近红外光谱谱线特性对物质浓度分析误差影响的研究

为解决近红外光谱法分析物质浓度过程中缺乏可测度分析而导致测量过程存在一定盲目性问题,研究在已知测量条件、样品种类、被测组分以及建模分析方法的条件下,利用近红外光谱谱线特性作为参数,在大量样品近红外光谱采集和标准法测得浓度数据等工作前,对被测物质浓度的分析误差做大致估算。经过大量尝试和试验提出等效信噪比（ESNR）和谱线重叠系数（OC）两个重要参数,其中ESNR反映待测组分吸光度占总吸光度的比重,而OC则反映待测组分近红外光谱曲线间的重叠程度。通过理论仿真得到光谱分析中用经典的偏最小二乘回归建立定量分析模型时谱线特性与物质浓度分析误差的关系,分别计算ESNR和OC与被测组分浓度分析误差（RMSE）的关系,并且研究两个谱线参数的独立性。利用理论分析得到结果对浓度为8%~12%乙醇水溶液进行可测度分析,并与近红外光谱法分析的实际结果进行比较。研究通过理论仿真得到使用光谱分析中经典的偏最小二乘回归建立定量分析模型时谱线特性与物质浓度分析误差的关系,其中ESNR与RMSE成反比关系,而OC与被测组分分析误差成非线性的单调关系,并且验证了ESNR和OC两个参数的独立性。通过理论计算和乙醇水溶液近红外光谱检测实验对等效信噪比和谱线重叠系数与光谱分析浓度误差的定量关系进行讨论,通过理论分析得到的乙醇浓度RMSE预估值为0.30%,近红外光谱分析实际RMSE为0.32%,相对误差6.67%,二者结果相符。实现了在测量条件、样品种类、被测组分以及建模分析方法已知的条件下基于近红外光谱分析的待测组分含量理论误差的定量计算和实验验证。该研究明确了对近红外光谱法分析物质浓度有明确定量关系的两个谱线参数,给出了使用光谱分析中经典的偏最小二乘回归建立定量分析模型时的分析误差经验曲线,以及利用曲线进行近红外光谱法待测组分浓度可测度分析方法。结果表明所提出的ESNR和OC两个谱线特性参数的有效性,以及分析误差预估方法的有效性。为近红外光谱法待测组分浓度定量分析提供了有效、快捷的预估方法,完善了近红外光谱法成分含量可测度分析理论,对近红外光谱法物质浓度定量分析研究具有一定指导意义。     

一种无校正集灰色体系光谱定量分析方法

在前人关于"分子光谱谱线近似满足高斯线型"的理论基础之上,根据混合物光谱与待测组分纯光谱,通过对光谱取对数、一阶导数,运用迭代逼近算法,提出了一种无校正集的灰色体系光谱定量分析方法。把残余光谱的对数——一阶导数曲线中直线范围之和最大作为混合物光谱中已知纯光谱成分完全剔除的标准,以此判断混合光谱中纯光谱的含量,该含量即为混合物中待测化合物的含量。对于该过程中的求导运算,以抑制导数运算对噪音的放大,提出并应用了一种新的近似导数方法,即用信号与正交多项式的卷积替代常规导数运算,效果良好。该定量分析方法具有无校正集、过程参数固定、无人为因素影响等优点。     

基于拉曼光谱解析的对二甲苯装置吸附塔循环液成分分析

采用拉曼光谱分析法实现PX(对二甲苯)装置中吸附塔循环液快速、准确的在线分析。由于循环液中各组分的拉曼谱峰相互重叠,且各组分的含量变化范围很大,需要收集大量的训练样本。为此,提出了基于拉曼光谱解析的循环液成分分析方法。首先,要获得循环液所含各组分纯物质的拉曼光谱,以及少量训练样本的拉曼光谱,对这些拉曼光谱进行基线扣除和均值归一化;其次,选取特征波段680～880 cm-1,对每一个训练样本预处理后的拉曼光谱在特征波段进行光谱分解,得到该训练样本中各组分的分解系数;然后,基于全部训练样本各组分的分解系数与对应的浓度数据,建立分解系数与浓度之间的定量分析模型。而对于某一测试样本,先获取其拉曼光谱,进行上述相同的光谱预处理,并在相同的特征波段基于纯组分的拉曼光谱对其进行谱分解,以获得该样本的光谱分解系数;再根据得到的分解系数和上述定量分析的模型,预测出该测试样本中各组分的含量。实验结果表明,一方面,由各纯组分混合得到的训练样本的拉曼光谱可以较精确地分解成各组分的拉曼光谱的线性加权和;另一方面,基于拉曼光谱分解系数建立的定量分析模型可以准确地预测出循环液中各组分的含量,对测试样本中甲苯、乙苯、对二甲苯、间二甲苯、邻二甲苯和对二乙基苯含量的标准预测误差分别为0.301%,0.088%,0.563%,0.384%,0.366%和0.536%。为PX装置中吸附塔循环液的在线分析提供了改进方法。     

中红外光谱结合向量夹角直接定量三氯蔗糖

多组分复杂体系的红外光谱由于成分多样、谱带严重重叠、背景干扰等导致谱图特征减弱,且体系中的红外光谱往往不是各组分光谱的简单叠加,需要借助于化学计量学技术以实现解析。基于朗伯-比尔定律（Lambert-Beer law）并且随着衰减全反射（ATR）技术取样普及,结合偏最小二乘回归法（PLS）、人工神经网络（artificial neural network, ANN）等化学计量法将数据进行累积、特征提取以及校正建模等工作解决红外光谱中严重重叠和非线性等问题,再采用二次测量定量分析已初步具有应用成效,而有效增强信息量表达,降低背景、噪声干扰,减少复杂的计算过程,进而保证定量分析结果的可靠性,则成为研究的主要方向。通过讨论光通道和背景对光谱强度变化的影响,结合向量角度转换提出一种新的近似线性定量方法。经初步理论计算,发现多组分混合物与该混合物中待测组分的相对含量二者间的向量夹角值存在一定的关系,而该关系并不受批次制样的影响,进一步通过高斯曲线模拟混合信号,充分说明选择合适的波长范围,二者在一定范围内存在线性相关性,相关性不受测量条件变化的影响。采用KBr压片法,向待测样品中逐步加入待测组分得到混合样本,分别得到待测组分光谱与混合样本光谱信号,先将其进行一阶求导,消除加性误差后,再将其转化为空间向量角度,消除批次制样中光程差异,再以百分比定义待测物样品的含量,所得到混合样的夹角值与其中所含参照品含量成简单线性关系,即以计算结果夹角值与含量作标准曲线,实现定量分析。本测量方法用于三氯蔗糖（Sucralose, TGS）与三氯蔗糖-6-乙酸酯（4,1,6-trichloro sucrose-6-acetate, TGS-6-A）二者进行一定比例混合（双组分体系）,以及TGS-6-A的脱酰产物（多组分体系）中的TGS的含量定量分析,在两种体系中定量均得到令人满意的结果,所建立标准曲线的相关系数r均达到0.995 0以上,相对误差均低于8.0%,所建立的分析方法对利用中红外透射光谱分析研究多组分样品具有重要的参考价值。     

红外光谱统计波长选择方法用于废气检测

为了从含有噪声的大气红外光谱中提取微量待测污染组分的定量特征,进而建立校正模型,本文提出了一种基于统计理论的波长选择方法。该方法针对待测组分,在对光谱各波长位置的噪声强度进行统计估计的基础上,提出了选择最佳波长子集的目标函数。该目标函数包含波长子集的噪声和长度参数,这使得在最小化模型误差的同时也防止了模型规模的无限制膨胀。为了检验该方法的性能。文章利用含背景噪声的实测光谱数据针对三种气体进行了波长选择,并利用神经网络技术分别建立了校正模型。实验结果与波长子集的优化结果相符,所选择的波长子集的长度不足光谱波长总点数的2％,同时,光谱中的噪声也在校正模型中得到了明显的抑制。实验结果证明了该波长选择方法的有效性。     

近红外光谱的数据预处理研究

进行了小麦样品近红外光谱数据的预处理研究,一般仪器记录的样品近红外光谱数据中包含有一系列噪声和干扰信号,因此适当的预处理是进行后续光谱定标、建模及模型传递的基础,对可靠地获得准确分析结果具有很重要的作用。结合小麦样品蛋白质含量近红外光谱分析工作,对由近红外光栅光谱仪和傅里叶变换近红外光谱分别记录的66种小麦样品光谱数据,采用高斯一阶、二阶导数小波变换方法进行了预处理。对比常用的一阶差分预处理,证明高斯函数导数小波变换方法是十分有效、实用的,预处理后光谱曲线非常光滑、噪声消除效果明显,富含有用光谱分析信息的区域更加清晰显示,因而非常有助于后续的光谱定标、建模和模型传递工作。     

小波分析及其在高光谱噪声去除中的应用

为了消除高光谱遥感图像中光谱曲线的锯齿型噪声,提高利用光谱曲线进行信息提取研究时的精度,文章使用USGS(united states geological survey)光谱库中的植被光谱进行模拟,添加了信噪比为30的噪声后采用小波阈值法进行噪声去除,并利用信噪比、均方误差和光谱角三项指标以及综合评估系数η来对去噪效果进行评估,寻找出最佳的参数组合。实验表明,使用db12,db10,sym9,sym6等小波对含噪光谱进行3～7层分解,采用软阈值函数处理小波变换系数并使用Heursure阈值方案进行阈值估计,然后根据第一层小波分解的噪声水平估计进行阈值调整可以得到满意的去噪效果。不过该方法对噪声水平有一定的依赖性,针对不同噪声水平时需探索更合适的参数组合。     

离子吸附型稀土矿区复垦植被光谱特征变异提取与分析

大面积高光谱遥感监测是稀土矿区环境监管的重要手段,复垦植被在矿区环境胁迫下的特征变异分析,可为准确实现矿区生态恢复动态监测提供必要基础。通过实地采集稀土矿区六种典型复垦植被及其对应正常环境植被叶片原始光谱,对照分析其光谱变异。将原始光谱进行常用的导数变换之外,还应用信号处理中的分形维数计算、离散小波变换分析技术和短时傅里叶变换处理放大植被叶片光谱的细部信息,探究复垦植被在稀土矿区环境胁迫下的光谱特征。结果表明：(1)在一阶导数光谱中,除湿地松外,其他植被均出现“红边位置”的蓝移现象,表明了复垦植被在矿区受到不同程度环境胁迫等外界因子的影响。(2)通过计算矿区植被光谱曲线的分形维数,得到同种复垦植被分形维数高于正常植被的规律,说明矿区环境胁迫多条件因素的影响致使复垦植被光谱曲线的波形变复杂。(3)植被叶片光谱经过离散小波变换,其中原始光谱离散小波变换最佳细节系数为d5,一阶导数光谱离散小波变换最佳细节系数为d6;并且一阶导数光谱离散小波变换在更小的尺度下放大了光谱特征细节差异,取得更好的效果。(4)光谱通过短时傅里叶变换在空频图上实现局域化,原始光谱空频特征出现在“红边”与中红外第一个“...     

一种葡萄糖发酵液中乙醇含量的拉曼光谱分析方法

拉曼光谱法可实现样品的快速定量分析,但发酵液等复杂体系中样品的拉曼强度与被测组分含量之间的良好线性关系难以直接得到。本实验中将待测样品与纯被测组分的拉曼光谱均视为向量,并按照向量点积公式计算向量之间的夹角。在被测组分的拉曼光谱特征峰波段,对多组样品在不同光谱区间的向量夹角矩阵和被测组分含量进行偏最小二乘回归,建立定量分析数学模型,从而以光谱向量之间的夹角作为定量指标实现葡萄糖发酵液中乙醇含量的快速测定。选取的主成分数为6时,所建模型校正集和预测集中预测值与实测值的线性相关系数分别为0.9993和0.9933;校正集均方根误差为0.2171。其建模所用样本数量少、对样品无损坏,方法适用于发酵在线监测和过程分析。     

MAXR回归法在近红外光谱定量分析及最优波长选择中的应用研究

介绍了运用MAXR回归法建立傅里叶变换近红外光谱定量分析模型的原理和方法。以此方法,由Matlab语言设计程序,进行近红外光谱定量分析建模的波长信息选择。并以小麦样品为实验材料,建立了蛋白质含量的近红外光谱定量分析模型,其中优选出2个和3个波长点处光谱信息建立的多元回归模型的预测结果与凯氏定氮法分析结果相关系数分别为0.977 1和0.976 5,标准差分别为0.335和0.340。MAXR回归法在进行波长信息,选择时可建立分别包含1,2,…,k个波长点信息的最优回归模型,且计算量适中,因此是一种实用的选择“最优”波长信息的回归方法。该方法不仅可少而精选择波长信息,建立抗共线性信息干扰的光谱定量分析模型,而且对于特定样品、特定待分析组分,选择最优波长信息建模分析的工作,可指导专用近红外分析仪器的设计。     

天空光光谱监测大气污染的参考光光谱研究

本文研究了利用天空光光谱反演大气成分的方法中,参考光谱对测量结果的影响。分析了中午的天顶光光谱、实时采集的天顶光光谱对信号的影响,提出了针对空间任意方向的大气污染(尤其局部的突发性污染),实时采集的低污染区天空光光谱是具体研究污染最合适的参考光谱。其结果为将该方法应用于监测大气环境提供了依据。     

基于正交调制的偏振光谱成像系统研究

为了同时获取目标的全偏振二维图像信息和其光谱信息,设计了一种基于正交调制的偏振光谱成像系统。该系统由光学接收模块、相位调制器、Wollaston棱镜、Savart偏光镜、检偏器以及成像模块组成。其可以将原始光信号分解成两束相互正交的偏振光,并且分别成像在CCD焦平面的上下两部分上,从而构成两幅偏振图像。两组图像的叠加可以将干涉条纹的数据相互抵消,从而获得目标的纯图像信息,两组图像的相减可以将目标灰度图像相互抵消,从而获得目标的纯干涉条纹。通过理论分析与计算得到了光强分布函数和光谱变化形式。实验在稳定的光源环境中采用高对比度目标与背景板,完成了全偏振图像的实时采集。经相位校正和切趾处理改善了干涉图像的畸变,又通过去低频滤波和阈值滤波抑制了图像中背景噪声的影响,从而实现了对目标图像的提取及偏振光谱的复原。该系统具有稳定性高、光谱分辨率可调、信噪比高、可识别能力强等特点,对在复杂背景中提取目标图像、光谱及偏振态信息具有重要意义。     

Mass Power Spectrum in a Universe Dominated by the Chaplygin Gas

The mass power spectrum for a Universe dominated by the Chaplygin gas is evaluated numerically from scales of the order of the Hubble horizon to 100 Mpc. The results are compared with a pure baryonic Universe and a cosmological constant model. In all three cases, the spectrum increases with k, the wavenumber of the perturbations. The slope of the spectrum is higher for the baryonic model and smaller for the cosmological constant model, the Chaplygin gas interpolating these two models. The results are analyzed in terms of the sound velocity of the Chaplygin gas and the moment the Universe begins to accelerate.     

Λ-型三能级单原子的辐射谱

采用时间演化算符方法，研究腔内单模光场中Λ－型三能级单原子的辐射谱，给出了辐射谱一般公式，并讨论在粒子数纯态、相干态和热辐射三种光场激励下的辐射频谱结构。     

拉西地平的太赫兹光谱实验研究

测量了高纯拉西地平(98%)和拉西地平口服药片(2%)0.5~1.8 THz的太赫兹反射时域信号,并分别提取出二者的吸收谱和折射率谱。通过将纯样品的吸收峰位与CASTEP晶体软件计算得到的吸收线位置进行比较,并用Lorentz线型函数对其中位置相近的吸收峰进行拟合,得到了拉西地平的指纹谱,并从实验上确定了拉西地平的六个特征频率,这些频率分别为0.62,0.78,1.07,1.28,1.63和1.76 THz;由于口服药片中添加了其他大分子物质作为辅料,这些物质带来的吸收本底会对拉西地平的特征峰的识别造成干扰,因此,特征吸收峰数量减少至四个,它们分别是0.62,0.78,1.28和1.63 THz;另外,纯样品和口服药片的折射率谱存在较大差异,这也与口服药中添加的辅料有关。尽管实际的拉西地平口服药片中含有的拉西地平的成分很低,但是,太赫兹指纹谱依然可以将拉西地平的特征频率识别出来。因此,太赫兹时域光谱技术对拉西地平药品的成分检测是十分有效的。     

Emission Spectrum Property of Modulated Atom-Field Coupling System

The emission spectrum of a two-level atom interacting with a single mode radiation field in the case of periodic oscillation coupling coefficient is investigated.A general expression for the emission spectrum is derived.The numerical results for the initial field in pure number stare are calculated.It is found that the effect of the coupling coefficient modulation on the spectral structure is very obvious in the case of a low modulation frequency and larger amplitude when the initial field is vacuum,which is potentially useful for exploring a modulated light source.     

Energy Spectrum of Ground State and Excitation Spectrum of Quasi-particle for Hard-Core Boson in Optical Lattices

We investigate the energy spectrum of ground state and quasi-particle excitation spectrum of hard-core bosons, which behave very much like spinless noninteracting ferrnions, in optical lattices by means of the perturbation expansion and Bogoliubov approach. The results show that the energy spectrum has a single band structure, and the energy is lower near zero momentum; the excitation spectrum gives corresponding energy gap, and the system is in Mort-insulating state at Tonks limit. The analytic result of energy spectrum is in good agreement with that calculated in terms of Green＇s function at strong correlation limit.     

Emission Spectrum Property of Modulated Atom-Field Coupling System

The emission spectrum of a two-level atom interacting with a single mode radiation field in the case of periodic oscillation coupling coefficient is investigated. A general expression for the emission spectrum is derived. The numerical results for the initial field in pure number stare are calculated. It is found that the effect of the coupling coefficient modulation on the spectral structure is very obvious in the case of a low modulation frequency and larger amplitude when the initial field is vacuum, which is potentially useful for exploring a modulated light source.     

Uniform Cantor Singular Continuous Spectrum for Nonprimitive Schrödinger Operators

It is shown that some Schrödinger operators, with nonprimitive substitution potentials, have pure singular continuous Cantor spectrum with null Lebesgue measure for all elements in the respective hulls.     

A Lattice Study of the Glueball Spectrum

Glueball Spectrum is studied using an improved gluonic action on asymmetric lattices in the pure SU(3) gauge theory.The smallest spatial lattice spacing is about 0.08 fm which makes the extrapolation to the continuum limit more reliable.In particular.attention is paid to the scalar glueball mass which is known to have problems in the extrapolation.Converting our lattice results to physical units using the scale set by the static quark potential,we obtain the following results for the glueball masses:MG(0 )=1730(90)MeV for the scalar glueball mass and MG(2 )=2400(95)MeV for the tensor glueball.