 所以具有很强的抗电磁干扰能力, 而光纤光栅衍射可实现精密测量, 动态响应范围大、 精度高。 系统的新颖之处在保证高精度测量的同时, 仍满足大范围、 多点位、 高抗干扰能力的快速铺设, 具有很强的实际应用价值。

为了实现大气压环境下稳定的辉光放电, 设计了一种新型的针-柱电极结构放电装置。 采用针尖直径为56.4 μm的不锈钢针作为放电阴极, 直径为4 mm的紫铜圆柱作为放电阳极, 两者通过精密机械结构保持平行。 当针-柱之间间距为2 mm、 镇流电阻10 MΩ, 放电电阻10 MΩ, 测试电阻1 kΩ、 放电电压-2 740 V、 大气压环境、 室温、 无外部通入气流时, 针-柱之间实现了稳定的辉光放电。 示波器存储的放电波形和数码相机记录的放电图像验证了从电晕放电到辉光放电, 再到火花放电的三种放电模式。 该针-柱结构易于用MEMS工艺加工制作, 可应用于便携式分析仪器中作为离子源使用。

采用发射光谱法, 研究了不同时空结构四边形斑图的等离子体参量。 实验发现, 在低气压区和高气压区, 四边形斑图表现出不同的时空结构。 利用N2分子第二正带系的六条谱线强度计算了分子振动温度; 利用第一负带系N+2(391.4 nm)与第二正带系N2(394.1 nm)谱线强度比, 研究了电子能量的变化; 利用Ar原子696.54 nm谱线的展宽和频移来反映电子密度; 利用Ar原子特征谱线强度比法计算了电子激发温度。 结果表明: 低气压区四边形斑图的分子振动温度、 电子激发温度和电子平均能量均大于高气压区四边形斑图, 而电子密度小于高气压区四边形的电子密度。

利用密度泛函理论, 在B3LYP/6-311++G(d, p)基组水平上对吡啶-水团簇(C5H5N)n(H2O)m(n=1～2, m=1～4)的可能构型进行全优化, 得到了团簇的稳定结构; 计算结果显示, 在吡啶和水的二聚体中, 稳定构型只有一种, 没有发现通过π氢键(O—H…π)作用形成的团簇结构。 为了研究各团簇结构的稳定性, 在相同的基组水平上计算得到了各团簇构型的总能量和结合能, 结果显示, 对于团簇(C5H5N)n(H2O)4(n=1～2), 团簇中的水分子形成四元环的结构要比形成三元环的结构稳定。 对团簇的最高占据轨道与最低空轨道之间的能隙分析发现, 团簇C5H5N (H2O)4的最低能量结构具有较高的稳定性, 可能具有幻数结构; 最后, 分析讨论了吡啶-水团簇的红外振动光谱, 对较强的谱峰进行了指认。

黄曲霉毒素是广泛存在于玉米中且具有剧毒的一种代谢产物, 以美国农业部农业研究署(USDA-ARS) Toxicology and Mycotoxin Research Unit提供的2010年先锋玉米为研究对象, 验证了高光谱成像技术对玉米中黄曲霉毒素检测的可行性。 以甲醇为溶剂制备四种不同浓度的黄曲霉毒素溶液, 并将其逐一滴在等量的4组共120粒玉米颗粒表面, 以未处理的30粒洁净玉米作为一组对照样本, 将大小、 形状相似的150个样品随机分为训练集103个, 验证集47个; 对获取的400～1 000 nm波段范围内的高光谱图像, 先进行标准正态变量变换(standard normal variate transformation, SNV)预处理, 然后引入基于Fisher判别最小误判率的方法选择最优波长, 并以所选波长作为Fisher判别分析法的输入建立判别模型, 对玉米颗粒表面不同浓度的黄曲霉毒素进行识别, 最后对模型判别正确率进行了验证。 结果表明, 选取四个最优波长(812.42, 873.00, 900.36和965.00 nm)时Fisher判别分析模型对训练集与验证集的准确率分别为87.4%和80.9%。 该方法为含黄曲霉毒素玉米颗粒便携式检测仪器的开发, 以及对田间霉变玉米自然代谢产生毒素的检测奠定了技术基础。

利用近红外光谱分析技术的诸多优势, 可实现煤质多项指标的快速分析。 煤样光谱数据的采集易受到噪声散射的干扰, 在建模分析前常用多元散射校正方法对其予以恢复去噪。 而传统的多元散射校正方法存在以线性表达式描述非线性关系的局限性, 以及盲目追随“理想”光谱而导致的失真问题, 为此提出基于拟线性局部加权法的煤样光谱散射校正。 该法先选取二次曲线、 三次曲线和增长曲线等三种拟线性函数, 代替原线性函数; 再分别引入均值核函数、 高斯核函数、 Epanechnikov核函数、 二次权重核函数及三次权重核函数等五种核函数, 在原评估函数中构造局部加权函数, 利用局部加权函数精确表述各波长点处的依赖关系; 最后, 分析不同模式下校正光谱的准确性, 确定拟线性函数与核函数的最佳组合。 为验证方法的适用性, 对0.2, 1和3 mm等三种粒度等级下的煤样光谱数据进行散射校正。 结果表明: 改进多元散射校正方法在消除光谱中散射干扰的同时, 放大了特征谱峰信息, 校正光谱与煤样各项指标的相关性得到了显著增强, 有效地提高了煤质近红外光谱分析模型的预测精度和稳定性。

提出了一种衰减全反射红外光谱法快速测定糠醛抽出油烃族组成含量的方法, 设计了一套重油烃族组成快速分析系统。 实验收集了62个减压蜡油经糠醛精制后的抽出油样品, 采用NB/SH/T0509-2010方法测定其饱和烃、 芳烃含量, 由差减法求得胶质和沥青质总含量。 采用偏最小二乘法(PLS)分别建立了糠醛抽出油饱和烃、 芳烃和胶质+沥青质含量的定量校正模型, 其SEC分别为1.43%, 0.91%和1.61%, SEP分别为1.56%,1.24%和1.81%, 均小于NB/SH/T0509-2010方法规定的再现性误差, 模型预测精密度小于标准方法的重复性误差要求。 与现行标准方法相比, 该方法速度快, 操作简单, 可显著提高糠醛抽出油烃族组成分析效率。 该分析系统也可用于其他重油分析, 具有很好的推广应用前景。

采用近红外光谱分析技术结合化学计量学方法研究对不同品牌的豆浆粉以及假冒的豆浆粉鉴别的可行性。 采集不同品牌豆浆粉以及假冒豆浆粉在12 500～4 000 cm-1范围内光谱, 并进行不同的预处理。 采用偏最小二乘-判别分析(partial least squares-discriminant analysis, PLS-DA)对不同预处理的光谱进行建模比较, 去趋势算法(De-trending)预处理光谱与多元散射校正(multiplicative scatter correction, MSC)结合De-trending(MSC+De-trending)预处理光谱的PLS-DA模型预测集判别正确率最高, 均为100%。 采用x-loading weights方法分别基于De-trending和MSC-De-trending预处理光谱选择了6个和7个特征波数, 并以特征波数分别建立了线性判别分析(linear discriminant analysis, LDA)和误差反向传播神经网络(back-propagation neural network, BPNN)的判别分析模型。 结果表明, 以所选出的不同的特征波数建立的BPNN判别分析模型取得了最佳的判别效果, 建模集和预测集的判别正确率均为100%。 采用近红外光谱分析技术可以准确的判别豆浆粉品牌以及假冒豆浆粉产品。

重楼属植物极具药用价值, 野生资源主要分布在我国西南省区。 应用近红外漫反射光谱, 以贵州、 广西和云南三个不同产区的70份野生药用植物重楼为研究对象进行产地鉴别。 采用多元信号校正、 标准正态变量、 一阶导数、 二阶导数、 Norris平滑和Savitzky-Golay 滤波六种方法, 对训练集(50份样品)原始光谱进行优化处理。 结果表明, 多元信号校正结合二阶导数和Norris平滑预处理光谱效果最好。 采用光谱标准偏差选择光谱波段(7 450～4 050 cm-1), 结合主成分-马氏距离(principal component analysis-mahalanobis distance, PCA-MD)建立分类模型, 前三个主成分累计贡献率、 R2、 RMSEC和RMSEP分别为89.44%, 97.58%, 0.179 6, 0.266 4, 预测正确率90%; 采用变量重要性图选择光谱波段(7 135.33～4 007.35 cm-1), 结合偏最小二乘判别分析法(partial least square discrimination analysis, PLS-DA)建立判别模型, 前三个主成分累计贡献率、 R2、 RMSEC和RMSEP分别为89.28%, 95.88%, 0.234 8, 0.348 2, 预测正确率为100%。 比较两种方法的结果可知: 采用变量重要性图方法选择光谱波段结合偏最小二乘判别分析法建立的判别模型能更准确地鉴别不同产区的重楼, 该方法的建立为中药材真伪和品质评价奠定基础。

在烷烃类多组分混合气体, 尤其轻烷烃类气体傅里叶变换红外光谱定量分析中, 其中在红外光谱区域吸收峰严重交叉重叠, 不易建立定量分析模型。 为此, 采用Tikhonov正则化算法对甲烷、 乙烷、 丙烷、 异丁烷、 正丁烷、 异戊烷和正戊烷等七种轻烷烃类混合气体傅里叶变换红外光谱进行特征波长的选择, 以便建立定量分析模型。 选择六种各气体浓度组成混合烷烃气体, 采用Tikhonov正则化算法, 通过对比分析混合气体在中红外全波段、 主吸收峰和次吸收峰波段特征波长的选择和TR参数的优化, 选择出七种气体成分的傅里叶变换红外光谱的特征波长。 利用选择的特征波长和Tikhonov正则化参数对实测甲烷光谱数据进行检验分析, 与其他气体成分的交叉灵敏度最大为11.153 7%, 最小为1.239 7%, 预测均方根误差为0.004 8, 有效增强了Tikhonov正则化算法在轻烷烃类混合气体定量分析中的实用性, 初步验证了利用Tikhonov正则化进行烷烃类混合气体傅里叶变换红外光谱特征波长选择的可行性。

中草药分析与鉴定对中草药质量控制意义重大, 以飞秒激光为基础的太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)是一种新型相干远红外光谱测量技术。 为了研究基于太赫兹谱的中药材鉴别可行性, 应用THz-TDS研究了室温下黄芪、 当归、 杜仲及三种掺杂的黄芪在0.2~2.2 THz范围内的光学特性, 得到了对应的时域谱、 频域谱和吸收谱。 结果表明在此波段三种中草药的时域谱、 频域谱及吸收谱存在显著差异; 三种掺杂黄芪的频域谱、 吸收谱虽相似但也有明显不同。 利用太赫兹时域光谱技术鉴别中药材是可行的, 它可为中草药质量控制提供一种新的方法。

研究了中红外光谱预测香菇蛋白质含量的可行性。 去掉明显噪声部分后, 研究香菇3 581～689 cm-1中红外光谱与蛋白质含量的关系。 以Savitzky-Golay(SG)5点平滑预处理光谱建立偏最小二乘法(partial least squares, PLS)的预测模型的效果不理想, 模型的建模集和预测集的相关系数均高于0.85, 但剩余预测偏差(residual prediction deviation, RPD)值仅为1.77。 采用连续投影算法(successive projections algorithm, SPA)算法从3000个波数点中选择7个特征波数, 并以七个特征波数分别建立PLS、 多元线性回归(multiple linear regression, MLR)、 反向传播神经网络(back-propagation neural network, BPNN)和极限学习机模型(extreme learning machine, ELM)。 与全谱的PLS相比, 以特征波数的PLS模型和MLR模型的预测效果相对较差, 而以特征波数的BPNN和ELM模型的预测效果相对较好。 其中SPA-ELM模型的预测效果最佳, 预测集相关系数(correlation coefficient of prediction)Rp=0.899 5, 预测集均方根误差(root mean square error of prediction)RMSEP=1.431 3, 剩余预测偏差RPD=2.18。 研究结果表明, 中红外光谱分析技术可以用于预测香菇蛋白质含量, 且SPA选取特征波数能用来代替原始光谱进行建模分析, 为香菇蛋白质含量的检测提供了新的思路。

采用红外光谱并结合二维相关红外光谱法对生三七和熟三七进行了研究, 分析比较三七炮制前后化学成分的变化。 在一维红外谱图上, 生三七和熟三七在1 200～400 cm-1波段内的相似度较高, 不同的是熟三七在2 925, 2 855, 1 746, 1 460, 1 376, 1 158 cm-1出现了花生油的特征峰, 这是由于采用煎炸法炮制三七所残留的花生油所引起的。 两者药效组分的特征差异在二维相关红外谱图上显示得更为明显和直观, 在1 400～1 700 cm-1区域, 生三七仅在1 650 cm-1附近有一个强自动峰, 而熟三七在1 469和1 640 cm-1附近均有自动峰。 在1 120～1 250 cm-1区域, 生三七和熟三七共有1 139(1 137), 1 194(1 196), 1 219(1 221)cm-1三个自动峰, 不同的是各自动峰的相对强度发生了变化, 生三七经炮制后1 139 cm-1峰的增强, 而1 194 cm-1峰减弱。 二维相关红外光谱的变化规律说明了三七药材在炮制的过程中发生的主要变化是黄酮、 糖类、 皂苷等成分的分解。 该方法揭示了三七在炮制过程中所发生的物理化学变化过程, 从红外光谱的角度解释了三七“生消熟补”的药理。

为实现对受到小麦条锈病菌侵染而尚未表现明显症状的小麦叶片进行早期检测, 利用近红外光谱技术结合定性偏最小二乘法建立了小麦条锈病潜育期叶片定性识别模型。 获取健康叶片30片、 条锈病潜育期叶片330片(每天取30片, 共11天)和发病叶片30片, 扫描获得其近红外光谱曲线。 采用内部交叉验证法建模, 研究了不同谱区、 建模比(建模集∶检验集)、 光谱预处理方法和主成分数对建模识别效果的影响。 在5 400～6 600和7 600～8 900 cm-1组合谱区内, 建模比为4∶1、 预处理方法为“散射校正”和主成分数为14时, 所建模型识别效果较理想, 建模集的识别准确率、 错误率和混淆率分别为95.51%, 1.28%和3.21%; 检验集的识别准确率、 错误率和混淆率分别为100.00%, 0.00%和0.00%。 结果表明, 利用近红外光谱技术可在接种1天后(即提前11天)识别出健康小麦叶片和受到条锈病菌侵染的小麦叶片, 并且可以识别不同潜育期天数的叶片。 因此, 利用近红外光谱技术对条锈病菌潜伏侵染检测是可行的, 为该病早期诊断提供了一种新途径。

表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)技术是基于被测分子吸附在某些经特殊处理、 具有纳米结构的金属表面具有极强拉曼散射增强效应的分子振动光谱技术。 因SERS技术具有前处理简单、 操作简便、 检测时间短、 灵敏度高等优点, 在食品安全检测领域具有良好的应用前景。 食品中化学危害残留超标是主要的食品安全问题之一, 已引起全球的关注, SERS技术对食品中痕量化学危害的分子识别及定量分析检测的相关研究报道数量近年来呈上升趋势。 本综述概括了应用SERS对食品中常被检出的非法添加物、 农药残留、 抗生素及其他药物残留检测中的应用和研究进展, 涉及的拉曼散射增强基底体系多种多样, 如金或银等纳米溶胶体系、 金纳米固体表面基底、 双金属或磁性内核等复合基底。 研究对象一般以化学危害物的标准溶液为起点, 扩展到常被检出该化学危害物的相应食品中, 如乳制品、 鱼、 果蔬等。 由于表面增强拉曼散射强度受多种因素的影响, SERS谱图的重现性还是一个亟需解决的难题, 而食品复杂体系中非目标组分对被分析物拉曼散射信号的干扰导致SERS技术还不能成为一种有效的常规快速分析方法, 但SERS为食品及其他复杂体系中痕量化学物的检测提供了一个新的极具潜力的工具。

为实现对有机物混合物的快速、 无损检测, 提出一种基于激光拉曼光谱技术的二维分析方法。 研究结果表明, 采用532 nm波长激光作为激发光源, 观测到236.2, 348.9, 449.4, 513.6 cm-1四条振动拉曼谱线, 且这些谱线的强度比为6.4∶1.7∶9.4∶1.0, 可确定四氯乙烯的存在。 观测到707.5, 1 087.9, 1 175.8, 3 078.6 cm-1四条振动拉曼谱线, 其强度比为9.6∶6.4∶1.0∶3.9, 可确定氯苯的存在。 即通过综合分析特征谱线及若干特征谱线的强度比, 可快速判断有机混合溶液中某种物质的存在。 在定量分析方面, 采用多光谱分析结合最小二乘法拟合提高了测量的可靠性, 所测样品浓度的准确率为98.4%。 本研究为有机物混合物成分识别和浓度探测提供了一套可行的光谱测量方法, 有着十分重要的应用前景。

采用熔融法制备了CaO-MgO-Al2O3-SiO2系纳米晶玻璃陶瓷材料。 在－190～310 ℃温度范围, 利用显微共聚焦拉曼光谱测量分析了该体系纳米晶玻璃陶瓷硅氧四面体结构的变化规律。 结果表明, 随着温度的降低具有不同非桥氧键的硅氧四面体结构单元变化并不一致, 位于三维硅氧四面体结构边缘的具有二个非桥氧键的硅氧四面体(Q2)和具有三个非桥氧键的硅氧四面体(Q1), 以及完全独立于三维硅氧网络结构外的具有四个非桥氧键的硅氧四面体(Q0)受温度影响明显, 其拉曼光谱均向高波数移动, 键的力常数变强, 硅氧键长变短。 为丰富外环境对纳米晶玻璃陶瓷材料结构与性能影响的研究提供了实验依据, 也为控制该体系纳米晶玻璃陶瓷材料的膨胀系数提供了一定的实验依据。

POLDER-1是国际上第一个可以获取偏振光观测的星载对地探测器, 随着POLDER/PARASOL等偏振仪器的应用, 偏振遥感在国际上已成为一个快速发展的研究领域, 并在大气气溶胶监测等方面发挥了重要的作用, 取得了一系列研究成果。 从POLDER/PARASOL, APS(aerosol polarimetry sensor)和航空偏振相机、 地基偏振观测平台三个方面综述了大气气溶胶偏振遥感近20年(1993-2013)的研究进展, 重点介绍: (1)POLDER/PARASOL陆地上空和海洋上空气溶胶参数反演算法; POLDER/PARASOL气溶胶光学厚度(AOD)产品精度验证、 应用以及与MODIS等卫星AOD产品的对比分析。 (2)MICROPOL, RSP和APS陆地上空和海洋上空气溶胶参数反演算法; 国产多角度航空偏振相机(directional polarimetric camera, DPC)的气溶胶参数反演算法。 (3)CE318-2和CE318-DP的气溶胶地基偏振反演算法。 其中卫星、 航空和地面气溶胶参数反演的结果包括总的AOD、 细粒子AOD、 粗粒子AOD、 粒子谱分布、 粒子形状、 复折射指数、 单次散射反射率、 散射相函数、 偏振相函数以及云顶AOD。 在以上研究基础上, 提出了大气气溶胶偏振遥感研究存在的问题及展望, 为大气气溶胶偏振遥感研究提供有价值的参考。

确定化学秩是解析化学体系的第一步, 正确确定化学体系的组分数对后续的解析异常重要。 由于实测的三维荧光光谱不可避免地受到噪声的干扰, 传统的化学秩估计方法常常失效。 首先根据三维荧光光谱信号与噪声信号的形态差异, 选用正弦形结构元素, 对信号进行先开启后闭合运算, 用形态学方法对实测三维荧光光谱进行去噪, 然后对去噪后的光谱进行奇异值分解(SVD), 联合分解得到的奇异值和奇异向量进行化学秩的确定。 主要讨论了形态滤波方法的理论基础, 先用模拟数据说明了文中所提方法的必要性和有效性, 然后又把此方法用在酚类化合物三维荧光光谱的组分数检测上, 并与传统的蒙特卡罗方法做了对比。 实验结果表明, 提出的方法更具有实用性, 能够正确估计出化学秩。

为了定量检测石英粉/磷酸盐缓冲溶液体系中极低浓度的羟自由基(·OH), 依据对苯二甲酸(TA)在pH中性的缓冲溶液中与羟自由基反应生成唯一稳定且具有很强荧光特性的产物即2-羟基对苯二甲酸(HOTP), 本文建立了滤液最大激发/发射波长EXmax/EMmax=316 nm/422 nm处的荧光强度与HOTP浓度关系的标准曲线, 通过检测石英粉与缓冲溶液作用之后滤液的荧光强度, 从而间接测定了体系产生的·OH累积浓度。 通过重复试验并分析五个不同实验条件下体系产生的·OH累积浓度, 最小检出限达到1.59×10-10 mol·L-1, 相对偏差为1.20%~7.89%, 标准偏差为1.09×10-9~2.17×10-9 mol·L-1, 相对标准偏差为3.5%~5.8%, 说明该方法具有较高的精确度和较好的重复性。 该方法可用于定量检测pH中性溶液中极低浓度的·OH, 与其他方法相比, 具有明显的检测限低、 成本低、 灵敏度高、 稳定性和重现性好等优势。

SOHO/SUMER太阳紫外光谱仪的N Ⅳ谱线观测到太阳南极区冕洞内存在许多小尺度结构, 其空间尺度约1～几角秒, 寿命尺度约1～几min。 小尺度结构沿狭缝方向呈条状, 视向多普勒速度可至几十km·s-1。 在有的南极区冕洞区域内, 小尺度结构的视向多普勒速度呈红、 蓝移准周期性交错分布, 持续时间长达100 min。 部分小尺度结构在同一观测窗口的高温Ne ⅤⅢ谱线还可清晰显现。 有的小尺度结构在Ne ⅤⅢ速度演化图的时间和位置与N Ⅳ 谱线速度图基本一致, 但它们在Ne ⅤⅢ速度演化图中更延展和弥散。 N Ⅳ紫外光谱显示部分小尺度结构谱线呈现非高斯形状, 谱线两翼速度可达150 km·s-1, 与太阳过渡区爆发事件的光谱特征相似。 太阳过渡区爆发事件常出现在宁静区, SOHO/SUMER太阳紫外光谱仪的N Ⅳ谱线显示在南极区冕洞也可产生爆发事件, 且具有较强的动力学特征。

大气温湿廓线是数值预报中最基本的气象参数, 高光谱红外卫星可以观测到较高垂直分辨率的大气信息, 为了准确获取廓线信息, 利用搭载于美国对地观测卫星Suomi NPP(national polar-orbiting partnership)平台上的CrIS(cross-track infrared sounder)红外高光谱观测资料, 讨论了通道选取方法, 采用特征向量统计法反演法得到初始大气廓线, 利用非线性牛顿迭代法进一步提高反演精度。 将反演结果和全球数据同化系统GDAS(global data assimilation system)模式分析数据以及配对的无线探空值进行比较, 发现反演结果与真值趋势一致, 较之初始廓线有显著提高, 在100～700 hPa之间, 温度廓线反演精度最高, 均方差小于1 K, 在300～900 hPa之间, 湿度廓线反演精度最高, 均方差小于20%, 与所选取通道的雅各比峰值区间一致。

北京市近60年长期超量开采地下水已经引起了严重的地下水水位下降和大范围地面沉降, 截止到2009年最大累计沉降量达到1 096 mm, 并以30~60 mm·y-1速率扩展, 严重威胁城市规划建设和人民交通安全。 相对于传统的水准测量、 分层标等地面沉降监测手段, 永久散射体干涉测量技术(PS-InSAR)可以快速获取高分辨率的地表形变细节信息。 利用PS-InSAR技术和2003年12月—2009年3月Envisat卫星29景ASAR影像监测北京平原区地面沉降发展情况, 发现北京平原区沉降漏斗已连成一片, 沉降梯度变化较大地区主要分布在北京第四系凹陷区, 覆盖面涉及朝阳、 昌平、 顺义、 通州等区县, 并有东移外扩趋势, 平谷县境内出现新的沉降中心。 沉降分布受前门—良乡—顺义、 黄庄—高丽营、 南口—孙河等主要断层控制, 地面沉降与地下水水位变化具有明显相关性, 呈现季节性下降(3月—6月)与回弹(11月—3月)趋势, 并受弱透水层应力应变本构关系(弹性-塑性-黏弹性)影响。

为探索微观和宏观尺度下混合像元光谱混合机制的差异, 在人工设置试验环境下, 以人工制作雪-土混合像元表征微观尺度混合像元, 固定全波段光谱仪探头距离, 完成不同面积比的雪-土混合像元和雪、 土端元反射光谱的采集, 并对采集得到的光谱数据进行全波段反射光谱、 350～2 500 nm归一化反射光谱和剔除噪声后350～1 815 nm再归一化反射光谱数据定性定量分析。 同时, 分析同期MODIS和环境与灾害监测卫星B星(HJ-1B CCD/IRS)影像中可见光、 近红外和短波红外通道反射率相关性及MODIS影像中雪-土混合像元光谱与端元光谱的关系。 结果表明; (1)微观尺度时, 全波范围内混合像元反射光谱与端元光谱存在非线性关系, 分波段范围内存在线性关系; (2)宏观尺度时, 可见光范围内, CCD 1, 2, 3通道与MODIS 3, 4, 1通道相关系数在0.76～0.89间; 短波红外范围内, IRS通道2与MODIS通道6相关系数为0.35。 (3)MODIS影像中雪-土混合像元光谱与端元光谱关系为混合像元与雪端元光谱间正线性相关, 与裸土端元光谱负线性相关。

云的存在严重影响遥感影像质量。 在航空影像的获取过程中, 实时的云检测能够及时提供准确的云遮挡比例以评价影像质量, 进而指导飞行方案以获取满足质量要求的影像。 采用光谱特征阈值的方法, 通过分析云光谱的特性, 选取能够有效检测云的亮度特征I和归一化差值特征P进行组合。 为实现自动检测, 在一维Otsu自动阈值和带限定条件Otsu阈值的基础上, 设计了阈值的分级配置策略为云特征配置合适的自动阈值, 策略的主要思想是: 首先采用多级分类标准对影像进行无云、 薄云、 厚云的类别判定, 再对不同类别的影像采取不同的特征阈值配置方案, 其中厚云影像的检测需要进一步分类配置阈值。 该策略实现了有云情况下能准确检测云、 无云情况下检测不到云的应用目标。 再结合选择性自动后处理方案, 真正做到云的自动、 高效、 准确的检测。 通过与不同方法的检测结果对比分析, 表明该方法的检测效率高, 精度满足实时质量评定的要求, 通用性强。

利用MTT法研究了钨系纳米颗粒对HepG2肝肿瘤细胞抑制作用, 利用瞬态吸收谱(TAS)技术的吸收发射谱表征肿瘤细胞和纳米粒子之间的电荷传递, 讨论了钨系纳米颗粒在肿瘤疾病早期检测以及抗肿瘤特性。 设计HepG2实验体系中, 抗肿瘤活性的最佳药物浓度为100～150 μg·mL-1, 反应时间在6 h之内很强, 在24 h之内已经基本完成。 实验证实, 瞬态吸收谱技术可以作为肿瘤的检测方法, 及表征纳米生物传感器和肿瘤细胞之间的电荷传递, 钨系纳米颗粒具有作为抗肿瘤药物的应用前景。

小麦籽粒蛋白质含量是衡量小麦营养品质的重要指标, 实现小麦品质快速的预测预报对于粮食收购部门和加工企业具有重要意义。 研究基于作物叶绿素/氮素速测仪SPAD及Multiplex 3, 获取冬小麦不同生育期叶片及冠层叶绿素参数, 从小麦个体及群体参量两方面进行冬小麦收获期籽粒蛋白质含量及蛋白产量的预测研究。 试验于2012年4—6月在国家精准农业研究示范基地开展, 研究结果表明, 冬小麦返青至灌浆初期, 小麦冠层氮素密度与籽粒蛋白质含量的相关性优于叶片氮素含量与蛋白质含量的相关性, 灌浆中期两者与籽粒蛋白质含量相关性差别不大; 小麦叶片SPAD值与叶片氮素含量相关性总体优于其与冠层氮素密度的相关性, 而叶绿素荧光参数SFR_G, SFR_R与冠层氮素密度的相关性优于其与叶片氮素含量的相关性; 叶片SPAD与籽粒蛋白质含量的相关性在拔节期最弱, 在灌浆中期最强, 小麦冠层叶绿素荧光参数SFR_G, SFR_R与籽粒蛋白质含量相关性在返青至拔节期不显著, 但孕穗期开始显著相关, 在灌浆中期相关性最强且明显优于同期叶片SPAD与籽粒蛋白质含量的相关性; 冬小麦籽粒蛋白产量与叶片SPAD值在小麦孕穗期至灌浆期显著相关, 与SFR_G和SFR_R在小麦灌浆期显著相关; 研究基于灌浆中期SPAD值及SFR_R值, 构建了冬小麦籽粒蛋白质含量及籽粒蛋白产量的预测模型, 其中, 籽粒蛋白质含量预测模型复相关指数分别为0.426和0.497, 模型标准误差分别为0.060%和0.055%, 籽粒蛋白产量预测模型复相关指数分别为0.366和0.386, 模型标准误差分别为125.367和123.454 kg·ha-1。 研究表明, 利用叶片SPAD值及冠层叶绿素荧光信息, 在小麦收获前进行品质的快速预测是可行的。

基于北京市通州、 顺义两区52个潮土样品高光谱数据, 利用离散小波多尺度分析技术对其进行处理分析。 首先将光谱按六种尺度进行分解, 然后将各尺度分解数据与土壤有机质含量进行相关性分析, 并筛选敏感波段, 最后利用偏最小二乘法构建土壤有机质含量估测模型。 结果表明: 土壤光谱反射率经小波变换后, 在参与建模的特征波段中, 近红外波段居多, 即近红外波段估测有机质含量的贡献高于可见光波段; 低频信息对有机质含量的估测能力优于高频信息; 高频信息对土壤有机质含量的估测精度随光谱分辨率降低而降低; 与常用光谱变换算法相比, 小波变换分析法在一定程度上提高了土壤光谱对有机质含量的估测能力, 其低频信息与高频信息构建的最优模型预测精度均较高, 低频信息的R2=0.722, RMSE=0.221, 高频信息的R2=0.670, RMSE=0.255。

航空影像房屋提取方法的研究中大多基于灰度影像的区域生长算法, 此类算法不仅忽略了不同材质的房屋所呈现的光谱特征对提取结果的影响, 而且过于依赖种子像素的选取, 处理效率不高。 为了从高分辨率航空影像中实现房屋的自动检测, 综合利用彩色信息与屋顶材料的光谱特征, 采用影像分割原理, 研究了房屋自动检测的方法。 首先对RGB与HIS彩色空间进行转换, 利用HIS空间各分量间不相关的特点和屋顶材料光谱特征进行影像分割, 分离出红色瓦片屋顶与灰色水泥屋顶区域, 并利用标记分水岭算法实现房屋区域的初始分割; 然后计算各标记区域内的色调均值选取种子像斑样本, 进而以像斑为单元在色调分量中进行区域生长, 最后经过消除小斑和矩形拟合优化处理, 得到轮廓清晰的房屋区域。 与传统的基于像素区域分割算法相比, 该方法整个过程无需人工干预且均在一维彩色空间进行处理, 计算量明显降低, 同时采用改进的基于像斑区域生长算法能够兼顾邻近区域内像素的几何结构信息, 使算法精度得到显著提高, 采用上述方法对高分辨率航空影像进行了实验, 结果证明该方法有着较高的处理效率和准确性, 具有实用价值。

甘草酸(GA)和甘草苷(LQ)是甘草的两个主要的活性成分, 常用作评估甘草的质量主要指标。 首次尝试应用实测甘草冠层的可见-短波红外(Vis-SWIR)高光谱数据定量估算甘草中的GA和LQ含量, 利用高效液相色谱方法(HPLC)分别测定甘草中GA和LQ含量作为参考值, 通过结合一阶导数预处理和运用Wilk’lambda 逐步回归法选择特征波长等光谱预处理方法, 在选择9个最优波段基础上建立偏最小二乘(PLS)回归预测模型, 甘草GA和LQ的回归精度R2分别为0.953和0.932, 校正集的均方根误差(RMSEC)分别为0.31和0.22, 预测精度R2分别为0.875和0.883, 验证集的均方根误差(RMSEP)分别为0.39和0.27。 结果显示, 用光谱预测模型获得甘草GA和LQ含量预测与HPLC方法获得的甘草GA和LQ含量实测之间具有较高的相关性, 说明Vis-SWIR技术从遥感数据中来确定GA和LQ含量的可行性。 为野外利用外机载和/或星载高光谱传感器对甘草质量遥感监测提供理论依据。

提出了一种应用可见-近红外高光谱成像技术快速无损检测多宝鱼肉冷藏时间并实现其可视化的新方法。 采集8种不同冷藏时间的共160个鱼肉样本的高光谱图像, 并提取样本感兴趣区域(ROI)的平均光谱。 取120个建模集样本的光谱数据与其相应的冷藏时间建立偏最小二乘回归(PLSR)模型, 对40个预测集样本的冷藏时间进行预测, 预测决定系数(R2)为0.966 2, 预测均方根误差(RMSEP)为0.679 9 d, 获得了满意的预测精度。 最后, 用所建模型对预测集图像上每个像素点的冷藏时间加以预测, 采用IDL图像编程技术将不同的时间用不同的颜色表示, 最终以伪彩图的形式实现多宝鱼肉冷藏时间的可视化。 结果表明, 高光谱成像技术与化学计量学结合可以准确预测鱼肉的冷藏时间, 与图像处理方法结合可以实现预测时间的可视化, 能形象、 直观地展示出鱼肉的新鲜度状态和分布情况, 为实现水产品加工的自动化奠定了基础。

为给蝗虫诱导光场光谱的确定提供理论支持, 探讨蝗虫趋光性视觉机理, 利用AvaLight-DHS光源和AvaSpec光纤光谱仪系统, 进行了蝗虫视觉系统接受光照能量刺激后蝗虫视觉光谱效应的测定, 在此基础上, 利用蝗虫趋光响应光谱装置, 对照验证蝗虫趋光响应光谱差异性。 结果表明: 蝗虫视觉系统对430, 545, 610 nm单光光子的吸收程度显著且存在差异, 行为响应表现为蝗虫对橙、 紫、 绿、 蓝光光照具有选择敏感差异性, 并以紫光响应活动强度最大, 橙光响应程度最优, 同时, 蝗虫对光谱光子能量吸收具有选择差异性和光照时间的要求, 而光谱的敏感程度及光照能量的强弱, 影响蝗虫趋光定向响应程度, 且蝗虫光感受器对光子能量强度的吸收转化, 所致蝗虫趋光视觉生物光电效应的生理微反应, 是蝗虫趋光响应的原因, 因此, 蝗虫视觉光谱效应, 仅在蝗虫视觉生物光电效应被光谱光照激活状态下, 才能呈现出光谱吸收效应的敏感性, 依据紫光较强的粒子激发性, 进行橙、 紫、 绿、 蓝光谱光场机制的合理组合, 可形成有效的蝗虫趋光诱集光场, 然而, 蝗虫趋光机理的阐述缺乏量化性数据, 尚需进行光照刺激蝗虫的趋光行为、 视觉电位及视觉光谱效应的测定对照, 来完善蝗虫趋光机理。

通过典型研究区不同盐渍化土壤光谱反射率数据的变换和分析, 选择与土壤含盐量响应敏感波段, 建立实测高光谱土壤含盐量反演模型, 以校正HSI影像建立的土壤含盐量反演模型。 结果表明: 实测高光谱土壤含盐量反演模型与HSI影像土壤含盐量反演模型均有较好的精度, 模型判定系数(R2)均高于0.57, 且模型稳定性较好。 校正后的HSI影像土壤含盐量反演模型, 模型判定系数有了较大提高, R2从0.571提升至0.681, 且通过了0.01的显著性水平, 均方根误差(RMSE)值为0.277。 模型能够较好地提高区域尺度条件下土壤盐渍化监测精度, 运用此方法开展盐渍化土壤定量遥感监测是可行的。

为研究双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)对水体中铜(Cu)元素检测灵敏度的影响, 采用共线双脉冲LIBS检测装置对所配置的含Cu水溶液进行激光诱导击穿光谱试验。 结果显示: 与运用单脉冲激光诱导击穿光谱(SP-LIBS)检测水体中Cu元素相比, 运用DP-LIBS探测到的光谱明显增强, 并且其检测结果受光谱仪采集的延迟时间、 两脉冲之间的脉冲延迟时间、 双脉冲激光能量等因素的影响显著。 确定最佳的试验条件为: 光谱采集延迟时间为1 380 ns, 脉冲延迟时间为25 ns, 双脉冲激光能量为100 mJ。 分别对铜元素324.7和327.4 nm的特征谱线进行定量分析, 两谱线的检测限分别是3.5和4.84 μg·mL-1, 且相对标准偏差都在10%以内。 用500 μg·mL-1样品对特征谱线为324.7 nm所建立的定标曲线进行验证, 反演得出该样品的浓度为446 μg·mL-1, 相对误差为10.8%。 研究表明DP-LIBS能够提高Cu元素的检测灵敏度, 同时具有较高的稳定性。

稀土元素的化学性质十分相似, 能与偶氮胂Ⅲ结合生成稳定的配位化合物, 该配位化合物在二苯胍的作用下易被萃取到正丁醇中, 再利用减压蒸馏法将有机相蒸干后用稀HCl溶解, 加高锰酸钾溶液释放出配位化合物中的As后, 用原子荧光光谱法测定As从而间接测定稀土元素。 本法以硫酸铈为标准溶液对实验的萃取条件、 KMnO4用量、 蒸馏温度、 偶氮胂Ⅲ用量、 干扰离子等条件进行了优化, 并采用国家标准物质对方法的精密度和准确度进行验证, 测定结果与标准值能很好吻合。 在最优条件下, 方法检出限为0.44 μg·mL-1, 线性范围为0.2～25 μg·mL-1。 采用低温灰化, HNO3-H2O2消化法处理中草药样品, 测定结果满意, 相对标准偏差为1.3%～2.5%, 加标回收率为94.4%～106.0%。 该法该法简便快速, 仪器设备简单, 准确度高。 将稀土元素富集到有机相, 使待测元素与基体分离; 将有机相蒸干后酸溶解试样, 水相进样能避免有机溶剂对泵管的影响。

以东北粮食主产区典型耕作黑土和黑钙土为研究对象, 在测定同一气候和地理位置下两种耕作土壤颗粒组成特征情况的基础上, 采用X射线衍射(XRD)分析方法, 对两种耕作土壤的粘粒矿物组成及相关差异进行分析, 深入探讨其内在变化机理, 是土壤矿物研究的新视角。 结果表明: 两种供试土壤颗粒组成均以砂粒为主, 粘粒、 粉粒次之; 当颗粒累积率达到50%时, 中央粒径分布在15～130 μm区间, 除胜利乡黑土剖面外, 各采样地两类土壤的剖面中粘粒含量的分布顺序呈现出与中央粒径大小相反的趋势。 土壤粘粒在两种土壤剖面中呈现不同的分布规律, 黑土剖面中粘粒在表层富集(18.82%), 而黑钙土剖面中在钙积层富集(17.41%)。 除泉眼岭黑土剖面外, 其余采样地的土壤剖面中粘粒含量均在母质层中最少。 XRD图谱分析显示, 不同土壤中粘粒矿物图谱的差异不仅表现在衍射峰的强度及部分衍射峰位的变化上, 还表现在矿物组成上。 黑土、 黑钙土均以2∶1型粘粒矿物为主, 黑土组成为蒙伊混层-伊利石-蛭石型, 黑钙土为蒙伊混层-伊利石-蒙脱石型, 且均含有少量的高岭石、 绿泥石、 石英等原生矿物。

谱线寻峰在激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy)中是必不可少的步骤, 然而噪声和背景的存在, 干扰了寻峰的准确性。 为了提高LIBS寻峰中重叠峰分辨能力和自适应能力, 提出一种适用于LIBS谱图的自动寻峰方法。 将基于连续小波变换的脊线寻峰法引入到LIBS中, 探讨了连续小波变换中的小波母函数的选择并优化了尺度参数和平移参数, 提出一套脊线校正方法对脊线寻峰法进行了改进。 实验结果表明, 该方法与直接比较法、 导数法和脊线寻峰法相比, 在重叠峰分辨能力和寻峰精度等方面优势显著, 可应用于LIBS数据处理。

高信噪比的动态光谱(dynamic spectrum, DS)提取是实现高精度动态光谱血液成分无创检测的一个关键。 为了进一步提高提取的精度和速度, 从原理上分析了各单波长光电容积脉搏波(photoelectric plethysmography, PPG)的线性相似性, 并基于此性质提出了补偿拟合法: 首先按照PPG单周期采样点数进行滑动平均得到漂移基线进行补偿, 除去基线漂移; 其次用各波长对数PPG与全波长叠加平均模板PPG进行最小二乘拟合, 提取一次项系数构成DS。 利用拟合提取法对近红外和可见光波段各25组PPG数据样本进行DS提取实验验证, 并将结果与单沿提取法进行平滑性指标的对比, 结果表明: 近红外和可见光波段补偿拟合法获取DS的平均方差分别为单沿提取法的77.9%和59.5%, 稳定提高了DS的平滑性; 近红外和可见光波段补偿拟合法处理时间分别可以达到单沿提取法的10%和20%, 处理速度得到显著改善。 补偿拟合法在单沿提取法的基础上稳定提高了DS的信噪比, 改善了DS提取质量, 缩减了提取时间, 并简化了处理步骤, 有望推动DS无创血液成分检测的发展。

脉冲氙灯是一种新型光源, 利用量子理论以及气体放电理论分析了脉冲氙灯放电过程, 设计了放电测试系统, 实验测定了放电过程中的电压、 电流和光脉冲信号。 结果表明: 在预电离阶段自由电子浓度较低, 能量较低; 气体放电阶段灯内形成电子崩, 使得自由电子浓度的增大, 放电电流迅速上升, 电压下降; 离子复合时释放出光子形成光脉冲, 氙灯脉冲的光能量输出和光谱特性与复合电子能量、 氙气复合能级相关, 而当输入能量与氙灯的能耗不一致的时候, 将导致充电电容反复充放电, 而使电路产生振荡。 对于分析脉冲氙灯放电过程, 优化放电回路参数设计和脉冲氙灯的生产具有重要意义。

以移动平台的线推扫式高光谱相机横向推扫成像不同于以卫星平台或飞机平台的竖直摄影成像方式, 其属于水平方向推扫竖直方向成像, 存在投影面选择、 空间方位确定以及光顾混叠等问题。 针对上述情况, 详细推导了适合于线阵高光谱相机地面推扫的影像像素地理参考模型, 可以进行任意方向的地面横向推扫成像; 结合影像的地面采样间隔大小及推扫成像的区域范围, 给出了地理参考后影像格网划分的一般过程; 同时, 考虑到在影像格网划分过程中存在的舍入误差, 以及在影像校正过程中采用传统直接光谱采样可能造成的光谱掺杂问题, 提出了基于地理参考后相邻像素重叠面积作为权重系数进行加权融合的改进光谱采样方法。 最后进行了大量地面横向推扫成像实验, 并依据上述算法进行了影像畸变校正, 验证了线阵影像几何畸变校正算法的有效性及鲁棒性, 同时, 对校正好后的影像选用多个样本点进行了光谱数据验证, 实验表明改进后的光谱采样方法明显优于直接光谱采样算法, 为同类产品的地面应用提供参考。

拖尾(smear)现象是面阵CCD器件的固有问题。 在推扫式成像光谱仪中, 拖尾对成像的作用形式较为特殊, 传统的扣除方案已不再适用, 急需新的适合这一应用场合的方法。 通过建立光谱仪中拖尾现象的数学模型, 分析并仿真了常规拖尾扣除方法的失真问题, 提出了适合推扫式光谱仪器的新方法。 新方法使用已知图像信息估计景物的光谱分布, 以此计算光学暗行通道所代表的拖尾信号在每个应用通道中的贡献, 进而实现拖尾现象的扣除。 遥感图像处理结果的较为理想的LSF表明, 新方法效果良好, 适用于推扫式成像光谱仪中CCD拖尾现象的扣除。

使用背照减薄型CCD器件的色散型超光谱成像光谱仪在近红外波段会出现条带状干涉条纹, 严重影响其在近红外波段附近的光谱分辨率。 为解决该现象, 建立了类似于法布里-珀罗干涉仪的多光束干涉模型, 估算出700~900 nm范围内干涉条纹的强度分布并以实测数据对该模型进行了验证, 分析了CCD光敏区厚度和干涉现象之间的关系。 在此基础上, 采用包括频域滤波在内的改进的平场校正算法, 对干涉条纹的图像进行了校正, 在751.83～1 010.04 nm的范围内, 校正效率达到96.6%, 试验结果表明, 该算法可有效的消除超光谱成像光谱仪近红外波段上的干涉条纹现象, 提高光谱分辨率。

简要叙述了LASIS光谱成像系统的原理和仪器构成, 针对LASIS光谱成像仪像方视场与干涉数据单边过零采样的要求, 通过对实体Mach-Zehnder横向剪切干涉仪结构和光路进行分析, 并对比Sagnac型横向剪切干涉仪的结构, 研究了该干涉仪的附加光程差与加工误差的关系, 给出了附加光程差公式和误差容限公式, 对探测器阵面上光程差变化的非线性效应影响进行了分析和仿真。 结果表明, 相比Sagnac型横向剪切干涉仪, 因实体Mach-Zehnder干涉仪的非共光路特点产生的附加光程差会导致探测器上的零光程位置的偏移, 为保证过零单边采样的要求, 需对干涉仪的尺寸误差进行严格约束, 其中组成干涉仪的两块非对称五角棱镜非对称量的匹配误差小于0.02 mm; 而探测器上光程差变化的非线性效应引起的光谱复原误差小于0.2%, 基本可以忽略不计。

为了提高血氧饱和度光谱测量的精度和可靠性, 增强血氧饱和度测量数据的有效性, 提出了基于试验方差分析的血氧测量波长选取的方法。 通过分析不同波长组合对应的血氧饱和度系数分布情况, 合理地利用统计理论, 从中选取较好的波长组合。 实验中以不同血氧饱和度临床数据为基础, 建立了不同波长组合(660和940 nm, 660和805 nm, 805和940 nm)计算出的血氧饱和度系数的单因素试验方差分析模型, 参照分析模型中的F指标和p参数, 比较分析不同波长组合的显著性, 进而从光谱数据中选取出相对较好的波长组合, 为进一步建模分析提供了可靠的中间数据。 结果表明, 选取660和805 nm的波长组合引入的总误差相对较小, 能更显著的代表血氧饱和度的变化, 相比其他的波长组合进行分析能够提高血氧测量精度。 本研究将试验方差分析方法用于血氧测量中波长组合的优选, 效果显著, 为血氧饱和度的测量和其他相关光谱的特征波长选取以及定量分析提供了新思路。 试验方差分析方法有助于从光谱中提取代表被测量的有效信息。

弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEM-FTS)的调制光程差是高速、 非线性变化, 每秒可产生上万张干涉图。 为了实现高速等时间采样干涉信号的快速光谱反演, 对大光程差弹光调制干涉信号的特性、 加速非均匀快速傅里叶变换算法(NUFFT)进行研究。 加速非均匀快速傅里叶变换算法是基于卷积核函数插值的快速傅里叶变换算法, 此算法的核函数类型、 参数τ、 延伸影响因子q、 过采样率μ等参数的选择对算法准确度以及复杂度有影响。 在分析这些参数对算法影响的基础上, 在μ=2, q=10, τ=1×10－6时, 将加速的NUFFT算法应用于弹光调制傅里叶变换光谱仪中, 重建了632.8 nm的激光和氙灯光谱, 复原的632.8 nm激光光谱的频率偏差小于0.013 52, 插值时间小于0.267 s。 实验表明加速的NUFFT算法有较快的运行速度和小的频率偏差, 能快速准确地重建大光程差PEM-FTS的光谱。