近红外激光照射人体劳宫穴和非穴位区的反射光谱特性的比较研究

研究了人体劳宫穴及其周边的非穴位组织受不同功率的半导体激光(波长为808 nm功率分别为20,50,100 mW)照射前后在400～1 000 nm光谱范围的反射光谱特征及其差异.实验采用带积分球附件的AvaSpec-2048光纤光谱仪测量系统获取劳宫穴和非穴位组织的反射光谱.结果表明,在半导体激光照射前,劳宫穴与非穴位的反射光谱的光谱轮廓相似,波谷均出现在423,544,577,980 nm处,劳宫穴和非穴位在对应波谷的反射率值分别为17.1%,26.1%,25.9%,35.0%和17.1%,27.6%,28.1%,36.5%.在475～1 000 nm,合谷穴的反射率比非穴位小.分别经过20,50和100 mW不同功率的半导体激光照射后,劳宫穴反射率较照射前明显下降,并且随着照射功率增大,反射率减小的幅度越大.而非穴位组织经过不同功率的半导体激光照射后反射率较照射前稍有下降,但远不及劳宫穴下降明显.由此可见劳宫穴与非穴位的反射光谱存在差异,并且劳宫穴对半导体激光照射的刺激比非穴位更敏感.     

蒙古栎展叶盛期变化的光谱特征及其影响因素研究

植物生长状况是反映环境变化的重要指标,在全球环境变化格局下,研究多环境因子及交互作用对植物的影响尤为重要。为探究植物光谱特征响应环境变化,从而探究环境变化对植物生长状况的影响,同时实现遥感对植物的监测,该研究以东北地区优势树种蒙古栎为研究对象,分析研究了不同光周期、温度和氮沉降交互作用引起的蒙古栎展叶盛期冠层光谱反射特征变化。基于大型人工气候室模拟试验,设置3个温度,3个光周期和2个氮沉降交互处理,每个处理4个重复。当蒙古栎进入展叶盛期时,每个处理选择差异较小的三个重复,使用FieldSpec Pro FR 2500型背挂式野外高光谱辐射仪测量光谱反射率。对不同处理的蒙古栎冠层光谱反射率进行分析,选取NDVI（归一化植被指数）、Chl NDI（归一化叶绿素指数）和PRI（光化学反射指数）3个常用的光谱指数作为辅助分析,同时计算一阶导数光谱以得到红边斜率、红边位置、红边面积等参数。不同处理展叶盛期的蒙古栎光谱反射率趋势大体一致,均符合植物特有的光谱反射特征,在350~680 nm范围内有一个小的波峰,680~750 nm反射率显著上升,750 nm后进入反射平台。结果表明：(1）光周期对于蒙古栎冠层的光谱反射率没有明显的影响;(2）增温会减小蒙古栎冠层在350~750 nm波段处的光谱反射率;(3）施氮会导致蒙古栎展叶盛期350~750 nm波段和750~1 100 nm波段处的光谱反射率降低;(4）增温和施氮的交互作用会显著减小蒙古栎的光谱反射率;(5）通过一阶导数光谱可清晰地指示植物的红边特征。研究结果可为物候变化的监测与影响因素分析提供理论依据。     

黑土反射光谱特征影响因素分析

以黑土高光谱反射率为研究对象,运用去包络线处理、光谱角度/特征匹配方法,分析黑土反射光谱特征主要影响因素。结果表明, 成土母质决定了土壤反射光谱的基本特征;有机质是小于1 000 nm范围黑土反射光谱特征的决定因素,同时由于有机质与土壤水分、机械组成的相关关系,间接影响着大于1 000 nm的波谱范围;土壤光谱反射率随含水量的变化过程可以用三次方程模型进行定量描述;铁对黑土反射光谱特性影响较小;粗糙度主要影响土壤反射率的大小;秸秆覆盖对土壤反射率大小与形状特征的影响均较大;不同耕作措施土壤反射率大小依次为免耕、翻耕、组合、少耕、旋松。     

基于单叶反射光谱的转基因大麦光合特性分析

反射光谱分析可为植物叶片生理学过程、叶片表面及内部生化组分、结构特征等提供丰富信息。本文以转基因大麦及其原始栽培种为材料,基于单叶反射光谱检测研究了转基因大麦的反射光谱特征及指数的变化。研究结果表明,将不同大麦叶片反射率配对求得反射率比值曲线易于探查出不同大麦品系间反射光谱差异,且转基因大麦与传统对照差异较大的区域主要集中在650～700nm的红谷及红边位置附近,该波段的光谱反射率可能对外源基因的插入扰动反应敏感;而在550nm附近的绿峰及750nm以上近红外区的反射率基本无明显变化。反射光谱指数λRE,mND,SIPI,RRed/RGreen,PRI及NIRR800的差异性变化呈现出时间特性且取决于品系。如上述指数显著变化将意味着植物光合生理过程、功能及状态发生改变。     

黑土有机质含量野外高光谱预测模型

以田间原状黑土野外实测高光谱反射率为研究对象,分析黑土有机质的光谱响应波段,运用光谱分析方法提取光谱指数,建立基于反射光谱特征的黑土有机质高光谱预测模型。得出如下结论:(1)黑土反射光谱特征差异主要在小于1 250 nm的光谱范围,尤其是在小于1 100 nm的范围,随着有机质含量的变化,该波谱范围内黑土反射光谱特征呈现单/双谷现象,有机质是影响黑土反射光谱特征的决定因素。(2)有机质与黑土反射率倒数对数微分的相关系数最高,最高值在1 260 nm,达到-0.77(R2),相关系数高的波谱范围为750~1 260 nm。(3)基于黑土野外光谱反射率的有机质含量高光谱预测模型稳定性强,预测能力较好,能够用于黑土有机质含量野外速测。     

冬小麦生长期光谱变化特征与叶绿素含量监测研究

在分析冬小麦生长期冠层反射光谱和叶绿素含量变化特征的基础上,对二者之间的相关性进行了研究。表明从小麦拔节期开始,冠层反射光谱在可见光区(400～750 nm)的反射率先降低而后升高,以孕穗期反射率最低;在近红外区(750～1 000 nm)冠层反射率由拔节期至孕穗期反射率降低,然后开始上升。扬花期上升至最高点后又开始下降,直至乳熟期降至最低。冬小麦冠层反射率与叶绿素含量相关分析结果表明,冬小麦拔节期和孕穗期二者呈正相关,扬花期二者呈负相关;整个生长期中,孕穗期可见光区552 nm处反射率与叶绿素含量相关系数最大达0.89。依据冬小麦生长期冠层反射光谱红边拐点位置,分别建立了拔节期叶绿素含量线性检测模型(R2=0.92)和孕穗期二项式模型(R2=0.91),用于冬小麦叶绿素含量的无损检测是可行的。     

浅海底质高光谱反射率测量系统的设计及应用

海底光谱反射率是光学浅水中太阳辐射传输的重要组成部分,影响着海水表面离水辐亮度的光谱特性,因此底质光谱信息的准确获取对于浅海遥感工作的开展至关重要。专门设计了一套海底光谱反射率测量系统填补了国际上在这方面的空白。采用可自由伸缩并旋转角度的参考白板贴近目标物测量,以消除探头到目标物之间水体吸收衰减的影响,双光路采集系统同步测量的设计避免了水下光场迅速变化对辐射测量的影响。于2018年9月3日—8日,用该系统在三亚珊瑚礁保护区进行原位海底反射率测量试验,测量对象包括珊瑚、海草、泥沙、沙滩等多种底质。各底质类型之间具有光谱可分性,具体表现为,在波长大于580 nm的长波段,浅海沙子底质与岸上沙滩光谱反射率特征差异明显,表明相对于空气中,水体和水中微藻介质的吸收散射作用严重影响着水下光谱辐射的测量,证实了空气中测量的目标光谱不可替代水中的结果。珊瑚和水草的光谱反射率特征主要区别在于海草反射率光谱在540~600 nm波段有一个宽反射峰,而珊瑚的典型特征是在575,600和650 nm附近有三个特征反射峰。此外,珊瑚、沙子和沙滩三种碳酸盐质底质在395,430,490和520 nm存在反射峰,485和585 nm处有一个小吸收峰,而海草则相反,在395,430,490和520 nm存在吸收峰,485和585 nm处显示反射峰。以上数据为将来利用底质反射率提取底栖物质组成信息奠定了基础,同时其结果也能够证实系统的可靠性和有效性。     

基于BPLT模型的小麦叶片背景扣除方法的研究

为准确且无损测定小麦叶片的反射光谱,研究了不同背景对叶片表面反射光谱的影响,在400～1 000 nm波段范围测定了小麦叶片8种背景下的反射光谱以及叶绿素含量。以PLATE模型为基础,首次提出了BPLT(background plate)模型,扣除由不同背景导致的叶片反射光谱的变化。模型以背景下叶片的反射率R₀,不同背景反射率σ为输入,空气和致密叶片的界面反射比R₁₂,致密叶片和空气的界面反射比R₂₁,致密叶片的透射系数τ三参数中间变量,得到最终无背景时叶片反射率R值的2-3-1模型。采用方差分析法(analysis of variance, ANOVA)进行了BPLT模型验证,对比分析了背景扣除前后10种叶绿素指数值的变化。结果表明,当反演的确定系数DC(determination coefficients)>0.90且残差平方和SSE<1时,反演的灵敏度较高,对小麦叶片不同叶绿素浓度的背景扣除有着较好的效果;采用BPLT模型背景扣除后,背景因素所占的百分比低于5%;优选了NDI&MCARI的函数关系,NDI&MCARI的斜率和叶绿素浓度的R2由背景扣除前的0.847 4提高到背景扣除后的0.977 8。为真实测定不同背景下小麦叶片的反射光谱提供了依据。     

不同的光透明剂对在体人皮肤组织光学透明的反射光谱研究

研究了经三种不同类型的透明剂处理后的在体人皮组织在波长为400～1 000 nm范围内随时间变化反射光谱特性的变化及各组于580 nm处分别在0～60 min时间段各组反射光谱的改变程度.实验采用USB-4000光纤光谱仪分别获取经丙三醇、葡萄糖及丙二醇处理在体人皮肤组织前后的在0,10,20,30,40,50和60 ...     

三峡库区柑桔园紫色土光谱特征及其与氮素相关性研究

应用可见光-近红外光谱技术研究了三峡库区柑桔园紫色土的光谱特征及其与土壤氮素营养含量的相关性。结果表明,三峡库区柑桔园土壤光谱反射率在可见光区域随波长增加呈直线上升,在近红外短波区域(780～1 750 nm)基本趋于平稳,波动较小,而在近红外长波区域(1 750～2 400 nm)上波动性和反射率均较大,并且在近红外长波段区域的1 416,1 913,2 209 nm处出现了强的吸收峰。土壤有效氮、全氮含量均与光谱反射率呈正相关,与倒数对数光谱成负相关。在可见光541 nm处,土壤有效氮含量与反射光谱一阶导数微分值达最大正相关,相关系数为0.605**,二者响应的最佳拟合方程为y=2E+09x2-3E+06x+890.49(R2=0.5,x为反射光谱一阶导数值)。在近红外长波段1 909 nm处,土壤全氮含量与反射光谱的倒数对数值的相关性最好,相关系数为-0.612**,二者响应的最佳拟合模型为y=1.372 12-2.107 5x+0.859 2(R2=0.4,x为反射光谱倒数对数值)。     

漫反射光谱用于光动力治疗中鲜红斑痣皮肤氧含量监测的初步研究

尝试利用漫反射光谱检测鲜红斑痣皮肤的氧含量,并用于监测光动力治疗中鲜红斑痣皮肤氧含量的变化。采用Ocean Optics公司生产的USB2000微型光纤光谱仪采集PWS皮肤的漫反射光谱,根据氧合血红蛋白与还原血红蛋白(皮肤中两种主要的吸光基团)吸收光谱的差异,分析病变皮肤氧含量及治疗中氧含量的变化趋势。对14例PWS患者进行治疗中皮肤漫反射光谱的监测。结果显示,治疗前不同类型PWS皮肤氧含量不同,光动力治疗中大部分P4、P5型PWS皮肤氧含量没有显著降低,P6型PWS皮肤氧含量降低明显。表明现有的漫反射光谱法可定性监测PWS皮肤氧含量的变化趋势。通过进一步提高仪器的灵敏度并建立相应的光谱分析方法,有望更准确地测量PWS皮肤中的氧含量变化。     

基于温度不敏感源-探测器距离的测量方法的模拟研究

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。     

漫反射光谱技术对文物保护及相关问题的研究

应用自行研制的光导纤维反射分光光度计,研究了漫反射光谱技术在文物保护研究中的应用。主要工作包括： (1)通过比较待测颜料和标准颜料反射光谱曲线的形状和特征反射峰或一阶导数峰的位置,实现对彩绘文物颜料的分析鉴定。(2)用漫反射光谱技术监测金属表面状态的变化。文中通过对铜及其锈蚀产物漫反射光谱的研究得到了铜表面的一些信息,可见漫反射光谱技术对金属表面状态的研究具有特殊的功能。(3)通过研究文物保护修复材料的反射光谱特性,指导人们选择适宜的材料。作者的研究证实了漫反射光谱法是一种新的文物保护研究技术,具有简便、快捷和不损坏文物的特点,该工作使漫反射光谱技术成为文物保护研究的一种新的检测手段,同时也为漫反射光谱分析开辟了新的研究应用领域。     

三维坐标异常数据判定方法的模拟与实验研究

近红外漫反射光谱具有无创伤、连续、无感染、速度快等诸多优势,在人体成分无创伤检测方面有很好的应用前景。但是在测量过程中,随机噪声、干扰组分以及检测条件的改变等容易导致异常光谱。判定并剔除异常光谱对于提高近红外无创血液成分检测的可靠性具有重要意义。首先分析了近红外漫反射光谱无创血糖检测中可能出现的异常数据类型,提出了一种综合利用马氏距离、光谱残差和化学值残差三个指标构造三维空间对样本集进行检验的三维坐标异常数据判定方法。其次,针对三层皮肤组织模型,在参数中设置人为失误、极端成分含量以及异常温度变化的样本,通过蒙特卡罗（MC)模拟程序得到一组正常模拟数据以及一组包含化学值异常和光谱异常的模拟数据,并利用三维坐标法进行异常数据的判定。结果显示,该方法能识别出全部异常样本,剔除这些异常样本后,偏最小二乘（PLS）校正模型的交互验证均方根误差（RMSECV）由21.2 mmol·L-1降低到1.1 mmol·L-1,初步验证了该方法的可行性。进一步,对三位受试者开展了口服葡萄糖耐量试验（OGTT）,通过在测量受试者血糖参考值的同时同步采集其手指部位的漫反射光谱,获得了三组在体实验数据。并利用三维坐标法和蒙特卡罗交互验证法进行异常数据的判定和剔除,最后建立PLS模型比较两种异常数据判别方法的效果：剔除三维坐标法识别出的异常数据后,三组样本建立的校正模型的决定系数显著提升,RMSECV平均值由2.1 mmol·L-1降低至0.8 mmol·L-1,效果优于蒙特卡罗交互验证法的结果。这些结果表明,基于马氏距离、光谱残差和化学值残差的三维坐标异常数据判定方法能有效识别近红外无创血糖测量中的异常数据,在在体成分检测应用中有显著优势。     

Common black coatings – reflectance and ageing characteristics in the 0.32–14.3 μm wavelength range

The diffuse and regular reflectances of five optically absorbing coatings frequently used in optical systems, were measured over the 0.32–14.3 μm wavelength range, before and after exposure to heat and intense optical radiation. The measured coatings included Nextel Velvet Black, an anodised coating and NPL Super Black. The anodised coating exhibited substantial variations in its diffuse and regular reflectance values after thermal and simulated solar ageing. Solar and thermal ageing of the Nextel Velvet Black resulted in increases of its reflectance. However, thermal ageing tended to decrease the reflectance of the other paint samples examined. Thermal and solar ageing of the NPL Super Black resulted in only minor changes in its reflectance characteristics. All measurements are traceable to the UK National Standards.     

湿法和溶脱法的亚微米ZnO:Al光栅制备

以激光干涉法得到的光刻胶图案为掩模,采用湿法刻蚀和溶脱-剥离法制备了具有良好减反射特性的亚微米掺铝氧化锌（ZnO:Al, AZO）光栅。表面形貌特征和反射光谱测试结果表明,湿法刻蚀较溶脱-剥离法得到的AZO光栅表面更为粗糙,两者均方根粗糙度分别为25.4,7.6 nm。在400～900 nm波段,两种方法制备的周期和高度相同的光栅,平均总反射率分别由AZO薄膜的12.5%下降到8.3%和10.2%。两者的平均镜面反射率分别为6.2%和6.6%,平均漫反射率分别为2.1%和3.6%。湿法刻蚀得到的表面较为粗糙AZO光栅的漫反射明显减弱,从而导致总的减反特性优于溶脱-剥离法得到的表面起伏相对较小的AZO光栅。     

Luminescent properties of encapsulation of europium complex into meso-structured silica monoliths

Meso-structured silica monoliths using PEG (PEG=polyethylene glycol) as a low-cost template and synthesized via sol-gel methods were used as host materials for incorporation of europium complexes Eu(BA)₃Phen (BA=benzoic acid and Phen=1,10-phenanthroline). The meso-structured silica was silylated by 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) or 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS) before wet impregnation. Samples were characterized by BET, diffuse reflectance (DR) spectroscopy, infrared spectroscopy and fluorescence measurements. The results showed that the emission quantum efficiency of GPTMS silylated meso-structured silica with larger pore size was up to 44.6%. Also, the lifetime measurement showed the complex encapsulated in this rigid matrix had longer lifetime than the pure complex in solid or liquid.     

采用氧合血红蛋白吸收带的漫反射光谱比率R（540）/R（575）检测浅表性膀胱癌

采用氧合血红蛋白在540和575 nm吸收带的漫反射光谱比率(R540/R575)对人浅表性膀胱癌进行了鉴别诊断,实验采用带积分球附件的分光光度计获取组织的漫反射光谱。结果表明:正常膀胱的粘膜/粘膜下层组织的漫反射光谱比率(R540/R575)在组织离体后2 h的平均值为111%,3 h的平均值为107%,4 h的平均值为104%,5 h的平均值为102%,而浅表性的膀胱癌的粘膜/粘膜下层组织的漫反射光谱比率(R540/R575)在组织离体后2 h的平均值为98.4%,3 h的平均值为95.5%,4 h的平均值为93.1%,5 h的平均值为91.6%,正常膀胱与浅表性膀胱癌的粘膜/粘膜下层组织在组织离体后2,3,4和5 h的漫反射光谱比率(R540/R575)均有显著性的差异(p<0.05),分别为12.6%,11.5%,10.9%和10.4%。这结论为快速、低成本、非入侵的浅表性膀胱癌的光活检提供了一种新的方法。     

黄铁矿处理重金属废水的光谱表征

将反射光谱和吸收光谱用于黄铁矿处理酸性重金属废水的研究,探讨了黄铁矿的表面反应以及黄铁矿与重金属的相互作用。漫反射红外光谱分析证实,在处理废水过程中,黄铁矿中表面羟基与重金属离子发生反应;并通过考察黄铁矿中碳酸盐,合理解释了黄铁矿处理酸性重金属废水后的溶液自然均趋于中性(pH 7)的现象。可见区的反射光谱用于表征处理过程中的黄铁矿的颗粒及比表面变化,解释了黄铁矿在重复使用时其活性反而增强的原因。吸收光谱及XPS表征表明,黄铁矿处理含Cr(Ⅵ)废水,是一个由Cr(Ⅵ)到Cr3+再到Cr(OH)₃的吸附沉淀过程。     

基于Sandmeier模型的月球KAGUYA卫星高光谱数据地形校正

月球是人类深空探测的前哨站。月球卫星光谱测量是月表岩矿成分分析的主要技术方法。鉴于月表比地球地形起伏还要显著,有必要开展月球卫星高光谱数据的地形校正。通过顾及宏观地形起伏和周围地形反射辐射的影响,建立适合月表的Sandmeier辐照度模型,并由此推到了月表反射率地形校正模型。以月球虹湾地区KAGUYA卫星Spectral Profiler(SP)高光谱数据为例,借助美国Lunar Orbiter Laser Altimeter(LOLA)高程数据,计算了试验区坡度、坡向,以及入射角、反射角、地形可见因子等地形校正参数,结合平坦月表接收的太阳直接辐照度,实现了月球虹湾地区经向SP数据的反射率校正。通过比较发现,校正后反射率像元数量统计直方图近似高斯分布,而且光照区的月表反射率得到了抑制,阴影区的月表反射率有所增强,有效地消除了月表起伏地形的影响。