电磁超表面由于其独特的电磁特性为调控电磁波提供了有力工具, 合适地设计成编码、 随机、 相位不连续、 完美吸收器等超表面, 就能够控制电磁波的散射以及反射特性, 实现雷达散射截面的缩减。 本文综述了不同的电磁超表面利用漫反射或者吸收等特性实现在微波和太赫兹波段雷达散射截面缩减中的应用。 分析表明, 编码超表面由不同的数字单元组成, 其反射相位差在很宽的频段范围内满足恒定的关系, 设计特殊的单元序列使入射的电磁波产生非定向散射, 更高bit编码超表面更容易灵活调控电磁波; 随机超表面通过调节阵元的尺寸实现宽带移相从而将金属目标特征性强的反射峰打散成一个无规律、 杂乱的波, 产生漫反射; 不连续超表面由于相位不连续可使电磁波发生漫反射或者异常反射; 吸收器通过合理设计结构尺寸实现吸收电磁波能量来减小反射。 因此电磁超表面在雷达隐身、 宽带通讯、 成像等方面具有重要的应用前景。 最后对电磁超表面在雷达散射截面缩减中应用的发展趋势进行了初步探讨, 未来将向着宽带、 柔性、 大角度等方面发展。

葡萄在劣变时会挥发出特定成分和浓度的气体。 在变质葡萄的挥发物红外光谱中发现了乙醇、 乙酸乙酯和二氧化碳的光谱特征。 通过多次反射的光学系统提高了光谱测量的光程, 从而获得了更高的探测灵敏度。 利用新型光谱测量系统进一步研究了葡萄劣变过程中挥发物的精细化特征, 并证实了其中含有多种醇类、 酯类、 醛类和乙烯的光谱特征。 部分挥发物的浓度随贮藏时间展现规律性的变化, 可以以其为生物标志物来表征葡萄的变质程度。 进一步以光谱观测规律为基础研制了由传感器阵列组成的电子鼻, 通过对特定挥发物的定量化测量实现葡萄变质的分类和预警。 揭示了更为精细的葡萄劣变过程中挥发物的光谱特征变化规律, 证实了通过挥发物测量鉴别水果变质的可行性, 为开展水果变质的实时监测技术研究提供了理论和技术参考。

光子晶体光纤具有特殊的导光机制和结构可调性, 可以产生奇异的色散特性及高非线性, 为非线性光纤光学领域的研究提供了新的条件。 受多种非线性光学效应的共同作用, 在不同泵浦光脉冲参数条件下, 不同结构参数及传输特性的光子晶体光纤能产生丰富的非线性光谱。 利用分步傅里叶方法求解非线性薛定谔方程, 模拟飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中的传输过程, 获得输出光谱与入射光脉冲参数(泵浦光峰值功率P、 泵浦光波长λ、 光脉冲形状、 光脉冲宽度TFWHM)、 光纤结构参数(孔间距Λ、 空气填充比d/Λ、 光纤长度z)、 传输特性(色散、 非线性系数)的关系, 分析拉曼孤子、 色散波、 自相位调制等非线性效应产生的光谱特性。 利用光子晶体光纤包层节区进行非线性光学实验研究, 获得了孤子波和色散波的宽带光谱输出。 理论分析与实验测量的光谱中都包括了波长0.5 μm附近可见光波段的蓝移色散波、 0.82 μm波段的剩余泵浦光、 1.1 μm波段的孤子波、 2 μm附近的红移宽带色散波。 理论分析与实验测量结果一致, 阐明光子晶体光纤中非线性光谱产生的物理原理, 实现了对宽带光谱的可控输出, 为高非线性光子晶体光纤的结构设计、 制备及非线性光谱的应用研究奠定基础。

采用多元醇法, 在不同温度, 不同PVP滴加速度和加入量的条件下合成了银纳米线。 利用XRD, UV-Vis, SEM和TEM对银纳米线及其侧向生长过程进行了观察和分析。 UV-Vis表明银纳米线在纵向生长的同时发生了侧向生长。 而且表示银纳米线侧向生长的紫外吸收光谱峰在银纳米线合成后期发生了明显的红移, 由384 nm红移至约388 nm处, 表明银纳米线合成后期直径迅速增长, 银纳米线发生了快速的侧向生长。 SEM研究表明银纳米线直径在反应前期(15～23　min)只增加了20 nm, 而在反应后期(23～30 min)银纳米线直径增加了近150 nm, SEM观察结果与UV-Vis分析结论一致。 同时还发现银纳米线直径不仅与晶种大小有关而且与银线外覆盖的银层厚度有关, 银源以吸附在银线侧面的小银颗粒为附着点沿其侧面多点沉积导致了银纳米线的侧向生长; 降低反应液温度(165 ℃降至155 ℃), 降低PVP滴加速度(67 mL·h-1减小到49 mL·h-1)以及减少银纳米线合成后期PVP加入量可抑制银纳米线的侧向生长, 显著提高银纳米线长径比, 银纳米线直径由200 nm减小至100 nm左右, 长度仍保持在100 μm以上。

引入线性发射率模型, 基于辐射测温方程组推导了三波段辐射测温方法的等温面方程, 该方程是测量信号矢量与测量信号系数矢量的点积。 根据测量信号系数矢量是温度的单值函数这一特征, 结合二分法求解非线性方程的优点, 提出了三通道辐射测温方法的存储二分法求解原理, 并进行了C++程序实现。 基于C++程序研究了特定测量信号矢量条件下的等温面方程曲线, 结果表明在较大的温度求解区间内该曲线具有单调特征, 随着V3的增加该曲线尾部逐渐上翘由负变正。 误差及时间复杂性分析结果表明二分数为Num时最大误差为(Tmax-Tmin)/2num+1, 求解过程包括3Num+1次乘法和2Num+1次加法, 没有除法和指数对数运算, 极大地提高了温度求解速度。

基于太赫兹光谱的物质成分定量分析是太赫兹技术重要的应用方向之一。 但是当太赫兹波入射样品时, 会与样品颗粒在微观尺度下发生散射效应, 造成太赫兹波强度的衰减。 因此实验测得的样品的太赫兹吸收谱主要由两部分组成, 即样品本身对太赫兹波的吸收以及由散射效应造成的衰减。 尤其是当样品的颗粒尺寸与太赫兹波的波长接近或可相比拟时, 散射效应更为明显。 在以往的太赫兹定量分析领域, 往往仅考虑了Lambert-Beer定律, 即物质对光的吸收与其浓度成线性变化的关系, 而忽视了散射效应的作用, 导致定量分析的准确度受到了限制。 在对混合物样品的太赫兹波段散射效应进行分析的基础上, 采用类比的方法, 提出了混合物的太赫兹吸收谱模型, 并通过一系列定量分析实验验证了该模型的有效性。 在对多组混合物样品的定量分析实验中, 定量分析误差普遍小于3%, 较之仅考虑Lambert-Beer定律而言准确度得到了大幅提高, 表明研究散射效应对提高太赫兹定量分析的准确度具有重要作用。

利用扫描电镜—能谱仪分析不同温度产生的生物质炭的化学与结构特性。 结果表明: 随温度升高, 芒草碳的平均碳含量和最大碳含量均呈现增加趋势, 平均碳含量和最大碳含量与最高处理温度之间为显著正相关关系(r值为0.76和0.86)。 平均碳含量和最大碳含量与高温灼烧法测定的碳含量之间为显著正相关关系(r值为0.83和0.91), 最大碳含量的相关性好于平均碳含量。 因此, 应用该方法获得芒草炭的碳含量与温度相关性好, 最大碳含量可以用于生物炭组分分析; 电镜扫描结果可以有效分析芒草炭的结构特性。 基于该方法快速、 简便、 稳定以及可对生物质炭的结构和组分同时分析的优点, 它是一种极具发展前途的分析方法, 有助于生物质炭等其他材料的结构特性与组分研究。

利用可调谐脉冲激光器激发联合聚焦超声探测器前向探测模式搭建了一套血糖光声无损检测实验装置。 为了测试该装置的可靠性, 实验中利用532 nm泵浦Nd∶YAG调Q脉冲激光器激发不同浓度的葡萄糖水溶液产生实时光声信号; 采用脉冲激光在近红外波段1 300～2 300 nm内固定间隔波长10 nm扫描方式激发不同浓度的葡萄糖水溶液, 获取了不同波长下的葡萄糖光声峰峰值, 利用差谱方法筛选出了多个葡萄糖的特性波长; 然后采用主成分回归算法优选了三个特性波长, 并建立了浓度梯度与对应三个优选波长光声峰峰值之间的数学校正模型。 实验表明, 葡萄糖水溶液的光声信号符合弱吸收介质的柱状光声源模型; 利用建立的校正模型对校正集和预测集的葡萄糖浓度预测结果表明, 葡萄糖浓度的校正和预测均方根误差均小于10 mg·dl-1, 相似系数为0.993 6。

蒙脱土(MMT)作为一种天然矿物质, 在树脂胶粘剂的增强改性方面应用前景广阔。 为了探明蒙脱土增强作用机理, 本文采用有机蒙脱土改性脲醛树脂, 利用傅里叶红外光谱仪(FTIR)和X射线衍射仪(XRD)分析蒙脱土和改性树脂的化学和晶体结构; 并制造木质复合材料, 采用纳米压痕技术(NI)比较研究复合材料界面区域树脂的纳米力学性能, 测定复合材料的宏观胶合强度。 FTIR和XRD分析表明, 经十六烷基三甲基溴化铵分析纯(CTAB)改性后的蒙脱土在2　929和2　855 cm-1附近出现新的吸收峰, 蒙脱土原土中的金属阳离子和有机阳离子实现有效交换, 其(001)面强衍射峰向小角度移动, 蒙脱土原土纳米片层的间距从1.51 nm增加至2.71 nm, 有助于蒙脱土均匀分散于树脂体系中, 并与体系中聚合物分子基团发生化学反应。 蒙脱土片层的物理填充、 化学反应形成的弹性体结构使得胶粘剂在加载过程中可以有效地分散应力, 从而有利于提高脲醛树脂的力学性能, 有机蒙脱土改性脲醛树脂的微观弹性模量和硬度分别增加了66.9%和24.2%。 改性后树脂的耐水性能得到明显改善, 木质复合材料的湿胶合强度增加了约97%。

基于近红外光漫反射谱技术的检测分析具有简单, 快捷, 安全等优势而被广泛应用于各行各业。 应用近红外光谱分析技术实现不同煤种的快速分类, 该方法可以替代费时费力费财的传统化学分析方法。 同时首次将置信学习机(confidence machine)引入近红外分析中, 实现了对分析结果的风险评估。 采集了来自不同矿区共四种不同煤种(肥煤, 焦煤, 瘦煤和贫瘦煤)的199个煤样本的近红外光谱, 通过机器学习的方法针对煤的近红外光谱构建了煤种分类器来实现煤种的快速分类。 在近红外分析中引入了置信学习机的分析方式, 结合支持向量机(SVM), 构建了离线和在线的CM-SVM分类器。 置信学习机是一种概率方法, 使用概率(CM-SVM)来取代分类超平面(SVM)进行分类, 不仅分类效果好于传统的SVM, 达到了95.48%的分类率, 还能同时给出每个样本分类结果的置信度, 可靠度等风险信息。 另外, CM-SVM通过对置信水平的设定, 得到不同置信度下预测区间, 该区间的预测正确率是与置信水平严格对应的, 对于产品质量控制有非常重要的意义。 置信学习机同时是一种在线的学习模型, 新样本的不断加入会提高模型的性能, 非常适合于工业现场的在线分析。 在线的CM-SVM模型随着样本数的增加, 预测结果的置信度有所提高, 对工业现场近红外分析有重要意义。

根据前期在相变储湿复合材料制备方面取得的成果, 以SiO2为载体材料、 癸酸-棕榈酸为相变材料, 采用溶胶-凝胶法制备癸酸-棕榈酸/SiO2相变储湿复合材料。 采用傅里叶红外光谱仪对癸酸-棕榈酸/SiO2相变储湿复合材料制备过程各阶段的合成物质进行测试, 即相变材料制备阶段、 SiO2载体材料制备阶段和癸酸-棕榈酸/SiO2相变储湿复合材料制备阶段。 研究SiO2基相变储湿复合材料制备过程中SiO2网络结构形成机理、 癸酸-棕榈酸嵌入方式、 癸酸-棕榈酸与SiO2嵌合机理, 阐明溶胶-凝胶法制备癸酸-棕榈酸/SiO2相变储湿复合材料的相关机理。 同时采用X射线衍射仪和扫描电子显微镜对癸酸-棕榈酸/SiO2相变储湿复合材料的物质组成和微观形貌进行测试, 以佐证癸酸-棕榈酸/SiO2相变储湿复合材料的制备机理。 结果表明: 通过Si—O—Si基团断裂与重组形成大量闭合孔或笼有效地将癸酸-棕榈酸包覆, 从而制备形成癸酸-棕榈酸/SiO2相变储湿复合材料; 在癸酸-棕榈酸/SiO2相变储湿复合材料制备过程中癸酸-棕榈酸与SiO2仅仅为物理嵌合, 未发生任何化学反应; 癸酸-棕榈酸/SiO2相变储湿复合材料中SiO2形成大量闭合孔或笼, 一部分用于包覆癸酸-棕榈酸, 发挥相变调温性能, 另一部分利用其网络空隙结构, 发挥储湿调湿性能, 从而达到同时调节室内温度和湿度的目的。

钾缺乏是制约棉花生长的重要因子之一, 而钠钾替代的研究一直是国内外关注的重点。 以不同钾效率基因型棉花(钾高效HG103和钾低效LG122)为材料, 利用傅里叶红外光谱(FTIR)对不同钾钠处理下棉花叶片的物质组成进行研究, 分析不同钾钠条件下, 叶片红外光谱图谱的差异, 探讨钠钾替代对其物质成分和结构的影响, 以及基因型的差异。 结果表明: (1)缺钾条件下施钠, 2　960, 2　855, 2　926, 1　103和1　078 cm-1这5个特征峰的相对吸光度均有所升高, 其中HG103在2　960, 2　855和2　926 cm-1处增加的量与LG122几乎一致, 而在1　103和1　078 cm-1附近, HG103增加的量高于LG122; 然而适钾的条件下施钠, 这5个特征峰的相对吸光度都有所减少, 且HG103减少的量都小于LG122, 表明缺钾时施钠促进糖类、 蛋白质和酯类的合成, 其中对糖类的促进作用是HG103的大于LG122的, 而对蛋白质和酯类的则没有差异; 适钾时施钠则有抑制作用, 对HG103的抑制作用小于LG122。 (2)缺钾时, 1　734和1　437 cm-1附近的特征峰缺失, 而补充钠后这些缺失的峰也未出现, 说明缺钾破坏了叶片中蛋白质酰胺Ⅰ带和纤维素的结构, 而缺钾补充钠并不能缓解这种破坏, 即对于钾的这些功能, 钠不能完全代替钾。

西瓜可溶性固形物含量的无损检测对提升其内部品质十分重要。 为实现近红外光谱对小型西瓜表面各部位可溶性固形物含量的准确预测, 减小检测部位差异对预测模型的影响, 　以“京秀”西瓜为研究对象, 分别采集赤道、 瓜脐和瓜梗三部位的漫透射光谱信息, 利用偏最小二乘算法(PLS)建立并比较单一检测部位和混合所有检测部位的西瓜可溶性固形物近红外光谱预测模型, 并分别采用连续投影算法(SPA)和竞争性自适应重加权算法(CARS)对西瓜可溶性固形物近红外光谱变量进行特征波长筛选。 结果显示, 相比于单一检测部位的模型, 混合所有检测部位的校正集样本建立的模型取得了较优的预测结果。 同时, 利用CARS算法筛选的42个特征波长变量建模, 对三种检测部位预测集样本的预测结果分别为赤道RP=0.892和RMSEP= 0.684 °Brix, 瓜脐RP=0.905和RMSEP= 0.629 °Brix, 瓜梗RP=0.899和RMSEP= 0.721 °Brix。 模型得到了很大的简化, 且预测精度较高。 比较发现, 利用SPA算法筛选的19个特征波长变量所建模型的预测精度较低。 利用三种检测部位的西瓜样本建立的PLS混合预测模型, 结合CARS算法进行有效特征波长变量筛选, 可提高西瓜可溶性固形物预测模型的精度, 实现西瓜表面各部位可溶性固形物含量的准确预测, 减小检测部位差异对近红外光谱预测模型的影响。 结果为今后开发便携式设备检测西瓜表面各部位可溶性固形含量提供参考依据。

人体内钠盐的含量影响血糖代谢且与糖尿病具有较高的相关性。 因此, 在进行血糖的近红外光谱无创检测时, 不仅要考虑血液中大颗粒及大分子物质对光谱的吸收和散射影响, 也应从分子结构层面上分析小分子物质对葡萄糖分子结构及其特征吸收的影响。 基于声光可调谐滤波器(AOTF)的高精度近红外光谱采集系统, 测量并研究了在水溶液环境下氯化钠(NaCl)对葡萄糖分子结构及其近红外特征吸收的影响。 首先, 测量含有不同NaCl含量的葡萄糖水溶液透射光谱, 分别采用纯水和同浓度 NaCl 样本进行背景修正, 实验表明, 在水溶液环境中 NaCl会改变水分子和葡萄糖分子特征吸收峰的位置和强度; 对不含NaCl和含有NaCl的糖水样本分别扣除纯水和同浓度NaCl样本后进行二维相关光谱分析, 同步谱的切线谱显示NaCl减弱了葡萄糖分子在1　400和1　520～1　700 nm处的特征吸收。 最后, 通过偏最小二乘回归模型定量分析NaCl对葡萄糖预测精度的影响, 发现模型的预测均方根误差随NaCl含量的增加而增大, 并且含NaCl的样本与不含NaCl的样本对葡萄糖浓度预测值之差的平均值与加入的NaCl含量近似为线性关系。 结果表明, 在水溶液环境下NaCl分子会改变葡萄糖分子键状态并影响其特征吸收, 从而降低模型的预测精度。 若将NaCl含量作为变量因子, 有助于提升血糖的近红外光谱无创检测精度。

土壤有机质是农田肥力评估的重要指标, 要实现快速获取大面积土壤有机质的含量需要建立高效、 稳健的预测模型。 光谱技术能够快速诊断土壤有机质, 以水稻土为例, 从校正样本选择方法的对比, 研究了可见-近红外、 中红外和可见-近红外-中红外三种不同波段光谱对土壤有机质的预测能力。 可见-近红外和中红外区域的光谱反射率转换成吸收率后通过Savitzky-Golay平滑法去噪, 通过三种校正样本选择方法建立相应的偏最小二乘回归预测模型。 通过Rank-KS法建立的三种波段的有机质预测模型均优于Rank法和KS法, 中红外波段光谱的模型预测能力强于可见-近红外和可见-近红外-中红外波段的预测模型, 基于Rank-KS法建立的中红外波段有机质预测模型取得了最好的预测效果, RMSEP仅为3.25 g·kg-1, RPD达到4.24, 依据VIP得分筛选出可见-近红外和中红外波段的水稻土有机质重要建模波段。 因此, 中红外光谱建模技术能够对水稻土有机质进行快速定量分析, Rank-KS法可提高模型的预测能力, 为今后农田肥力评价和科学施肥提供技术支持。

不同植物源的蜂胶物质组成不同, 其生理和药理活性也存在着一定的差异。 目前主要是根据蜂胶中物质组成及其含量的不同来鉴别蜂胶植物源, 存在着一些局限性。 因此, 建立一种快速、 准确鉴别蜂胶植物源的方法具有重要的意义。 以三种不同植物源的蜂胶(杨树型蜂胶、 桦树型蜂胶和橡树型蜂胶)为研究对象, 利用傅里叶变换近红外光谱仪对蜂胶的无水乙醇溶液进行光谱扫描, 采用主成分分析结合马氏距离判别法和典型判别分析分别建立蜂胶品种的判别模型并对其性能进行检验。 结果表明: 在经过光谱预处理和主成分分析后, 得到最佳的光谱建模波段为4　500～12　000　cm-1,最佳的光谱预处理方法为一阶导数+Savitzky-Golay(7)平滑; 主成分分析结合马氏距离判别法建立的判别模型校正集和检验集的判别准确率分别为93.62%和82.61%; 典型判别分析建立的判别模型的判别准确率为91.4%, 交叉检验的判别准确率为88.6%。 由此可知, 主成分分析结合马氏距离判别法与典型判别分析对蜂胶样品的分类效果均较好。 近红外光谱技术结合化学计量学方法应用于蜂胶植物源的快速、 准确鉴别具有一定的可行性和实用性。

生菜的储藏时间是影响生菜新鲜程度的重要因素。 为了快速、 无损和有效地鉴别生菜的储藏时间, 以欧式距离的p次方代替模糊K调和均值聚类(FKHM)中欧式距离的平方提出了一种广义模糊K调和均值聚类(GFKHM)算法并将该算法应用于鉴别生菜的储藏时间。 以60个新鲜生菜样本为研究对象, 采用Antaris Ⅱ近红外光谱分析仪每隔12 h检测生菜的近红外漫反射光谱, 共检测三次, 光谱扫描的波数范围为10 000~4 000 cm-1。 首先用主成分分析(PCA)对1 557维的生菜近红外光谱进行降维处理以减少冗余信息, 取前20个主成分, 经过PCA处理后得到20维的数据。 然后用线性判别分析(LDA)提取光谱数据的鉴别信息以提高聚类的准确率, 取鉴别向量数为2, 则LDA将20维的数据转换为2维数据。 最后以模糊C-均值聚类(FCM)的类中心作为FKHM和GFKHM的初始聚类中心, 分别运行FKHM和GFKHM计算模糊隶属度以实现生菜储藏时间的鉴别。 结果表明, GFKHM的鉴别准确率能达到92.5%, FKHM的鉴别准确率为90.0%, GFKHM具有比FKHM更高的鉴别准确率。 GFKHM的聚类中心比FKHM更逼近真实类中心。 GFKHM的收敛速度明显快于FKHM。 采用近红外光谱技术同时结合GFKHM, PCA和LDA为快速和无损地鉴别生菜储藏时间提供了一种新的方法。

采用傅里叶变换红外光谱结合主成分分析和聚类分析建立快速鉴别不同产地绒柄牛肝菌的方法。 采集15个产地绒柄牛肝菌样品的红外光谱信息, 用多元散射校正(multiplicative signal correction, MSC)、 二阶求导(Second derivative, SD)、 Norris平滑的组合方法对原始光谱进行优化处理, MSC+SD+ND(15, 5)预处理后的光谱数据进行主成分分析和聚类分析, 并通过主成分载荷图分析不同产地绒柄牛肝菌样品差异的原因。 结果显示, 该方法的重现性, 精密度及稳定性的RSD值分别为0.17%, 0.08%, 0.27%, 表明方法稳定、 可靠。 主成分分析的前3个主成分累积贡献率达到87.24%, 能表达红外光谱的主要信息, 主成分得分散点图中同一产地样品成簇聚集, 不同产地样品分布于相对独立的空间, 能有效区分不同产地样品。 主成分载荷图显示, 随主成分贡献率降低, 主成分所捕获的样品信息减少, 其中PC1在3 571, 2 958, 1 625, 1 456, 1 405, 1 340, 1 191, 1 143, 1 084, 935, 840, 727 cm-1波数捕获大量样品信息, 归属为糖类、 蛋白质、 氨基酸、 脂肪、 纤维素等化学物质的吸收峰, 表明这些化学物质含量的差异是区分不同产地绒柄牛肝菌样品的主要依据。 基于离差平方和法(Ward method)及欧氏距离(Euclidean distance)进行聚类分析, 能直观显示不同产地样品的分类情况及样品之间的相关性, 15个产地样品基本能够按照产地来源正确聚类, 正确率为93.33%。 傅里叶变换红外光谱结合主成分分析和聚类分析, 可以有效鉴别绒柄牛肝菌产地来源, 并且能够分析不同产地样品具有差异的原因, 为野生食用菌的鉴别分类和应用研究提供可靠依据。

以双氧水为氧化剂, 采用二步法合成出了一硫化四异丁基秋兰姆 (TiBTM), 通过FTIR, XRD, TG-DSC对其进行检测和表征, FTIR揭示了TiBTM分子内部的各元素之间的化学键键型, XRD从晶胞参数、 晶面指数等晶体学数据, 反映了TiBTM晶体微观结构, TG-DSC检测出了TiBTM的质量变化与热效应两种信息, TiBTM的相变和分解温度分别为75.1和287.0 ℃, 样品纯度很高, 没有发现其他杂质, TiBTM的分解温度偏高, 为采用硫化仪研究TiBTM的橡胶硫化性能, 揭示TiBTM多种功能性提供依据。 本研究为企业采取清洁生产工艺制备TiBTM, 提供了最佳工艺条件和参数, 选定工作标准品, 对TiBTM工业化生产进行跟踪检测, 评判TiBTM的产品性能指标, 提供基础实验数据。

纤维素是木质纤维生物质细胞壁的骨架物质, 也是生物燃料制备过程中重要的前驱体。 作为重要的天然有机高分子, 纤维素分子结构的研究备受关注。 拉曼光谱仪因其较高的分辨率及无损检测的特点可在多尺度研究天然纤维素复杂分子链及聚集态结构。 本文在比较了色散型拉曼光谱仪和傅里叶变换拉曼光谱仪的构造及相关参数的基础上, 详细综述了拉曼光谱技术在植物细胞壁纤维素微区分布、 天然纤维素酶解发酵、 分子链空间取向、 分子形变、 结晶度与多晶态转变等方面的研究进展。 并对拉曼光谱技术在天然纤维素分子结构研究中存在的问题进行了总结, 提出了可能的解决方案, 以促进拉曼光谱技术在天然有机高分子研究领域的应用。

表面增强拉曼散射(SERS)是一种超灵敏、 高选择性的分析方法, 越来越受到人们的关注。 对巯基苯胺(PATP)由于其易吸附在大多数SERS基底表面, 并可以产生极强的SERS信号, 因此常被用作SERS的探针分子。 二氧化钛(TiO2)是一种目前常用的光催化剂, 但是其催化效率仍有待提高。 将贵金属与TiO2复合是提高其催化效率的有效手段。 本文采用电化学阳极氧化法制备了二氧化钛纳米管(TiO2 NTs), 并采用光化学还原方法在表面沉积了贵金属银, 制备了一种同时具有SERS和催化性能的双功能基底, 即银纳米粒子修饰的二氧化钛纳米管(Ag/TiO2 NTs), 研究了PATP分子在该基底上的光催化过程, 并与在银镜基底上的光催化过程进行了比较。 我们发现, Ag/TiO2 NTs基底上的PATP在催化过程中峰强度逐渐减弱, 但没有新峰的出现; 而在银镜基底上PATP的峰强度随光照时间却几乎没有变化, 证明了PATP分子在Ag/TiO2 NTs上的光催化降解过程。 本文还对Ag/TiO2 NTs上PATP的催化过程进行了动力学分析, 结果表明PATP在该基底表面的催化反应为一级反应。

光栅耦合结构的半导体激光器在自由空间光通信、 卫星间通信、 激光雷达测距、 大气环境检测以及医学成像等领域有着广泛的应用前景。 为了分析光栅耦合结构的半导体激光器的可靠性, 本文基于拉曼光谱技术, 对光栅耦合结构的半导体激光器在不同的制备阶段及其成品进行了检测。 我们发现, 对于未进行任何工艺加工的半导体激光器芯片, GaAs纵向(LO)光学光子模式的振动强而横向(TO)光学光子模式的振动弱; 当在GaAs芯片表面生长一层SiO2膜后, LO模式向长波数方向移动, 强度没有变化。 当在生长SiO2膜的GaAs芯片上刻蚀100 μm的台面后, GaAs的LO模式的振动减弱而TO模式的振动加强, 且峰出现宽化现象; 在100 μm的台面上刻蚀光栅后, GaAs的LO模式的振动继续减弱而TO模式的变得更强, 这说明在光栅耦合激光器的制备工艺过程中引入了缺陷。 通过与无光栅的半导体激光器进行对比测试, 光栅耦合结构半导体激光器无论出光面上有无缺陷, 其拉曼光谱均有缺陷峰存在, 进一步证明了在光栅结构的制备过程中, 引入了应变或者缺陷, 对其可靠性产生了影响, 导致光栅耦合结构的半导体激光器可靠性降低。

利用液/液界面自组装技术制备得到灵敏度高、 均匀性好、 价格低廉的表面增强拉曼光谱(SERS)滤纸基底, 并使用该基底检测了饮料中可能掺杂的罗丹明B、 日落黄和柯衣定等三种色素。 首先分析了罗丹明B、 日落黄和柯衣定的分子结构并对其进行了拉曼特征峰峰位归属; 然后检测了罗丹明B、 日落黄和柯衣定不同浓度水溶液的SERS光谱; 最后在无任何预处理条件下, 检测了饮料中的罗丹明B、 日落黄和柯衣定含量。 在一定浓度范围内, 饮料中三种色素的浓度与其SERS特征峰强度分别满足一定的函数关系, 其中罗丹明B和日落黄的浓度与拉曼特征峰强度之间呈非线性关系, 而柯衣定的浓度与拉曼特征峰强度之间呈线性关系。 评估了本方法检测饮料中的罗丹明B、 日落黄、 柯衣定的信号重复性及检测回收率, 结果表明SERS方法可用来对饮料中罗丹明B、 日落黄、 柯衣定的浓度进行半定量分析。 为饮料中添加色素的现场实时检测提供了一种简便快速高效的检测方式, 可用于饮料的质量控制及市场监控。

在聚乙烯吡咯烷酮(PVP)存在下, 用多元醇还原硝酸银, Cu(NO3)2作为保护剂, 快速有效的合成大量银纳米线,并优化了反应条件,得到结构均一、 分散性较好的银纳米线。 以罗丹明B为探针分子检测了该银纳米基底的表面增强效应, 结果表明该基底对罗丹明 B 的表面增强效果明显,其表面增强因子可达6.4×105。 文中利用这种基底得到了右旋肉碱的表面增强拉曼光谱(SERS), 与其固体常规拉曼光谱(NRS)和10-3 mol·L-1水溶液的拉曼光谱对比, 并对各自的峰位进行了归属。 右旋肉碱固体在3　100～2800和1 700～200 cm-1处有明显拉曼振动峰, 在右旋肉碱的表面增强拉曼光谱中, 1700～200 cm-1处的峰得到了明显的增强。 经分析, 右旋肉碱分子与银纳米基底呈180°。 本文还用合成的纳米银基底得到了不同浓度右旋肉碱溶液的表面增强拉曼光谱, 其最低检测浓度为10-6 mol·L-1。 右旋肉碱是一种重要的心血管药物, 本文为其研究提供了较全面的拉曼光谱信息, 为右旋肉碱的快速、 特征、 痕量监测提供了有力依据, 也为进一步研究右旋肉碱的药理学提供了重要参考。

以表面增强激光拉曼光谱技术快速检测了豆制品中碱性嫩黄Ⅱ、 碱性橙Ⅱ和皂黄的含量, 并以高效液相色谱-串联质谱法进行了确证。 优化出最佳提取溶剂为甲醇-水(7+3)溶液, 样品前处理采用快速溶剂萃取仪(ASE)提取和凝胶渗透色谱(GPC)净化, 对ASE和GPC条件进行了优化, 提高了提取效率、 检测灵敏度、 减少提取溶剂用量并且有效去除了基质中大分子的干扰物。 对三种色素的表面增强拉曼谱中的特征峰进行了归属认证。 碱性嫩黄Ⅱ、 碱性橙Ⅱ和皂黄的定量特征峰分别为652, 995和983 cm-1; 方法检出限为3.0, 1.0和4.0 mg·kg-1。 三种色素定量特征峰与色素浓度呈良好的线性关系, 实验的回收率在83.48%～92.59%范围内, 相对标准偏差小于7.2%。 该方法新颖、 前处理、 设备操作简单、 分析速度快、 重现性好、 灵敏度高, 成功的对食品中色素进行了定性和定量测定, 为食品中色素的检测提供了可靠的参考。

针对蔬菜品质安全无损伤检测的实际市场需求, 结合叶菜表面农药残留等品质安全参数的不均一性, 以实验室自行搭建的拉曼光谱硬件系统为基础, 开发了叶菜气吸平整装置, 编写了基于LabVIEW开发平台的GUI应用程序。 该系统通过设定扫描步长等参数, 实现了整个菠菜样品的拉曼光谱自动点扫描检测, 包括对所有扫描点的拉曼信号进行自动采集、 显示和存储。 检测过程中, 系统软件实时监控相机、 二维平移台的运行状态。 同时, 针对菠菜原始光谱特性编写了基于有效峰线性拟合基线校准方法的拉曼光谱荧光剔除程序, 实现了对样品所有扫描点数据的自动基线校准及叠加平均处理。 菠菜样品的点扫描实验结果显示, 一次扫描不仅可以获得菠菜样品每一扫描点的叶绿素含量及毒死蜱农药残留等品质安全参数的分布情况, 而且还可以获得整个样品各参数的平均信息。 该点扫描拉曼系统有效提高了不均匀样品的品质安全参数的检测精度。

传统拉曼特征峰峰比法一般采用线性回归法建立乙醇浓度与峰峰比的线性关系从而反演乙醇浓度实现乙醇定量分析, 但仅在较低浓度范围适用。 针对这一问题, 采用自主研制的激光拉曼乙醇含量检测系统实验研究了不同浓度乙醇溶液拉曼光谱特征峰(非对称CH2伸缩振动2 924.0 cm-1)与本底水峰(3 350 cm-1)相对强度关系, 提出适用于大范围乙醇浓度测量的非线性回归分析方法。 利用邻域平均算法去除拉曼光谱突变噪声, 结合多点插值处理实现光谱基线校准。 基线校准及归一化处理后, 可有效消除突变噪声及强荧光背景的影响。 分别采用二次多项式和e指数数学模型对拉曼峰值强度比随乙醇浓度变化关系进行非线性回归并与线性回归分析进行对比。 结果表明, 线性拟合相关系数约为0.991, 线性回归模型乙醇浓度准确测量的适用范围为15%～60%; 非线性拟合相关系数高于0.997, 非线性回归模型乙醇浓度精确测量的适用范围为3%～97%。 非线性数学模型可为乙醇溶液浓度定量分析提供理论基础, 将该数学模型应用于乙醇含量检测系统, 可实时反演较为精确的乙醇浓度, 从而实现大浓度范围内具有荧光背景干扰的乙醇溶液快速、 实时、 准确的定量分析。

农药的广泛使用对环境产生了重要的影响, 西维因作为一种重要的广谱高效杀虫剂在很多地表水中残留, 了解和掌握西维因在环境中的光谱特性及检测方法具有重要意义。 研究了西维因的激发-发射三维荧光光谱特性, 通过改变甲醇-水二元混合溶剂中甲醇的体积比, 探讨了不同体积比的甲醇-水混合溶剂对西维因三维荧光光谱的影响。 研究结果表明, 西维因的特征荧光光谱峰为单峰, 西维因的激发波长和发射波长范围分别处于: 244~304和300~350 nm, 最大激发/发射峰位置分别位于280和335 nm。 随着甲醇-水二元混合溶剂中甲醇含量的增加, 西维因的三维荧光光谱未出现明显位移, 但是荧光光谱强度随甲醇含量的增加出现了非线性的变化, 这主要与二元混合溶剂自身独特的性质有关。

温室蔬菜病害的发生及大面积流行严重影响设施农业的生产管理, 大大降低设施农业的经济效益。 为了实现温室蔬菜病害的无损准确预测, 以黄瓜霜霉病害为例, 利用激光诱导叶绿素荧光构建光谱特征指数, 建立了温室蔬菜病害的预测模型。 在试验中采用对比分析的方法, 通过对作物健康叶片接种病菌孢子, 分别采集健康、 接种2　d、 接种6　d和出现明显病症共4组试验样本的光谱曲线, 定性分析了荧光强度随叶片样本感染病菌孢子的变化规律; 利用光谱曲线不同波段峰谷值创建了叶绿素荧光光谱指数k1=F685/F512和k2=F734/F512, 根据数值的变化范围, 设定k1和k2分别为20和10时可以作为判断样本出现明显病症与未出现明显病症的特征值, 其判断的准确率分别达到96%和94%; 利用构建的光谱指数与样本健康状况的分类结果, 选择光谱指数F685/F512, F685-F734, F715/F612可以定性判断样本健康状况, 并选择光谱指数F685/F512, F734/F512, F685-F734, F715/F612作为建立定量分析模型的输入量, 以预测集分类准确率作为评价标准, 对比判别分析、 BP神经网络、 支持向量机三种数据建模方法, 结果表明支持向量机作为霜霉病害预测的建模方法, 其预测能力达到91.38%。 利用激光诱导叶绿素荧光构建光谱指数方法, 研究植物病害的预测问题, 具有很好的分类和鉴别效果。

生活中, 日光中的紫外辐射是导致头发光老化/光损伤的重要环境因素。 长时间光照可使染发和天然发出现包括颜色褪变在内的退行性变化。 以中老年人的自然灰发为样本来源, 通过分离和人工漂染处理, 获得了包括自然发色、 漂白和染黑的六种头发类型, 经过UVA(320～400 nm)紫外光老化, 采用漫反射光谱、 三维荧光光谱和衰减全反射傅里叶变换红外光谱对头发纤维的老化特征进行无损分析, 结合头发中光产生过氧化氢的定量分析, 探讨了不同发色和漂染处理对头发耐光性的影响。 结果表明, UVA辐照可通过Ⅱ型电子转移机制诱导头发中的光敏基团产生过氧化氢, 导致纤维表面蛋白和色素分子的光氧化降解。 自然发色与漂染发在光老化中的颜色变化不同: 灰发和白发主要发生光黄化, 人工染发和漂白发分别发生光褪色和光漂白。 高湿度环境能加速头发的光降解。 化学漂染处理会使头发中的光致过氧化氢水平升高, 使纤维处于较高的氧化压力从而影响头发的光稳定性; 而头发中的黑色素分子, 包括天然黑色素和染发剂的人工黑色素, 可能具有自由基产生与清除双重性。 研究结果为建立中国人头发光损伤的光谱学评价方法和进一步研发针对国人发质的染护发产品提供了重要的实验基准数据。

三七［Panax notoginseng(Burkill) F. H. Chen］为我国传统名贵中药, 其质量受生长环境影响。 本研究采用紫外指纹图谱技术建立快速准确的定性方法, 研究不同产地三七之间的关系。 采集云南10个不同地区共50个三七样品的紫外光谱, 通过3组平均、 4点平滑和1阶求导对原始图谱进行优化处理; 考察样品超纯水、 95%乙醇和三氯甲烷提取液紫外光谱的吸收峰数目, 确定最佳提取溶剂; 比较三七紫外光谱特征, 探讨不同产地样品间的差异; 利用偏最小二乘判别分析(partial least square discrimination analysis, PLS-DA)对光谱数据进行处理, 研究不同产地三七样品之间的关系。 结果显示, 样品三氯甲烷提取液紫外光谱的吸收峰数目最多, 该方法的精密度、 重复性和在30 h内稳定性的变异系数RSD%分别在0.00～0.42, 0.00～0.54, 0.00～0.60之间。 不同产地三七样品的紫外光谱峰形相似, 吸光度值具有差异, 呈现一定指纹特性; 主要共有峰为194, 200, 204, 210和218 nm, 吸光度分布在0.00～4.00之间, 表明三七的主要成分组成与产地相关性低, 含量与产地存在相关性。 PLS-DA得分图直观显示了不同产地样品的分类情况及三七样品之间的关系, 图谱相似的样品聚在较近区域, 图谱有差异的样品区分较为明显, 10个产地样品被分为四类。 该方法能快速准确对不同产地三七样品进行定性分析, 阐明样品紫外指纹图谱与产地的关系, 为中药的资源鉴别提供理论参考。

基于可调谐激光吸收光谱技术, 主要采用数据处理的方法如互相关、 小波分析等降低光谱吸收技术的测量下限。 采用可调谐激光吸收光谱技术中的波长调制技术, 对较低浓度下的NH3进行了降低测量下限的试验研究。 采用近红外波段2.25 μm附近的一组ν2+ν3 NH3吸收谱线, 其强度远高于1.5 μm处谱线, 结合波长调制技术在最优信噪比的条件下对常温常压下不同浓度的NH3进行了测量。 为了保证实验条件下测量得到的二次谐波信号的峰值高度达到最大且信噪比最优, 实验在调制系数为2.2左右的情况下, 通过加载最优的高频调制信号来保证信噪比(SNR)。 在10 m长的Herriott池中探测到了浓度为0.6×10-6的二次谐波信号, 其中信号处理部分主要采用相关分析、 多次平均以及小波变换分析来控制中心波长的移动和降低噪音的干扰。 结果表明, 经过数据处理以后的谐波信号, 其检测下限降低到处理前的约百分之一, 且不需要增加任何实验设备就可以很好的抑制噪音的影响, 将相关分析和小波分析与波长调制技术相结合, 这种数据处理方法对于在线检测技术具有很好的实用价值。

采用二步法合成出O,O-二丁基二硫代磷酸锌(ZBPD), 通过UV-Vis, FTIR, TG-DSC对其进行检测和表征, 揭示出ZBPD的微观结构和内在规律性。 UV-Vis检测出了ZBPD在212.0和227.0 nm有二个吸收峰, 分别是n→σ*和π→π*电子跃迁产生的, 吸收峰强度随ZBPD浓度呈规律性变化, 为企业ZBPD产品质量检测, 提供了基础数据。 FTIR揭示了ZBPD分子内部的各元素之间的化学键键型。 TG-DSC检测出ZBPD的质量变化与热效应两种信息, ZBPD的DSC曲线很复杂, 84.3 ℃存在一个很宽的吸收峰, 245.0, 344.3, 476.1, 518.7 ℃存在四个放热峰, 和ZBPD分子结构和少量杂质有关, ZBPD分解温度偏高, 为采用硫化仪研究ZBPD的橡胶硫化性能提供参考。 本研究为企业选定工作标准品, 对ZBPD工业化生产进行跟踪检测, 评判ZBPD的产品性能指标, 填报立项ZBPD化工行业标准的申报, 撰写标准草案提供基础实验数据。

采用同步荧光光谱法测定了十二烷基苯磺酸钠(SDBS)在不同浓度的羟丙基-β-环糊精(HP-β-CD)水溶液中的临界胶束浓度(cmc)。 结果表明, 同步荧光光谱法在扫描的波长差Δλ为25 nm 时, HP-β-CD不仅具有增强SDBS荧光强度的作用, 同时还具有增加SDBS临界胶束浓度的特性。 SDBS在水溶液中的标准摩尔吉布斯函变ΔγGΘm随HP-β-CD浓度的增加而增大, 表明了在水溶液中, 相比于形成胶束, SDBS单体更容易与HP-β-CD形成包结物。 SDBS与HP-β-CD包结物的job’s曲线表明了在水溶液中SDBS与HP-β-CD按摩尔计量比1∶1进行包结。 按摩尔计量比1∶1加入HP-β-CD后, SDBS胶束对其检测光谱的干扰可显著降低, 该定量标准曲线适用于检测临盘采油厂T5-X15和T9-X4两种水样中SDBS的含量(包括浓度大于cmc时), 方法的回收率在100.5% ～101.2%之间。 红外光谱及核磁共振氢谱分析结果表明包结物结构中SDBS分子的苯环基团位于HP-β-CD分子的大口径端。

利用紫外-可见吸收光谱法及荧光光谱法研究了八元瓜环与三环碱性染料硫堇及常用杀菌剂多菌灵的超分子相互作用, 探讨了主客体相互作用的机制及光谱变化, 并对其分析检测性能进行了研究。 结果表明: 在0.01 mol·L-1的盐酸溶液中, 八元瓜环与硫堇形成了摩尔比为1∶2主客体复合物, 且八元瓜环能使硫堇的荧光发生猝灭; 在八元瓜环/硫堇体系中加入多菌灵后, 多菌灵能使体系的荧光增强, 从而形成了荧光的“开-关”效应, 其原因可能是由于八元瓜环与硫堇及多菌灵形成了主客体配合物而引起的。 此外, 测试了超分子体系的线性范围及检出限, 并对酸度、 共存物质对体系的影响进行了测试。 结果表明多菌灵的浓度在0～3.5 μmol·L-1范围内与体系荧光强度呈线性关系, 线性方程为If=0.45c+32.24, 相关系数为0.999, 检出限为9.39×10-8 mol·L-1。 选择了常见离子及结构类似的苯并咪唑类杀菌剂对体系进行干扰测定, 结果表明在一定浓度时, 常见离子及结构类似的苯并咪唑类杀菌剂对多菌灵的检测不造成干扰。 该结果为超分子配合物在农药残留检测方面的应用提供理论依据。

土壤作为自然界的重要组成部分之一, 对生态系统的形成和人类的生存均起着绝对不可忽视的作用, 故对于土壤热红外偏振辐射特性的研究, 具有十分重要的现实意义。 而且, 关于土壤在2π空间内的偏振热辐射特性的研究, 国内外还未见报道。 研究结果表明: 随着探测角的改变, 土壤的偏振亮度温度在0°～80°范围内呈现非线性变化, 当探测角的变化范围为60°～80°时, 其偏振亮度温度随着探测角的增大而呈现明显的上升趋势; 不同方位角条件下, 土壤的偏振亮度温度会发生改变, 在0°～240°范围内, 随着方位角的增大而呈现上升趋势, 在240°～320°范围内, 呈现下降趋势; 波段和偏振角对于土壤的偏振亮度温度的变化均具有一定的影响, 而且二者的变化曲线的波动幅度都较为平缓; 不同土壤类型的偏振辐射亮度温度不同, 呈现草甸黑土>淋溶黑钙土>典型黑钙土>草甸风沙土的规律。 以上研究为热红外偏振遥感基础理论研究提供重要依据。

将小麦冠层光谱与小麦冠层图像或者侧面图像进行多信息融合, 对冬小麦地上鲜生物量进行预测, 提高了冬小麦地上鲜生物量无损检测精度, 试验获取苗期93个样本的冠层光谱和冠层图像, 中后期(拔节期、 抽穗期、 开花期、 灌浆期)200个样本的冠层光谱和侧面图像。 将光谱反射率作为光谱特征参数, 并通过图像处理提取小麦覆盖度作为图像特征参数, 建立苗期和中后期基于光谱特征参数和图像特征参数的地上生物量检测模型, 将冠层光谱反射率和小麦覆盖度作为多信息融合的输入, 利用多元回归分析(MRA)和偏最小二乘法(PLS)建立地上鲜生物量预测模型并进行验证。 结果表明, 在苗期和中后期, 将光谱信息和图像信息融合, 采用PLS所建立的预测模型与单独的图像模型和光谱模型相比精度最高。 苗期基于信息融合所建立的PLS模型验证集R2为0.881, 其RMSE为0.015　kg; 中后期基于信息融合所建立的PLS模型验证集R2为0.791, RMSE为0.059　kg。 由此可见, 相比单一的光谱模型和图像模型, 图像信息和光谱信息融合之后, 充分提高了光谱信息和图像信息的利用率, 使模型的精度得以提高。

在田间原位对烟叶成熟度进行判别, 能够有效减少由于对成熟度判断错误而导致的烟叶损失率升高、 质量下降的问题, 而传统的人眼结合叶龄的田间成熟度判别方法缺少客观性, 因此提出采用光谱特征参数结合支持向量机的方法对田间原位烟叶成熟度进行判别。 以专家评定并在田间原位进行测量的五个成熟度等级共351个烟叶反射光谱作为试验样品, 五个成熟度等级分别为M1, M2, M3, M4, M5。 通过对反射光谱的分析发现, 不同成熟度烟叶的光谱在可见光波段能够得到区分, 而在近红外波段区分不明显, 因此在可见光波段进行分析建模。 分别采用可见光范围内的连续光谱(350～780 nm)、 特征波段(496～719 nm)、 光谱特征参数(绿峰幅值、 绿峰位置、 红边幅值、 蓝边幅值、 红边面积、 蓝边面积、 红边位置、 蓝边位置)作为输入变量, 采用支持向量机方法(supportvector machine, SVM)建立烟叶成熟度判别模型。 结果表明, 应用可见光光谱特征参数作为输入变量所建立的模型的正确识别率达到98.85%, 而应用可见光连续谱、 可见光特征波段作为输入变量的正确识别率分别为90.80%和93.10%。 因此使用可见光光谱特征参数建立支持向量机的鲜烟叶成熟度判别模型对田间原位烟叶成熟度进行判别是可行的。

采用美国MSR-16便携式多光谱辐射仪, 通过推导的辐射仪有效观测面积公式, 计算出测试单元数量, 有效解决了测量区域可见光各波段光谱辐射配比关系M_D所需测量次数不确定的难题。 采用美国CID公司生产型号为CI-310便携式光合作用测定系统, 测量大豆植株群体净光合速率C_D。 通过［0, 1］归一化方法对M_D和C_D进行归一化处理, 分别得到归一化数据M_D1和C_D1。 按不同测试时间划分, 将M_D1分成两部分数据M_D11和M_D12, 将C_D1分成两部分数据C_D11和C_D12。 使用polynomial核函数、 gauss核函数、 sigmoid核函数和自主研发的bio-selfadaption核函数, 利用grid-search, Genetic Algorithm, Particle Swarm Optimization对支持向量机惩罚参数c和参数g寻优, 在支持向量机epsilon-SVR公式、 nu-SVR公式条件下, 通过四种核函数、 三种优化方法、 两种公式的交叉组合、 M_D11、 C_D11, 建立大豆植株群体净光合速率预测模型。 试验结果表明, 在大豆植株试验区域面积S=17 m2和MSR-16便携式多光谱辐射仪放置于大豆植株冠层上方高度H=2 m条件下, epsilon-SVR-bio-selfadaption-grid-search模型对预测集1 C_D12的预测精度达到85%以上, 对预测集2 C_D12的预测精度达到82%以上。 在S和H其他组合条件下, epsilon-SVR-bio-selfadaption-grid-search模型对预测集2 C_D12的预测精度达到81%以上。 epsilon-SVR-bio-selfadaption-grid-search模型表明了bio-selfadaption核函数有效性、 测量区域可见光光谱数据方法合理性、 利用可见光光谱预测大豆植株群体净光合速率可行性。

在拔节期分4次采集了6个施氮水平下的冬小麦冠层图像, 同步进行取样并以凯氏定氮法测定叶片含氮量, 进而计算叶片氮积累量。 利用随机森林算法分割冠层图像之后提取冠层覆盖度、 可见光波段(R, G和B)三个分量及其衍生的5个色彩指数。 以冠层覆盖度外加色彩指数、 色彩分量的两种非线性回归, 以及人工神经网络、 支持向量回归、 随机森林3种机器学习算法建立了冬小麦叶片氮积累量的估算模型。 结果表明利用色彩指数的非线性回归模型的估算精度稍低于其他方法, 而随机森林算法的拟合精度最高, 但存在明显的过拟合现象。 其他三种方法, 即以冠层覆盖度及色彩分量为输入变量的非线性回归、 支持向量回归和人工神经网络方法, 均具有较高的拟合精度和泛化性能。

以近红外高光谱成像技术, 结合化学计量学方法, 研究了转基因大豆的快速、 无损检测方法。 实验以3种不同非转基因亲本(HC6, JACK, TL1)及其转基因大豆作为研究对象。 采用高光谱成像系统采集874~1 734 nm波长范围的256个波段范围的高光谱图像, 提取大豆的光谱信息, 剔除明显噪声部分后, 采用Moving Average(MA)平滑预处理的941~1 646 nm范围光谱数据进行分析。 采用偏最小二乘判别分析算法(partial least squares-discriminant analysis, PLS-DA), 对3种非转基因亲本大豆建立模型进行判别分析, 其相应的建模集和预测集的判别正确率分别为97.50%和100%, 100%和100%, 96.25%和92.50%, 结果表明, 高光谱成像技术可用于非转基因大豆的识别。 对非转基因亲本及其转基因大豆进行判别分析, 基于全谱, 3种的建模集和预测集的判别正确率分别为99.17%和99.17%, 87.19%和81.25%, 99.17%和98.33%; 以x-loading weights提取非转基因亲本及其转基因大豆判别分析的特征波长并建立PLS-DA模型, 3种的建模集和预测集的判别正确率分别为72.50%和80%, 80.63%和79.38%, 85%和85%, 该结果表明非转基因亲本与转基因品种的判别分析是可行的, 特征波长的选择也可用于非转基因亲本与转基因品种的判别分析。 研究表明采用近红外高光谱成像技术对非转基因大豆、 非转基因亲本及其转基因大豆进行鉴别是可行的, 为转基因大豆的快速无损准确鉴别提供了一种新方法。

土壤组成较为复杂, 单纯利用土壤光谱信息探测土壤盐度, 反演精度不足以满足实际需求。 通过遥感获取的植被信息(植被类型和生长状况)可间接反映土壤盐分的空间分布特性, 弥补上述不足。 为此, 基于干旱区土壤盐度与植被之间的协同变化, 尝试结合土壤和植被光谱信息, 借助二维特征空间理论, 构建土壤盐度推理模型, 提高土壤盐度推理精度。 对于干旱区单个像元下土壤光谱的影响, 利用归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI) 难以准确反演干旱区稀疏植被参数。 因此, 首先利用线性混合像元分解模型(linear spectral unmixing model, LSUM)提取研究区地物组分, 构建植被组分指示因子(combined vegetation indicative factor, CVIF)方程, 并与土壤盐度指数(salinity index, SI)构建二维特征空间。 分析二维特征空间内散点走势与土壤盐分之间的关系, 建立土壤盐度推理模型(salinity inference model, SID)。 验证结果显示, CVIF提取的植被信息精度(R2>0.84, RMSE=3.92)高于应用较为广泛的NDVI(R2>0.66, RMSE=13.77)。 构建的SID模型与前人基于NDVI建立的联合光谱指数(combined spectral response index, CORSI)相比, 前者(R2>0.86, RMSE=6.86)推理精度优于后者(R2>0.71, RMSE=16.21)。 由此得出结论, 基于土壤和植被光谱信息双重判定的SID模型对土壤盐渍化的高精度遥感监测研究具有较好促进作用。

小麦白粉病和条锈病是小麦常发病害中为害较重的两种病害, 在我国小麦产区均有发生, 但它们由不同病原引起, 需要采取不同的防治措施。 因此, 快速、 准确的获取小麦病害类型信息对于病害的防治具有重要的指导意义。 遥感数据具有快速、 准确的获取空间上连续信息的特点, 提出一种基于实测冠层高光谱数据信息的小麦病害定量识别方法。 通过对标准化光谱进行连续小波变换, 分析350～1 300 nm范围内各波段及其连续小波特征与小麦白粉病和条锈病之间的相关性, 以及在不同病害间的差异性, 筛选出对不同病害敏感的光谱波段(SBs)和小波特征(WFs), 然后采用Fisher判别分析法分别基于SBs, WFs以及结合SBs和WFs建立小麦白粉病、 条锈病及正常小麦识别模型, 分别采用未参与建模的55个地面调查数据和留一法进行验证。 结果显示: (1)基于WFs模型的总体识别精度(分别为92.7%和90.4%)明显高于基于SBs模型的总体识别精度(分别为65.5%和61.5%); (2)SBs和WFs结合模型的总体识别精度(分别为94.6%和91.1%)略高于基于WFs模型的总体识别精度, 在Fisher80-55模型中白粉病和正常样本的生产者精度提高了10%以上。 (3)条锈病样本能在基于WFs和SBs & WFs的模型中准确判别出来, 用户精度和生产者精度均达到100%。 结果表明采用作物光谱信息能够准确的识别健康作物和不同类型的作物病害, 为采用遥感影像进行大范围作物病害识别提供了理论基础, 对于指导作物病害防治具有实际应用价值。

用新型杂化絮凝剂聚合氯化铝-聚二甲基二烯丙基氯化铵(PAC-PDMDAAC)处理分散紫和活性艳红两种染料废水。 杂化絮凝剂投药量为400和450 mg·L-1时, 分散紫和活性艳红的脱色率分别达到99%和86.8%, 优于聚合氯化铝(PAC)和复配型PAC-PDMDAAC。 杂化絮凝剂处理分散紫的最佳pH为7～12, 而处理活性艳红的最佳pH为7～9。 分别对两种染料及其杂化絮体进行傅里叶红外光谱扫描, 结果表明杂化絮凝剂与两种染料分子的某些基团有络合作用, 杂化絮体中羟基峰增大且宽化, 杂化絮凝剂对染料废水的脱色以吸附电中和为主。 对染料原水以及混凝后上清液进行紫外连续扫描, 两种上清液的吸光度都大大降低, 同时吸收曲线波峰偏移, 进一步说明电中和与吸附架桥的协同作用是脱色的主要机理。 同时, 杂化絮凝剂对分散紫的脱色是通过破坏醚键以及与—NH2反应, 而对活性艳红的脱色则是通过对—SO3的置换以及对Cl-的取代。 为该新型无机-有机高分子杂化絮凝剂混凝脱色效能及脱色机理研究提供新方法, 具有实际意义和应用价值。

采用一步法合成出了3-甲基-2-噻唑硫酮(MTT), 通过FTIR, XRD, TG-DSC对其进行检测和表征, 揭示了MTT的微观结构和内在规律性。 FTIR揭示了MTT分子内部的各元素之间的化学键键型, XRD从晶胞参数、 晶面指数等晶体学数据, 变换出MTT晶体微观结构, 完成了MTT物相组成和结构的定性鉴定。 TG-DSC检测出了MTT的质量变化与热效应两种信息, MTT的相变和分解温度分别为76.3和306.9 ℃, MTT的分解温度偏高, 为采用硫化仪研究MTT的橡胶硫化性能提供参考。 本研究为企业选定工作标准品, 对MTT工业化生产进行跟踪检测, 评判MTT的产品性能指标, 提供基础实验数据。

脉冲等离子体推力器(pulsed plasma thruster, PPT)具有体积小、 重量轻、 比冲高等优点, 特别适合作为执行微小卫星轨道转移、 阻力补偿和姿态控制等任务的推进系统。 为了深入理解PPT推力产生的机理, 本文对采用具有张角的舌型极板的尾部馈送式PPT等离子体羽流开展了时空分辨光谱诊断研究。 通过对光谱数据的分析发现: 等离子体羽流的主要成分为C, F, C+, F+, C2+, 还含有少量的由于极板烧蚀产生的Cu+和Cu2+; 等离子体在放电通道内的分布不均匀, 通道中心的等离子体浓度最大, 靠近阳极板的等离子浓度要明显大于靠近阴极板的等离子体浓度; 在不同位置处等离子体成分也具有较大差别, F+和中性粒子主要分布在靠近阳极侧的区域; 通过对各个分立谱线进行多普勒线性拟合, 得到了放电通道内等离子体温度信息; 以中轴线靠近工质的观测点为例, 对该点在整个放电过程中不同时刻的谱线进行分析, 得到了该点等离子体的具体演化过程, 发现在放电的不同阶段羽流成分及各组分所占比例差别较大。

大气感耦射流等离子体加工作为新型超光滑表面加工技术, 其高密度等离子体激发能力为充分激发反应气体, 提高材料去除率提供了有力条件。 利用发射光谱仪, 对加工过程中大气感耦射流等离子体激发的400~1 000 nm范围内的光谱进行了测量。 并利用峰值明显, 能级差较大的谱线计算电子温度。 由于测量的谱线强度是等离子体发射系数沿弧长方向的积分值, 且感耦射流等离子体具有回转对称性, 因此可利用阿贝尔变换求取光谱发射系数, 进而通过玻尔兹曼图谱法计算电子温度。 计算结果表明由于趋肤效应和旋流进气的双重作用, 处于加工区域的温度分布呈现出双峰形; 随着距离增大, 双峰效应逐渐减弱, 温度分布趋于平滑。 研究也表明随着加工距离的增大, 等离子体边缘逐渐偏离局部热力学平衡状态, 玻尔兹曼图谱法计算电子温度的适用性降低, 导致等离子体边缘的温度拟合优度值逐渐降低。 进一步对通入反应气体CF4后的等离子体光谱进行了研究, 通入反应气体后的等离子体呈现鲜亮的蓝绿色, 是由于激发反应气体后产生的位于400~650 nm范围的带状光谱所致, 分析表明谱图中的带状光谱为双原子分子C2谱带Swan Bands, 而该双原子分子是感耦氩等离子体对碳源CF4的充分激发产生。

在空气与氩气按比例混合组成的气体放电中, 研究了由中心点和六边形晕组成的六边形晕斑图。 从照片中观察六边形晕斑图结构, 发现中心点和六边形晕的亮度有明显的差异, 说明中心点和六边形晕可能处的等离子体状态不同。 利用发射光谱法, 详细研究了该六边形晕斑图结构的中心点和六边形晕的等离子体参数随压强的变化关系。 实验根据氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)谱线计算了中心点和六边形晕的分子振动温度; 通过氮分子离子(391.4 nm) 与氮分子(394.1nm)谱线强度比, 反映中心点和六边形晕的电子平均能量; 利用氩原子696.5 nm(2P2→1S5)谱线的展宽, 研究了电子密度。 实验结果表明: 六边形晕斑图主要范围是氩气含量从60%～75%、 压强从30～46　kPa。 在相同的压强条件下, 六边形晕比中心点的分子振动温度、 电子平均能量均要高。 随着压强从30　kPa逐渐升高到46　kPa, 中心点和六边形晕的分子振动温度、 电子平均能量是逐渐增大的。 在相同的压强条件下, 六边形晕比中心点的谱线展宽要大, 且随着压强的升高而增加, 表明电子密度随着压强的增大而升高。 六边形晕和中心点的等离子体的状态不同, 说明二者放电机制上的差异。 进一步采用高速照相机对斑图的电流脉冲进行分脉冲瞬时拍摄, 发现中心点是由先放电的体放电形成, 而六边形晕是由放电晚于体放电的沿面放电形成。

为了推进掺铒光纤抗辐射性能的研究, 全面掌握掺铒光纤性能在辐照条件下的变化规律。 基于色心模型对掺铒光纤的辐照作用机理进行了分析, 并据此对掺铒光纤在辐照中的性能变化趋势进行了预测推断。 然后根据掺铒光纤的工作原理和应用特性, 在伽马辐照条件下对两种不同型号(EDF-L-980和MP980)掺铒光纤的980 nm波段损耗谱、 1 530 nm波段损耗谱以及发射光谱的特性进行了在线实时监测, 并在辐照停止后进行了恢复测量。 研究表明, 在辐照中两种掺铒光纤的性能变化趋势一致。 在损耗谱方面, 980 nm波段和1 530 nm波段的损耗随辐照单调增加, 980 nm吸收峰与1 530 nm吸收峰处的损耗与辐照剂量呈近似线性关系; 在发射光谱方面, 发射光谱强度随辐照单调降低, 光谱能量向长波方向转移, 平均波长和光谱带宽大幅增加, 1 530 nm发射峰处的发光强度与辐照剂量也呈近似线性关系。 辐照停止后, 掺铒光纤体现出了一定的恢复能力, 但是各项参数的恢复均不到40%。 各项实验结果与理论模型和分析预测匹配良好, 证明了辐照对掺铒光纤性能影响理论解释的合理性。

作为温室气体的主要成分, CO2的排放控制有利于应对全球气候变暖以及生态环境变化, 对CO2的快速检测具有重要意义。 目前检测CO2的方法有滴定法, 电化学法, 气相色谱法, 红外吸收光谱法等, 但对应用于工业现场的在线监测还存在着不足。 激光诱导击穿光谱(LIBS)具有远程测量, 无需或仅需简单预处理, 多组分同步测量等优点, 本文提出将其应用于CO2在线监测, 期望发展适用于工业过程碳排放的在线监测技术。 利用质量流量控制器控制纯度为99.99%的CO2和N2配比形成不同CO2浓度的混合气体模拟烟气环境, 　经过混气瓶充分混合后送入密封样品池进行LIBS测量实验。 研究不同延迟时间下C247.86 nm和CN38.34 nm谱线的演化规律, 验证了等离子体形成过程中存在部分CO2分子解离反应生成CN分子, 在CO2定量分析时应考虑CN分子谱线的影响, 并获得同步测量C原子和分子谱线的最佳延迟时间为800　ns。 在此基础上, 由于等离子体演化过程中, 各种信息相互影响, 分析指标与多个测量参数存在关系, 综合考虑C原子、 CN碎片及修正高浓度影响下的自吸收效应, 采用多元回归分析方法建立了CO2定量分析曲线, 其拟合度R2和斜率分别达到了0.978和0.981, 结果表明相比单个指标直接定标, 该方法提高了定量分析模型的可靠性, 验证了LIBS技术快速测量CO2的可行性。

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术结合支持向量机(SVM)定量分析土壤中Cr元素的含量。 利用波长为1 064 nm的Nd∶YAG脉冲激光器作为激发光源, 采用光栅光谱仪和CCD分光探测不同重金属元素含量土壤样品的LIBS特征光谱。 为了提高土壤中Cr元素定量分析的精度, 分别采用多元线性回归分析和SVM两种方法对土壤中Cr元素的含量进行定量分析。 研究结果表明, 采用多元线性回归分析方法可以有效提高定量分析的精度, 定标曲线拟合相关系数从传统定量分析方法的0.689提高到0.980; SVM定量分析方法训练集得到的定标曲线斜率近似为1, 拟合相关系数为0.998, 优于传统定量分析方法和多元线性回归分析方法, 对检验集的预测相对误差均在2.57%以内。 LIBS技术结合多元线性回归和SVM定量分析方法可以有效的提高土壤中Cr元素定量分析的稳定性和精度, 校正土壤基体效应对Cr元素定量分析的影响。

密度是竹材材性的重要指标之一, 与竹材诸多物理力学性质紧密相关, 且测定结果因含水率状态不同而不同。 基于X射线计算机断层扫描(X-CT)技术, 比较了不同竹龄毛竹全干、 气干、 饱水状态下CT值的差异程度, 除4年生和10年生毛竹CT值差异较大以外, 其余竹龄CT值差异较小; 分别在全干、 气干、 饱水状态下对所测定的CT值与相应状态下毛竹的密度进行拟合建模, 同时还对不同含水率梯度状态下的CT值与密度进行拟合建模, 进而系统分析了不同竹龄毛竹在单一含水率状态下和不同含水率梯度状态下CT值与密度之间的关系; 对不同竹龄毛竹全干状态下相对竹青径向位置的CT值进行了拟合, 依据CT值与密度之间的关系, 解释说明了毛竹径向密度因竹龄不同所产生差异的原因。 试验结果表明, 毛竹全干、 气干、 饱水密度与相应的CT值之间均存在线性关系, 且拟合斜率相近; 在所选含水率梯度状态下毛竹密度与CT值之间存在线性关系, 且密度与CT值关系受水分影响较小, 回归方程为: D=0.001H+1.003　2, R2=0.968 3(D为密度, H为CT值), 验证模型决定系数R2=0.974　3; 不同竹龄毛竹全干状态下竹青、 竹黄处密度差异较小, 而在竹肉处差异较大。 这些结果为实现快速检测毛竹在不同含水率状态下的密度提供了技术支持和数据参考, 同时X射线计算机断层扫描(X-CT)技术也为深入研究竹材材性和构造提供了一种切实可行的新途径。

X射线荧光光谱仪在地质样品测定上的应用还不是很广泛, 而将X射线荧光光谱法应用到沉积相的研究中则更少。 将X射线荧光光谱法(XRF)应用到川中地区上三叠统须家河组二段沉积环境及古气候的识别中, 针对四川盆地上三叠统须家河组二段沉积相及沉积环境有争议的问题, 特别是须二段地层属于陆相沉积还是海相沉积的问题, 采集了四川盆地内四个有代表性地区的须家河组样品, 采用X 射线荧光光谱法分析须家河组各段沉积物的元素含量及变化特征, 并根据不同相带及沉积环境的元素含量标志, 定量分析须家河组沉积相带与沉积环境。 研究结果表明: 须家河组二段的Sr/Ba值、 Mn/Fe 值和Sr/Ca值均落在陆相沉积的范围内, 且与须家河组三-四段的元素含量特征无明显差异, Sr/Cu元素比分析结果表明须家河组沉积时期为温暖—湿润的古气候环境, 结果证明四川盆地上三叠统须家河组二段属于温湿气候下的陆相沉积, 且与须家河组三-四段沉积环境相类似。 X射线荧光光谱法与常规化学分析法实验结果相对误差小于3%, 该方法简单易行, 为沉积相及沉积环境的识别提供了一种简单、 可行且能够定量分析的研究方法。 为解决有争议地层沉积相的问题提供了一种较可行的新方法, 推动了X射线荧光光谱分析法在地质上的应用。

利用1991年—2013年国家紫色土肥力与肥料效益监测站长期定位试验的土壤样品, 采用X射线衍射(XRD)光谱分析技术, 研究了22年长期钾素投入亏缺和盈余处理中性紫色土壤钾素含量及含钾类矿物的演变特征。 XRD图谱分析发现, 长期钾素亏缺处理导致土壤云母、 钾长石等含钾类原生矿物加速风化, 表现为连续施肥22年<连续施肥12年<原始土壤, 同时促进了蒙脱石的形成; 长期钾素盈余处理土壤云母、 钾长石等原生矿物风化程度虽得到有效缓解, 但较原始土壤相比仍有明显风化。 土壤含钾类粘土矿物的演变与原生矿物变化相似, 长期钾素亏缺导致土壤粘粒中伊利石发生了明显崩解, 且随着施肥年限的增加, 粘粒中伊利石的含量随之减少, 长期钾素盈余处理明显缓解了伊利石的风化进程; 但是无论是钾素亏缺或盈余处理都出现土壤中伊利石的风化崩解, 同时伴随蒙脱石等膨胀型矿物的形成, 现有的钾素盈余水平也不能阻止土壤含钾类矿物的风化崩解。 另外, 长期钾素亏缺导致土壤中速效钾和缓效钾含量逐年降低, 22年分别降低62.0%和37.4%; 而钾素盈余处理提高了土壤速效钾含量, 但缓效钾呈现下降趋势; 土壤伊利石的风化程度和土壤缓效钾的演变趋势相吻合。 表明中性紫色土壤中伊利石是土壤缓效钾的主要来源, 长期钾素亏缺会造成土壤钾素枯竭和含钾类矿物的加速风化崩解, 降低土壤供钾能力。

由于偏振特性是材料自身所决定的物理特性, 其偏振图像含有丰富的目标信息, 利用偏振信息对目标进行识别一直是国内外目标探测领域的研究热点, 而主动偏振成像较之被动偏振成像更具有信噪比高以及可控性好等优势。 在详细分析了偏振菲涅尔反射比分布的理论基础上, 提出了一种利用探测物体表面的偏振菲涅尔反射比的主动偏振成像方法。 该方法在发射端将偏振方向正交的两种偏振态的光源交替照射到目标场景中, 在探测端用分别装有两个偏振方向垂直的偏振片的CCD采集偏振图像。 同时, 将探测端架构在不同的探测方向采集目标经主动光源照射后的偏振数据, 最后将这些数据传输到计算中心, 通过最优化拟合技术反演出不同目标的光学常数, 由于不同目标的表面材质不同, 其反映出的光学常数就不同, 从而达到辨识不同材质目标的目的。 实验分别采用了仿真数据和实测数据来验证该方法的有效性。 仿真实验显示, 所提出的方法利用材料的光学常数对不同材料进行区分不仅是科学的而且更方便有效。 实测数据进一步验证了该方法能够较好的恢复出目标的相关光学常数, 尤其在区分金属和非金属材料方面表现突出, 并且探测方法结构简单实用, 在目标探测、 伪装识别等领域中有较大应用前景。

针对光谱仪在测量窄带宽光源的光谱分布时出现的光谱变形现象, 提出了一种带宽修正方法—七点修正方法。 首先, 利用泰勒级数和相关的导数公式, 得到了七点修正公式的数学解析式; 其次, 用光谱线型为正弦函数的模拟光谱对七点修正法进行验证, 采用正弦函数来模拟真实光谱, 通过光谱仪的带宽函数计算出测量值, 然后应用七点修正公式, 对测量值进行修正; 最后利用中心波长为365 nm的LED光源对七点修正法进行了实验验证, 用双光栅单色仪来测量LED光源的光谱辐射照度, 光谱仪带宽分别选为5与0.5 nm, 将七点修正公式应用于测量值, 得到修正值。 模拟结果表明: 在选定的模拟条件下, 修正后得到的中心波长处的峰值可以达到真实值的99%以上; 实验结果表明: 修正后中心波长处的峰值可以达到真实值的95%以上。 由模拟结果和实验结果可知, 七点修正法与三点修正法和五点修正法相比, 修正效果有明显提升, 这种带宽修正方法可以广泛应用在光谱测量领域。

中阶梯光栅光谱仪凭借交叉色散特性实现全谱瞬态直读, 面阵探测器接收的二维光谱图像需要还原成一维谱图以提取有效波长。 由于二维谱图含有庞大的数据, 且有效信息仅占极小比例, 因此在谱图还原前进行背景去除能够减小数据量、 提高运算速度。 详细分析了中阶梯光栅光谱仪二维图像的特点, 并针对其特点提出了背景去除算法。 将图像边缘检测方法应用于弥散光斑的检测中, 选择合适的边缘检测算子与原始图像卷积得到边缘图像, 设置边缘图像的全局阈值对其进行二值分割, 最终利用二值边缘图像映射原始图像得到去除背景的二维谱图。 依据不同元素灯在不同积分时间下所拍摄的谱图, 对比不同边缘检测算法的背景去除效果, 分析了各算子对算法速度、 精度的影响。 实验结果表明本文提出的算法运算简单、 边缘图像阈值易于计算、 目标提取精度高, 处理后的图像可以与谱图还原算法有效对接, 谱图处理速度显著提升。

为了标定扫描式棱镜太阳光谱仪的棱镜不同转动角度对应的中心波长和光谱带宽, 利用了一种棱镜扫描方法对太阳光谱仪的光谱响应函数进行测量。 该方法使用固定的单色光波长, 控制棱镜转动实现单色光的像在探测器位置扫描, 并通过坐标映射得到响应位置的光谱响应函数。 文中根据光谱响应函数的定义, 推导出棱镜扫描法与单色仪波长扫描方法波长定标原理上的等效性。 之后分别以532 nm固体激光器和632.8 nm氦氖激光器为光源, 使用棱镜扫描法测量太阳光谱仪对应波长位置的光谱响应函数, 并以单色仪波长扫描法实验作为对比。 实验结果表明, 对于扫描式棱镜太阳光谱仪, 棱镜扫描法测量的中心波长分别为531.86和632.67 nm, 其准确度优于单色仪波长扫描法测得的531.39和631.97 nm。 由于不受单色仪性能的限制, 前者测量的光谱带宽值也优于后者。 最后以汞灯为光源使用棱镜扫描法对太阳光谱仪进行了光谱定标实验, 实现了特征光谱定标法结合棱镜扫描法对中心波长及光谱带宽的标定。 该方法同样可以应用于扫描式光栅光谱仪以及单色仪的光谱定标。

介绍了自行研发的便携式DOAS系统, 该系统基于差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy, DOAS), 并结合了光纤光谱仪和多次反射池技术。 通过采用SO2标准气体和NO2标准气体对系统的精确度及稳定性进行测试, 利用该系统对铜陵市某工业园区的SO2, NO2和苯等污染成分开展了走航观测实验。 结果表明, 在整个测量期间, 以上污染气体在近污染厂区显示了较高的浓度值, SO2的最高浓度为5 023.2 μg·m-3, NO2为2 195.2 μg·m-3, 苯为162.5 μg·m-3。 在吸收光程为12.6 m时, 系统对SO2, NO2和苯的最低检测限分别为67.0, 169.9和30.6 μg·m-3。 该便携式DOAS系统可为工业园区气体泄漏、 无组织排放等气态污染物的应急性及监督性监测和评估提供便捷、 有效的技术手段。

Landsat系列卫星的热红外数据一直是获取地球表面温度的重要数据源, 而新一代Landsat 8卫星的TIRS热红外传感器数据进一步延续了这一重要使命。 但该卫星发射以来, 其热红外传感器的定标参数不断发生变化, 致使美国地质调查局(USGS)不得不在2014年2月对所有已获取的Landsat 8卫星数据进行重新处理。 为了考察新处理数据的定标准确性, 利用定标精度很高的Landsat 7 ETM+的3幅热红外影像来对同日过空的Landsat 8 TIRS热红外影像进行对比, 以查明TIRS热红外数据的定标准确性。 结果表明, 尽管Landsat 8 TIRS与Landsat 7 ETM+的热红外光谱数据很接近, 但是, 二者之间也存在着差别。 与ETM+6波段反演的大气顶部温度相比, TIRS 10波段表现为高估, 幅度最大为1.37 K, 而TIRS 11波段则表现为低估, 幅度可达-3 K。 可见, Landsat 8 TIRS热红外光谱数据的定标参数精度仍不稳定, 且以TIRS 11波段表现得更明显。 进一步分析发现, TIRS数据的误差会随着地表植被和裸土覆盖比例的不同而发生变化。 表现在TIRS 10波段的高估会随着植被比例的下降而加大, 而TIRS 11波段的低估则会随着植被比例的下降而减少。 因此, 虽然USGS提倡用TIRS 10单波段来反演温度, 但TIRS 10波段在低植被高裸土区的反演精度却远不及TIRS 11波段, 所以在低植被高裸土区可能不宜一味地采用TIRS10波段, 在没有把握的情况下, 在低植被覆盖区也可尝试采用TIRS 10和11波段温度的均值, 它可将误差缩小在<0.5 K范围以内。

光纤型表面等离子共振光谱具有半峰宽较宽, 共振峰不尖锐等特征, 传统的针对棱镜型SPR光谱的峰值检测算法无法准确定位此类光谱的共振峰值。 为了准确计算光纤型SPR光谱的共振波长, 提出了一种基于信赖域算法的高斯拟合方法, 在拟合的光谱曲线上利用一维搜索的方式确定峰值位置。 通过对标准甘油光谱数据的处理, 证明高斯拟合法能够适应光纤型SPR光谱的特征, 波长计算准确。 通过搭建的SPR系统, 实验测量了不同浓度下蔗糖溶液的SPR光谱数据, 并分别采用加权质心法, 追踪质心法和该研究提出的高斯拟合法进行共振波长的计算。 结果表明高斯拟合法能够有效提升分辨率, 且运算速度较快, 有利于工程集成。

生物过程是一个复杂的系统, 在反应过程中, 会产生固态、 液态、 气态的过程反应物, 且具有生物活性, 想要准确的掌握过程反应物的种类与含量, 必须对生物过程进行实时在线的监测, 才能够获得准确的数据。 生物过程的原位在线分析依赖于高性能的衰减全反射探头, 衰减全反射技术是在线分析系统中实现原位在线测量的有力手段。 通过分析衰减全反射技术的基本原理与特点, 设计了一种成本低、 光通量高、 具有标准生物过程传感器接口的中红外衰减全反射探头, 能够直接插入到生物反应器中, 对生物过程反应物进行无损、 零延迟的监测。 实验结果表明, 在线式ATR探头具有较宽的光谱范围, 所采集光谱具有较高的信噪比, 能够应用在生物过程的在线定量分析之中。

脉冲电场(pulsed electric field, PEF)对作物抗旱性的影响是电场生物学效应研究的重要课题, 作物叶片延迟荧光动力学参数可以从不同角度灵敏地反映叶片细胞光合系统发生的变化。 为了从活体细胞角度揭示脉冲电场对作物幼苗抗旱性的影响及其机理, 使用频率为1 Hz、 场强为200 kV·m-1、 脉宽为80 ms的PEF处理萌发玉米种子, 再采用渗透势为-0.1 MPa的PEG-6000溶液形成干旱胁迫, 研究了玉米幼苗生长过程中叶片干质量和LED诱导的叶片延迟荧光动力学参数的变化。 结果发现, 在-0.1 MPa的PEG-6000溶液形成的干旱胁迫下, 玉米幼苗叶片干质量逐渐增加, 经过PEF处理的玉米幼苗叶片干质量大于对照, 相对增长率在5.8%～18.7%之间(p＜0.05)。 叶片延迟荧光动力学分析显示, 干旱胁迫下玉米幼苗叶片延迟荧光动力学参数初始光子数I0、 相干时间τ、 衰减参数β和延迟荧光积分强度I(T)都发生了波动性的变化, 这些变化是叶片细胞对干旱胁迫的适应性反应, PEF处理使玉米幼苗叶片延迟荧光各动力学参数和延迟荧光积分强度均明显大于对照组, 表明PEF处理使玉米幼苗叶片细胞的光合潜力、 组织序性和功能分子之间的相互作用都有所加强, 叶片综合光合能力提高了。 研究结果为阐明PEF对作物幼苗抗旱性的影响及其机理提供参考。

利用NaOH, Ca(OH)2, H2SO4和HCl四种溶液对楸木木屑进行化学预处理, 发现两种碱预处理均能显著提高楸木木屑的酶解效率。 采用扫描电镜(SEM), X射线衍射(XRD)和傅里叶红外光谱(FTIR)对四种化学预处理后的楸木木屑进行观察和分析。 SEM观察发现, 四种化学预处理对楸木木屑的纤维表面均有不同程度的破坏与侵蚀, 其中Ca(OH)2的破坏效果最为明显。 XRD谱图表明, 碱预处理对楸木木屑纤维素的非晶体结构产生破坏, 导致其结晶度升高, 而经过酸预处理后楸木木屑纤维素的结晶度没有明显变化。 FTIR谱图显示, 酸碱预处理对楸木木屑中半纤维素和木质素的分子结构均有不同程度的破坏, 碱预处理过程中木质素的高效溶出可能是楸木木屑酶解效率显著提高的主要原因。

遥感技术能被用于大尺度作物化学喷药效果检测, 这为精准农业航空施药发展提供了重要的技术支撑。 利用M-18B农用飞机在4米的飞行高度喷施化学农药混合剂(杀菌剂和植物生长调节剂), 去控制水稻爆发性疾病--叶片纹枯病和促进水稻植株的生长。 施药一周后, 喷药区的卫星影像被获取并计算植被指数, 同时采集了地面化学农药的药液沉积量。 分析了药液雾滴沉积量和植被指数的关系, 结果显示, 单相光谱特征(NDVI)和液滴沉积点密度(DDPD点·cm-2) 的相关系数是0.315, p-value为0.035; 时间变化特征 (MSAVI)和液滴沉积体积密度(DDVD μL·cm-2)之间的相关系数是0.312, p-value为0.038。 另外, 水稻生长活力最旺盛的范围都出现在喷洒区域内, 植株活力随着药液漂移距离的增加逐步减少。 同时, 相同的变化趋势也出现在雾滴沉积量与光谱特征的空间变化插值图中。 由此得知, 从卫星图像中计算的植被指数NDVI和MSAVI, 可以用来评估大尺度农田的农用航空药液喷洒效果。

由于气溶胶的影响, 传统的瑞利散射法测量低空大气温度有一定的局限, 为此开展了纯转动拉曼法测量低空大气温度。 利用纯转动拉曼激光雷达在北京进行了2个月的大气温度观测, 由观测数据反演了温度廓线。 在基于N2和O2的纯转动拉曼谱线特征进行大气温度反演过程中, 分析了平滑窗口、 定标范围和定标常数对温度反演精度的影响。 结果显示随着平滑窗口的增大, 雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差先减小后增加, 为有效去除信号中随机误差的影响, 同时保留温度廓线的垂直结构, 平滑窗口应选择600~1 200 m比较好。 定标范围不同, 雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差就不同, 相对变化约为0.07 K。 当定标常数a, b都增大或都减小时, 雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均偏差增大, 当一个增大另一个减小时, 平均偏差相互抵消; a, b的变化不是等几率的, 在符号上总是相反的; 平均偏差对a的变化不敏感, 对b的变化也不敏感, 对a与b的整体变化敏感, 约91.7%平均偏差落入-3~3 K之间。 该研究分析结果对纯转动拉曼激光雷达数据反演中涉及的平滑窗口、 定标范围的选择提供了理论依据, 对激光雷达定标常数造成实际温度反演结果的误差提供了参考。

作为人体体液之一的尿液中含有多种人体新陈代谢的产物以及体内排出的毒素, 如果能够对这些组分进行定性分析, 就能够在一定程度上有效反映人体器官的健康状况, 这是临床医学中重要的研究途径。 该实验分别以785和1 030 nm激光作为源激发, 以具有电磁场增强的金纳米粒子作为基底, 利用表面增强拉曼散射光谱(SERS)对临床实验研究中所用的人体新鲜尿液的成份进行快速、 无损分析。 通过控制金纳米溶胶与尿液原液的混合比例从而来制备一系列具有不同配比的实验样品, 并且通过实验我们获得其相应的SERS光谱。 由实验结果分析可知, 我们能够有效地得到尿液中尿酸、 次黄嘌呤等多种成份的SERS光谱。 与此同时, 我们还研究了在不同波长激光条件下的尿液的SERS光谱。 相较于1 030 nm的激光, 785 nm的激光得到的SERS光谱具有较高的分辨率以及较低的背景值。 与此同时, 利用具有1 030 nm激光的便携式拉曼仪对实验样品进行快速、 无损分析, 有望为临床医学现场、 快速分析诊断提供帮助和支持。 而且相信, SERS能够在人类健康甚至生物组织的检测等方面提供更加详细的信息。