模拟溢油样品激光诱导荧光光谱的偏振特性研究

激光诱导荧光是海洋溢油探测的有效手段之一,但该技术的应用易受自然水体中叶绿素、CDOM等物质荧光信号的干扰。为了寻求排除自然水体荧光干扰的方法,基于532 nm连续激光器搭建了激光诱导偏振荧光实验装置,并针对六种不同密度的模拟溢油样品和自然水体开展了荧光光谱偏振特性研究。实验结果发现,与自然水体的荧光光谱不具有明显的偏振特性不同,所有模拟溢油样品的诱导荧光均具有明显的偏振特性,这一结论说明激光诱导荧光光谱的偏振特性可以作为排除叶绿素、CDOM等物质荧光干扰的依据。实验还发现,溢油样品的荧光偏振性质因样品种类而异。在线偏振光激发下,原油样品荧光偏振度随波长逐渐降低,其中重质原油样品偏振度降低幅度最大,轻质原油样品幅度最小,而柴油样品荧光偏振度没有明显变化;当周期性改变激发光的偏振状态时,所有模拟溢油样品的荧光偏振度随之发生趋势相同的周期性波动,中质样品荧光偏振度波动的幅度低于重质样品,但明显超过轻质样品。这一结果说明,模拟溢油样品诱导荧光偏振度的波长变化特性及对激发光偏振态的响应特性均与样品密度存在一定关联,其偏振特性可以作为辅助油种识别的重要参量。     

椭偏测量法的油膜紫外可见-近红外光谱光谱偏振特性研究

为实现水面溢油目标的偏振遥感,选择合适的波段和观测角度,需要油膜的光谱偏振特性数据作支撑。在实验室采用椭偏测量的方法,针对不同厚度机油油膜和纯净水作为背景样本,测量了不同观测角度下从紫外到近红外波段（270~900 nm）的镜面反射光谱偏振参数：辅助角ψ和相位差Δ,并对在相同条件下油和水的测量结果作对比。分析表明除布儒斯特角附近位置外,不同厚度的油膜与水的起偏特性在各观测角都存在差异。通过在45°入射角所测的ψ和Δ,得到水/油样本的光谱折射率和消光系数,水折射率经过偏移修正后,与Schiebener水折射率模型的标准差为3×10-5。根据之前得到的油/水参数,对油膜在水背景的物理现象作薄油膜理想介质层建模,用菲涅耳定律仿真自然光的镜面反射,发现在全观测波段相同入射光条件下油膜的反射光存在明显的偏振度（DOP）或偏振角（AOP）光谱偏振可观测性。模型与实际测量结果对比发现：在300~350 nm仿真结果和实际测量相符,油膜的反射光偏振性质趋近于油样本;在350~550 nm,油膜模型仿真结果比实验的干涉效应更明显,油膜实验数据表明其光谱起偏性质依然与油保持一致;在大于550 nm直到近红外波段,实验干涉效应开始显著。说明油膜比油有更强的散射或吸收特性,辨识参数得到油膜的消光系数存在不同于油的随波长先变小后变大的性质。总之,利用光谱椭偏测量方法,通过多波段、多角度测量,分析液体样本的光谱偏振特性和折射率等性质;偏振观测的恰当角度与油/水的布儒斯特角有关,在布鲁斯特角之外的位置观测,油膜的光谱椭偏角相较水都存在分辨能力;对小于200 μm的薄油膜近红外波段可重复性较差,而紫外和可见蓝紫波段相比之下有很好的可重复性和区分性,更适合于对甚薄油膜表面种类的遥感观测。该实验涉及的方法可以用于其他油种油膜的偏振光谱测量,实验数据为偏振遥感工作的波段选择与观测角度提供提供参考。     

利用多个标准样品校准光谱椭圆偏振仪

光谱椭偏仪是常用的测量薄膜厚度及材料光学性质的仪器,其准确性主要由系统的校准过程确定。提出一种新的利用标准样品校准光谱椭偏仪的方法。该方法通过对多个已知厚度和已知材料特性的薄膜样品进行测量,利用测量得到的多个样品的傅里叶系数光谱与包含未知校准参数的理论光谱之间进行对比,通过最小二乘法拟合,回归求解出整个系统的未知校准参数,包括偏振器方位角,波片延迟,波片方位角和系统入射角等。将该方法的应用领域扩展到200~1000nm的宽光谱区域,并通过测量3~13nm的SiO2/Si薄膜样品,实验验证了该方法的有效性,准确性达到0.194nm。该方法相对于传统校准方法更加简单、快速。     

基于退偏振特性分辨伪装涂层的研究

伪装技术作为现代战争中一种重要的作战方式,在战场上起着至关重要的作用,对伪装目标的探测直接影响到战争的结果,利用退偏振特性检测伪装涂层的研究未见报道,因此对伪装涂层退偏振特性的研究具有重要意义。为了研究这一问题,从电磁波散射的机理出发,研究了其与退偏振特性之间的理论关系,利用琼斯矩阵和穆勒矩阵建立物理模型,结合偏振特性分解穆勒琼斯矩阵,得到被测量样品表面的完全退偏振系数(ω_d)。实验分别通过七个不同的入射角度对土壤与三种黄色伪装涂层进行测量,分析了土壤和三种黄色伪装涂层表面的退偏振特性,最后应用菲涅尔方程验证理论模型。分析可知：被测量样品表面的退偏振特性与表面散射程度相关,并且随着入射角度的增大,被测量样品的完全退偏振系数(ω_d)均呈递减趋势,但是在整个测量过程中,土壤与三种伪装涂层的完全退偏振系数(ω_d)具有很大的差异。研究表明：首次引用完全退偏振系数作为伪装目标分辨的重要参量,精确有效地分辨出土壤背景中的黄色伪装涂层,并且实验操作过程简单,周期较短,在现代战场上可以方便快速地识别出伪装目标,为战斗的胜利赢得了宝贵的时间,具有极大的应用价值,对伪装识别技术的发展有着极为重要的意义。     

基于三维荧光光谱-平行因子分析的海上溢油识别技术研究

在世界范围内溢油事件频繁发生,溢油的组成成分会影响人类身体健康和生态系统。因此,迫切地需要一种可以快速识别溢油种类的方法。针对溢油污染物现场快速鉴别的需求,利用平行因子分析技术建立了基于三维荧光光谱的原油、燃料油识别方法。首先,利用Delannay三角形内插值法对实验选的6种原油(Roncador原油、巴士拉原油、俄罗斯原油、沙特原油(重质)、上扎库姆原油、海二站原油)和三种燃料油(380CST燃料油、5-7号燃料油、岚山燃料油)的三维荧光光谱去散射,去散射后的三维光谱数据进行归一化处理;之后,对三维荧光光谱进行平行因子解析,确定七个荧光组分为最佳荧光组分,进而得到由7个荧光成分组成的样品荧光特征谱,将风化第3,15和45天的样品及未风化样品的第一平行样的荧光特征谱进行贝叶斯方法(Bayes)判别分析和聚类分析,确定油品荧光特征谱的分析能力和18条荧光标准谱库(12条原油标准谱和6条燃料油标准谱);最后,利用非负最小二乘多元线性回归建立溢油荧光识别方法,对第0,7和30天风化的样品和未风化样品的另一平行样进行识别。实验结果表明,除对风化及未风化的俄罗斯原油识别外,该方法对其余风化和未风化的五种原油和三种燃料油识别正确率均为100.0%,整体识别原油正确率为87.5%,燃料油正确率为100.0%。     

基于浓度参量同步荧光光谱的相近油源溢油鉴别

将浓度作为辅助参量引入到同步荧光光谱中,获取溢油样品在10-4~10 g.L-1浓度范围内的浓度同步三维荧光光谱,应用主成分分析法对胜利油田的5个原油样品及93#及90#汽油样品及0#柴油进行模式识别。结果表明,浓度参量的引入可全面的反映溢油样品多环芳烃的组成信息,比较溢油样品溶液稀释到线性范围内所获取的同步荧光光谱,该方法提高了应用主成分分析法对溢油样品的识别率,在很好的区分不同类型的溢油样品的基础上,实现了正确判别相近油源的溢油种类,同时解决了样品配置过程中浓度误差对分类识别的影响难题。     

基于偏振双向反射分布函数的粗糙表面偏振特性

为了研究高斯粗糙表面偏振特性,基于微面元理论,综合考虑微面元的漫反射和镜面反射,建立偏振双向反射分布函数模型。对由偏振双向反射分布函数得到的穆勒矩阵进行分解、变换等处理,推导出表征粗糙表面二向色性、相位延迟和退偏的3个子矩阵及其对应的偏振特性表达式。针对典型的粗糙目标,对偏振特性进行理论计算。分析入射角、方位角,以及粗糙度对粗糙表面偏振特性的影响。结果表明:粗糙表面二向色性在入射角变化范围内有极大值,且随方位角的增大而增大;相位延迟随入射角的增大而减小,且在方位角变化范围内有极大值;退偏能力在入射角范围内有极小值,且随方位角的增大而减小;粗糙度对除退偏能力以外的偏振特性影响较小。     

穆勒矩阵成像椭偏仪误差源的简化分析方法

针对穆勒矩阵成像椭偏仪的系统误差源提出一种简化分析方法,将光强曲线的理想傅里叶级数系数组与实际系数组进行近似匹配,建立穆勒矩阵测量误差与误差源参数之间的线性模型。针对解析式复杂的随机方位角误差,从统计学角度提出了一种等效噪声模型以分析其对测量结果的影响。采用上述简化方法系统分析了椭偏仪的6种系统误差源和2种随机误差源对穆勒矩阵测量结果的影响,并以一个典型光刻投影物镜的穆勒光瞳为检测对象,进行了检测仿真。仿真结果验证了所提方法分析的准确性。     

米散射介质退偏特性的表征与计算方法

对比描述米散射介质退偏特性的米勒矩阵分解法和米勒相关矩阵法,讨论了完备的退偏特性描述参数。发现退偏介质在不含其他偏振特性时,分解法和相关矩阵法得到的保偏系数与标准值的差异会随着介质主轴方向上的退偏各向异性程度增大而增大,此差异最大时分别为0.16和0.07,相对差值分别为33%和15%。由于米散射介质表现出退偏各向异性特征,发现除了可用退偏各向异性系数表征此特性外,保偏系数-熵图也可定性地反映介质的退偏各向异性程度。而当介质表现出其他偏振特性,如双折射和旋光等效应时线性退偏会表现出各向异性特征,此时还需引入线性退偏各向异性系数才可完备地表征米散射介质的退偏特性。     

拉曼光谱偏振特性的研究

在研究拉曼光谱偏振特性的基础上，计算出四氯化碳(CCl4)样品各简正振动模式的退偏度，设计了测量拉曼光谱退偏度的实验方案，并得到理论和实验相吻合的结果。     

Mueller matrix-based optimization of reflective type twisted nematic liquid crystal SLM at oblique incidences

Mueller matrix measurements were used to characterize the polarization properties of liquid crystal-based reflective type twisted nematic (TN) special light modulator (SLM) at oblique incidence of the laser beam. The experimentally obtained Mueller matrices were used to obtain the combination of polarization optics required to optimize it for phase only modulation. The results indicate that minimum intensity modulation is obtained with the use of a polarizer followed by a quarter wave plate (QWP) in polarization state generator (PSG) arm and a QWP followed by an analyzer in polarization state analyzer arm (PSA). Polarization parameters such as retardance, rotation and depolarization were calculated from the experimentally obtained Mueller matrices using polar decomposition method at different angle of incidences of the laser beam and the results has been discussed. The similarity between retardance and depolarization curve as a function of address voltage of TNSLM indicated that depolarization is mainly associated with errors in retardance values. Further, spectral Mueller matrix measurements were used to obtain intensity modulation response in the range of wavelengths 450-700 nm for broadband applications.     

基于密度泛函理论下多肽光谱性质研究

多肽类物质在生物医药等领域是一种重要的生物大分子,而紫外-可见吸收光谱和荧光光谱是研究生物分子精细结构的重要手段。采用密度泛函理论（DFT/RI）计算了生长激素释放肽（GHRP-6）和催产素（Oxytocin）两种多肽的结构模型和分子前线轨道;在含时密度泛函理论（TDDFT）的基础上,引入了TDA等近似,建立了多肽类物质的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱的理论模型。结果表明,实验测得到GHRP-6的紫外-可见吸收光谱最大吸收波长为279 nm,计算得到的最大吸收波长为282 nm,误差为3 nm,误差百分比约为1%;Oxytocin紫外-可见吸收光谱的实验值为275 nm,计算值为269 nm,误差百分比约为2%。GHRP-6荧光光谱计算值为368 nm,实验值为360 nm,误差百分比约为2%;Oxytocin荧光光谱计算值为305 nm,实验值为312 nm,误差百分比约为2%。GHRP-6产生荧光的发射波长与色氨酸产生的荧光波长范围相近,说明GHRP-6产生荧光的主要贡献为色氨酸残基上的π→π*轨道跃迁,Oxytocin荧光峰位置与酪氨酸产生的荧光波长范围相近,Oxytocin产生荧光的主要贡献为酪氨酸残基上的π→π*轨道跃迁。根据该模型计算得到的光谱与实验结果吻合度较高,表明该模型能够准确计算多肽类物质紫外-可见吸收光谱和荧光光谱,为实验提供可靠的理论依据。     

Detecting H_2S Gas Concentration by 1,8-Naphthalimides Fluorescent Probe

针对传统硫化氢检测方法灵敏度低的问题,以1,8-萘酰亚胺为荧光基团,基于H₂S的还原性,通过在荧光分子结构上引入具有氧化性的硝基,合成一种可与硫化氢气体发生氧化还原反应生成有荧光响应的小分子荧光探针。该探针本身荧光十分微弱,且荧光峰值在λ=467 nm和λ=522 nm处。与H₂S反应之后,522 nm处的荧光效应消失,467 nm处的荧光效应显著增强。测定小分子荧光探针在通入H₂S气体前后的荧光光谱,分析467 nm处的荧光强度与气体浓度关系。结果表明：荧光光谱法检测出的H₂S气体浓度与荧光强度之间存在很强的线性关系,相关系数为0.979 3,最低可检测极限可达0.88×10-6 mol·L-1量级。表明基于1,8-萘酰亚胺衍生物的荧光光谱检测法可为油气田H₂S气体浓度的的快速测定提供参考。     

基于色散偏振度的乳化油光谱检测系统研究

以色散偏振光谱检测技术为背景,着重研究了乳化油颗粒的偏振光学特性及米散射物理模型,构建了色散偏振度光谱检测系统。在400～700 nm波长范围内,分别对四种样品进行了301个波段的光谱反射率采集。结合贝塞尔函数和汉克尔函数,推导出了入射光波长与散射光偏振振幅矢量的关系,提取了一个新的特征参数：色散偏振度（DODP）。在暗室条件下,对乳化油样品ND18和ND75进行测量,利用色散偏振公式计算出了样品在各测量波长处的偏振度值,验证了基于DODP值检测乳化油的可行性。研究发现,虽然米散射的解是由单个球体的衍射推导而来,但是只要它们的直径和组成相同,且彼此之间的距离比波长大,也同样可以用于任意数量的球的衍射。在这种情况下,被不同球体散射的光之间没有相干的相位关系,总散射能量等于被一个球体散射的能量乘以它们的整数。当观测平面与入射波电矢量振动方向之间的夹角Φ=0或者Φ=π／2时,散射光分量E(s)_θ或者E(s)_Φ消失。由于ND18的粒径比ND75的粒径小,所以ND18的前向散射波瓣较大,前向散射与后向散射的比值较小。在相同光照条件下,ND75的多次散射现象要比ND18严重。根据路径相关矩阵的理论,多次散射容易引起退偏振,二次辐射波会在角域内扩散和分布。因此,被测乳化油表面产生的散射次数与入射光能的阻尼能力成正比。由于乳化油表面入射光的能量耗散存在差异,因此能量耗散率与入射波矢量方向的前向散射振幅的分量成正比,且乳化油的偏振散射程度不同于入射光的偏振散射程度。实验结果表明,DODP可以反映出乳化油由多次色散引起的去偏振能力。由于模拟光源是自然光,所以计算散射光的偏振参数非常方便,可以大大缩短数据处理时间,减小实验误差。DODP不仅能够识别海水中的乳化油,而且能够区分不同浓度的污染物,准确识别出乳化油的边缘扩散。     

基于迭代逼近算法的土壤中机油和柴油混合物荧光信号重叠特性研究（英文）

随着我国经济的迅速发展,石油制品需求量与日俱增,伴随着工农业生产活动,大量石油制品进入土壤,造成严重的土壤石油污染。土壤中的石油污染物会对植物生长产生危害,并通过食物链威胁人类健康,因此需对土壤中的石油污染物进行现场、快速检测。激光诱导荧光技术(Laser-Induced fluorescence, LIF)具有检测速度快、灵敏度高、可现场检测等优点,但在检测土壤中有机污染物时,面临着荧光光谱重叠严重等问题。为了研究土壤中机油和柴油混合物荧光信号的重叠特性,制备了10种含有不同浓度机油、柴油混合物的土壤样品。通过搭建LIF实验系统,获取不同混合浓度的机油和柴油的荧光光谱,对油类荧光光谱进行了最大值归一化处理,建立土壤中机油、柴油混合光谱的反演关系,以最小残差平方和为指标,使用迭代逼近算法计算出土壤荧光光谱中柴油和机油样品的荧光贡献率。分别使用了全谱法和截取特征光谱两种方法计算机油和柴油的荧光贡献率。全谱法是在混合油样的全波段光谱(200~600 nm)范围进行迭代逼近,截取特征光谱方法是在截取油样光谱(330~460 nm)段进行迭代逼近。(330~460 nm)范围内包含了混合油样的所有光谱特征。用计算出的机油的荧光贡献率与机油样品浓度做线性拟合时发现,截取特征光谱法的拟合系数R为0.989,优于全谱法的0.923。分别用全谱法、截取特征光谱法计算出的荧光贡献率以及归一化机油、柴油光谱合成混合油归一化光谱,与实际归一化混合光谱比较,截取特征光谱法计算的平均相对误差为3.38%,优于全谱的8.79%,其原因是全谱法比截取特征光谱法引入了更多的噪声信号,所以在计算油类荧光贡献率时产生了较大的误差。选取机油和柴油归一化光谱上300, 350, 400, 450和500 nm等5个位置的荧光强度与归一化混合油光谱做多元线性回归拟合,计算出平均相对误差为10.31%。结果表明截取特征光谱方法优于多元线性回归方法;土壤中机油和柴油的荧光贡献率与自身的浓度之间成良好的线性关系,说明在土壤中机油和柴油混合后各自的化学性质保持稳定,在土壤中的荧光信号重叠特性是线性叠加的。这种这种方法同样可以用于其他石油类混合物的解离。通过该研究提高了LIF技术在土壤中石油烃类污染物定性与定量检测的准确性。为土壤中石油烃现场快速检测提供了方法支撑。     

Optical diagnosis of dengue virus infected human blood using Mueller matrix polarimetry

Currently dengue fever diagnosis methods include capture ELISAs, immunofluorescence tests, and hemagglutination assays. In this study optical diagnosis of dengue virus infection in the whole blood is presented utilizing Mueller matrix polarimetry. Mueller matrices of about 50 dengue viral infected and 25 non-dengue healthy blood samples were recorded utilizing light source from 500 to 700 nm with scanning step of 10 nm. Polar decomposition of the Mueller matrices for all the blood samples was performed that yielded polarization properties including depolarization, diattenuation, degree of polarization, retardance and optical activity, out of which, depolarization index clusters up the diseased and healthy in to different separate groups. The average depolarized light in the case of dengue infection in the whole blood at 500 nm is 18%, whereas for the healthy blood samples it is 13.5%. This suggests that depolarization index of polarized light at the wavelengths of 500, 510, 520, 530 and 540 nm, we find that in case of depolarization index values are higher for dengue viral infection as compared to normal samples. This technique can effectively be used for the characterization of the dengue virus infected at an early stage of disease.     

Mueller matrix differential decomposition

We present a Mueller matrix decomposition based on the differential formulation of the Mueller calculus. The differential Mueller matrix is obtained from the macroscopic matrix through an eigenanalysis. It is subsequently resolved into the complete set of 16 differential matrices that correspond to the basic types of optical behavior for depolarizing anisotropic media. The method is successfully applied to the polarimetric analysis of several samples. The differential parameters enable one to perform an exhaustive characterization of anisotropy and depolarization. This decomposition is particularly appropriate for studying media in which several polarization effects take place simultaneously.     

荧光光谱定量表征不同成熟度的同源混合原油——以东营凹陷沙四段为例

混源油比例定量分析对于判识不同成藏期的油源贡献度具有重要意义,为建立一种快捷确定混源油贡献度的方法,采用显微荧光光谱技术对同源混合原油贡献度进行了定量表征。以东营凹陷王家岗地区为例,通过γ蜡烷/C₃₀霍烷、Ts/(Tm+Ts)、Ts/Tm及C₂₉20S/（20S+20R）等生物标志化合物参数对沙四段原油进行了的原油组群划分与油源对比,对原油类型和成熟度进行了限定。选择具有代表性的X₁和X₂井作为沙四型成熟原油和低熟原油的两个端元组分进行人工配比实验,在验证端元组分可靠性的基础上,对端元油按照质量分数进行了配比,分别为0∶10,2∶8,4∶6,6∶4,8∶2,10∶0。对配比进行了原油族组分和显微荧光光谱分析,分析了混合原油成熟度、端元油贡献度和荧光光谱参数之间的关系。结果表明：配比混源油继承了端元油“三峰型”的荧光光谱谱形特征,混源油荧光颜色明显不同,通过荧光颜色定量系数（CIE-X,CIE-Y）分析可知,在CIE色度图上表现为近线性渐变的荧光特征;随着沙四型成熟油混入量的增加,混源油中芳香烃含量逐渐减少,荧光强度也逐渐降低,荧光颜色发生了明显的蓝移;原油混合使荧光光谱参数发生了变化,荧光光谱参数（QF-535、荧光强度-567 nm、红绿商、黄绿商）与混合比例呈现良好的线性关系,能够较好的反映原油成熟度;随着混源油成熟度增高,高分子量烃类组分含量降低,荧光光谱参数逐渐降低。通过配比实验建立的数学关系能够定量判别原油混合比例,实验证实可以利用荧光光谱参数定量表征混源油中端元组分的贡献度。     

收发共轴LIF系统海面乳化溢油探测与仿真研究

海面溢油污染是常见的海洋污染之一,通常以未乳化、乳化等风化状态存在,其中乳化阶段对海洋危害更加显著。因此,快速监测海面溢油信息,准确识别并评估乳化溢油污染对溢油应急处理和生态环境保护具有重要意义。激光诱导荧光(LIF)是目前有效的海面溢油探测技术之一。LIF探测系统可分为收发共轴和非共轴形式。有关收发共轴LIF系统对海面乳化溢油探测的研究较少,利用Mie散射理论计算得到溢油乳化液的吸收系数、散射系数等光学参数,建立蒙特卡罗光子传输模型对乳化溢油进行双向反射再辐射分布函数(bidirectional reflectance and reradiation distribution function, BRRDF)的仿真研究。分析浓度、厚度、油种多参数下乳化溢油的f_BRRDFcos2θ与发射接收角度的关系,进而得到基于收发共轴LIF系统海面乳化溢油探测的适宜条件。结果表明,f_BRRDFcos2θ与发射接收方位角无关,但受发射接收天顶角的影响较大,各参数下乳化溢油的f_BRRDFcos2θ其变化规律具有一定差异性。重质油包水和低浓度水包油的f_BRRDFcos2θ对天顶角的变化更敏感,轻质油包水和高浓度水包油的f_BRRDFcos2θ对较小角度(0°~45°)不敏感,之后迅速下降。因此基于收发共轴LIF系统对海面乳化溢油进行探测时,发射接收天顶角在0°~45°范围内为宜,其中在0°处系统可接收到最大光功率。另外,为验证仿真正确性,利用实验室LIF系统对乳化溢油进行收发共轴式测量荧光光谱,发现此与仿真结果具有一致性趋势。