利用2DCOS进行多组分混合气体傅里叶变换红外光谱分析中同分异构体谱峰的辨别

在利用傅里叶变换红外光谱进行混合气体定量分析中,针对烃类尤其是同分异构体等构成的混合气体其谱图特征相似、吸收峰严重交叠,不易进行特征吸收成分的判别和特征变量选择的问题,为增强谱峰分辨力,采用广义二维相关光谱和傅里叶变化红外光谱对烃类混合气体分析中同分异构体进行辨别,以异丁烷和正丁烷的红外光谱及受浓度扰动组成的光谱组为例进行二维相关红外光谱分析。通过观察全波段和主吸收峰波段单组分气体的傅里叶变换红外光谱,可知其谱图相似,吸收峰严重交叠,如果混合在一起,将基本无法辨别何种分子结构及成分。通过广义二维相关光谱的变换,其二维相关光谱的同步谱和异步谱可以清晰地辨别出异丁烷和正丁烷的特征吸收峰及其各自强度,实验结果可知,异丁烷在2 893,2 954和2 977 cm-1,正丁烷在2 895和2 965 cm-1具有强的吸收特征谱线。分析结果初步验证了二维红外相关光谱在多组分混合气体傅里叶变换红外光谱定量分析中谱分辨率增强方面的应用。     

空气中挥发性有机物的光谱学在线监测技术

挥发性有机物(VOCs)是一类危害极为严重的大气污染物,其在线监测技术对于环境保护具有重要的意义。迄今为止,没有任何一种技术能够满足对所有VOCs进行监测的需求。分析了非色散红外方法、傅里叶变换红外光谱、光学差分吸收光谱、激光光谱等可以对VOCs进行在线监测的光谱学方法的特点和现状,并与VOCs的标准检测方法进行了比较,重点分析了调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的发展现状及趋势。     

FTIR光谱结合系统聚类分析的甜橙树苗鉴别研究

利用傅里叶变换红外光谱技术研究了7个不同甜橙树苗春梢叶片样品的红外光谱特征,结果表明,7个甜橙品种叶片样品的傅里叶变换红外光谱主要由纤维素和多糖的吸收带组成,其特征吸收峰频率位置基本一致,但在峰形、峰相对吸收强度上存在一定差异,尤其在1500～700 cm-1范围内的差异较为明显.通过对1500～700 cm-1范围内的二阶导数光谱进行系统聚类分析,结果显示系统聚类分析能把不同甜橙品种按亲缘关系远近进行聚类,实现对甜橙品种的快速鉴别与分类.因此,利用傅里叶变换红外光谱技术结合系统聚类分析对柑橘品种快速鉴别与分类具有一定的可行性,可作为甜橙苗早期品种鉴别的一种扩展手段.     

FTIR光谱结合系统聚类分析鉴别松茸和姬松茸的研究

利用傅里叶变换红外光谱技术研究了松茸和姬松茸子实体,结果显示它们的傅里叶变换红外光谱主要由蛋白质和多糖的吸收带组成。对比它们的光谱发现,两者的特征吸收峰频率位置基本一致,只是在峰形上存在一定差异。利用差谱技术发现它们的红外光谱差异主要来自于1750~1000 cm-1范围内。为了快速准确的区分松茸和姬松茸的光谱,选取1750~1000 cm-1范围内的吸收带进行系统聚类分析。结果显示,系统聚类分析能准确的把松茸和姬松茸的光谱各自聚为一类,达到鉴别它们的目的。研究表明,傅里叶变换红外光谱技术结合系统聚类分析可以发展为一种快速鉴别食用菌的方法。     

玉米花粉中营养物质的傅里叶变换红外光谱特征

为了研究玉米花粉中的蛋白质和多糖等营养物质,采用傅里叶变换红外光谱结合曲线拟合技术分析曲辰9号和靖丰3号两种杂交玉米花粉.玉米花粉的傅里叶变换红外光谱显示蛋白质的特征吸收峰酰胺I带、酰胺II带和酰胺III带出现在1 653cm-1、1 546cm-1和1 241cm-1附近,多糖特征吸收峰出现在1 078cm-1、1 056cm-1、1 030cm-1和995cm-1附近.对比它们的傅里叶变换红外光谱的蛋白质和多糖特征吸收带,两种玉米花粉存在一定差异,表明它们所含的蛋白质和多糖含量不同.对1 900~950cm-1吸收带实施傅里叶自去卷积和二阶导数处理后再进行曲线拟合分析,剥离出因光谱叠加而掩盖的特征吸收子峰.子峰信息显示曲辰9号玉米花粉中多糖的含量高于靖丰3号玉米花粉,而蛋白质的含量关系则相反.研究表明,傅里叶变换红外光谱技术可为玉米花粉中营养物质的研究提供一种便捷的手段.     

利用Tikhonov正则化算法进行光谱特征波长的选择及其参数优化

在烷烃类多组分混合气体,尤其轻烷烃类气体傅里叶变换红外光谱定量分析中,其中在红外光谱区域吸收峰严重交叉重叠,不易建立定量分析模型。为此,采用Tikhonov正则化算法对甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷和正戊烷等七种轻烷烃类混合气体傅里叶变换红外光谱进行特征波长的选择,以便建立定量分析模型。选择六种各气体浓度组成混合烷烃气体,采用Tikhonov正则化算法,通过对比分析混合气体在中红外全波段、主吸收峰和次吸收峰波段特征波长的选择和TR参数的优化,选择出七种气体成分的傅里叶变换红外光谱的特征波长。利用选择的特征波长和Tikhonov正则化参数对实测甲烷光谱数据进行检验分析,与其他气体成分的交叉灵敏度最大为11.153 7%,最小为1.239 7%,预测均方根误差为0.004 8,有效增强了Tikhonov正则化算法在轻烷烃类混合气体定量分析中的实用性,初步验证了利用Tikhonov正则化进行烷烃类混合气体傅里叶变换红外光谱特征波长选择的可行性。     

中药重楼及其伪品开口箭的FTIR分析与鉴别

本文采用傅里叶变换红外光谱方法(FTIR)对中药材重楼及其伪品开口箭的红外光谱进行了测试及对比分析。研究表明,重楼和开口箭各自有其独特的红外光谱特征,二者各自所包含的红外吸收峰的峰位明显不同,二者的红外光谱的峰形整体上有非常明显的区别,特别是在1650cm-1处及1405～1258cm-1范围这两个地方二者的峰形有非常明显的区别。采用傅里叶变换红外光谱方法可对重楼及其伪品开口箭加以鉴别和区分。     

五种杂交玉米籽粒品质的FTIR光谱研究

为了研究傅里叶变换红外光谱在杂交玉米品质评定上的可行性,使用傅里叶变换红外光谱仪获得五种杂交玉米籽粒的光谱。1 776～952 cm-1范围内的光谱主要由蛋白质、淀粉和油脂的红外吸收带组成,淀粉的吸收带较为强烈,蛋白质和油脂的吸收带稍弱。该范围光谱中特征吸收带相互重叠,导致一些重要信息被掩盖。通过对1 776～952 cm-1范围内的红外光谱进行曲线拟合分析,发现1 051和1 548 cm-1吸收子峰的面积在1 776～952 cm-1范围内吸收带总面积中占的百分比与玉米籽粒中淀粉和蛋白质的含量存在着线性关系。研究结果显示傅里叶变换红外光谱结合曲线拟合分析技术可用以分析杂交玉米籽粒中淀粉和蛋白质的含量,为玉米品质的快速评定提供一种方法。     

傅里叶变换红外光谱鉴别红黄秃马勃和橙黄硬皮马勃

为了鉴别红黄秃马勃和橙黄硬皮马勃,利用傅里叶变换红外光谱技术获得了它们孢子的光谱,测试结果显示两种马勃孢子的傅里叶变换红外光谱有明显差别。在亚甲基的非对称振动和对称振动吸收峰上,两者的相对吸收强度差异较为明显。1742cm-1和1707cm-1附近羰基的吸收峰反映出红黄秃马勃孢子含有一定量的脂类物质,而橙黄硬皮马勃孢子未含有。多糖红外光谱吸收带的相对强度反映出橙黄硬皮马勃孢子的多糖含量比红黄秃马勃孢子高。研究表明,通过傅里叶变换红外光谱能准确的鉴别出橙黄硬皮马勃孢子和红黄秃马勃孢子,并能定性分析它们的药用价值。     

中国观赏类山茶FTIR分类研究

采用傅里叶红外光谱法研究了云南山茶与华东山茶共17个品种的山茶花花瓣.结果显示,傅里叶变换红外光谱主要由蛋白质、脂类化合物及多糖的振动吸收带组成.两类山茶样品的傅里叶变换光谱图整体上十分相似,只是在多糖吸收区域(1200-950cm-1)略有差异,对比该区域的一阶导数谱,差异主要表现在1125-1100cm-1和1070-1000cm1两个吸收带.选取1200-950cm-1范围内的一阶导数谱进行系统聚类分析分类,并对4000-400cm-1范围内光谱做主成分分析.结果表明傅里叶变换红外光谱技术结合化学统计学方法,可用于鉴别云南山茶和华东山茶.     

新型环保绝缘气体反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的红外吸收特性及检测技术研究

六氟化硫气体在电力领域的广泛应用带来日益严峻的环保压力,寻求可替代的新型环保绝缘气体已成为化学及电气学科领域研究的热点。反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯[HFO-1336mzz(E)]气体因其优良的环保特性及高介电强度受到国内外的广泛关注。开展光谱吸收特性及检测技术的研究对深化电气性能的研究意义重大。采用自组装压强、温度可调控多次反射长光程池,组合傅里叶变换红外分光光度计（FTIR）及真空泵等搭建实验测试系统,通过FTIR实验及仿真模拟首先研究了HFO-1336mzz(E)气体在常温常压、1 100~1 350 cm-1波段的红外吸收特性;并对测试背景中可能存在的CO₂和H₂O进行谱线交叉干扰分析;重点研究了压强、温度对HFO-1336mzz(E)气体在1 100~1 350 cm-1波段红外光谱吸收特性的影响;同时基于非分散红外（NDIR）技术对HFO-1336mzz(E)气体低浓度泄漏及高浓度混合比传感器进行了仿真测试。结果表明：HFO-1336mzz(E)的三个强吸收峰的中心波数分别为1 152,1 267及1 333 cm-1,模拟仿真红外光谱与气体实测结果吻合较好;1 333 cm-1处干燥空气背景中CO₂吸收强度数量级低至10-6,在150 nm滤波带宽内水分子峰面积积分影响因子约为1.44×10-3,谱线交叉干扰均可忽略不计,而痕量泄漏检测时需要湿度补偿;选择HFO-1336mzz(E)气体在1 333及1 267 cm-1位置分别作为NDIR技术实现低浓度泄漏及高浓度混合比检测的吸收谱线切实可行;光谱吸收系数及谱线展宽随着压强升高而增大,1 333及1 267 cm-1位置吸收系数随压强的变化率分别为0.273和0.118 cm-1·kPa-1;随温度的升高峰值吸收系数减小,谱线展宽变窄,但不同位置吸收系数变化差异较大,1 333及1 267 cm-1位置吸收系数随温度的变化率分别为-0.105 6和-0.035 cm-1·K-1。传感器仿真测试结果显示1 333 cm-1处5 cm光程可实现0~1 800 μL·L-1低浓度痕量泄漏测试,1 267 cm-1位置2 mm光程可实现0~10%高浓度混合比测试。该研究为基于红外光谱吸收原理的光学气体传感器的研制提供实验与理论依据。     

基于谱线线型函数的气体浓度检测技术

快速、精确地测量微量气体浓度的技术在大气质量分析、环境污染检测等领域具有广泛的用途。在红外光谱检测技术中,气体吸收光谱的谱线线型函数是定量测量气体浓度的一个重要参量,而如何准确和快速地得到气体谱线线型函数值是气体浓度测量中的一个关键问题。首先从理论上分析了谱线线型函数,得出计算谱线线型函数的一般方法及探讨了气体浓度与谱线线型函数峰值之间的关系。然后,利用可调激光器及光谱仪检测系统测量了乙炔在1 515～1 545 nm波长范围内的吸收光谱,再通过Lambert-Beer定律计算得到在不同频率下的谱线线型函数峰值,最后利用程序拟合出该波段内气体的谱线线型函数峰值分布曲线,并与Voigt线型函数理论计算值进行了比较,发现理论计算的谱线线型函数峰值仍存在一定的偏差。相比理论计算结果,所提出的检测方法得到的乙炔浓度与真实的乙炔浓度值更加吻合,表明了通过实验确定的谱线线型函数的经验公式可以更好地用于气体浓度的检测。由于利用实验测量值获得了谱线线型函数峰值分布的拟合曲线,因此可以快速准确地计算出所对应的谱线线型函数峰值,从而大大地简化了线型函数的计算过程。实验所获得的数据可应用于光学遥测乙炔气体浓度,且提供的方法也可以应用到其他气体的谱线线型函数峰值的测量中。     

迭代最小二乘法气体光谱自动水汽差减算法

傅里叶红外光谱法具有测量速度快、信噪比高、检测范围广等优势,在针对污染源废气排放的快速检测及长时间在线监测中具有巨大的发展潜力。水汽是红外光谱污染气体检测中的主要干扰物,影响NO_X,SO₂等重要污染物的检测,差减水汽背景谱消除光谱中水汽干扰可提高这些污染物的检测精度,具有重要意义。气体光谱中水汽吸收峰由于受到水分子团簇、仪器线型函数等影响,通过数值方法对其计算的误差较大;为此,水汽背景谱一般需采用同一台光谱仪实测获得。主要有两种方法： 第一种是通过反复调节水汽/氮气混合气中的水汽浓度,使水汽背景谱中的水汽吸收峰与污染气体光谱中水汽吸收峰相同,此方法耗时较长,且受环境条件制约很难在现场检测中使用;第二种方法是预先测量不同浓度的水汽光谱,在检测污染气体时选取两幅与污染气体光谱中水汽吸收峰最为接近且将其夹在中间的水汽光谱作为参考谱,使用这两幅参考谱线性拟合与污染气体光谱中水汽吸收峰相同的水汽背景谱,此方法可获得高度近似的水汽背景谱,但当前缺乏相关自动算法妨碍了其在快速自动消除水汽干扰方面的应用。为此,提出一种选取水汽参考谱及拟合水汽背景谱的自动算法,用于自动差减消除水汽干扰。在参考谱选取中,使用污染气体光谱依次减去浓度由低至高的水汽光谱,依据差减后光谱中水汽吸收峰所在波数的吸光度正负性来选取参考谱。在水汽背景谱计算中,基于迭代最小二乘法逐步剔除光谱中受污染物吸收峰干扰的波数,采用剩余波数上的数据拟合水汽背景谱,使其与污染气体光谱中水汽吸收峰相一致。使用水汽背景谱对污染气体光谱进行差减即可消除污染气体光谱中的水汽干扰。对含有NO₂的污染气体光谱进行了差减消除水汽干扰实验,结果表明所提出的自动算法可快速准确消除水汽干扰;NO₂在消除水汽干扰后可由其位于1 629 cm-1的强吸收峰检测,相比消除水汽干扰前使用不受水汽干扰的位于2 917 cm-1的弱吸收峰检测,其检出限得到了大幅提高。     

基于页岩气返排液中甲烷浓度及排放速率的红外光谱反演研究

随着页岩气的开发,传统的手持式甲烷测量仪无法继续应对复杂的开采工况。针对页岩气开发过程中温室气体甲烷的浓度及排放速率难以实时在线监测的问题,利用自主设计并搭建的开放光程傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量系统,对页岩气开采过程中各种工况下返排液进行实时在线测量。其中FTIR分辨率为1 cm-1, 光程为50 m,红外光源通过返排液正上方被光谱仪接收。对测量所得的红外光谱进行多次平均,提高光谱质量并进行反演计算。从HITRAN数据库中提取甲烷特征吸收截面,考虑环境与仪器等影响,对测量温度进行修正,选取合适的吸收波段,与水汽的吸收截面进行吸收峰叠加,合成标准光谱。使用最小二乘法对实测光谱与标准光谱进行拟合,从而反演出甲烷浓度。并根据返排液排放速率,结合光路通过返排池的距离及红外光谱反演浓度,对页岩气开采过程中甲烷排放速率进行计算。结果表明：不同开采工况下,光谱反演浓度呈明显起伏变化。更换三项分离器时,甲烷浓度有明显上升;在点燃火炬时,甲烷浓度持续低值;其红外光谱反演浓度符合页岩气开采过程中甲烷排放情况。改变测量光谱平均次数,对返排液甲烷进行单位小时和连续80小时测量并分析。在单位小时内,甲烷浓度在100～800 μmol·mol-1范围内呈现明显起伏变化;甲烷的排放速率在50～300 m3·h-1内波动。对返排液进行80小时连续测量,甲烷浓度最大值为936.4 μmol·mol-1,其最大排放速率达到535.1 m3·h-1;最低值为36.82 μmol·mol-1最小排放速率为18.63 m3·h-1。反演数据结果说明：在页岩气开发过程中,其返排液为一个无组织甲烷排放源,且排放速率在短时间内变化十分明显。红外光谱反演浓度和传统手持式甲烷测量仪测量结果具有较好一致性,相关系数为0.743 6。相对于传统手持式甲烷测量仪器,红外光谱反演法具有响应速度更快,非接触远距离,实时在线测量等优势。     

改进阈值提升小波和自适应滤波器的开放光路红外光谱去噪

大气污染物的主要组成成分为挥发性有机物(VOCs),傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)是现阶段应用广泛的挥发性有机物在线测量方法。开放光路获取到的大气红外光谱(OP-FTIR)易受各种噪声污染,如何有效、快速的去除红外光谱中的噪声是大气在线实时监测系统研究的热点。综合利用提升小波变换结构简单、运算量低的优点以及最小均方误差自适应滤波器的自动调节参数以达最优化滤波的性能,提出了一种改进阈值提升小波结合自适应滤波的红外光谱去噪算法。该算法先通过改进阈值小波系数的提升小波去噪,在去噪的同时保留更多光谱特征信息,然后使用提升小波变换分解出的高频系数重构出噪声相关信号,将其作为最小均方误差自适应滤波器的参考输入进行二次滤波处理,最终获得的去噪信号很好的去除了与特征光谱频谱重叠的噪声信号。分别对人工添加噪声的标准红外光谱和合肥市市区上空实测开放光路红外光谱进行去噪处理,结果显示使用该算法处理后的光谱信噪比(SNR)较离散小波传统阈值去噪方法高出3db,均方根误差(RSME)平均减少30%左右,运行时间减少46%。表明该算法计算简单、运行速度快,对于大气环境监测实时消噪系统具有重要的实际应用意义。     

傅里叶变换实时红外光谱复原的FPGA实现

为实时获取战场激光、大气污染物气体、毒气等待测物光谱信息的光谱复原,设计了基于现场可编程门阵列(FPGA) 的实时光谱采集分析系统。该系统选用迈克尔逊干涉具和碲镉汞探测器获取待测光谱信息,将采集到的数据传入FPGA。利用硬件描述语言VerilogHDL在Xilinx FPGA芯片上依据傅里叶变换(FFT)实现干涉条纹到光谱数据的实时处理。实验结果表明,FPGA实际计算1 024点基2-FFT频谱分布信息与Matlab理论计算结果相同,可满足实时光谱探测的要求。     

基于多帧背景的泄漏气体自适应匹配滤波检测

被动傅里叶变换红外(FTIR)扫描遥测成像系统采集的红外高光谱图像具有空间、光谱等维度信息,可被用于大气环境中有毒有害气体的识别、定量及可视化。该系统具有光谱分辨率高、非接触式及远距离探测等优点,然而其单帧图像的像元数量少且部分存在气体吸收或发射特征,无法直接用于红外高光谱图像的目标检测。提出了基于多帧背景的泄漏气体自适应匹配滤波(AMF)检测方法,以短时间内、同一区域的多帧红外高光谱图像为基础,筛选出无目标气体特征的背景光谱并计算探测区域的背景最大似然估计,应用于后续帧的目标气体泄漏检测。红外高光谱图像来自于SF₆气体的遥测实验,共扫描四帧（120像元/帧）,去除前三帧内含有目标气体特征的像元光谱,剩余背景光谱被用于计算背景的最大似然估计,第四帧红外高光谱图像逐像元对SF₆气体进行的AMF检测,并与非线性最小二乘法反演的SF₆柱浓度图像比对,结果表明AMF检测高值与柱浓度高值有较强的相关性。为验证多帧背景在不同空间检测方法下的性能,分别对该帧数据进行了基于正交子空间的自适应子空间检测(ASD)、基于混合空间的自适应余弦检测(ACE)及基于斜子空间的最大似然比检测(OGLRT),并分别与SF₆柱浓度图像比对,结果表明多帧背景适用于不同空间的检测方法。此外,为验证存在目标气体吸收特征的非背景光谱对背景空间的影响,向背景空间中加入多条含有SF₆气体吸收特征的光谱,通过ROC曲线检验,结果表明背景空间中混入目标气体特征会降低AMF方法的检测性能。AMF检测值的假彩色图像也能应用于被动FTIR扫描遥测成像系统,相较于柱浓度假彩色图像,泄漏源及扩散趋势更为明显。基于红外高光谱图像的检测方法依赖于整体背景的统计特性,相较于单像元光谱波段的反演算法,极大地降低了背景的依赖性。多帧背景下的AMF泄漏气体检测方法能很好地应用于被动FTIR扫描遥测成像系统上并满足在线监测要求。     

基于红外特征吸收法的烟草主流烟气中氨浓度检测系统

为了快速、 精确地从卷烟燃烧的主流烟气中求出氨的浓度信息,设计了基于红外吸收的检测系统。根据氨在中红外的特征吸收曲线,系统通过10.4 μm中红外固定波长激光器对准最强吸收峰波长位置。由红外探测阵列获取经被测主流烟气红外光的干涉条纹后,结合光谱数据库及光谱分析算法,由比尔朗伯定律求解主流烟气中的氨浓度。标准光谱数据选自NIST光谱数据库,结合对主流烟气中多种干扰气体的降噪处理,最终完成氨浓度信息的实时显示。实验采用UnicornTM固定波长激光器、 静态傅里叶变换干涉具、 标准抽吸引擎等,对五个不同品牌的卷烟进行测试。每个品牌随机抽取十支,分别采用传统的离子色谱法和本系统进行实验。结果显示,本系统的氨浓度检测与标准值基本一致,同时速度快、 抗干扰能力强。     

基于二维相关中红外光谱技术的邻苯二甲酸二丁酯检测研究

利用二维相关红外光谱技术对正己烷中常用塑化剂邻苯二甲酸二丁酯(DBP)的浓度变化进行了检测研究。利用傅里叶变换红外光谱仪对溶于正己烷中的DBP进行检测,得到742,1 078,1 123,1 281,1 467,1 728,2 873,2 933和2 961cm~(-1)特征吸收峰。将红外光谱分为三个波段400~1 200,1 200~1 900和2 900~4 000cm~(-1),通过二维相关光谱分析技术得知在1 123cm~(-1)波段(苯环面外摇摆及O-—C—O单键伸缩运动)、1 728cm~(-1)(C—O双键的伸缩运动)、2 873和2 961cm~(-1)(CH3伸缩运动)以及3 436cm~(-1)(苯环C—H的面内伸缩运动)对DBP浓度变化比较敏感。结合红外光谱宏观指纹技术以及二维相关光谱分析方法,能够较准确的分析出正己烷中的DBP的浓度变化,为食品中塑化剂含量的检测以及研究塑化剂的迁移规律提供了新的思路和方法。