东南大学能源与环境学院, 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室, 江苏 南京 210096
可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术因其高灵敏度、 高选择性和快速响应的特点, 被广泛应用于痕量气体的检测与燃烧诊断研究。 基于谐波检测的波长调制光谱(WMS)方法具有高信噪比的优势, 是最常用的TDLAS气体传感方法之一。 近年来, 为了扩展WMS方法的适用范围, 减小光谱参数标定误差, 针对WMS方法免标定策略的研究逐渐成为热点。 传统的免标定WMS方法一般需要根据光谱数据库并结合激光调制参数进行复杂的吸收光谱模拟, 对先验光谱参数的准确度和硬件参数提出了很高的要求。 针对以上问题, 提出了一种基于二次-四次谐波联用的免标定波长调制激光吸收光谱方法, 可以实现气体参数的快速、 精确测量。 与传统免标定WMS方法相比, 新方法有以下特点和优势: (1)新方法基于Voigt线型导出, 可以适应于任意展宽条件下的测量; (2)新方法只需要利用二次谐波和四次谐波中心峰高参数的代数计算即可获得吸收谱线展宽、 积分吸收面积等关键光谱参数, 进而实现浓度、 温度等气体参数的测量; (3)新方法不需要进行运算量较大的谐波拟合以及高次谐波计算, 降低了对硬件系统的要求; (4)因为不需要扫描完整的吸收谱线形状, 解决了传统方法在高温高压下由于吸收谱线展宽变大而导致的谐波信号不完整问题; (5)新方法只需要利用光谱数据库中的吸收谱线强度和低状态能量等光谱参数, 而不需要利用自展宽系数、 温度指数、 其他组分碰撞展宽系数等先验参数, 降低了对光谱数据库的依赖性。 为了验证新方法的可行性, 在实验室环境搭建WMS测量系统, 选择CH4分子在6 046.95 cm-1附近的吸收谱线, 并利用二次与四次谐波峰值进行室温下CH4摩尔分数的测量实验。 实验结果表明, 在20 cm吸收光程长下, CH4摩尔分数测量的相对误差为1.19%, 系统的探测极限为4.28×10-6。
吸收光谱 波长调制 谐波检测 免标定 甲烷检测 Absorption spectroscopy Wavelength modulation Harmonic detection Calibration-free CH4 detection
东南大学能源与环境学院, 江苏 南京 210096
在波长调制激光吸收光谱(WMS)技术的测量过程中, 测量系统不可避免地会受到电路硬件噪声、机械振动噪声、环境噪声等干扰因素的影响。以CH4在6 046.95 cm-1附近的吸收谱线为例, 通过数值仿真方法定量研究了WMS技术的噪声响应特性。对不同信噪比下采用FFT滤波方法提取的归一化二次谐波信号的峰值变化进行了比较分析, 在此基础上就二次谐波峰值变化的标准差和相对误差与信号信噪比之间的关系进行建模, 得到了二者与信噪比之间的近似表达式, 拟合R2值分别为0.999 57、0.993 52。研究结果表明, 通过数据平均的方式无法从根本上消除噪声对WMS测量准确度的影响, 所建立的数学模型为噪声影响下的WMS测量结果的修正提供了思路。
波长调制 噪声 二次谐波 谐波峰值 近似表达式 wavelength modulation noise second harmonic harmonic peak value approximate expression
1 燕山大学电气工程学院, 河北省测试计量技术及仪器重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
2 燕山大学信息科学与工程学院, 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
肺炎支原体是造成人类呼吸系统疾病的主要原因。 临床中, 患者感染不同肺炎支原体症状极为相似, 很难根据症状判别肺炎支原体类型并对症给药。 因此, 准确判别肺炎支原体菌株类型对于发病机理和疾病流行病学研究以及临床精准治疗具有重要意义。 拉曼光谱具有快速、 高效、 无污染等优点, 在生物医学领域逐渐得到越来越多研究者们的关注。 一维卷积神经网络(1D-CNN)是一类包含卷积运算且具有深度结构的前反馈网络, 在语音信号和振动信号分析等方面取得成功应用。 提出一维卷积神经网络与拉曼光谱技术结合, 针对肺炎支原体主要基因型M129型和FH型样本的拉曼光谱数据集, 实现肺炎支原体菌株分类。 利用光谱数据增强方法扩充原光谱数据集作为模型输入, 训练一维卷积神经网络模型, 解决由于小样本导致卷积神经网络数据饥渴问题; 为了得到最好的肺炎支原体分类效果并加速学习过程, 优化模型结构并确定最佳模型参数; 拉曼光谱测量时常混有高斯噪声、 泊松噪声和乘性噪声, 为优化模型抗噪能力, 将原光谱分别叠加高斯噪声、 泊松噪声和乘性噪声, 训练一维卷积神经网络模型并和LDA, KNN和SVM等传统算法进行比较。 实验结果表明基于1D-CNN方法, 对于叠加高斯噪声的光谱数据所建模型分类正确率为98.0%, 叠加泊松噪声的光谱数据分类正确率为97.0%, 叠加乘性噪声的光谱数据分类正确率为97.0%, 分类正确率远高于基于LDA, KNN和SVM等传统算法所建模型分类正确率; 同时构造叠加5, 15, 25, 35, 45和55 dBW不同强度噪声的光谱数据集, 当噪声达到55 dBW时, 1D-CNN模型仍能取得92.5%的分类正确率。 因此, 一维卷积神经网络结合拉曼光谱技术应用于肺炎支原体菌株类型分类是可行的, 具有抗噪声能力强和分类正确率高的优点, 该研究为肺炎支原体肺炎快速诊断提供新思路。
肺炎支原体 拉曼光谱 定性分类 一维卷积神经网络 Mycoplasma pneumoniae Raman spectroscopy Qualitative classification One dimensional convolution neural network 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1439
东南大学能源与环境学院能源热转换及其过程测控教育部重点实验室， 江苏 南京 210096
提出一种基于二次谐波峰高-峰宽特征的免标定波长调制光谱方法，并给出任意调制系数下，考虑Voigt线型的光谱吸收率二次谐波峰高-峰宽解析表达式。与传统的谐波波形拟合方法相比，所提方法只需要进行一次滤波处理，对计算资源要求更低；不需要利用HITRAN 2020数据库中的碰撞加宽系数、温度依赖指数等光谱参数，理论上更加适用于复杂气体组分下的测量。在实验室搭建WMS测量系统开展室温下CH4摩尔分数的测量实验，实验结果表明，在20 cm光程下，当CH4摩尔分数大于2.08×10-3时，所提方法的测量相对偏差小于2%。
光谱学 吸收光谱 波长调制 免标定 快速算法 甲烷检测 光学学报
2022, 42(20): 2030001
1 燕山大学信息科学与工程学院, 河北省特种光纤与光纤传感重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
2 燕山大学电气工程学院, 河北省测试计量技术及仪器重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
毒死蜱作为一种广谱高效有机磷杀虫剂, 在农业等领域被广泛使用。 但是, 环境毒理学研究发现, 毒死蜱可直接施于土壤中, 与土壤颗粒牢固结合, 几乎不会迁移或挥发, 而且水溶性低, 容易造成药物残留, 影响着农副产品食用的安全性, 对生态环境具有潜在的危险性, 许多国家对毒死蜱在农产品中的残留量有严格的规定。 因此, 检测毒死蜱残留的生态风险问题是当务之急。 表面增强拉曼光谱(SERS)技术具有快捷、 高效、 灵敏度高等优势, 已经成为光谱检测领域的热点研究技术; 密度泛函理论被广泛用于分子结构与性质的理论模拟计算及光谱分析。 基于表面增强拉曼光谱和密度泛函理论对杀虫剂毒死蜱的拉曼和表面增强拉曼光谱进行理论研究。 首先, 利用GaussView5.0对毒死蜱分子及加入银团簇基底的分子结构进行构型。 其次, 对毒死蜱分子采用6-31G基组, 并基于密度泛函理论进行结构优化, 利用Gaussian09模拟计算出其拉曼及表面增强拉曼光谱, 并确定拉曼光谱和SERS光谱峰值归属。 最后, 从频移量角度分析银团簇Ag2和Ag3对毒死蜱拉曼光谱的增强效应, 并进行频移量大小对比。 研究发现, 在两种尺寸银团簇作用下, 拉曼光谱在326, 463, 741, 781, 1 068, 1 294, 1 435和1 602 cm-1波数处的特征峰强度均有明显的增强, 且随着银团簇结构尺寸增大, 拉曼信号增强效果更为明显; 在不同银团簇增强作用下, 一些特征峰发生偏移, 其频移量与银团簇结构相关联, 在Ag2和Ag3银团簇增强下, 表面增强拉曼光谱在463, 741~781 cm-1波数处均产生了较大的频移, 其余特征峰波数处频移量较小, 均在20 cm-1以下, 毒死蜱分子分别与Ag2和Ag3入侵后的表面增强拉曼光谱进行对比, 频移方向有很好的一致性。 该研究结果为表面增强拉曼光谱技术在农药残留检测领域的应用提供了理论依据。
拉曼光谱 表面增强拉曼光谱 密度泛函理论 银团簇 毒死蜱 Raman spectroscopy Surface-enhanced Raman spectrum Density functional theory Silver clusters Chlorpyrifos 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3462
东南大学能源与环境学院, 江苏 南京 210096
固定点波长调制光谱技术虽然具有时间分辨率高的优点,但随着激光器出光中心的波数漂移,气体浓度的测量会出现较大误差。为消除波数漂移对浓度测量的不利影响,本文提出了一种基于固定点波长调制光谱技术的气体浓度测量方法。引入一条带有封闭气池的参考光路,通过谐波高度来推算激光器出光中心的波数偏移量,使用循环迭代算法实现待测气体浓度的有效反演。搭建了一套基于固定点波长调制光谱技术的测量系统,通过改变激光器的工作温度来模拟波数漂移现象。选择CH4分子在6046.955 cm -1附近的吸收谱线进行浓度测量实验,结果显示:浓度测量的最大相对误差由90.510%降低至5.204%;对于低于70.000%的误差,修正后均可控制在2.000%以内。这说明所提方法能准确计算波数偏移量,提高气体浓度的测量精度,为使用固定点调制光谱技术实现快速场反演提供了技术保障。
光谱学 固定点波长调制光谱技术 波数漂移 参考光路 浓度测量 光学学报
2021, 41(23): 2330001
1 第四军医大学,西京医院心血管外科研究所,西安市,710032
2 第四军医大学,生物医学工程系物理学教研室
目的比较CO2激光环形连续吻合与缝线吻合血管的组织损伤程度及血管正常结构恢复速度.方法将 24只家兔的左右颈动脉切断后分别用 CO2激光环形连线吻合或缝线吻合,于吻合术后24h、 3d, 1、 2、 4和 8周分别取材进行血管吻合口的光镜和扫描电镜观察.结果激光吻合组,血管内膜损伤小,管壁各层次结构清晰,炎症反应轻;缝线吻合组,血管内膜损伤重,管壁各层次结构紊乱,有断裂损伤,炎症反应重.激光吻合组术后血管内皮细胞增生早,弹力纤维含量多,平滑肌细胞排列有序;缝线吻合组血管内皮细胞增生晚,缝线周围纤维组织增生明显,管壁有肉芽组织增生.结论用 CO2激光环形连续吻合小血管比用缝线吻合,血管组织损伤小,术后恢复快.
血管外科手术 组织病理学 激光
