光谱仪器信噪比与建模波长数对光谱分析精度的影响

为了研究光谱建模分析中光谱仪器噪声和参与建模的波长数两个因素与定量分析精度之间的关系,针对不同信噪比对模型精度的影响、参与建模的波长数与分析精度的关系、不同信噪比波段中多波长参与建模对分析精度的影响三个方面进行了理想样本建模分析。实验结果表明：光谱测量仪器的噪声水平直接影响建模分析误差,而使用多波长尤其是信噪比较好的波段的光谱参与线性建模,近似满足波长数每增加4倍,分析精度提高2倍的关系,能够在一定程度上弥补信噪比的不足。研究为在光谱分析中充分利用和提高光谱仪器信噪比、合理选择参与建模波长数及波段,从而提高光谱定量分析精度提供了实验基础和理论指导。     

基于多维漫反射光谱技术的复杂混合溶液成分检测

为了进行复杂混合溶液的成分检测,该文提出了一种基于多维漫反射光谱技术的浓度检测方式,通过信号中携带的不同成分的多种光学性质来进行分析。实验设计了基于超连续谱激光光源、精密电控平移台和光谱仪的检测装置,选用Intralipid-20%溶液作为研究对象,用蒸馏水配制体积百分数1%～20%的溶液,分别测量距其入射点1.5～13mm(间隔0.5mm)范围内的24点漫反射光谱信号,以偏最小二乘回归算法对单点和多点漫反射光谱信号进行建模与预测。得到建模精度最高的为距离入射位置最近的1点～13点对应的光谱信号所建立的模型,预测精度最高的为距离入射位置最近的1点～7点对应的光谱信号所建立的模型。结果表明,增加不同位置信息的光谱信号,能够提高光谱的信噪比,与传统光谱技术仅利用吸光度或反射率等单一光学性质的方法相比,增加了被测物质散射特性的影响,利用被测物质多种光学性质的变化提高了建模及预测的精度,为基于多维光谱的复杂混合溶液检测提供了基础。     

高光谱检测复杂混合溶液的Monte Carlo仿真研究

为了克服传统光谱检测复杂混合溶液的分析方法中光谱重叠严重、信噪比低的缺点,本工作提出将高光谱法引入复杂混合溶液的检测。因为高光谱法可以利用多模式光子所携带的被测物质多种光学性质的信息进行溶液成分含量分析,与传统光谱检测方法仅利用被测物质单一吸收特性的变化相比,高光谱法同时还可利用空间信息增加光谱信号的信噪比,提高建模精度和可靠性。为了验证高光谱检测复杂混合溶液的可行性,本工作利用Monte Carlo模拟了脂肪乳Intralipid-墨水Ink模型在650～1 100nm范围内漫反射光强的分布情况,得到了复杂混合溶液的漫反射光强分布随波长变化有明显区别的现象,证明了高光谱法能够同时利用被测物质多种光学特性(如吸收、散射、各向异性因子)随波长变化的关系提高光谱信号的信噪比,有望显著增强对复杂混合溶液成分的分析能力。     

多维漫透射光谱提高复杂混合溶液分析能力

多维漫透射光谱技术利用传统的近红外透射测量方式,增加一维扫描装置,获得透射方向上的径向光谱,并利用多点漫透射光谱对复杂混合溶液进行成分分析。实验设计了基于氙灯光源、精密电控平移台和光谱仪的检测装置,选用Intralipid-20%,India Ink和C₆H₁₂O₆共配制225种成分含量不同的混合溶液,分别测量距其透射中心点0～5 mm(间隔0.25 mm)范围内的20点漫透射光谱信号,以偏最小二乘回归算法对单点和多点漫透射光谱信号进行建模分析。实验得到India Ink含量和Intralipid-20%含量随漫透射光位置点的增加建模及预测的精度提高,C₆H₁₂O₆含量随漫透射光位置点的增加建模及预测精度没有明显变化。结果表明,增加不同位置信息的漫透射光谱信号,能够提高复杂混合溶液中强吸收物质和强散射物质的信噪比,对于弱吸收弱散射物质有望在提升系统精度的前提下提高其预测能力。     

浓度分布对光谱法检测成分含量精度的影响

为研究组分浓度分布范围对光谱法建模定量分析精度的影响,根据朗伯-比尔定律构造三种组分理想吸收谱并叠加高斯噪声,使用偏最小二乘回归对样本吸收谱及浓度进行建模和预测,观测不同浓度分布范围下分析精度的变化。研究表明,在纯线性吸收的情况下,组分浓度的分布范围对模型精度造成一定的影响。无论是被测组分还是非测量组分,校正集样本中覆盖足够大且较均匀的浓度分布范围是模型强普适性和良好预测精度的必要保证。研究为合理选择具有良好浓度分布校正集样本,从而提高模型质量、减小预测误差提供了理论指导。     

动态光谱法用于人体血红蛋白浓度的无创测量

为了实现血液成分的无创检测,利用动态光谱指端透射法进行了人体血红蛋白浓度无创测量的研究。对34名健康志愿者进行了在体测量动态光谱和抽血分析血红蛋白含量,在验证了动态光谱的可靠性的基础上,选用BP神经网络对获取的动态光谱数据和血红蛋白浓度实测值进行建模分析,从34个样本中抽取19个作为校正集,另外15个作为预测集,得到校正集和预测集的相关系数分别为0.983 1和0.936 5,预测集的相对误差最大为7.5%,平均相对误差为3.04%,满足临床应用对血红蛋白测量精度的要求。结果表明： 动态光谱法可以有效的克服测量位置等测量条件对光谱测量的影响,较准确地进行人体血红蛋白浓度的测量,是一种比较好的血液成分无创测量方法。     

荧光光谱法和ABC-RBF神经网络在多环芳烃浓度检测中的应用

多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbon,PAHs)具有强致癌性,极大威胁着人类身体健康。因此,寻找一种高效、精确的多环芳烃浓度检测方法十分必要。采用FS920荧光光谱仪分析了苯并(k)荧蒽(BkF)、苯并(b)荧蒽(BbF)、苯并(a)芘(BaP)混合溶液的荧光光谱特性。发现在激发波长260~400 nm、发射波长300~500 nm范围内,混合溶液的荧光光谱重叠严重。当混合物浓度配比不同时,荧光特性也存在很大差异。针对光谱图不能直接反映混合物各组分浓度的特点,将人工蜂群(ABC)算法优化的径向基函数(RBF)神经网络应用于浓度检测中,对比分析普通RBF和ABC-RBF神经网络模型。结果表明,ABC-RBF神经网络模型预测误差相对较小,训练到95次时,均方差精度达到10~(-3)。BkF、BbF和BaP的回收率平均值分别为99.20%、99.12%和99.23%,证明此网络适用于检测多环芳烃溶液,为检测多环芳烃浓度提供了一种快速、有效的新方法。     

基于光纤光谱仪的溶液浓度测量系统

设计了一种基于光纤光谱仪的溶液浓度测量系统。利用该系统对已知浓度的KMnO_4溶液进行吸收光谱测量,探究溶液浓度与吸光度之间的关系。结果表明吸收光谱中的三个波峰处,吸光度数值与溶液浓度之间的线性相关程度均大于0.99,与理论有着良好的一致性。本系统同时具有结构紧凑与测量精确可靠的特点,可有效提高溶液浓度测量效率,非常适用于本科教学和科研工作。     

中阶梯光栅光谱仪的多谱线联合在线定标方法

为了提高中阶梯光栅光谱仪光谱定标的效率和精度,基于谱图还原算法,提出了利用汞灯多条特征谱线联合定标的思想,设计了中阶梯光栅光谱仪的在线定标算法。以汞灯为定标光源进行光谱定标实验,结果表明该算法在谱图偏差不超过限定范围时可以自动修正谱图还原模型,选择的定标波长越多、分布越均匀,定标精度越高。对于250~600nm波段内的中阶梯光栅光谱仪,选择5个以上的定标波长可以使定标精度达到仪器理论分辨率0.01nm。该方法实现了中阶梯光栅光谱仪的自动化光谱定标,使光谱仪在保证高光谱分辨率的前提下更具实用性,具有工程应用价值。     

应用荧光相关光谱测定L-色氨酸的浓度

应用FLS920P型荧光光谱仪对L-色氨酸溶液进行三维荧光光谱检测,从中发现：L-色氨酸的特征荧光峰位于270/350 nm。设定发射波长为350 nm,测量激发谱。由测量结果发现在250~260 nm区间,谱线斜率较大、线性度好。因此选取250,255和260 nm三个激发波长,在每个激发波长下分别测量相应的荧光发射谱。基于三条不同的荧光发射谱,构建以激发波长为外扰变量的自相关光谱;而以浓度为外扰变量的自相关光谱,是以超纯水在不同激发波长的平均谱作为参考光谱,通过参考光谱与样本平均谱的相关计算得到。在此基础上,将相关光谱数据分别与偏最小二乘回归(PLSR)和径向基神经网络(RBFNN)相结合,建立溶液中L-色氨酸含量的预测模型,研究结果表明：采用浓度为外扰变量构造的荧光相关光谱信噪比较高,建模的预测效果要好;而在外扰变量相同时,基于径向基神经网络建立的预测模型比基于偏最小二乘回归建立的预测模型对溶液中L-色氨酸浓度的预测结果更为准确。其中,以浓度为外扰变量时的径向基神经网络预测模型准确度最高,该模型的预测相关系数为99.91%,预测均方根误差为0.033 μg·mL-1。研究结果表明,使用该方法能够对溶液中的物质含量进行准确测定,可为食品安全监管提供帮助。     

南疆红枣品质近红外光谱在线模型参数的实验研究

为建立南疆红枣品质近红外光谱在线校正模型,分析了在线检测结果的主要影响因素,对相应的参数进行了实验研究。设置红枣不同的光谱采集条件,如测量状态、波段谱区、仪器参数等,利用近红外光谱仪和自行设计的红枣批量采集附件,获取南疆红枣品质光谱,通过光谱预处理和检测精度相结合的办法选择条件参数。通过不同建模参数进行PLS光谱校正和二维相关光谱分析,选择糖度特征光谱参数。结果表明:红枣糖度中心波长9 116,9 418和10 500cm-1,采集分辨率16cm-1,扫描次数8次,糖度相对误差8%～10%,单粒红枣光谱数据量减少为原来的1/10,采集时间减少了3s左右。通过实验参数,压缩了数据量,建立了初级在线校正模型,基本实现南疆红枣品质近红外光谱在线检测。     

基于极值统计的拉曼光谱信噪比评估方法与应用

随着近年来便携式光谱仪技术的迅速发展,CCD光谱仪相对于传统光谱仪在光谱收集方式上发生了很多变化：（1）采集到的光谱对信号进行叠加积分,传统信噪比评估方法无法通过单次检测获得探测器波动;（2）对于谱图噪声（谱线随机波动）,由探测器响应随机波动和扫描重复误差转变为CCD探测器像素响应差异、探测器随机噪声和与光学系统分辨力有关的模式噪声。噪声类型发生改变,导致原有的光谱质量评价方法适用性变差,基于实测光谱提出更具适应性的光谱质量评价方法具有很强的现实意义。根据拉曼光谱仪检测器的变化,对采集光谱信号的成分进行分析,在该分析的基础上提出了CCD光谱仪的噪声模型假设,根据该假设使用不同的信号极值点频率对不同的噪声进行像素分离,并对噪声频率模式进行了数值模拟,模拟结果与假设相符;在此基础上提出并实验验证了通过谱线极值间距评估谱线噪声的拉曼光谱信噪比评估方法,该方法包括以下两个步骤：（1）通过采集多次实测光谱进行叠加,叠加过程中对对应不同频次的光谱极值点数量进行统计,得到统计结果后基于文中规律分离光谱仪中的环境噪声和暗噪声;（2）应用上述分离结果,对实测光谱中对应暗噪声的谱线极值点作统计平均,再将该值应用于文中公式,计算得到信噪比。该方法在进行了步骤（1）的前期准备后,可以通过单张谱图评估CCD拉曼光谱仪的随机噪声,并用于评估光谱的信噪比。基于光学构架相同、CCD探测器不同的三个拉曼光谱系统进行实验,采用该方法通过设定信噪比阈值对谱图质量进行控制,获得了一致的光谱曲线;基于该方法对同步叠加平均法进行信噪比拟合,拟合优度达到98%。该方法可用于拉曼光谱仪的性能评估和获取拉曼光谱谱图的质量实时控制。理论和实验表明：对于基于CCD探测器的拉曼光谱仪器,当确定样品和特征峰时,可以基于此方法获得信噪比。该方法还可用于比对不同配置的拉曼光谱设备,以及作为控制谱图质量一致性的标准,并对基于拉曼光谱技术的智能鉴别系统的开发具有指导意义。     

扫描次数对番茄叶漫反射光谱和模型精度的影响研究

近红外光谱分析技术因其诸多优点成为近年来发展最快的定量和定性分析技术之一,它是依据有机分子中的含氢基团(C—H, O—H, N—H)振动的合频与各级倍频的吸收获得信息。但是,近红外光谱易受到光谱仪的工作状态和扫描时各种参数的设置,如波长的准确性、仪器的分辨率、噪声、扫描次数、样品粒度的均匀性等的影响。为了给建立实际模型时选择最佳的测量条件提供依据,文章以番茄叶为研究对象,分析了扫描次数对番茄叶漫反射光谱和叶绿素定量模型精度的影响。结果发现扫描次数对番茄叶漫反射光谱和模型精度有较大的影响。随着扫描次数的增加,近红外光谱的均方根噪声的方差值逐渐变小。扫描次数越多,光谱的质量较高,但是仪器产生的系统误差也会增大;扫描次数越少, 光谱的质量较差,但是光谱较为光滑,系统的误差较小。在128次扫描次数下,叶绿素定量模型的决定系数较高,但是模型不稳定。当扫描次数为32时,模型的决定系数较低,但该模型比较稳定,检测时间也较短。同时,不同扫描次数下所建模型都用于预测叶绿素含量,发现没有显著差异(α＝0.05)。在采集光谱建立模型时,应考虑综合因素选择合适的扫描次数。     

基于中阶梯光栅光谱仪的激光诱导等离子体分析系统研究

为了满足激光诱导等离子体分析系统(LIPS)对分光系统的分辨率,光谱范围,体积等多方面要求。本文研制了一台中阶梯光栅光谱仪,该光谱仪能同时获得所有谱段范围内的光谱信息,令LIPS系统可实现快速在线实时分析。并且,该光谱仪采用可调节延迟时间的ICCD作为后端探测器,令整个系统可根据实际实验情况选择最优延迟时间接收光谱,提高了整个系统的信噪比。最后,搭建了一套激光诱导等离子体分析系统,对研制的中阶梯光栅光谱仪在系统中的可用性进行验证。通过对合金样品测试,整个系统的分辨率达0.02 nm,光谱范围覆盖190～600 nm。并且研制的LIPS系统光谱重复性较好,特征元素波长提取误差不超过0.01 nm,可较准确的对样品成分进行分析。     

发射光谱仪检测油料的精密度

分布在不同地区的10个油液光谱分析实验室对所配制的3种润滑油样进行润滑油元素含量的检测,对获得的光谱数据进行处理,研究Spectroil M型油料发射光谱仪检测的精密度.采用一致性检验法检验各个实验室检测结果的一致性,对剔除离群实验室后的数据计算精密度值:重复性标准差值和再现性标准差值.对精密度值进行回归分析,研究精密...     

氧气顶炉口火焰温度多光谱分析

采用多波长分析方法测量氧气顶回转炉口火焰温度的研究。在该方法中,采用USB4000型光纤光谱仪测量火焰在可见光波长范围内的火焰辐射光谱,结合Levenberg-Marquardt最优化算法,得到火焰温度和单色辐射率变化规律。本文还提出了采用小波神经网络处理多光谱测温数据,该方法可以取消发射率与波长之间的假设模型,是一种获得目标真温及发射率行之有效的方法。网络中隐含层的神经元是由S函数和Morlet小波函数的乘积组合构成,在逼近火焰温度中具有良好的表现。     

分辨率对近红外光谱和定量分析的影响研究

近红外光谱分析技术是近年来发展最快的定性和定量分析技术之一,在较多领域得到了广泛应用。文章利用近红外光谱技术建立了杨梅汁酸度的定量分析模型,研究了不同分辨率对杨梅汁光谱和定量模型的影响。结果显示,分辨率对杨梅汁近红外光谱和其酸度的定量分析结果有较大的影响。高分辨率采集的光谱比低分辨率采集的光谱粗糙,扫描的速度较慢,所需的数据存储空间较大;不同分辨率下光谱的均方根噪声和平均吸光度在α＝0.05水平上差异显著;分辨率为4 cm-1时所建立的杨梅汁酸度模型的精度最高,模型的相关系数达到了0.994 04,校正均方根误差(RMSEC)和交互验证均方根误差(RMSECV)分别为0.023 3和0.153。但是考虑到扫描速度和数据存储空间,在不丢失样品信息的前提下采集光谱时建议将分辨率设为8 cm-1。     

Factors Analysis for CO2 Retrieval from the Ground-Based Hyperspectral Measurements in the Short Wave InfraredSCIEI北大核心CSCD

Ground-based CO2 inversion accuracy determines the understanding of CO2 source and sink. However the study about factors affecting ground-based CO2 inversion. In order to improve CO2 inversion accuracy, the effects from aerosol, spectral shift, spectral band selection, spectrometer response function type, half width and truncation error have been analyzed by using radiative transfer model. The results show that: (1) the multiple scattering of aerosol can be ignored when instrument field of view is less than 1.5 degrees and aerosol optical depth is less than 0.5. (2) The inversion results are smaller when there are spectral offsets. The inversion errors increase nonlinear with spectral offsets. And the higher the spectral resolution, the larger the effect of spectral shift. (3) Different spectral bands have various average signal-to-noise ratio, selecting channels with appropriate signal-to-noise ratio and enhancing instrument signal-to-noise ratio can reduce the effect of instrument noise. (4) The higher the instrument resolution, the more important the degree of accuracy of instrument line function for simulated spectrum. Therefore, for hyper-spectral observation, the constancy of environmental temperature is key of acquiring high precision inversion results. (5) For over-high spectral resolution, simulated spectrum is anamorphic due to crosstalk effect. Therefore the crosstalk effect must be considered when the spectrometer resolution is advanced.