尖端放电是物体尖锐处产生的一种放电现象, 它属于一种电晕放电, 在避雷针、 静电除尘等技术中有着广泛应用。 目前对尖端放电的研究主要集中在放电强度方面, 而对其光谱方面的研究并不多, 研究发现尖端放电在紫外波段具有强烈的辐射。 利用Comsol软件对尖端放电的电离特性进行仿真, 结合数学物理模型分析了放电辐射光谱及辐射强度, 发现其辐射强度随时间的变化先增加后减小, 并可根据N2+的分布强度估算紫外波段的辐射强度。 通过研制一套紫外面阵多光谱成像系统, 对尖端放电进行了三个紫外光谱通道的成像, 实验结果表明, 尖端放电的辐射光谱在240～340 nm波段之间都有分布, 且在315～340 nm之间分布最强。 同时得到尖端放电的紫外辐射强度随着尖端距离的增加而减小, 并与成像积分时间成一定的线性关系。 发现在同一通道, 线性斜率随尖端距离的增加而减小。 通过对尖端放电三个紫外光谱通道的成像码值反演成辐射能量, 得到辐射能量与尖端距离, 尖端电压以及积分时间之间的关系, 验证了尖端放电的数学物理模型, 为深入研究尖端放电的紫外特性提供了有力的支撑依据。

太赫兹时域光谱(THz-TDS)已被用于研究包括液体, 半导体, 爆炸物和气体等多种材料。 然而自由空间太赫兹光谱系统存在着一些检测局限性, 如微量物质难以被检测、 系统尺寸难以实现微型化、 空气中水的强烈吸收引起的信号衰减较大等问题。 为了解决这些问题, 研究人员设计了基于金属波导传输线结构的太赫兹芯片集成器件, 通过飞秒红外激光激励传输线上的光电导材料实现太赫兹波的产生和检测。 然而, 在这些芯片上传输的太赫兹信号的频谱宽度很难达到自由空间太赫兹时域光谱系统的频带宽度, 一个重要原因是由于传输信号受到随频率增加的传输线损耗所导致的衰减。 通常这些损耗主要由三个部分组成: 导体损耗, 介电损耗和辐射损耗。 研究表明: 使用低介电常数材料作为共面传输线的衬底, 将减少这种介电常数的失配, 从而避免冲击波辐射损失; 使用具有低损耗角正切的基底材料可以减少太赫兹传输线的损耗。 环烯烃聚合物(COP)是一种具有环状烯烃结构的非晶性透明共聚物的材料, 在太赫兹波段具有很高的透射率, 为了探究这种材料是否能用于共面传输线的衬底, 需要通过太赫兹时域光谱技术和介电函数理论分析它在太赫兹频段的光谱和介电特性, 以及对这种材料作为基底时用在太赫兹传输线的传输特性进行仿真计算分析。 使用透射式太赫兹时域光谱系统, 对三种COP、 熔融石英和PMMA进行了光谱测试, 提取了它们的透射时域信号, 采用Dorney和Duvillaret等提出的物理模型计算复介电函数。 实验表明: 与其他两种材料相比, COP材料在1 THz处的透过率更高, 可以达到94.5%, 同时介电损耗和介电常数更低, 其中介电损耗在1 THz处达到4.31×10-4, 因此将COP作为传输线基底材料时能有效减少基底的介电损耗。 同时COP材料的介电常数在0.2～2.8 THz范围内维持在约2.3的水平, 也有效减弱了辐射损耗。 对实验材料基底组成的共面波导传输线进行了HFSS模拟, 获得了它们的正向传输衰减系数(S21 parameter), 并对由基底引起的介电损耗和辐射损耗进行了计算分析。 模拟和计算结果也表明在同一传输线结构下, 与其他材料相比COP作为基底时的损耗更小。 通过太赫兹时域光谱法与介电响应分析, 表明了在太赫兹波段具有较低介电常数的COP材料更适合作为太赫兹传输线结构的基底材料, 它可以有效的降低因基底引起的介电损耗和辐射损耗。 这为太赫兹传输线的设计过程中衬底材料的选择与应用提供了实验和理论依据。

太阳光谱辐射计作为一种专用光谱辐射测量仪器, 对于其宽谱段和大动态范围的测量特点, 准确完整地表征分光性能是十分重要的。 研究内容旨在为太阳光谱辐射计的研制与验证提供明确的理论依据和测试方法, 给出清晰而准确的机理模型和指标模型对光谱仪器系统的设计和评估提供指导。 因此, 重点阐述了光谱仪器系统的信号传递模型到性能指标模型的推导和建立过程。 线谱扩展函数这种串联卷积模型能够综合反映仪器的各个元件对系统的影响, 而且很容易通过窄带线谱光源测试而得到, 并且线谱扩展函数矩阵能够清晰完整地给出光谱仪器的分光性能细节特性。 而在线谱扩展函数的基础上再进一步提取关键几何特征, 通过简单的算法定义即可得到半高全宽(FWHM), 带外抑制和带外辐射这三项示性函数指标, 可以很好地对分光系统的性能进行定量表征, 是十分有效的光谱仪器系统性能评估的指标模型。

从分析对颗粒物PM2.5敏感的光谱特性入手, 提出了一种基于差值指数的颗粒物PM2.5浓度反演新方法。 使用Avafield-1光谱仪(测量范围300～1 100 nm)测量了典型地物植被、 土壤在不同的颗粒物PM2.5污染条件下的光谱曲线, 发现颗粒物使得植被和裸土的光谱曲线在红光波段反射率增加, 在近红外波段反射率下降, 且其变化量较为稳定, 因此使用对颗粒物敏感的红光波段和近红外波段, 构建差值指数(difference index, DI)以表征颗粒物PM2.5的浓度变化。 以北京市为研究区, 选择TM影像, 求取差值指数, 结合北京市及周边地区地面空气质量监测站提供的PM2.5逐时数据, 反演了北京市的颗粒物PM2.5的浓度。 结果表明, 2016年3月1日(监测站PM2.5浓度均值为105.8)预测模型相关系数r为0.796, 精度表现良好, 12月14日(监测站PM2.5均值为15.8)预测模型相关系数r为0.628, 即颗粒物污染程度较低情况下, 差值指数模型预测精度低于颗粒物污染程度较高的情况, 分析原因是颗粒物浓度较低时, 由颗粒物引起的地物光谱特征变化比较不明显, 造成差值指数模型精度较低。 由于空气质量为重度及严重污染时, 获取的遥感影像质量较差, 影响颗粒物浓度反演, 因此该方法适合轻度、 中度污染情况下的颗粒物PM2.5浓度反演。 该方法获取污染数据简单, 反演结果空间分辨率较高(30m), 且可根据需要选取包含敏感波段数据的遥感影像用以获取不同时间、 空间分辨率的颗粒物PM2.5浓度分布, 具有广泛的应用前景。

粮食芽变初始于内部胚芽部分, 萌芽早期活动发现困难, 成为制约粮食储备安全的一个瓶颈。 粮食芽变过程主要是将淀粉转化为用于生长的麦芽糖。 采用太赫兹(Terahertz, THz)成像技术, 研究不同浓度的小麦麦芽糖混合物的图像特征, 在图像中样品区域各个像素点提取出一条THz光谱, 并求平均, 得到一条平均光谱。 通过主成分分析方法(principal component analysis, PCA)前5个主成分的累计方差贡献率达到98%以上, 用前5个主成分的得分值矩阵代替原始光谱数据, 建立基于径向基核函数的支持向量机(support vector machine, SVM)定量分析模型。 对比结果表明, 太赫兹成像技术结合化学计量学方法对小麦麦芽糖含量具有较好的判别效果, 其中SVM模型获得最好的预测结果, 为通过小麦种麦芽糖含量实现对小麦芽变程度的检测, 保障粮食品质, 提升国家储藏科技水平奠定了理论和技术基础。

构建了一套基于侧向模式的光学参数振荡(optical parameter oscillator, OPO)脉冲激光激发-超声传感的血糖光声检测系统, 并且将激发波长、 激光能量、 探测频率和温度等对血糖光声检测的影响, 在系统结构上进行了有效融合。 然后, 以不同浓度的葡萄糖溶液作为测试样品, 实验研究了几个因素(激发波长、 激光能量、 探测频率和温度等)对葡萄糖光声检测和浓度预测的影响。 实验得到了不同浓度葡萄糖溶液在不同影响因素条件下的葡萄糖实时光声信号和光声峰峰值, 同时, 为了得到不同因素对葡萄糖光声值和浓度预测的影响规律, 通过线性回归算法建立了葡萄糖光声峰峰值与各因素变化, 以及不同因素下光声峰峰值与浓度梯度的映射关系模型。 实验和模型预测结果表明: 相比1 200和1 300 nm波长而言, 1 064 nm波长下的葡萄糖光声峰峰值与浓度梯度模型预测效果最好, 模型相关系数达到0.986; 葡萄糖光声峰峰值随着脉冲激光输出能量的增大呈线性增大趋势, 且葡萄糖浓度预测准确度随着激光输出能量增大有所提高; 根据不同探测频率的超声探测器捕获的葡萄糖光声峰峰值与浓度梯度建模效果来看, 响应频率为1 MHz的超声探测器相比2.5和10 MHz的超声探测器, 在葡萄糖光声信号探测上具有更好的探测效果; 最后, 实验发现, 葡萄糖光声峰峰值随着温度和浓度的增大均呈线性增大趋势, 且浓度预测误差随着温度的升高逐渐增大。

采用高温固相法在温度900～1 100 ℃, 时间3 h的条件下制备出系列ZnO∶Zn荧光粉样品, 并进行了封装应用研究。 利用X射线衍射分析(XRD)、 场发射扫描电子显微镜(FESEM)、 荧光分光光度计(PL)和可见光光谱分析系统等手段对样品分别进行了表征分析。 研究结果表明: 所制备的荧光粉样品均具有ZnO晶型的六方纤锌矿结构, 样品可以有效地被近紫外光激发, 所发射的绿光光谱具有宽谱发射特征, 峰位于502 nm归属于氧空位发射, 同时940 ℃条件下制备的荧光粉样品具有最高的发光强度。 结合近紫外LED芯片和RGB荧光粉分别制备出绿光LED和白光LED, 其中绿光LED在不同驱动电流(250～500 mA)泵浦下表现出稳定的光谱发射特性, 发射光谱谱型和色坐标基本未变, 发射强度随电流升高而增加, 所制备的白光LED在色温3 212 K时, 显色指数达到94.1, 发光效率为85.6 lm·W-1(@300 mA, 9.3 V), 在(250～500 mA)驱动电流泵浦下同时也表现出稳定的光谱发射特性, 所制备的ZnO∶Zn绿色荧光粉对于制备高显色、 高品质近紫外白光LED具有潜在的应用价值。

红外光谱已经成为浮选药剂作用机理研究的最重要手段之一。 由于矿物本身具有较强的红外吸收, 传统溴化钾压片透射光谱很难检测到矿物表面吸附药剂的微弱红外信号。 采用显微-傅里叶变换红外光谱仪的反射模式, 测定了不同浓度油酸钠在胶磷矿表面的吸附形式, 并观察了吸附形貌。 结果表明, 与透射红外光谱相比, 反射红外光谱对表面有更高的灵敏度, 能更好地揭示实际浮选药剂浓度下的吸附机理。 碱性条件下当油酸钠浓度较低时, 油酸离子与表面晶格钙离子发生化学吸附, 吸收峰在1 552 cm-1, 同时也存在油酸钙沉淀的物理吸附, 吸收峰在1 570和1 535 cm-1; 当油酸钠浓度超过临界胶束浓度时, 胶束使得胶磷矿表面亲水, 导致油酸钠溶液残留在表面, 吸收峰在1 560 cm-1, 掩盖了其他吸收峰; 表面经水洗涤后药剂吸收峰强度大幅减弱, 是由于残留的油酸钠和物理吸附的油酸钙被洗掉。 另外, 随着油酸钠浓度增大, 药剂二维形貌由点状吸附聚集为片状吸附, 覆盖面积增大, 但并不是完全覆盖, 这与矿物表面异质性有关。 以上研究结果有利于理解磷矿石提磷或铁矿石脱磷浮选体系中捕收剂与胶磷矿的作用机理。

种粮老化影响种子活力及粮食品质。 利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR), 二阶导数红外光谱(SD-IR)和二维相关红外光谱(2D-IR)方法对不同储藏年份的大麦, 小麦, 稻谷, 玉米和高粱种子进行区分研究。 结果显示, 原始光谱中几个峰强比有差异; 在二阶导数红外光谱中, 不同储藏年份种子在1 800～800 cm-1范围内的吸收峰强度和形状显示出差异。 二维相关红外光谱结果显示: 大麦在1 350～1 800 cm-1, 小麦, 稻谷, 玉米和高粱在860～1 690 cm-1范围内有明显差异, 随储藏年份增加, 自动峰和交叉峰的数目减少, 强度减弱。 结果表明, 应用傅里叶变换红外光谱结合二维相关红外光谱能有效快速地区分不同储藏年份的谷类种子。

实木地板作为一种天然环保的地面铺装材料, 得到越来越多消费者的选择, 需求量日益剧增, 而如何快速了解和检测木材材性一直是地板选材和质量检测急需解决的问题。 采用了X射线剖面密度仪和傅里叶红外光谱仪(FTIR)两种快速检测技术, 对市场上常用的进口地板材番龙眼和香二翅豆的剖面密度和化学主要组成成分进行了快速测定; 同时采用直接测量法测量了木材的基本密度值, 并将两种地板材快速测定密度值与实测密度值进行了相关性分析。 剖面密度分析结果表明, 香二翅豆的平均密度高于番龙眼的平均密度, 两种地板材质地均匀性都很好; 相关性数据表明番龙眼与香二翅豆两种地板材剖面密度的平均值与其基本密度值都具有很好的相关性, 拟合后的相关系数达到了0.983和0.981, 所有样品的两种密度的相关系数为0.991; 傅里叶红外光谱分析结果表明香二翅豆的抽提物含量要高于番龙眼, 香二翅豆木质素的特征峰I1 507/I1 425, I1 507/I1 740的高度比值高于番龙眼的, 而纤维素的特征峰I895/I1 425, I895/I1 507高度比值低于番龙眼的, 表明香二翅豆的木质素含量高于番龙眼, 纤维素含量低于番龙眼。 由此可见, X射线剖面密度仪可以快速检测出木材的质地均匀性以及预测木材基本密度值, 而FTIR可以快速检测木材化学组分相对含量的高低, 两种方法结合可以对实木地板材以及其他木材的物理化学性能进行快速检测。

塑料牌号是塑料生产公司根据原料性质、 用途的差异而内部制定的编号。 通过检测材料的物理化学性能能间接识别其牌号, 但速度慢且具有破坏性。 因此, 利用了近红外光谱(near infrared spectroscopy, NIR)技术对不同牌号的聚乳酸(polylactic acid), PLA)进行识别。 采用主成分分析法(principle component analysis, PCA)分别与马氏距离(mahalanobis distance, MD)、 人工神经网络(artificial neural network, ANN)和支持向量机(support vector machine, SVM)结合的模型进行分析预测。 在900～1 700 nm的波长范围, 采用三种不同牌号的聚乳酸共90个样本的光谱进行建模, 另取这3种牌号共90个样本进行识别, 比较三种预测模型对PLA牌号的识别能力。 结果表明, 在对样品的光谱数据做主成分分析后, 以验证集的前两个主成分做散点图, 发现明显的聚类现象, 以前9个主成分得分作为输入变量所建立的马氏距离判别、 人工神经网络判别、 支持向量机判别均能够对不同牌号的聚乳酸有效识别。 最好的判别方法——马氏距离判别正确率能够达到98.9%。 因此, 近红外光谱能够对不同牌号的PLA进行无损、 快速、 准确的识别。

结球甘蓝是一种富含碳水化合物的常见蔬菜, 可溶性糖含量是决定其品质的重要参数。 可溶性糖易溶于水, 是蔬菜和水果口味的有效调节剂。 作为碳水化合物, 可溶性糖由三种元素C, H和O组成, 其分子吸收光谱主要由被检测材料的分子中C—H, O—H和CO等基团的组合频率吸收和倍频吸收组成, 包含丰富的有机物信息。 因此, 采用近红外光谱和化学计量学方法, 探索结球甘蓝可溶性糖含量的快速检测方法。 用德国布鲁克公司的MATRIX-Ⅰ型傅里叶变换近红外光谱仪采集161份结球甘蓝样本光谱数据。 波数范围: 12 800～4 000 cm-1(780～2 500 nm)。 蒽酮比色法测量样本的可溶性糖。 综合应用马氏距离法(MD)和蒙特卡洛交叉验证法(MCCV)剔除异常样本, 采用Kennard-Stone(K-S)法将样本按照给定比例划分为校正集和验证集。 分别使用Savitzky-Golay卷积平滑(S-G), 一阶导数(FD), 二阶导数(SD), 多元散射校正(MSC)和变量标准化(SNV)及它们的组合共12种方法对样本进行光谱预处理, 获得最佳预处理方法, 提高光谱数据的信噪比。 采用竞争性自适应重加权采样法(CARS)筛选偏最小二乘回归(PLS)模型中回归系数绝对值大的波数点, 去掉回归系数绝对值小的波数点, 以有效选择与所测特性值相关的最优波数组合, 获得具有良好鲁棒性和强预测能力的校正模型。 使用模型决定系数R2、 交互验证均方根误差(RMSECV)、 预测均方根误差(RMSEP)作为模型精度评价指标。 根据蒙特卡洛交叉验证法和马氏距离剔除异常样本的原理, 共剔除10个光谱或者化学值异常的样本。 最终参与建模分析的样本个数为151。 异常样本剔除后, 通过K-S法将样本按照3∶1被分成校正集(110个样本)和验证集(41个样本)。 使用原始光谱数据, 预处理后的光谱数据和对应于优选波数的光谱数据, 建立PLS模型。 结果表明, 利用MSC+FD光谱预处理可以提高建模精度, 校正集R2从处理前的0.68增长到0.93, MSC+FD是本研究中理想的光谱数据预处理方法。 利用CARS法共优选了84个建模波数。 在12 000~10 000 cm-1波数区域内, 有O—H键2级和C—H键3级倍频伸缩振动吸收, 此区域主要的背景信息为水和其他含氢基团, 在此区域内共包含了36个选定的波数。 在8 500~6 000 cm-1区域, 存在糖类和水的O—H键的1级倍频伸缩振动吸收, 葡萄糖的O—H键的1级倍频伸缩振动吸收, 该区域是包含反映可溶性糖成分的主要光谱区间, 背景影响较小, CARS方法在此区域共选择了15个建模波数。 5 800~4 000 cm-1区域与12 000~10 000 cm-1区域相似, 包含的选定波数多, CARS方法在此区域选择了33个建模波数。 利用CARS对参与建模的波数进行优选, 减少了无关信息, 降低了模型的复杂度, 选择的波数不但引入了表征待测组分的光谱, 同时还引入了代表背景信息的光谱, 使得校正模型适应性增强。 建立了结球甘蓝可溶性糖的全谱PLS模型, 根据CARS波数优选结果, 建立了结球甘蓝可溶性糖的CARS-PLS模型。 对于全谱PLS定量模型, 校正集的决定系数R2为0.93, RMSECV为0.157 2%, RMSEP为0.132 8%。 对于CARS-PLS模型, 校正集的决定系数R2为0.96, RMSECV为0.076 8%, RMSEP为0.059 4%。 数据表明, 两种模型具有相当的R2, 但CARS-PLS模型的RMSECV是全谱PLS模型的1/2。 RMSEP也接近1/2, CARS-PLS模型比全谱PLS定量模型所用建模变量少, 模型得到简化, 精度更优。 用CARS-PLS模型对验证集41个样本进行预测, 预测集决定系数R2为0.86, 预测标准误差为0.059 4%。 提供了一种工作效率较高的结球甘蓝质量无损检测方法。

衰减全反射模式的傅里叶变换红外光谱仪(ATR-FTIR)可以用来确定固体粉末样品的远红外光谱性质, 并根据其指纹特征对未知物样品进行鉴定, 且具有快速、 简便、 灵敏、 样品用量少等优点, 已成为分析与表征染料的常用的手段。 运用ATR-FTIR在真空条件下测试了汽巴蓝2B、 去氧紫草素、 靛蓝、 靛红、 硫靛红等五种染料在50~610 cm-1范围内的吸收光谱。 实验结果表明这五种染料在此波段内均有明显的特征吸收峰并对其峰位进行了指认与描述。 使用Gaussian09软件对硫靛红分子进行模拟计算与指纹谱指认, 并根据可视化结果可以看出: 硫靛红分子在50~610 cm-1范围内的特征吸收峰主要源于分子的集体振动, 且其高频与低频的振动模式并不一致。 模拟结果与实验结果相对符合较好, 但仍然存在一定的差异: 比如峰值位置的差异、 吸收峰位的移动、 模拟得到的新峰位等, 主要是由于二者所基于的温度不同、 理论计算没有考虑分子间的相互作用、 ATR晶体与样品粉末的接触效果略差以及系统分辨率不够等因素导致的结果。

野生食用菌产地溯源研究中, 采用单一有机成分或矿质元素指纹存在一定局限性。 利用不同指纹分析技术的互补性与协同性, 将不同部位与类型的化学信息进行融合, 探讨此方法对野生食用菌产地溯源的可行性, 以期为野生食用菌溯源提供新的思路与科学依据。 通过测定云南7个产地、 124个美味牛肝菌(菌柄、 菌盖)中15种矿质元素的含量, 以及子实体傅里叶变换红外光谱(FTIR)。 标准正态变换(SNV)、 二阶导数(2D)等算法对原始光谱进行预处理。 基于低级与中级数据融合策略, 将预处理后的FTIR光谱与菌柄、 菌盖矿质元素数据进行融合, 结合支持向量机(SVM)分别建立菌柄、 菌盖、 FTIR、 低级数据融合(菌柄+菌盖, 菌柄+菌盖+FTIR)与中级数据融合(菌柄+菌盖+FTIR)判别模型; 分析比较模型参数, 确定快速甄别美味牛肝菌产地的可靠方法。 结果显示: (1)菌盖中Cd, Cr, Cu, Li, Mg, Na, P和Zn元素平均含量高于菌柄, Ba, Ca, Co, Ni, Rb, Sr和V元素在菌柄中平均含量高于菌盖。 美味牛肝菌中人体必需矿质元素Ca, Cu, Mg, P和Zn平均含量远高于小麦、 水稻干品和新鲜蔬菜, 与动物干制品含量相似; (2)FTIR光谱数据最佳预处理方法为3D+SNV, 其Q2和R2Y分别为76.64%, 88.91%; (3)菌柄、 菌盖、 FTIR、 低级数据融合与中级数据融合SVM模型, c值分别为8 192, 4 096, 1.414 2, 11.313 7, 1和0.7071 1, 菌柄和菌盖模型c值较大, 表明采用单一菌柄或菌盖矿质元素含量数据, SVM训练存在过拟合风险, 判别效果较差; (4)FTIR、 低级数据融合和中级数据融合SVM模型, 样品分类错误总数分别为7, 9, 7和0, 中级数据融合(菌柄+菌盖+FTIR)模型样品分类正确率最高。 表明基于中级融合策略将不同部位矿物元素和子实体FTIR光谱数据融合, 可作为野生食用菌产地溯源的一种有效方法。

为了研究不同煤岩成分煤萃取后的化学组成变化特征, 选取平顶山焦煤作为研究对象, 采用四氢呋喃(THF)、 二硫化碳(CS2)、 醋酸(HAc)等有机溶剂对煤样进行索氏萃取; 借助于柱层析法、 傅里叶变换红外光谱法等手段, 对溶剂萃取后煤样的萃取率、 族组分及特征官能团进行了计算和分析。 研究表明: 镜煤的萃取率最高, 其次是亮煤、 暗煤; 相比而言, 有机溶剂CS2对煤样的萃取率最高, THF的萃取率高于有机酸HAc; 萃取物中, 镜煤、 亮煤、 暗煤的总烃类含量依次减小, 非烃类组分含量依次增大, THF溶剂萃取后以沥青质含量最高, CS2溶剂萃取后以饱和烃含量最高; 镜煤的脂肪烃及含氧官能团含量最高, 脂肪结构参数I4最大, 芳构化程度参数I2最小, 芳/脂比最小, 而暗煤最大。 萃取后, 脂肪烃及含氧官能团含量较原煤均出现不同程度的减少, 以镜煤最为明显, 暗煤萃余物的芳烃含量最多, 芳构化程度参数I2最大, 芳/脂比最大。 其中, CS2溶剂萃取后, 煤中的富氧程度降低最为明显, 而THF对与氢键缔合的—OH, —NH, 酚类等官能团及脂肪烃溶解性最好。

近期在市场上出现了许多与绿松石相似的天然矿物, 市场上俗称绿松石“伴生矿”, 被商家作为天然绿松石的特殊品种售卖。 这些与绿松石外观极为相似的天然矿物, 给鉴定工作带来了一定的困难。 为了探索识别的方法, 选取市场上常见的白色和黄色品种的天然绿松石伴生矿, 通过常规宝石学测试, 红外吸收光谱及X射线粉晶衍射对其宝石学特征及矿物组成进行了分析和研究。 结果表明: 白色系和黄色系天然似绿松石矿物样品均显示不同程度的土状光泽-弱玻璃光泽, 均不透明, 结构比较疏松。 白色系样品折射率约为1.51, 相对密度为1.86～2.28; 黄色系样品折射率约为1.57～1.60, 相对密度为2.32～2.72。 白色和黄色天然绿松石伴生矿的组成类型复杂, 同色系样品的矿物组成也不尽相同。 X射线粉晶衍射测试结果显示: 白色系样品的主要矿物为磷铝矾和磷钙铝矾; 黄色系样品的主要矿物为钠明矾石。 白色和黄色系样品的红外吸收光谱均显示有SO4/PO4的基团振动, 峰形、 峰位区别较大。 根据不同样品的主要矿物组成特征, 将其红外吸收光谱进行分类, 可对其进行快速有效的无损鉴定。

用干法制备糖基化产物。 人血清白蛋白(HSA)与葡萄糖质量比1∶1, 溶解混和均匀, 经48 h冷冻干燥, 根据不同反应时间得到20个样本。 旨在联合多光谱学技术(紫外、 荧光、 近红外、 红外和圆二色光谱(CD光谱))分析人血清白蛋白糖基化前后二级三级结构和官能团的变化信息, 以及分析不同反应时间对HSA糖基化产物结构特性的影响。 实验结果表明: HSA与葡萄糖在干热条件下极易发生糖基化反应; 随反应时间延长, 蛋白质紫外吸收强度减弱, 内源荧光吸收强度增强, 糖基化反应增强, 美拉德反应程度提高, 蛋白质二级三级结构相应发生变化。 反应到140 min左右时, 美拉德反应前期糖基化反应完全, 生成Amadori产物, 进一步加热反应到220 min左右, 反应进入中后期, 开始生成醛酮类物质, 反应到280 min左右, 蛋白质氨基酸与羰基化合物发生脱羧、 脱氨反应。

当近红外光谱信息远大于样本量时, 对光谱信息进行自动变量选择进而建立光谱与样品含量的稀疏线性模型重要且具有挑战性。 利用近红外光谱, 将变量选择方法Elastic Net用于聚苯醚生产过程中微量成分邻甲酚的测量, 建立近红外光谱与邻甲酚含量之间的定量校正模型, 并将其模型预测效果与Lasso方法进行对比。 在变量数目远远大于样本量的情形下, Lasso方法虽可实现变量选择, 但由于对系数的过度压缩, 使得模型的预测精度受到影响, 而Elastic Net通过增加L2惩罚项避免了过多删失数据, 可以提高模型预测精度。 为了验证Elastic Net方法的模型性能指标, 用复相关系数R2和调整的复相关系数R2a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。 Lasso方法建立的模型性能指标为: R2=0.94, R2a=0.93, MRPE=4.51％, Rp=0.96; Elastic Net方法的性能指标为: R2=0.97, R2a=1, MRPE=3.25％, Rp=0.98。 结果表明, Elastic Net所建立模型的性能指标优于Lasso方法, 可以得到可解释性较强和预测精度较高的稀疏线性模型。

为了实现森林地表凋落物含水率的实时测量, 研究了森林地表凋落物含水率与红外光谱特性参数之间的关系。 选取了四种森林地表凋落物, 搭建了含水率红外光谱测量装置, 获得了不同含水率所对应的红外吸收光谱图, 分析了不同含水率与峰值吸收光强、 谷肩连线与谷底连线交点纵坐标、 吸收谷面积之间的关系。 结果表明, 含水率吸收谱线峰值在1 450 nm附近; 三种光谱参数中, 森林地表凋落物含水率与峰值吸收光强线性相关性最好, 所得一元回归方程经F检验显著性良好, 斜率的相对不确定度均小于1.0%和截距的相对不确定度小于0.51%, 相关系数γ＞0.95。 为含水率实时测量仪的光源选择和标定提供了依据。

挥发性有机物(VOCs)造成了全球环境污染, 给人们日常生活工作带来不利影响。 对挥发性有机物进行高效准确监测成为我国大气环境治理的热点。 与其他污染物气体相比, VOCs更易挥发并可以和其他污染物发生反应, 其物理化学性质的复杂性对已有的检测方法提出了很高的要求。 在众多的气体检测方法中, 光谱检测技术以其方便快捷、 检测准确等优点得到了广泛应用。 傅里叶变换红外光谱(FTIR)作为光谱检测技术中重要的一员, 不仅可以多通道快速检测, 还可以分析上百种污染物种类并实时计算污染物浓度, 解决了VOCs气体性质复杂带来的困扰。 开展了固定污染源VOCs在线监测系统的研制, 整套系统基于傅里叶变换红外光谱, 干涉仪出射的红外干涉信号被10 m光程的气体池中的目标气体吸收后进行傅里叶变换, 得到含有气体特征吸收峰的红外光谱; 将红外光谱与标准谱库的数据进行对比分析即可实现对目标气体的种类鉴定和浓度测量。 系统覆盖650～4 000 cm-1光谱范围, 由于大多数VOCs在中红外指纹区具有相对独立的吸收峰, 因此可实现对多种气体的分析检测。 光谱分辨率为1 cm-1, 浓度检测范围为1.6～319.47 mg·m-3(以苯为例)。 系统对甲苯、 丙酮、 乙酸乙酯等十几种VOCs进行分析测试, 得到不同气体的红外光谱图, 与标准数据库吻合得很好, 并且可以根据不同气体的吸收峰对其进行区分。 为了得到气体的准确浓度, 需要对仪器进行标定。 为降低气体在气体池内腔和反射镜上的吸附并控制水蒸气含量, 加入温控系统对气体池温度进行实时监测。 实验中通入不同浓度的二甲苯标准气体, 利用五点标定法得到分析浓度与标准浓度之间的关系, 分析浓度的相对偏差小于0.06%。 为验证系统在实际工作场景下的性能, 选取某喷涂车间, 对喷漆过程中溶剂和稀释剂挥发形成的VOCs污染进行一周的监测, 得到苯、 甲基乙基酮、 异丙醇以及乙酸乙酯四种主要污染气体的浓度变化。 设定浓度安全阈值为安全作业提供参考。 从长时间测试数据分析, 系统平均无故障时间(MTBF)长达1 000 h, 可长时间稳定可靠地实时监测。

联合紫外、 拉曼光谱及其在L-半胱氨酸/银传感器(L-Cys@Ag)的表面增强拉曼散射(SERS)光谱表征吲哚美辛, 并与固体吲哚美辛的常规拉曼光谱(NRS)进行对比, 发现L-Cys@Ag对吲哚美辛有明显拉曼信号放大, 但其特征峰几乎不产生位移。 研究不同酸碱环境下, L-Cys@Ag的吸附模型, 分析吲哚美辛在L-Cys@Ag上的拉曼光谱和SERS光谱, 归属拉曼特征峰。 结果显示, L-半胱氨酸与银主要以Ag—S键的方式形成稳定吸附, 但是中性和碱性条件时—COO-也会吸附到银表面。 结果表明: 半胱氨酸中的氨基与吲哚美辛中的羧基氧、 苯环中的π电子发生吸附, 整体能量下降, 使结构更加稳定。 加入牛血清白蛋白(BSA)后, pH为5时, SERS强度明显减弱。 在pH为7和9时, N—H伸缩振动和酰胺Ⅱ振动明显增强, 吲哚美辛的苯环和吲哚环的特征峰振动消失。 其原因是吲哚美辛的苯环和吲哚环进攻BSA后, 吲哚美辛特征振动消失, 但是吲哚美辛中的氮, 羰基与BSA中氨基吸附, 使得C—N和—COO-的SERS信号稳定。 这为将来吲哚美辛以及相关非淄体消炎药的改良和新药的研究提供了可靠的鉴别和分析方法。

准确诊断油纸绝缘材料的老化程度是保证油纸绝缘设备安全运行的重要技术手段。 拉曼光谱在物质成分分析及状态诊断领域已经普遍应用。 结合实验室搭建的油纸绝缘拉曼光谱分析平台, 根据绝缘纸的平均聚合度将加速热老化实验获得的油纸样本分为四个老化阶段。 通过对不同老化样本拉曼光谱所包含的能量信息分析, 运用小波包能量熵提取特征量, 结合Fisher判别法构造判别函数, 建立基于拉曼光谱老化特征量的油纸绝缘老化诊断模型, 并收集现场变压器油样验证诊断模型的泛化能力。 结果表明, 两个判别函数能区分不同老化阶段的绝缘油样, 对于老化样本的判别正确率达到84.2%。 拉曼光谱结合小波包能量熵和Fisher判别分析法能够有效地对油纸绝缘老化状态进行诊断。

在生物体拉曼光谱快速采集或低功率采集过程中, 往往会获得低信噪比拉曼光谱。 针对低信噪比光谱数据, 提出应用补充总体经验模态方法(CEEMD)分解拉曼光谱, 并且依据特征模态分量的归一化排列熵值(NPE)按比例扣除噪声成分的方法, 称为局部补充总体均值经验模分解方法(LCEEMD)。 LCEEMD方法不仅解决了经验模态(EMD)分解中高频信号与噪声的模态混叠问题, 还有效降低了总体经验模态分解法(EEMD)中的残留噪声。 仿真数据实验显示, LCEEMD方法在处理10db信噪比模拟光谱时获得了39.615 0 db信噪比, 0.001 17标准差和0.999 9相关系数。 在人体皮肤拉曼光谱试验中, LCEEMD方法滤波后数据准确呈现出角质层脂质酰胺I带激发拉曼强谱峰以及甘油三酸酯中(CO)酯微弱谱峰。 在水稻叶片可溶性糖定量预测模型中, LCEEMD方法取得了0.871 7预测相关系数和0.912 0预测标准误差, 优于EMD和EEMD软阈值去噪(0.511 4, 1.647 8和0.638 2, 1.508 8)。 LCEEMD方法实施过程中, 根据去噪性能指标反馈调整归一化排列熵阈值, 直至获得最佳去噪效果, 滤波过程无需参数设置, 可以自适应实现。

日落黄是一种具有潜在危害性的人工合成色素。 选用人血清蛋白为研究对象, 利用荧光光谱法分析了日落黄对人血清蛋白荧光的猝灭作用, 确定了荧光猝灭反应的猝灭常数Ksv, 结果表明日落黄对人血清蛋白的荧光猝灭作用类型为静态猝灭。 运用同步荧光光谱法分析日落黄与人血清蛋白结合表明: 日落黄与人血清蛋白的结合靠近色氨酸附近, 引发色氨酸残基趋向伸展状态, 人血清蛋白的结构发生改变。 此外, 在模拟人体生理条件下选用10种不同的金属离子加入到日落黄和人血清蛋白的反应体系中, 运用三维荧光法检测金属离子对体系的影响, 结果表明Cu2+, Pb2+, Ni2+和Mn2+对猝灭过程有着促进作用, 其中Ni2+的影响最大, 增幅达 22.6 %; 而Fe2+和Zn2+对猝灭过程有着抑制作用, 抑制率达14.12%和14.2%。 本研究的实验方法适用于研究食品添加剂的毒性, 有助于保护食品安全, 维护人体健康。

光谱技术在生物和医学检测方面具有积极的应用前景。 由于血液成分的复杂性和类同性, 有关不同动物血液光谱识别分类的技术研究尚未出现较为完善的结论。 基于机器学习理论, 以BP神经网络为工具, 建立了对不同动物血液荧光光谱进行特征提取和识别分类的方法。实验采用Cary Eclipse光谱仪分别采集了鸽、 鸡、 鼠、 羊四种动物不同浓度(1%和3%)的全血与红细胞荧光光谱数据(每个类型样本各50组数据); 基于移动平滑算法对原始数据进行了平滑处理, 以减少实验仪器噪声对特征提取和识别分类的影响; 进一步根据血液光谱数据的特性, 该文出了“组合放大”的特征提取方法, 并建立了BP神经网络分类器进行训练和识别。 相比于常用的光谱数据(单一)特征, 提出的“组合放大”特征和所设计的BP神经网络能对不同动物、 不同类型(全血与红细胞)、 不同浓度(1%和3%)的血液荧光光谱实现100%的准确分类, 同时神经网络测试误差均远小于设定的允许误差值。 研究的动物血液光谱特征提取及识别技术具有较好的普适性和可靠性, 在农业、 食品检查、 以及生物医学检测等方面均可发挥重要作用。

以某兽药抗生素废水为例, 研究了基于三维荧光光谱的水质指纹(简称水纹)技术用于揭示废水有机成分性质的可行性。 该废水具有4个典型水纹峰, 峰的激发波长/发射波长分别为225/345, 275/345, 325/405和405/470 nm, 编号A, B, C和D, 各峰强度关系B>A>C>D。 其中A峰和B峰的荧光强度较高, 分别为(0.64±0.21)和(0.99±0.30) R.U, 线性相关系数为0.95, 且发射波长相同, 很可能是同一种物质产生的。 各水纹峰强度与COD都有明显的正相关性, 线性相关系数R2达到0.66～0.70。 C峰对应的有机物部分降解或降解速率较低, 而其余3个水纹峰对应的有机物可以被较好降解。 出水中新出现的荧光峰260/425 nm可能是废水微生物处理过程中新生成的腐殖质。 上述研究表明, 该兽药抗生素制药废水具有独特的水纹特征, 水质指纹鉴别技术可以作为水体中识别该废水存在的新方法, 水纹信息还可以反映废水有机物总量和有机成分的性质, 对难降解废水的处理设计和运行均有一定价值。

近年来, 环境内分泌干扰物愈来愈受到人们的关注。 对其用传统的检测技术分析, 过程复杂、 耗时长、 价格昂贵, 因此急需发展灵敏度高、 反应迅速快、 价格低廉的检测手段。 介绍了一种平面波导型阵列倏逝波荧光生物传感器, 在对系统光路参数进行模拟优化的基础上, 可实现24个传感位点的同步、 快速、 灵敏检测。 基于此阵列倏逝波荧光传感器, 运用间接竞争免疫检测模式, 优化并建立环境内分泌干扰物雌二醇的标准检测条件。 实验结果表明, 入射角在61.8°时, 系统灵敏度最高。 该方法对雌二醇检测线性检测区间为0.08~2.52 μg·L-1, 检测限为0.05 μg·L-1, 半抑制浓度为0.46 μg·L-1, 完成单次样品的检测时间为20 min。 利用该传感器对污水处理厂出水进行加标回收测试, 回收率在84%~120%之间, 相对标准偏差小于15%, 表明该方法能够用于实际水体中雌二醇的快速检测。

以柠檬酸和尿素为碳源和氮源, 采用固态法一步合成出量子产率高达23%的荧光碳点。 表征结果表明, 所合成的荧光碳点为平均粒径为3~4 nm的球形, 表面富含羟基、 羧基和胺基等基团。 此外, 碳点的XRD谱图显示出无定型碳的特征峰。 以所制备的碳点为荧光探针, 基于碳点和阿霉素之间的共振能量转移而猝灭碳点的荧光, 建立了阿霉素定量分析新方法。 实验中考察了溶液的pH值和孵化时间的影响。 在最佳实验条件下, 阿霉素浓度在0.67~16.67 μg·mL-1范围之间与碳点的荧光猝灭值ΔF呈良好的线性关系(R2=0.995), 检出限为0.22 μg·mL-1, 回收率为83.0%～89.2%, 相对标准偏差小于2.5%(n=5)。 尿样中常见物质对测定干扰较小, 显示出所建立的方法具有较好的选择性。

土壤纤维素酶参与土壤中养分的循环过程, 分解纤维素为小分子糖分微生物生命活动提供能源物质, 并且对生态系统有重要的指示作用。 如何快速、 精确的测定纤维素酶活性对土壤生态系统诊断、 恢复等有重要指示意义。 自然界中不同的氮肥处理及种植不同的苦荞品种均会对土壤纤维素酶活性产生影响。 利用德国进口全自动进样酶标仪(InfiniteR 200 PRO), 以4-Methylumbelliferyl β-D-cellobiopyranoside (Cel) 纤维素荧光物质为底物, 将不同耐瘠性苦荞(迪庆苦荞-耐低氮; 黑丰1号-不耐低氮)根际土壤以悬液形式用排枪吸取微量和荧光底物混合加入到96孔微孔板进行充分反映、 培养测定土壤中纤维素酶活性, 其中将对照板和样品放在同一个板块上, 减少培养空间占用和操作时间。 结果表明, 除了苦荞成熟期的常氮处理, 苗期和开花期的低氮处理条件下, 纤维素酶活性均表现为迪庆苦荞根际土壤显著高于黑丰1号, 迪庆根际纤维素酶活性在苗期低氮处理下高于黑丰39.50%; 纤维素酶活性在迪庆苦荞的开花期和成熟期氮处理间有显著性差异, 表现为常氮高于其他处理, 而黑丰1号仅在开花期时常氮处理和其他处理之间有显著差异; 灭菌处理酶活性显著低于常氮处理的54.29%, 说明迪庆苦荞根际纤维素酶一部分来源于微生物的贡献, 养分充足时微生物的活性更高, 贡献越大。 荧光光谱法分析出的纤维素酶活性表明耐瘠性品种迪庆苦荞可以通过增加根际土壤酶活性的方法来抵抗外界环境的胁迫, 面对黄土高原养分贫瘠的土壤, 可以考虑选种耐贫瘠的品种来降低成本增加收益。 试验过程中, 荧光标记的酶标仪测定方法与传统的测定方法相比更加快捷、 准确和节约, 同样适合大批量样品测定, 可以为未来精准农业生产, 测土配方施肥提供及时的数据支持。

温度变化是影响近红外无创血糖测量精度的主要因素之一。 为降低温度变化对近红外漫反射光谱的影响, 提出了一种基于温度不敏感源-探测器距离的测量方法, 即在漫反射光强对人体组织温度变化不敏感的源-探测器距离处进行光谱测量。 利用Monte Carlo方法模拟了温度为30～40 ℃、 葡萄糖浓度为0～300 mmol·L-1的皮肤组织在多个源-探测器距离处的漫反射光强。 根据模拟结果, 分析了人体皮肤组织模型中温度不敏感源-探测器距离的存在性及其受葡萄糖浓度变化的影响; 比较了1 000 nm处温度恒定和温度变动时, 不同源-探测器距离处漫反射光强与葡萄糖浓度的相关性; 进一步地, 利用六个波长(1 000, 1 050, 1 100, 1 150, 1 350和1 410 nm)下的温度不敏感源-探测器距离及其他距离处的漫反射光强, 建立了葡萄糖的偏最小二乘(PLS)模型, 并比较了这些模型在温度恒定和温度变动时的预测精度。 结果表明, 在1 000～1 440 nm范围内, 人体存在温度不敏感源-探测器距离, 且葡萄糖浓度变化对该距离的影响可以忽略不计; 当组织温度变化时, 温度不敏感源-探测器距离处的漫反射光强与葡萄糖浓度的相关性及建模效果均明显优于其他源-探测器距离, 基本接近样品温度恒定时的情况。 研究表明, 基于温度不敏感源-探测器距离的测量方法能有效降低温度变化对漫反射光强的影响, 有望提高近红外漫反射无创血糖测量的精度。

当前, 基于机器学习方法开展农作物分类研究, 对于确保干旱区粮食安全和生态安全有着极为重要的现实意义。 基于机器学习方法, 采用时间序列Sentinel 2A遥感数据提取农作物分类信息, 通过引入地块基元和红边特征, 探讨了不同分类特征组合对机器学习分类精度的影响。 结果表明: 随机森林分类器可以有效集成光谱和植被指数等多维向量的优势, 将其应用于干旱区典型农作物分类上的精度均在89%以上, 分类组总体精度最高可达94.02%。 地块基元点集支持下的分类特征提取方法能够提高机器学习效率和农作物分类精度, 使光谱组及指数组的分类精度分别提高3.13%和4.07%, 并能有效解决“椒盐”效应及耕地边缘廓线模糊等问题。 红边光谱和红边指数的引入分别使随机森林分类器总体精度提高2.39 %和1.63%, 并使春、 冬小麦的识别能力显著提高, 表明红边特征能够帮助分类器更敏感地捕捉不同作物特有的生长特性及物候差异。 该研究结果可为机器学习方法及Sentinel 2A卫星在干旱区农业遥感的应用提供参考。

金纳米团簇(简称金簇)由几到几百个金原子及修饰试剂组成, 由于其尺寸接近于电子费米波长, 表现出良好的发光特性及生物相容性, 是一类新型纳米标记探针。 目前, 金纳米团簇在生物检测、 细胞成像、 癌症诊断及治疗等领域受到研究者的广泛关注。 然而, 对于光照条件下金簇的稳定性还不清楚。 在合成组氨酸、 谷胱甘肽混合修饰金簇的基础上, 系统研究了光照条件下金簇在不同pH(5.0, 7.4和9.0)的荧光变化规律, 结果表明, 在氙灯强光照射下, 金纳米团簇的荧光会随着照射时间的增加逐渐降低, 在pH 9.0条件下比pH 5.0及7.4时降低更快, 说明金簇在pH 5.0及7.4时光稳定性更好。 在此基础上, 采用紫外-可见吸收光谱、 红外光谱等手段研究了光照前后金簇表面基团的变化规律, 发现光照后金簇的紫外可见吸收光谱及红外光谱均发生了明显的变化, 说明光照导致金簇表面修饰基团发生了变化。 当向体系中通入氮气后, 金簇最大发射波长处荧光强度随照射时间的变化明显变慢, 说明金簇表面基团与溶液中溶解氧发生了反应, 导致金簇表面电荷及修饰试剂状态发生变化, 从而导致金簇荧光产生猝灭。 相关研究结果对于金纳米团簇在生命科学及分析化学等领域的进一步应用具有一定的参考价值。

打印机色彩特性化是打印色彩管理技术的关键。 打印机特性化模型修正, 是指针对因打印介质及墨盒更换等原因而造成的特性化模型精度下降问题, 借助特定修正样本实现原始模型精度校正的过程。 为进一步提高此类修正方法的建模精度与效率, 提出了一种基于墨量限制样本的打印机光谱特性化修正方法, 该方法充分利用新介质墨量限制过程所制备的墨量限制样本, 在无需额外修正样本的条件下, 实现了原始特性化模型的有效修正。 研究以三类不同类型打印介质为例, 以现有典型特性化模型修正方法为对照, 通过实验对本文方法的有效性进行了验证。 结果显示, 该方法相较现有方法展现出更为优异的修正效果, 在无需额外修正样本的条件下, 其光谱修正精度可提升15%～20%, 色度修正精度可提升10%～20%, 实现了修正精度与效率的同步优化。

基于富T碱基序列能特异性识别Hg2+、 氧化石墨烯(GO)对单链DNA(ssDNA)和T-Hg2+-T复合物的亲和力不同以及GO自身具有的模拟酶催化性能, 构建了一种可视化检测水样中痕量Hg2+的新方法。 在pH 4.0的NaAc-HAc缓冲溶液中, 通过π—π堆积作用力, ssDNA可以吸附在GO表面, 致使GO的类过氧化物酶活性减弱, 从而催化H2O2氧化3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)产生的蓝色产物减少, 体系位于波长652 nm处的吸光度值降低; 当待测体系中存在Hg2+时, ssDNA上的胸腺嘧啶碱基(T)与Hg2+发生特异性结合作用, 形成T-Hg2+-似双链结构的稳定复合物, 该复合物与GO的作用力较弱, 不易吸附于其表面, 因此不影响GO的模拟酶活性, 体系吸光度值增强。 在一定条件下Hg2+浓度越大, 覆盖在GO表面的ssDNA越少, 体系吸光度越强, 据此建立检测Hg2+的新方法。 当汞离子浓度在3.26×10-8~9.0×10-7 mol·L-1范围内时, 体系的ΔA值与汞离子浓度呈现良好的线性关系。 其线性方程为ΔA=41.75c(nmol·L-1)+0.048 7, 相关系数r=0.997 3, 检出限为9.79×10-9mol·L-1。 该方法简单、 直观, 抗干扰能力强、 无需昂贵仪器设备, 可用于检测环境水样中Hg2+的含量。

二氧化铈(CeO2)具有储量丰富, 价格低廉, 催化性能优异等特性而得到广泛应用。 通过在其晶格中掺杂其他离子制得CeO2固溶体, 可以进一步调控CeO2的晶格大小, 增加晶格缺陷浓度, 从而有效提高催化性能。 目前研究较多的掺杂离子多为金属阳离子, 而对非金属阴离子掺杂的研究尚有待深入探索。 本文以CO(NH2)2为N源, 采用水热法合成不同N掺杂浓度的纳米CeO2-xNx固溶体(x=0.00, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20), 系统对固溶体的微观结构及光谱特征进行表征。 X射线衍射(XRD)结果表明, 所有掺杂浓度的CeO2-xNx固溶体均呈萤石立方单相结构。 与纯CeO2相比, N含量为0.05时样品的晶胞参数显著增大, 而随掺杂浓度的进一步增加, 晶胞参数又呈现出逐渐减小的趋势。 拉曼(Raman)测试表明, N掺杂样品的F2g振动模式峰向高波数移动, 其原因是由于当N3-取代部分O2-后, Ce4+周围出现Ce—N键, Ce—N键长因静电引力变强而缩短, 从而引起峰位的移动。 通过紫外可见吸收光谱(UV-Vis)分析掺杂所引起样品电子跃迁状态的改变, 发现N元素的掺杂使CeO2在可见光区域具有了吸光性能, CeO2-xNx固溶体的能隙明显减小, 这是由于N(2p)与O(2p)的电子轨道发生交互作用而形成中间能级, 使得电子跃迁所需能量降低, 从而引起能隙的红移。 荧光光谱(PL)测试表明, 发射峰强度随N掺杂浓度的增大而增大, 其原因一方面是由于N掺杂会引起晶格缺陷及氧空位比例的提升, 发生带间跃迁的几率变大, 进而提高发射峰的相对强度; 另一方面, N的掺杂在价带O(2p)与导带Ce(4f)间形成中间能带, 同样会导致发射峰变强。 为表征纳米固溶体的催化特性, 分别选取N掺杂量最小的CeO1.95N0.05与N掺杂量最高的CeO1.80N0.20以及纯CeO2作为典型催化剂, 采用球磨法制备Mg2Ni/Ni/CeO2-xNx复合材料, 系统分析了复合材料电极的储氢动力学性能。 交流阻抗(EIS)测试发现, 催化剂可以有效提高储氢合金的表面电荷转移活性, N掺杂量越高, CeO2基固溶体的催化活性越强; 动电位极化曲线测试表明, 掺杂催化剂也能显著提高H原子在合金内部的扩散速率, 且CeO1.95N0.05较CeO1.80N0.20具有更好的催化活性。 催化机理主要从催化剂的微观结构及光谱特征进行分析, 如前所述, 随着N含量的提高, CeO2固溶体晶格中的氧空位比例增大, 晶格畸变程度提高, N的掺杂还使固溶体的电子跃迁能隙降低, 从而有利于电子在合金表面的迁移; 同时, 纳米材料的晶粒尺寸越小, 表明晶粒表面缺陷比例越大, 说明催化剂的活性增强, 因此表现为N掺杂浓度越高, 复合材料电极交流阻抗弧半径的越小, 即CeO1.80N0.20可以更加有效提高复合材料的表面活性; 另一方面, 若催化剂的晶胞体积增大, 可使H原子在穿过材料表面的传输过程中具有更大的空间, 由于CeO1.95N0.05的晶胞参数大于CeO1.80N0.20催化剂, 故H原子通过催化剂进入合金内部的传输更加容易。 H原子在合金内部的扩散速率与催化剂的晶胞参数或晶胞体积的大小密切相关。

截止目前, 多国相关颜色科学工作者已累计提出了40多个色差公式, 但是目前所有的色差公式的相关使用, 都只能限定在CIE给定的观测条件。 固态照明作为近些年光源研究的重点方向, 相关的研究如基于LED照明条件的色差研究仍未展开。 该研究遵循CIE的色差研究指导原则, 首先选取CIE推荐的17种颜色中心中的五种颜色, 制成实验色块样张, 分别以U30, TL84和D65光源为参考光源, 以LED灯泡为实验光源。 选用CIE1976LUV色差公式、 CIE1976LAB色差公式、 CIEDE2000色差公式分别对打印色块进行理论色差值的计算。 然后采用20名观察者, 通过心理物理学的视觉评价实验对打印色样进行主观色差评价, 最后通过标准化残差平方和(STRESS)将客观计算值与主观评价数据进行对比分析。 发现实验中选用的三种色差公式在LED照明条件下的色差预测性能均不是很理想。 相比而言, 在LED照明条件下, CIE1976LUV公式的预测性能相对要好, CIEDE2000公式次之, CIE1976LAB公式最差。

近红外光密度差异法检测创伤性硬膜血肿具有快速、 无创等优点, 是近几年组织光学的研究热点, 在急救临床上有着重要应用。 为了进一步提高对颅脑外伤患者血肿程度的检测精度, 采用多通道差分吸光度方法获得头部左右对称吸光度数据, 即利用与近红外光源距离不同的5个检测器采集颅脑对称位置的光密度信息, 计算对称位置的差分吸光度, 利用偏最小二乘法建立脑部光学吸收系数与差分吸光度数据之间的校正模型, 实现对颅内硬膜血肿程度的预测。 可以检测具有不同头皮颅骨厚度患者是否出现硬膜血肿, 也可预测脑血肿程度。 模型仿真预测结果显示, 所建立预测模型对硬膜血肿部分的光学吸收系数预测平均相对误差为11.16%, 对血肿发生深度预测平均相对误差小于1%, 基本满足创伤性硬膜血肿程度的无创检测需求。 将多通道差分吸光度法引入到脑部血肿近红外光谱无创检测中来, 可以明显消除个体差异对检测结果的影响, 有效提高脑血肿检测精度, 并能实现对患者脑血肿程度的预测, 该方法为近红外光谱脑部检测研究提供了新的思路和重要参考。

在基于可见-近红外反射光谱的土壤养分速测技术中, 不同类型土壤间的模型转移是目前亟需解决的关键问题和难点。 以土壤全氮为研究对象, 探讨了两种不同土壤间的模型传递方法及其效果。 以青岛李村河畔土壤为主样品, 通过分段直接矫正结合斜率/截距修正(PDS-S/B)、 分段直接矫正结合线性插值(PDS-LI)、 典型相关性分析结合斜率/截距修正(CCA-S/B)、 典型相关性分析结合线性插值(CCA-LI)、 直接矫正结合斜率/截距修正(DS-S/B)、 直接矫正结合线性插值(DS-LI)等算法, 进行模型转移, 实现对青岛浮山山麓土壤全氮含量不同程度的预测。 其中, PDS-S/B的模型转移效果最好, 均方根误差、 平均相对误差、 最大相对误差均最小, 分别为0.04, 6.6%, 19.0%。 主、 从样品经遗传算法提取特征变量后再进行模型转移, 相比无任何前处理的模型转移, 均有不同程度的提高, 其中LI相关的模型转移方法比S/B相关的方法提高的程度更大。 研究了不同样品在同一仪器、 相同测试环境下的土壤养分的模型传递问题, 初步探讨了同一仪器共享一个土壤养分光谱模型的可能性, 这将从根本上提高速测效率, 有利于光谱技术在土壤养分速测中的推广应用。

对马铃薯关键生育期的高光谱遥感图像进行特征提取和分析, 提出了一种快速区分不同马铃薯品种的方法。 以两个早熟和中熟马铃薯品种为研究对象, 采集其块茎形成期、 块茎膨大期和淀粉积累期的冠层反射光谱曲线, 对实测反射光谱曲线进行Savitzky-Golay滤波平滑和一阶微分处理, 以高光谱位置参数、 振幅参数、 面积参数、 宽度参数和反射率参数为研究指标, 根据21个高光谱特征参数的贡献率大小, 评价了其区分不同马铃薯品种的优劣。 结果表明: (1)同一类高光谱特征参数在不同生育期区分马铃薯品种的能力不同: 高光谱位置参数、 宽度参数和反射率参数在块茎膨大期区分不同马铃薯品种的能力最强, 淀粉积累期次之; 高光谱振幅参数和面积参数在淀粉积累期的区分能力最强, 块茎膨大期次之, 五类高光谱特征参数在块茎形成期的区分能力均最差。 (2)同一生育期5类高光谱特征参数区分马铃薯品种的能力也存在差异。 在块茎形成期, 五类高光谱特征参数的区分能力从强到弱依次为: 反射率参数>振幅参数>面积参数>宽度参数>位置参数; 在块茎膨大期和淀粉积累期, 从强到弱依次为: 面积参数>振幅参数>反射率参数>宽度参数>位置参数。 综合能力从强到弱依次为: 面积参数>振幅参数>反射率参数>宽度参数>位置参数。

氮素与作物的生长发育、 产量和品质密切相关。 作物冠层氮素含量的快速、 准确、 无损检测对于作物营养诊断和长势评估具有重要意义。 传统的氮素检测方法检测周期长、 操作复杂, 同时具有破坏性, 无法实现作物氮素含量在时间和空间上的连续动态监测。 基于光谱遥感技术快速、 无损地获取作物氮素含量是近年来作物组分快速检测研究的热点。 当前的研究大多基于原始光谱或整数阶微分(一阶、 二阶)预处理后的光谱进行氮素含量预测, 原始光谱或整数阶微分预处理后的光谱会忽略光谱曲线间的渐变信息, 影响氮素含量的预测准确度。 与原始光谱和整数阶微分方法相比, 分数阶微分算法在背景噪声去除、 有效信息提取等方面较有优势。 为研究分数阶微分预处理算法在作物氮素检测中的应用, 本文以不同施肥处理下的盆栽大豆作物为研究对象, 获取大豆苗期、 花期、 结荚期和鼓粒期四个生育期共256组冠层高光谱及对应的大豆冠层氮素含量(CNC)数据, 运用分数阶微分算法对光谱数据进行0～2阶微分预处理, 微分间隔为0.1, 分别采用归一化光谱植被指数NDSI、 比值光谱指数RSI对预处理后的光谱数据和大豆冠层氮素含量数据进行相关性分析, 得到各阶微分预处理下NDSIα(α代表分数阶微分阶数)与大豆CNC, RSIα与大豆CNC相关系数绝对值的最大值及其对应的波段组合——最优波段组合NDSIα(opt)和RSIα(opt), 采用线性回归方法, 建立各阶微分下NDSIα(opt)与CNC, RSIα(opt)与CNC的预测模型, 并与常用植被指数(VOGII, MTCI, DCNI, NDRE)建立的氮素含量预测模型进行比较, 研究分数阶微分算法对大豆作物冠层氮素含量预测模型的效果。 结果表明: (1)在0～2阶微分范围内, 最优波段组合NDSIα(opt), RSIα(opt)与大豆CNC的相关系数随阶数增加呈现先升高后下降趋势。 其中, 0.8阶微分下NDSI0.8(R725, R769)与大豆CNC的相关系数最大, 为0.875 9; 0.7阶微分下RSI0.7(R548, R767)与大豆CNC的相关系数最大, 为0.865 1; (2)分数阶微分预处理能够细化光谱数据中的有效信息, 增强光谱数据对冠层氮素含量的敏感性, 尤其是增强红边平台波段与氮素含量的正相关性及绿波段与氮含量的负相关性; (3)与整数阶微分、 常用植被指数相比, 分数阶微分能够提高大豆CNC预测模型的准确性。 其中, 基于0.7阶微分RSI0.7(R548, R767)建立的大豆CNC预测模型与0阶微分RSI0(R725, R769)相比建模集决定系数(R2C)和预测集决定系数(R2P)分别提高了0.061 9和0.016 6, 建模集均方根误差(RMSEC)和预测集均方根误差(RMSEP)分别降低了0.552 5和0.180 9, 预测相对偏差(RPD)提高了0.110 4。 基于0.7阶微分RSI0.7(R548, R767)建立的大豆CNC预测模型与VOG II相比R2C和R2P分别提高了0.086 6和0.025 5, RMSEC和RMSEP分别降低了0.757 5和0.248 3, RPD提高了0.146 88; (4)基于0.7阶微分比值光谱指数RSI(R548, R767)建立的大豆LNC预测模型较优, 其R2C为0.748 4, R2P为0.800 3, RMSEC为4.752 9, RMSEP为3.511 1, RPD为2.253 7, 能够较好的估测大豆冠层氮素含量。 研究表明分数阶微分算法在大豆冠层氮素含量的定量预测中具有一定的优势, 为光谱遥感技术在作物氮营养检测中的应用开拓了新的思路。

在我国实施“马铃薯主粮化”战略的背景下, 加强马铃薯相关的研究显得十分有意义。 比较和分析不同马铃薯品种不同时期的光谱差异性, 旨在为马铃薯品种鉴定、 马铃薯与其他作物的区分、 马铃薯空间分布提取、 马铃薯病虫害监测、 马铃薯受各种胁迫的影响以及各种作物识别研究等提供理论和技术支持, 也为作物高光谱相关研究提供新思路。 对在吉林地区大田试验获取的马铃薯早熟品种费乌瑞它和中晚熟品种延薯4号结薯期和块茎膨大期等关键生育期的样品的冠层高光谱反射率数据, 首先利用Savitzky-Golay平滑滤波进行去噪声处理, 获取其连续统去除光谱并提取出最大吸收深度、 总面积、 左面积、 右面积、 对称度、 面积归一化最大吸收深度6个特征参数。 同时对滤波后的光谱反射率数据和连续统去除光谱反射率数据进行一阶微分处理。 在对不同马铃薯品种这两种光谱反射率曲线对比分析的基础上构建反射率差异性指数、 一阶导数差异性指数、 连续统去除光谱特征参数差异性指数共3类8种差异性指数作为评价指标。 其中反射率差异性指数和一阶导数差异性指数研究“绿峰”550 nm, “红谷”670 nm以及可见光-近红外平台760 nm附近的波段。 利用这些差异性指数定量地分析了不同马铃薯品种高光谱差异性。 将连续统去除法应用到植物高光谱差异性分析中来, 并且深入到不同马铃薯品种以及其不同生育时期。 构建的差异性指数取得了很好的评价效果, 结果表明: (1)相比反射率差异性指数和最大吸收深度差异性指数, 一阶导数差异性指数、 总面积差异性指数、 左面积差异性指数、 右面积差异性指数、 对称度差异性指数和归一化差异性指数都可以很好地描述不同马铃薯品种的高光谱差异性, 连续统去除光谱局部放大了两个不同马铃薯品种的高光谱差异; (2)滤波光谱和连续统去除光谱反射率差异性最大的波长位置和时间都相同, 均处于8月16日波长671.24 nm处; 最大吸收深度差异性指数值最大仅为0.01; 滤波光谱一阶导数差异性指数值在6月24日波长673.55 nm处最大达到0.977, 连续统去除光谱一阶导数差异性指数在6月24日波长759.74 nm处最大达47.87, 在不同马铃薯品种光谱差异性分析中作用最为明显; 总面积差异性指数值、 右面积差异性指数值、 对称度差异性指数值和归一化差异性指数值均在6月24日最大, 最大值分别为0.13, 0.214, 0.205和0.113, 左面积差异性指数值在7月24日最大, 为0.199; (3)根据所构建的差异性指数定量评价结果综合推测可知, 两个不同马铃薯品种高光谱差异最大的时期处于早熟品种费乌瑞它结薯期的中晚期, 中晚熟品种延薯4号结薯期的初期。

尽管纯矿物的反射光谱特征分析与数据库建设工作已经开展, 但土壤中各原生矿物、 粘土矿物的测试主要是定性的, 即能测定土壤中含有何种矿物, 但难以测定准确的矿物组分含量。 土壤矿物是土壤学与地质学的交叉点, 易被忽视, 特别是已有研究忽略了土壤矿物对土壤反射光谱曲线的影响。 探讨了土壤矿物在可见光-近红外光谱部分(400~2 500 nm)对土壤反射光谱特征的影响, 明确影响土壤反射光谱特征的主要机理。 土壤样本于2014年采集于松嫩平原黑龙江部分, 包括4个土类和7个土属, 共54个土壤样本。 土壤样本通过研磨、 过筛后, 在室内暗室中测得反射光谱数据, 土壤矿物的反射光谱数据在2017美国地质调查局(USGS)最新矿物光谱库Spectral Library Version 7中获得, 对反射光谱数据进行九点平滑、 10 nm重采样和去包络线处理。 土壤矿物含量测试采用荷兰Philip X’ Pert Pro 型X射线衍射仪分析样品的矿物组成, 测试了土壤中石英、 长石、 方解石和闪石等原生矿物和蒙脱石、 伊利石和高岭石等粘土矿物的含量。 首先分析7个土属的反射光谱特征, 明确每个土属反射光谱曲线的形状特征和吸收位置, 其次分析土属的矿物含量情况, 找出不同土属各矿物含量的共性和差异; 再次分析不同粘土矿物和原生矿物的反射光谱特征, 确定不同土壤矿物反射光谱曲线的形状特征和特征吸收的位置; 最后将不同土属的反射光谱特征、 不同土属的矿物含量情况和土壤矿物的反射光谱特征结合, 得到如下结论: (1)土壤矿物决定了土壤反射光谱的骨架特征, 土壤矿物对土属的反射光谱影响最明显, 由于土类存在多种反射光谱特征, 土壤矿物对土类的影响不明显。 (2)粘土矿物对土壤反射光谱特征的影响大于原生矿物, 主要受蒙脱石和伊利石等粘土矿物的影响, 但砂性土受部分原生矿物的影响, 主要是长石类矿物和高岭石的影响。 (3)蒙脱石和伊利石分别决定土壤反射光谱的第一个吸收谷和第二个吸收谷特征, 高岭石决定1 400和1 900 nm前的两个小吸收谷特征, 钾长石和钠长石决定了砂性土的前两个吸收谷特征。 (4)蒙脱石含量足够高时, 会完全掩盖高岭石和长石类的反射光谱特征, 部分掩盖伊利石的反射光谱特征; 随着蒙脱石含量降低, 伊利石的反射光谱特征逐渐体现; 蒙脱石和伊利石的含量降到很低时, 高岭石和长石类矿物的反射光谱特征逐渐体现出来。 研究结果揭示了不同土属反射光谱特征差异的原因, 可以为土壤反射光谱分类、 土壤精细制图和基于高光谱图像的矿物分布研究等提供理论依据。

土壤是人类生存环境的重要载体, 因此, 土壤重金属污染问题一直备受关注。 随着遥感技术的发展, 高光谱遥感在土壤重金属研究中取得了大量的成果, 但是, 基本上是根据土壤中有机质、 铁、 粘土矿物等的光谱吸收特征和反演土壤中重金属含量, 而不能够区分土壤重金属污染光谱之间的微弱差异。 通过盆栽土壤不同浓度铜(Cu)、 铅(Pb)污染实验得到不同浓度Cu和Pb污染下盆栽土壤光谱曲线、 土壤含水率和有机质含量, 提出了一种光谱二阶差分Gabor展开方法探测不同浓度Cu和Pb污染下土壤光谱曲线之间的微弱差异。 以二阶差分为基础, 首先将土壤光谱转换为稀疏光谱, 然后结合土壤稀疏光谱与Gabor展开理论, 在频率域中检测不同浓度土壤重金属污染光谱之间的微弱差异, 因此, 摆脱了单纯通过土壤光谱反射率信息反演土壤重金属含量的研究, 而是对土壤重金属污染光谱信息进行时频分析, 最终达到检测土壤重金属污染瞬时光谱存在的目的。 结果表明: 受Cu和Pb污染的盆栽土壤光谱二阶差分Gabor展开系数尺度及等高线分布有较大的差异, Cu污染的盆栽土壤光谱二阶差分Gabor展开系数尺度分布存在两个较高的峰值, 且等高线在第1 800~3 600项之间稀疏分布, Pb污染的盆栽土壤光谱二阶差分Gabor展开系数尺度分布存在一个较高的峰值, 且等高线在第3 200~3 600项之间密集分布; 二阶差分Gabor展开法检测的土壤Cu和Pb污染结果与土壤Cu和Pb含量、 土壤含水率、 土壤有机质是密切相关的, 由于土壤Cu和Pb含量、 有机质含量、 含水率的不同, 土壤Cu和Pb污染二阶差分Gabor展开光谱尺度分布而不同。 根据相关性分析结果, 分别将土壤Cu和Pb污染划分为三组: Cu(50)~Cu(300), Cu(400)~Cu(800), Cu(1 000)以上; Pb(50)以下, Pb(100)~Pb(300), Pb(400)~Pb(1 200)。

针对土壤Cd高光谱遥感反演精度低、 特征波段难以有效识别的问题, 以湖南省某典型重金属污染矿区为例, 开展类标准化Cd污染土壤样品和自然污染土壤样品Cd含量高光谱定量反演对比研究。 创新之处主要在于以相对清洁的背景土壤作为内控样本, 通过实验室定量添加Cd标准溶液制备符合自然污染规律的类标准化Cd污染土壤样品方案的提出与对比实验的开展, 研究实验过程还包括自然污染土壤样品野外采集, 类标准化样品与自然样品土壤重金属、 有机质含量及350～2 500 nm光谱反射率等的测定, 光谱全要素主成分逐步回归土壤Cd含量反演建模。 研究发现, 类标准化土壤样品Cd含量高光谱反演模型精度(adjR2=0.87)明显高于野外自然污染土壤样品Cd含量高光谱反演建模结果(adjR2=0.39)。 土壤Cd含量与土壤光谱反射率间确实存在一定的响应关系, 但各光谱波段对土壤Cd含量及其变化产生响应的程度存在差异, 其中1 000, 2 000以及2 300 nm波段光谱响应信号较强。 该研究创新引入的类标准化Cd污染土壤样品制备方法有助于深入探索重金属Cd污染土壤光谱特征响应规律并发现重金属Cd含量及其变化的真正指示性特征波段, 可为多要素混淆污染模式下模拟反演土壤重金属含量提供先验知识。

分别采用X射线荧光光谱无标样全定量分析法(XRF)和微波消解/电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)对铁陨石和石陨石样品进行了元素分析。 XRF法检测陨石样品中的常量元素, ICP-MS检测陨石中的微量元素。 实验结果表明: XRF法可以检测出陨石样品中含量在10 μg·g-1以上的所有金属和非金属元素, 得出两类陨石中共同含有的6种常量元素是Fe, Mg, Si, Na, Al和Ca。 不同地区的铁陨石中均含有大量的Fe, 石陨石中含有大量的Si。 ICP-MS法检测陨石中的24种元素, 选出共同存在的9种元素V, Ni, Mo, Ag, Sn, La, Gd, Hg和Pb进行对比分析, 得出铁陨石中的重金属元素和稀土元素的含量远高于石陨石。 所有的铁陨石样品中Sn元素的含量大约是石陨石的10～25倍, 铁陨石中稀土元素La和Gd的含量大约是石陨石的6倍, 新疆的5A号和6A号铁陨石中Pb的含量比来自山东的铁陨石(1A, 2A, 3A, 4A)多5～13倍, 来自内蒙古的石陨石(9B, 10B)比来自新疆的石陨石(7B, 8B)多了三种元素La, Mo和Gd。

以轻质溶剂辛醇为萃取剂, 建立了分散液液微萃取-石墨炉原子吸收光谱分析法(LDS-DLLME-GFAAS), 并应用于生活用水中痕量Pb及Cd的测定。 在分散液液微萃取(DLLME)中, 以二乙基二硫代氨基甲酸盐(DDTC)为螯合剂, 用微量注射器将辛醇和甲醇的混合溶液快速注入到样品溶液中发生雾化分散现象, Pb2+和Cd2+与DDTC的络合物被萃取到辛醇微滴中。 离心分离后, 以GFAAS测定萃取至上层辛醇相中的分析物。 实验考察了萃取剂种类和体积、 分散剂种类和体积、 pH、 DDTC浓度、 萃取时间等影响萃取效率的实验参数。 在最优实验条件下, Pb和Cd的检出限分别为0.15和0.03 μg·L-1, 富集倍数分别为87和48, 具有良好的线性和精密度。 该分析方法优势在于操作简便, 快速, 低成本, 高富集倍数, 萃取剂用量少, 已成功应用于自来水、 饮用水和南湖水中痕量Pb和Cd的检测。

作为对天文光谱进行观测的仪器, 成像光谱仪有着十分重要的作用。 由于传统的狭缝型成像光谱仪的狭缝限制, 对面源天体的观测需多次扫面, 才能获得完整的面源三维数据立方体(x, y; λ), 这样将会浪费大量的观测时间。 为了实现目标物体三维数据立方体的快速扫描, 提出了一种基于微透镜阵列的无狭缝、 静态化、 快速高效的可见光到近红外波段积分视场成像光谱仪结构, 并对其基本工作原理进行分析。 为了扩展微透镜阵列积分视场成像光谱仪在医学、 农业、 物探等其他领域的应用潜能, 该研究的光谱波段选择可见光到近红外波段。 根据视场积分的工作原理, 分析和设计了像方远心结构的离轴三反前置成像系统。 系统采用视场离轴方式, 波段范围400～900 nm, 相对口径F/5, 主镜、 次镜和三镜皆为二次非球面, 二次非球面系数分别为: -7.05, -0.92和-1.61。 为减小系统体积, 在离轴三反系统的焦平面附近放置反射镜。 系统在奈奎斯特空间频率60 lp·mm-1处, 调制传递函数大于0.75, 成像质量接近衍射极限, 满足系统要求。

首先从理论上计算出了染料(DCM)掺杂液晶激光器的泵浦阈值能量为9.2×10-7 J, 从而选定了最适合的泵浦光源, 并在此基础上设计了相应的泵浦光路。 通过检测输出激光的光强和波长, 从光栅周期、 外加电场两个方面着手对激光器的输出光谱进行了特性研究, 结果表明, 通过改变光栅周期就可以实现出射激光波长在100 nm范围内(585～685 nm)的调谐, 符合理论计算值。 与此同时, 通过施加外加电场也可以实现出射波长的调谐, 虽然调谐范围较小, 但是也实现了输出激光强度的调谐, 强度调谐幅度高达90.2%。 染料掺杂液晶激光器的波长和光强双向可调谐特性, 大大拓展了其在全光网络通信的应用前景。 但是, 当电场从0 V·μm-1增加到20 V·μm-1时, 出射激光的线宽也从0.4 nm增加到了1.5 nm, 在激光器的可调谐应用中也应注意线宽的变化。

OH自由基是中高层大气中重要的氧化剂, 决定着臭氧以及其他温室气体的浓度变化, 甚至气候变化。 为了实现中高层大气OH自由基的精细探测与精确反演, 需要构造正演模型, 模拟得到仪器接收到的大气中的Ａ２Σ＋－Ｘ２Π(０, ０) 309 nm波段的太阳共振荧光发射信号。 本文基于分子光谱能级跃迁理论计算得到OH(0,0)振动能级上的荧光发射率因子g, 结合辐射传输模型SCIATRAN模拟出的太阳辐照度和观测视线路径上的OH柱量, 模拟出OH荧光发射光谱, 叠加上大气背景光谱并卷积仪器函数, 最终模拟得到仪器接收的包含OH浓度信息的光谱。 模拟结果与国外在轨仪器MAHRSI(Middle Atmosphere High-Resolution Spectrograph Investigation), SHIMMER(Spatial Heterodyne Imager for Mesospheric Radicals)的在轨实测结果一致性较好。 还分析了影响模拟结果的因素, 在之后的正演过程中加以修正, 使正演模型更接近实际辐射传输过程。

进行了天然气组成分析-激光拉曼光谱法标准化研究, 探讨了激光拉曼天然气组成分析方法标准化的可行性。 采用激光拉曼光谱进行天然气组成分析, 无需将天然气中各组分分离便可实现多组分同步检测, 减少分析时长, 提高测量的实时性, 实现快速分析, 通过国内外激光拉曼天然气分析方法和标准的研究和实验, 掌握了国内外激光拉曼天然气分析方法技术现状及发展方向, 积累了激光拉曼天然气分析试验数据, 结果表明激光拉曼天然气分析具有可快速检测(10 s)、 连续记录和操作简单的优点, 适用于天然气录井、 井站、 集气站原料气气质分析和天然气净化处理中过程控制中实时快速获取气质数据, 建议制定激光拉曼光谱天然气分析方法标准, 测量组分为CO2, N2, H2S, CH4, C2H6, C3H8, 测量范围分别为: CH4: 75%~99.9%, C2H6: 0.005%~20%, C3H8: 0.005%~10%, H2S: 0.001 5%~10%, N2: 0.02%~10%, CO2: 0.01%~10%(上述浓度均为摩尔分数), 为上游领域天然气勘探开发及过程控制服务。

由条形柄锈菌引起的小麦条锈病是一种世界性范围内普遍流行的重大病害, 实现其早期检测对病害的有效防控与小麦的安全生产具有重要意义。 旨在实验室环境下分析小麦接种条锈病菌后16天的热红外图像与叶片温度变化, 研究热红外成像技术用于小麦条锈病早期检测的可行性。 实验发现, 随着接种天数的增加, 接种病害的小麦植株较健康小麦, 叶片的平均温度会逐渐降低, 叶片间的最大温差会不断加大。 接种后第6天, 热红外成像技术可观测到小麦条锈病病斑, 较肉眼观察提前了4天。 接种后第16天, 接种叶片的平均温度比健康叶片低2.5 ℃, 最大温差比健康叶片高2.28 ℃。 同时, 通过对健康、 发病以及潜伏期的小麦叶片的显微结构分析, 发现条锈病孢子入侵叶片, 使细胞结构破环, 气孔导度增大, 蒸腾作用加剧, 从而导致叶片表面温度降低。 可见, 热红外成像技术可以对小麦条锈病进行早期检测。

在颜色测量领域区分相似颜色的样品是非常困难的。 测量颜色的准确性和高效性对于工业上的应用非常重要。 提出了一种基于超光谱成像技术的色彩测量的方法, 并设计制成原理样机系统。 该系统能够快速准确的测量彩色样品的光谱, 并在分析后可得丰富的颜色数据与颜色坐标。 该方法克服了传统测色方法“测谱不成像, 成像不测谱”的局限性。 为了评估系统的性能, 进行分析和实验: 比较细分的每个波段的信噪比, 并使用光谱匹配技术来比较彩色照相机和所设计的系统在颜色测量方面的优缺点。 结果表明, 本系统提供了一种更精确的颜色测量方法, 可以有效地测试产品颜色的质量。

无论是多角度遥感的发展、 还是偏振、 高光谱遥感的发展, 它们有一个相同的目的, 即利用电磁波的种种特性、 以及空间特性来对地球表面的一切地物进行精确的识别。 任何单一的方法和手段不可能完整地描述和反映地物的所有特征。 偏振测量是目标测量识别技术中不可缺少的技术之一, 并且成为近年来全世界目标识别领域中的研究热点。 由于定量遥感的反射强度对植被遥感的影响不可忽视, 反射辐射信号呈现饱和或过弱都不能被检测到。 而偏振是植被定量遥感的重要手段, 因而有必要开发一种克服由反射强度强弱引起的植被反演误差的方法, 这也是我们目前的研究目标。 如果反射的辐射信号太强或太弱, 都会影响遥感的准确性, 而来自植被的偏振光可以提供有用的信息, 特别是当反射的辐射信号饱和时, 使得传感器不能获得足够有用的非偏振信息。 本研究采用基于地面的偏振成像光谱仪系统, 开发了一种偏振方法来克服反射强度过强过弱引起的植被反演误差。 利用FISS-P偏振成像光谱仪系统研究了反射强度对遥感植被NDVI和DoLP效用的影响, 实验地点在北京市中国科学院奥林匹克科技园。 在对目标采样时对反射率强, 反射率弱以及反射率适中的植被分别测量, 同时对目标植被的不同波段(470, 555, 670, 864 nm)的DoLP进行计算与分析。 地基成像光谱仪系统(FISS-P)提供了具有偏振信息的高空间分辨率图像, 我们可以确定在阴影和强反射区域中单个像素的光谱偏振特性。 在成像光谱信息的基础上, 利用光的偏振性来对地物的物理特性进行分析。 本文使用斯托克斯分量来表征反射光的各个偏振分量, 使用线偏振度(DoLP)表征反射光偏振程度。 信号饱和度和阴影效应导致归一化植被指数(NDVI)植被密集程度非常低, 造成严重的反演误差, 然而强反射对线偏振度(DoLP)的影响不大。 研究结果表明, 反射辐射信号饱和时, 偏振效应可以通过适当的频带提高植被的反演精度, 平均NDVI的相对误差为33.8％, 而DoLP(670 nm)的相对误差仅为6.3％, 而其他波段的DoLP(555 nm, 864 nm)的相对误差要大很多。 这项研究结果表明, 在植被识别时可以忽略强反射, 然而, 阴影(弱反射)效应是不容忽视的。 FISS-P偏振成像光谱仪是用于计算具有不同反射强度的样品类型的偏振和非偏振参数的有效工具, 同时发现在识别植被时, 强烈的反射可以忽略不计, 但是植被的阴影(弱反射)效应不容忽视。 与非偏振方法相比, 偏振效应可以提高反射辐射信号饱和时的植被反演精度。 这项研究分析了使用偏振法强弱反射强度引起的误差减少。 为了进一步揭示植被的阴影(弱反射)效应与DoLP之间的关系, 还有一些问题需要解决。