碳纤维在电化学处理中的拉曼光谱研究

采用激光拉曼光谱研究了电化学改性处理过程中聚丙烯腈基碳纤维的表面微结构变化,分析了不同处理时间下碳纤维的一级拉曼光谱特性。结果表明： 碳纤维的一级拉曼光谱可以拟合为4个峰,即D(D₁),G,D₂和D₃,表征碳纤维表面微结构变化的拉曼参数主要有D线和G线的积分面积比R(I_D/I_G),D₂线与G线的积分面积比I_D3/I_G,D₃线与G线比I_D3/I_G以及所有无序结构积分面积总和与G线积分面积的比值I_DS/I_G。电化学处理后,碳纤维表面无序度增大,D线和G线交叠度减小,R增大,I_D3/I_G增大,I_D2/I_G减小。随着处理时间的增加,I_DS/I_G不断增大,它与R值的变化趋势基本一致,并且可以更全面表征碳纤维表面结构有序性的变化。因此,利用激光拉曼光谱可以研究电化学改性处理过程中碳纤维表面的微结构变化规律。     

光谱分析采样数据重建原始信号

用光谱分析方法分析信号的采样与恢复。用三个改进的升余弦脉冲构造对称的限带频谱F(ω),经理论推导获得时域信号f(t)。采用梳状函数δ_T(t)对f(t)采样,调节T值,获得Shannon采样。应用快速傅里叶变换,计算采样的频谱F_d(ω),比较计算频谱F_d(ω)与限带频谱F(ω)的差别,讨论由采样频谱F_d(ω)重建f(t)的方法。结果发现：计算频谱F_d(ω)与限带频谱F(ω)非常相似,由采样数据可以在时域直接重建原始信号,而由频谱数据经快速逆傅里叶变换,同样能准确重建原始信号。因此,信号存储,既可以存储其采样信号,也可以存储采样信号的数字频谱。     

亚热带红壤全氮的高光谱响应和反演特征研究

利用高光谱遥感技术反演土壤性质已经成为土壤学和遥感科学研究领域的新手段,特别对土壤化学元素含量的高光谱反演,已成为土壤元素快速监测方法的的研究热点。以往研究往往关注不同类型土壤的化学元素光谱响应特征模型,以试图找到普适性的元素-光谱反演模型。由于成土因素的复杂性,土壤类型及其化学元素分布具有明显的空间异质性特征,宏观尺度上的土壤-光谱统计反演模型客观上具有较大的不确定性。若范围缩小到同一个气候带,土壤生物地球化学反应过程较相似,土壤化学元素-光谱反演模型的不确定性相对较小。以福州市为研究区,采集福州市典型红壤样品135个,研究土壤全氮含量的高光谱响应特征,对土壤样品在350～2 500 nm的光谱反射率分别进行倒数对数、微分等五种变换,分析变换后的光谱信息与土壤总氮含量的相关性,筛选出强相关敏感波段,通过设计不同的建模和验证样品比例,用逐步多元线性回归获得福州土壤的氮元素高光谱反演优化模型。结果表明：亚热带红壤全氮的敏感光谱波段为：可见光634～688 nm和红外872,873,1 414和1 415 nm;亚热带沿海地区土壤全氮—高光谱反演的优化模型为: Y=5.384X664-1.039(决定系数R2为0.616,均方根误差为0.422 mg·g-1,检验R2为0.608,均方根误差为0.546 mg·g-1),该模型可以用于福州地区土壤全氮的光谱快速监测。     

冬枣光谱数据的灰色关联分析及叶片氮素含量预测

采用灰色理论对冬枣叶片氮素含量和光谱反射率之间进行了灰度关联分析,分析结果显示波长560,678以及786 nm处的光谱反射率(G560,R678,NIR786)与冬枣叶片氮素含量之间的灰色关联度最高。利用上述三个特征波段光谱反射率计算得到的植被指数共计9个。进一步运用灰色系统理论分析了九种植被指数与叶片氮素含量的灰色关联度,结果显示：归一化植被指数(NDVI)、绿色比值植被指数(GRVI)、归一化差异绿度植被指数(NDGI)、绿色归一化植被指数(GNDVI)和组合归一化植被指数(CNDVI)等5个指数与叶片氮素含量的灰色关联度较高。利用3个特征波段的光谱反射率和5个关联度较高的植被指数,分别采用最小二乘支持向量机(LS-SVM)以及GM(1,N)模型建立了冬枣叶片氮素含量预测模型。结果表明,采用特征波段光谱反射率(G560,R678,NIR786)建立的冬枣叶片氮素含量GM(1,N)模型的精度最高,预测R2达0.928,验证R2达0.896。     

基于光谱分析的果树树种辨识研究

利用冠层光谱反射率数据(R_λ),对处于果实成熟期的七种挂果果树的树种进行了辨识研究。通过光谱数据重采样、植被指数求算等相关数据处理,比较了六种卫星传感器与四种植被指数对果树树种的辨识效能,并在优选数据形式、优化模型参数的基础上,建立了辨识果树树种的BP神经网络模型。主要结论为：(1)六种卫星传感器辨识果树树种的效能由强到弱的排列顺序为：MODIS,ASTER,ETM+,HRG,QUICKBIRD,IKONOS;(2)在四种植被指数中,RVI对果树树种的辨识效能最强,其次是NDVI,SAVI与DVI的辨识效能相对较弱;(3)用MODIS或ETM+传感器的近红外通道与红光通道上的反射率数据,求算的RVI与NDVI对果树树种的辨识效能相对较强;(4)在R_λ及其22种变换数据中,波长间隔设为9 nm的d1[log(1/R_λ)] ,是建立BP神经网络模型的首选数据形式;(5)利用波长间隔设为9 nm的d1[log(1/R_λ)] 这一数据形式,建立了辨识果树树种的3层BP神经网络模型。     

红外杂化单光束谱的性质

同一样品不同厚度(b₁和b₂)的两单光束谱ø_b1和ø_b2经线性组合得到杂化单光束谱ø_α=αø_b1+(1-α)ø_b2=αø₀e-Kb₁+(1-α)ø₀e-Kb₂,α为杂化系数。通过改变杂化系数α,就可获得任意强度的杂化谱ø_α。系统研究了杂化光谱ø_α的性质。研究表明,只要控制合适的条件,则厚度为(b₂-αb₂+αb₁)的真实样品的单光束谱ø_b(b=b₂-αb₂+αb₁)与杂化谱ø_α高度相似,ø_α的失真程度可忽略不计。也就是说,厚度在b₁～b₂间任一厚度b的真实样品的单光束谱都可用杂化谱ø_α来表达,ø_α≈ø_b。因此,不需制备厚度为b的样品,通过改变杂化系数α就可获得研究者所希望强度的单光束谱ø_b。杂化谱方法有望在扣除背景干扰等方面得到广泛应用。     

基于大样本土壤光谱数据库的氮含量反演

充分挖掘大样本土壤光谱库中有效信息,建立普适性强的土壤全氮(TN)含量反演模型,是高光谱分析的重要应用方向之一。研究采用偏最小二乘回归(PLSR)全局建模、局部加权回归(LWR)和模糊K均值聚类结合PLSR(FKMC-PLSR)局部建模三种方法,分别建立了来自中国西藏、新疆、黑龙江、海南等13个省采集的17种土类1661个土壤样本TN值的高光谱反演模型,并对浙江省104个水稻土样本进行模型验证。结果表明,在大样本下PLSR全局模型对高TN值待预测样本存在低估现象,导致整体预测精度偏低;LWR和FKMC-PLSR局部模型比PLSR全局模型能够更为准确地反演TN含量。研究结果可为利用大样本光谱数据库建立稳定性和普适性较高的土壤TN含量预测模型提供参考。     

大气压氩气/空气介质阻挡放电中分子振动温度

使用水电极介质阻挡放电装置,在氩气和空气混合气体放电中,利用光谱方法测量了氮分子(C3Π_u)的振动温度及其随空气含量的变化关系。计算中采用的是氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线,顺序带组有：Δｖ＝-1,Δｖ＝-2和Δｖ＝-3。结果表明：大气压介质阻挡放电中氮分子振动温度范围为1 938～2 720 K,振动温度随空气含量的增加几乎是线性增加的。该工作对研究介质阻挡放电中等离子体的动力学过程具有重要意义。     

FPXRF——偏最小二乘法定量分析土壤中的铅含量

在实验室条件下,利用NITON XLt920型便携式X射线荧光光谱(field portable X-ray fluorescence,FPXRF)仪获取土壤样品的X射线荧光光谱数据,并采用偏最小二乘法(PLS)建立土壤Pb含量的预测模型。模型所用的光谱范围为与土壤中Pb元素密切相关的两个波段:10.40～10.70 keV和12.41～12.80 keV;最佳主成分数为6。模型经交互验证,其预测结果与实测值之间的相关系数为0.966 6,预测均方根误差(RMSEP)为0.873 2。另外为了与偏最小二乘法做比较,还分别利用仪器直接获取的Pb含量读数以及X射线荧光光谱数据中Pb的Lα和Lβ线的强度与ICP测定值进行一元线性和多元线性回归,相关系数分别为0.680 5和0.730 2,均低于PLS模型的预测结果。研究表明,相比较传统的原子吸收等测试方法,便携式XRF仪在保证一定测试精度基础上,具有方便、快速、无损和耗费少等优势,可作为进一步分析前有力的筛选手段。     

传统光谱变换与连续小波耦合定量反演潮土有机质含量

以北京地区的96个潮土土样的有机质含量为研究对象,以传统光谱变换为参照,研究分析传统光谱变换与连续小波的耦合在估测土壤有机质含量的可行性;首先采用传统光谱变换与连续小波处理土壤光谱数据,然后将处理后的光谱数据与土壤有机质含量进行相关性分析,提取敏感波段,并采用偏最小二乘法构建土壤有机质含量估测模型。结果表明：耦合传统光谱变换技术与连续小波技术可大幅提升光谱对有机质含量的敏感性,其相关系数R2最高可达0.714,这表明耦合传统光谱变换技术与连续小波技术可深入挖掘光谱内的有益信息;与传统光谱变换技术相比,基于耦合传统光谱变换技术与连续小波技术构建的模型精度更高,稳定性更好,其中以微分变换构建的模型最优,其R2=0.772,RMSE=0.223,这表明耦合传统光谱变换技术与连续小波技术可有效压制噪声的负面影响,提升光谱的稳定性。     

土壤碱解氮含量可见/近红外光谱预测模型优化

可见/近红外光谱技术是土壤成分检测的有效工具。波长筛选对可见/近红外模型土壤属性的预测精度有重要影响。以宁夏吴忠地区75个水稻土样为研究对象,利用可见/近红外光谱技术采集土壤样品光谱,采用SPXY （Sample set partitioning based on joint X-Y distance）方法选取了校正集和预测集样本,比较了分别采用Savitzky Golay平滑（SG smoothing）、多元散射校正（Multiple scatter correction,MSC）、标准正态变量变换（Standard normal variate,SNV）3种预处理方法对光谱数据处理后建立土壤碱解氮偏最小二乘法模型和原始光谱数据建模的效果。在此基础上,分别采用遗传算法（Genetic gorithms,GA）、连续投影算法（Successive projections algorithm,SPA）、竞争性自适应重加权算法（Competitive adaptive reweighted Sampling,CARS）、随机蛙跳（Random frog,RF）进行波长筛选,最后应用偏最小二乘法建立基于不同波长筛选方法的土壤碱解氮含量预测模型。研究表明,由于仪器性能稳定,样品的颗粒度比较小和均匀,本次实验原始光谱数据建模效果最好;各种波长筛选方法均可有效减少参与建模的波长数,且连续投影算法优于全谱建模,所选波长数仅为全谱波长数的1%,其预测决定系数（R²）、预测均方根误差和相对分析误差值分别为0.726,3.616,1.906。这表明连续投影算法可以有效筛选水稻土碱解氮敏感波段,为土壤碱解氮传感器开发提供技术支持。     

近红外光谱小波分析在土壤参数预测中的应用

从田间采集了150个田间土壤样本,在分析了所有样本的土壤参数统计特征之后,对原始近红外光谱数据进行了聚类分析,分别得到了50个土壤全氮和50个土壤有机质的等价样本及其对应光谱。对样本光谱曲线进行8层Biorthogonal小波包分解,分解得到的最低低频[80]结点对应着土壤水分以及土壤质地的光谱变化趋势,最高高频[8 255]结点对应着土壤粒度、光谱仪精度等引起的高频震荡。对以上两个结点进行重构并从样本光谱曲线中剔除以上影响成分,得到了对应的土壤参数特征光谱。基于特征光谱建立了土壤参数偏最小二乘回归模型：全氮偏最小二乘预测模型的预测系数r_c达到了0.960,验证系数r_v达到了0.920;有机质偏最小二乘预测模型的预测系数r_c达到0.922,验证系数r_v达到0.883。模型精度明显提高,满足实际生产的需要。     

基于光谱技术和连续投影算法的润滑油品牌快速鉴别研究

为了实现润滑油品牌的快速无损检测,提出了一种基于可见/近红外光谱透射技术与连续投影算法相结合的润滑油品牌快速鉴别新方法。采用连续投影算法对6种润滑油的可见/近红外光谱数据进行波长变量的筛选,再结合偏最小二乘法建立润滑油品牌的鉴别模型。结果表明,鉴别模型的相关系数r为0.9721,预测均方根误差RMSEP为0.4055,鉴别正确率为91.7%。说明提出的连续投影算法结合偏最小二乘算法具有很好的预测效果。     

果皮对脐橙可溶性固形物可见/近红外检测精度的影响

利用可见/近红外半透射光谱技术对未剥皮(完整)和剥皮脐橙的可溶性固形物(SSC)进行检测,探索果皮对脐橙SSC检测精度的影响。采用QualitySpec型光谱仪获取未剥皮和剥皮脐橙在350~1 000 nm波段的可见/近红外光谱,并从光谱和模型性能两方面分析果皮的影响。对未剥皮和剥皮脐橙平均光谱进行比较,并提取前20个主成分进行多元方差分析;应用偏最小二乘(PLS)回归结合不同预处理方法分别建立未剥皮和剥皮脐橙SSC的预测模型,对预测模型性能进行比较,并对预测集样本的预测残差平方进行方差分析。结果表明,在5%置信水平下,果皮对脐橙SSC检测精度的影响是显著的。未剥皮和剥皮脐橙SSC的最优PLS模型的预测集相关系数和预测均方根误差分别为0.888,0.456%和0.944,0.324%。     

可见/近红外光估测完整柑橘水果可溶性固形物含量的研究

研究用可见/近红外光谱(Vis/NIR spectroscopy)漫透射方式对柑橘类水果的可溶性固形物含量(SSC)进行了无损、快速定量分析。通过自行设计的Vis/NIR光谱系统测定了110个柑橘样品的SSC。82个柑橘样品用来建模,其余28个用来验证模型的性能。对实验室测得的柑橘水果的SSC实际值与Vis/NIR光谱数据进行相关性分析,用光谱定量分析软件中集成的偏最小二乘回归法(PLS)和主成分回归法(PCR)建立校正和预测模型。对比了不同光谱预处理方法, 如微分处理, 标准归一化处理(SNV), 多元散射校正(MSC)和Savitzky-Golay 光谱平滑方法)对模型检测结果的影响。根据预测平方根误差(RMSEP)和相关系数(r2)进行不同模型的预测性能评价,建立的最好的柑橘水果SSC预测模型的RMSEP＝0.538%,r2＝0.896。结果表明Vis/NIR可以作为一种准确、快速的无损检测方法来评价柑橘类水果的可溶性固形物含量。     

便携式近红外光谱仪的苹果糖度模型温度修正

样品温度对近红外光谱有很大影响,在近红外技术评价水果品质的实际应用时,需要修正温度变化对模型预测结果的影响。便携式近红外光谱仪采集不同温度下(0～30℃)苹果的漫透射光谱,采用二阶导数和卷积平滑进行预处理。选取20℃下代表性样本的光谱数据,建立基准PLS模型。斜率/偏差法分别计算苹果糖度PLS模型在0,10和30℃下的修正方程。分析结果表明:斜率/偏差法对0,10和30℃下外部样本预测结果进行修正,预测精度得到显著提高,其修正前后的Q值分别为0.525cv 0.810,0.680cv0.822,0.669cv 0.802。温度修正模型可以有效提高预测精度,也扩展了近红外仪器的适用性,为自主研发便携式近红外光谱仪提供参考。     

可见/近红外光谱快速测定土壤中的有机碳含量和阳离子交换量

为实现土壤中有机碳(TOC)含量和阳离子交换量(CEC)的快速检测, 对300个土壤样品的可见/近红外光谱数据进行了分析。使用快速独立分量分析(FastICA)算法对光谱数据矩阵进行分解, 得到独立成分和相应的混合系数矩阵, 再利用误差反向传播算法(back-propagation, BP)构造三层神经网络结构。为了克服传统BP神经网络结构难以确定和易于陷入局部极小点的缺点, 采用遗传算法优化BP神经网络结构和初始权值, 得到ICA-GA-BP模型。利用此模型对土壤中TOC含量和CEC进行预测, 根据预测相关系数(R2)和预测标准偏差(RMSEP)来评价预测模型的性能, 表明该模型对TOC含量和CEC测定的相关系数R2均达到0.98以上。说明文章提出的ICA-GA-BP建模方法具有很好的预测效果, 为土壤品质的鉴别提供了一种新方法。     

可见/近红外光谱漫透射技术检测西瓜坚实度的研究

西瓜是一种广受世界各国消费者喜爱的水果,坚实度是西瓜的一个重要品质指标,文章利用可见/近红外漫透射光谱技术进行了西瓜坚实度(FM)的无损检测研究。采用偏最小二乘法(PLS)和主成分回归法(PCR)建立了FM与漫透射光谱的无损检测数学模型,对比分析了不同光谱预处理方法(原始光谱%T,一阶微分处理光谱D1(%T ),二阶微分处理光谱D2(%T )以及光谱的Savitsky-Golay法滤波)对模型预测性能的影响。根据模型相关系数(r)及预测平方根标准偏差(RMSEP)进行了不同模型的预测性能对比,结果表明：光谱经二阶微分处理并使用Savitsky-Golay法滤波后,采用PLS法可以得到最好的FM建模结果(r=0.974,RMSEP=0.589 N)。研究表明：应用可见/近红外漫透射光谱技术检测西瓜的坚实度是可行的,为今后快速无损评价大果形厚果皮类水果坚实度提供了理论依据。     

赣南脐橙果园土壤全氮和有机质近红外漫反射光谱检测

选取赣南脐橙果园土壤作为研究对象,探讨在4 000～7 500 cm-1范围内的光谱分析土壤全氮和有机质的可行性。采集的近红外光谱采用多元散射校正、一阶微分、二阶微分、七点平滑等多种预处理对比分析,分别建立了有机质和全氮含量偏最小二乘模型。实验得出全氮预测模型在4 000～7 500 cm-1范围内采用七点平滑(SG)进行预处理模型较为理想,校正集相关系数(r_c)为0.802,校正均方根误差(RMSEC)为2.754,预测集相关系数(r_p)为0.715,预测均方根误差(RMSEP)为3.077;有机质预测模型在4 000～7 500 cm-1范围内采用标准正态变量变换(SNV)预处理模型较为理想,r_c为0.848,RMSEC为0.128,r_p为0.790,RMSEP为0.152。研究表明近红外漫反射光谱可快速用于赣南脐橙果园的土壤中全氮和有机质含量的快速检测。     

水果表面农药污染的可见／近红外光谱识别法

以表面经过喷施不同浓度农药后的脐橙为研究对象,采用可见／近红外漫反射光谱技术定性检测脐橙农药污染的程度。采集脐橙350～1800nm范围的光谱。应用多元散射校正（MSC）,标准正态变量（SNV）变换,一阶微分和二阶微分四种不同预处理方法,分别在430～1000nm、10001800nm和430～1800nm三个光谱范围内建立识别脐橙污染程度的偏最小二乘法（PLS）数学模型。比较分析得出试验结果：波谱范围取430～1000nm,采用一阶微分的预处理方法时应用PLS校正方法的结果最优,其预测值和真实值之间的相关系数和预测均方根误差分别为0．9830和0．1482。研究结果袁明。可见／近红外漫反射光谱技术可以定性检测脐橙的农药污染程度。