动力学光谱数据解析的奇异值分解最小二乘法

奇异值分解最小二乘法用于解析模拟的二组份可见／紫外动力学光谱数据。该方法不仅可获得组成动力学光谱变化的组份分数及其光谱,而且能够给出各组份随时间的变化规律。与动力学和非线性回归相结合,可用于处理复杂体系动力学光谱数据。     

偶氮类化合物热相变动态过程的二维相关拉曼光谱研究

利用变温傅里叶变换拉曼光谱（ＦＴ－Ｒａｍａｎ）研究含偶氮苯基长链脂肪酸化合物８Ａ５Ｈ固体的热相变。二维相关光谱分析技术被应用到以温度为变量的同步和异步相关计算，目的在于研究该化合物中不同基团在热相变过程中取向变化过程以及变化趋势、步骤等一系列的动态结构变化。展示了研究偶氮类化合物热致相变过程中结构动态新的研究方法，同时也为二维相关光谱的应用拓宽了新的研究领域。     

二维傅里叶变换光谱实验方法简介

二维傅里叶变换光谱是近几十年来发展起来的一种先进光谱技术. 与其他超快光谱方法相比，它具有许多优点，并且为研究各种复杂系统提供了巨大的机会. 然而，二维傅里叶变换光谱的系统搭建、实验测量和理论描述仍面临许多挑战，从而限制了其广泛应用. 近年来，随着超快激光等各种相关技术的发展和革新，二维傅里叶变换光谱方法也逐渐发展成熟，进而大大降低了进行二维傅里叶变换光谱实验的技术壁垒. 对于二维傅里叶变换光谱实验装置的光学设计，目前存在许多不同的方法，每种方法都有其自身的优点和局限性. 但是目前还没有一个简单的教程可以帮助实验工作者选择搭建其第一套二维傅里叶变换光谱实验装置. 因此，本文旨在为计划搭建其第一套二维傅里叶变换光谱实验装置的初学者提供一个简短的介绍.     

曲线距离法的二维光纤光谱弯曲校正

多目标光纤光谱望远镜可以在一次观测中获得大量的不同天体的光谱数据。从天体探测到的光在通过光纤之后,再通过光谱仪狭缝,然后在CCD传感器中成像为二维光谱图;之后经过光纤光谱数据处理系统的一系列软件处理,最终输出可供天文界使用的一维光谱并存储起来。一维光谱是天文学家研究目标天体的主要手段,它是通过处理二维光谱图得到的。以LAMOST为例,望远镜系统在一次观测后首先会得到32幅由250条光纤光谱组成的二维光谱,然后经过一系列的处理得到一维光谱。在这个过程中,会有很多因素影响到最终一维光谱的精确度。比如由于望远镜使用时间的增加,某些元件会产生磨损、老化或变形,使得二维光谱中光纤形状会产生一定程度的弯曲,这种弯曲在二维光谱的两侧表现得尤为明显。在一幅常见的二维光谱中,纵坐标方向代表了抽取的一维光谱的波长方向,横坐标方向代表了抽取的一维光谱的流量方向,这种弯曲形变的产生会影响到之后的波长定标和流量定标,使得抽取的一维谱信息不准确。目前初步的解决办法是通过与定标灯谱的比对来尽量减少其影响。但这样不仅造成了时间和人力的浪费,而且准确率和效率不高。就这一现状,提出了一种基于曲线距离法的思想,将弯曲的二维谱线校直：首先采用灰度重心法将一幅二维光谱中的250条光纤中心轨迹进行定位,将异常点采用稳健的局部回归方法剔除;然后将中心轨迹进行曲线拟合,得到光纤中心轨迹的方程;通过模仿曲线变弯的逆过程,即保持轨迹上两点间的曲线距离不变,再将弯曲的光谱映射到竖直的法线上,完成校直过程。在整个过程中保持各个对应点的灰度值不变,通过边缘处理和插值运算解决产生的像素点稀疏问题。最后采用累加法进行一维谱抽取,并将校直后抽取的一维光谱与未校直抽取的一维光谱进行比对,比对后可发现校直前后在一维光谱的两端差别较大,其差值谱线也说明了这一点。该方法实现了二维光谱的自动校直,大大提高了抽取一维谱的效率和准确性。二维光谱的预处理和校直方法首先在LAMOST数据上进行验证,鉴于多目标光纤光谱望远镜系统原理的相似性,该处理方法也适用于其他的多目标光纤光谱望远镜系统,具有较好的参考和应用价值。     

广义二维相关光谱技术及其应用

广义二维相关光谱技术目前逐渐成为光谱分析中广泛应用的研究方法,综述了其历史发展、基本原理、获取谱图方法、数学计算过程、谱图性质及其解释规则,并介绍了二维红外、近红外、拉曼和荧光光谱相关光谱技术在各个领域中的应用,展望了广义二维相关光谱技术的发展趋势.     

基于FFCNN的二维恒星光谱分类

天体光谱处理中的一项基本任务是对大量的恒星光谱进行自动分类。到目前为止,恒星光谱的分类工作多是基于一维光谱数据。该研究打破传统的天体光谱数据处理流程,提出了基于二维恒星光谱分类的方法。在LAMOST(the large sky area multi-object fiber spectroscopic telescope)的数据处理流程中,所有的一维光谱都是由二维光谱抽谱、合并得来。二维光谱是由光谱仪产生的图像,包括蓝端图像和红端图像。基于LAMOST二维光谱数据,提出了特征融合卷积神经网络（FFCNN）分类模型,用于二维恒星光谱的分类。该模型是一个有监督的算法,通过两个CNN模型分别提取蓝端图像和红端图像的特征,然后将二者进行融合得到新的特征,再利用CNN对新特征进行分类。所使用的数据全部来源于LAMOST,我们在LMOST DR7中随机选择了一批源,然后获得了它们的二维光谱。一共有14 840根F,G和K型恒星的二维光谱用于FFCNN模型的训练,其中包括7 420根蓝端光谱和7 420根红端光谱。由于三类恒星光谱的数量并不均衡,在训练的过程中分别为每类恒星光谱设置了不同权重,防止模型出现分类失衡现象。同时,为了加快模型收敛,对二维光谱数据采用Z-score归一化处理。此外,为了充分利用所有样本,提高模型的可靠度,采用五折交叉验证的方法验证模型。3 710根二维光谱用作测试集,使用准确率、精确率、召回率和F1-score来对FFCNN模型的性能进行评价。实验结果显示,F,G和K型恒星的精确率分别达到87.6%,79.2%和88.5%,而且它们超过了一维光谱分类的结果。实验结果证明基于FFCNN的二维恒星光谱分类是一种有效的方法,它也为恒星光谱的处理提供了新的思路和方法。     

新天花粉蛋白的盐酸胍去折叠过程

本文利用荧光光谱和园二色光谱研究了新天花粉蛋白的盐酸胍去折叠过程.结果显示:新天花粉蛋白的盐酸胍去折叠是一个只包含天然蛋白和变性终态的二态过程,与已经报道的天花粉蛋白的盐酸胍去折叠过程不同.     

宽光谱高分辨率二维光谱信号探测系统设计

针对宽光谱范围高分辨率的中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路对二维光谱的探测需求,分析了探测器与光路系统的匹配关系,提出了面阵光谱探测系统的设计方法,设计了具有高灵敏度、低噪声等特点的二维光谱探测系统。该系统包括主控单元、探测器驱动单元、信号处理单元、数据存储单元以及数据传输单元等主要模块。以滨松S10141型CCD为核心设计的探测系统灵敏度高、动态范围大、信噪比高。结合中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路进行光谱探测实验,结果表明,该探测系统能在200～600 nm宽光谱范围内获得高分辨率二维光谱图像,在Hg灯253.652 nm处单色像斑覆盖5个像素,分辨率达到6.3 pm。     

用二维相关红外光谱研究4-氨基吡啶／甲基丙烯酸分子间的相互作用

二维红外光谱（2D—IR）是近十几年兴起的基于时间分辨红外信号的分析技术。该技术通常采用一定的外界扰动（如温度、浓度、磁场等）作用在样品体系上，检测并记录样品在激发和后继的驰豫过程中的光谱变化。对上述外界扰动下获得的随时间变化的光谱信号进行数学上的相关分析，从而产生二维相关光谱。二维相关光谱可以提高谱图分辨率，简化含有许多重叠峰的复杂光谱，阐明官能团之间的各种相互作用，是研究分子内、分子间相互作用的一种强有力的手段。     

基于法向映射法的二维光纤光谱弯曲校正

二维光纤光谱图是天文望远镜系统中的光谱仪的观测结果,由此又经过一系列的后续处理,才能生成普遍意义上的一维光谱。由于光谱仪和CCD相机的光学畸变,使得二维光纤光谱图像普遍出现了弯曲现象,尤其是在光纤两端表现得尤为明显,这个问题一直以来没有很好的解决办法,也没有在任何参考文献中看到相关工作。这种弯曲给后续的抽谱工作造成困扰,处理不好会很大程度上影响波长定标,从而影响一维谱的准确性。给出的一种法向映射法可以对这种二维光纤光谱图的弯曲进行有效的校正。该法把二光纤光谱图中的每一条光纤光谱进行单独处理。首先做预处理抽取每根光纤中心线,然后把该中心线当作光滑曲线求取每个点的法线方向,以整条中心线的某个点（一般是最凸点）为基点作理想竖直线,光纤中心线所有点沿自身法线方向投影到这条竖直线上,从而实现了光纤中心线本身的校直。因光纤宽度在二维光纤光谱图中一般是7个像素,因此将光纤中心线向左向右各依次平移3个像素,分别实现上述流程,即可得到整条光纤光谱的校直结果。该法实施过程中有两个问题需要注意：一个是坐标点的均匀化问题,一个是像素灰度值的精度保持问题。坐标点的均匀化问题是由于在该法中使用了法向映射,从而造成形成后的校直线的点的疏密程度不均匀,这对后续处理不利。解决办法是在实际操作中采用三次样条插值的方法进行直线上点的密度均匀化,保证获得一系列的整数点坐标,以利于后续的处理。而像素灰度值的精度保持问题,在插值计算过程中始终保持像素灰度值的64位高精度数,最终也得到同样精度的结果,避免造成像素值损失。该法实施的最后,还需要进行头尾一致性的截取,把延伸出图像高度范围的像素去掉,仅保留图像范围内的像素点。如果没有这个过程,由于光纤本身是有宽度的,映射出来的直线长短不一,从而给后续处理造成困难。实验完整处理了整幅的二维光纤光谱图,用曲线拟合的方法较好地解决了光纤中心线提取过程中的个别地方的亮度偏差问题,用法向映射法得到了校直后的二维光谱,并做了后续的抽谱对比。在一维谱的抽谱对比中可以看到,校正前后的谱线差值在有弯曲现象存在的光谱两端变化较为明显。这个实验结果证明了该方法对光谱的弯曲情况可以完全改善--在两端的变化较大,在中间的变化很小,这完全符合观测的基本认知。不仅如此,由于像素点的错位和像素值的插值计算,也会造成流量值叠加的效果发生显著变化。因此,通过观察抽谱后的谱线在校正前后的移动情况,验证了对于特征谱线的波长位置的精确获取具有重要影响。本文创造性地设计的二维光纤光谱的自动弯曲校正的方法。     

红外三级鉴定法快速鉴别栽培与半野生黄芪

采用红外光谱的三级鉴定法分析鉴别了栽培黄芪和半野生黄芪。所获得的一维红外光谱、二阶导数谱和二维红外相关谱,能逐步提高红外谱图的分辨率,并从不同的角度上体现了两者的差异性。结果显示,黄芪的红外光谱主要由有机酯类化合物、醌类化合物及糖苷类物质的振动吸收带组成。两类黄芪样品的一维红外光谱和一阶导数谱整体上十分相似,只是在多糖吸收区域(1160—925cm-1)略有差异,对比该区域的二维相关红外光谱,差异主要表现在1100—1000cm-1和1150—1050cm-12个吸收带。结果表明,红外三级鉴定法可以对栽培黄芪和半野生黄芪进行快速、无损、简便的分析与鉴定。     

导数光谱在二维联用数据解析中的应用

利用导数光谱能增大组分的光谱差异，从而提高二维联用数据解析的分辨率，通过将二维数据对波长求导，以解析光谱相近的同系物体系。并将其应用于实际的间硝基苯酚与邻硝基苯酚二组分体系的解析．获得了令人满意的结果，光谱重合性好，证实该法可行。     

基于谱图还原的中阶梯光栅光谱仪有效波长提取算法

中阶梯光栅光谱仪具有高色散、高分辨率、宽波段、全谱瞬态直读等诸多优点,是先进光谱仪器的代表之一。在中阶梯光栅光谱仪民用化、商品化的发展趋势之下,其二维谱图图像处理的地位越来越重要。目前,国内一般先利用质心提取算法计算光斑质心再结合谱图还原算法计算有效波长,但这种方法难以达到较为理想的要求。为了提升运算速度、波长提取精度以及成像误差补偿能力,提出了基于谱图还原的有效波长提取算法。利用谱图还原算法,将探测器拍摄的二维谱图转换为一维图,通过改进的直方图双峰法选取阈值对一维图降噪,实现了二维谱图中全部有效(x, y)点对应波长的一次性提取。先将二维谱图转换为一维图进行图像处理,使算法在提升运算速度的基础上提取精度也得到了改善,还可以对一定范围内的成像误差进行补偿。采用标准汞灯作为待测光源开展了中阶梯光栅光谱仪成像实验,并使用该算法进行数据处理。实验结果表明,不仅能够自动补偿光谱仪0.05 μm(两个像元)以内的成像偏差,而且能在精确提取有效波长的基础上大幅提升运算速度,波长误差小于0.02 nm,满足中阶梯光栅光谱仪图像处理的要求。     

溶液近红外光谱分析中温度影响的修正

作为一种快速、无损的分析技术,近红外光谱分析在许多领域中被广泛应用,其中液体样品是其应用最为广泛的分析对象之一.由于水等常用溶剂在近红外波段的温度敏感性极高,因而不能忽视温度对溶液的近红外光谱测量带来的影响.文章以朗伯-比尔定律为基础,在理论上推导出了温度变化对溶液透射光谱的影响,并提出利用纯溶剂在不同温度下的吸光度变化量作为温度校正量,对样品光谱进行修正.文章还在不同温度下,对葡萄糖水溶液和白蛋白水溶液进行了光谱测量,建立了30℃下的校正模型,并以纯水的吸光度变化量为温度校正量,将不同温度下的预测样品光谱修正至对应于30℃的光谱.实验结果表明,对光谱进行温度修正后,有效消除了温度对光谱的影响,葡萄糖和白蛋白的浓度预测误差得到了明显的降低.     

Measurement of Rotational Temperature by Simulated Molecular Spectra

The measurement of temperature of heavy particles in a thermal plasma is based on the comparison of experimental rotational spectrum obtained by optical emission Spectroscopy and synthetic spectra calculated for different temperatures. The calculation principle of the synthetic spectra is detailed as well as the temperature accuracy obtained. This method is used to measure the temperature of an Ar-CO₂ mixture plasma produced in a wall stabilized arc with molecular spectra of C₂ (Swan system) and CN (violet system).     

拉曼光谱技术在脂质过氧化反应中的应用

本实验以亚油酸为材料,分别采用过氧化产物检测法和拉曼光谱技术对亚油酸的自氧化过程进行监测,从氧化反应的中间产物和底物的结构变化两个角度,对亚油酸的自氧化过程进行分析。为不饱和脂肪酸的过氧化机理研究提供实验证据。结果表明:拉曼光谱技术能够用来研究单分子物质的结构变化,随着自氧化过程的进行,亚油酸的拉曼光谱在谱型和峰强方面都有所变化,能够反映分子内部结构的变化。其时间效应与采用TBA和共轭二烯法测定时的时间效应基本一致。     

一种基于MEMS光栅光调制器的近红外光谱探测系统

基于微机电系统技术的近红外光谱探测系统已成为了近红外光谱仪研究的一个新方向。文章提出了一种基于光栅光调制器的新型近红外光谱探测系统。该系统采用微加工技术制造的光栅光调制器阵列与单点近红外探测器相结合使用的方法进行光谱探测。设计了该光谱探测系统的光学结构, 论述了系统光谱探测原理, 并使用经表面微加工工艺得到的光栅光调制器器件进行了系统分辨本领、波长准确性、系统稳定性、器件响应频率等特征参数测试实验。结果表明,该探测系统在1 320到1 400 nm波长范围内,分辨本领小于10 nm, 波长准确性小于1 nm, 系统稳定性小于0.5%, 光栅光调制器的响应频率为5kHz。实验结果证明了该近红外光谱探测系统的可行性, 为研制基于微机电系统光栅光调制器的微型化近红外光谱仪提供了理论基础及实验指导。     

巡天光谱中拼接异常光谱的自动检测和异常分级方法

拼接异常是光谱在红蓝两端拼接区域表现出的光谱连续性差的一种现象。在LAMOST的光谱处理中,仪器的稳定性、观测条件以及获得的响应函数等问题都是造成拼接异常的原因。光谱拼接是否正常对于光谱发布等后续工作的质量有重要影响。提出一种拼接异常光谱的自动检测方法,有效地提高了工作效率。该研究可以为LAMOST数据提供一个自动的标记,来评价拼接质量,也可以为用户提供一个使用数据时的选择。该方法首先将待测光谱进行流量归一化、去除钠线等预处理,并将其分为红蓝两端;然后对红蓝两端分别进行拟合;最后对两条拟合曲线,选取一系列等波长间隔的点,计算在这些点处的流量差值,得到所有流量差值的均值,标准差,并且计算两条曲线积分面积的差值;基于上述统计量,提出了一个判断光谱是否异常及其异常程度的评价函数。大量的实验证明,该方法具有良好的拼接异常光谱检测效果。     

红外光谱吸收峰的剥离和模拟

本文运用计算机模拟技术对红外谱图进行吸收峰的剥离和模拟,用ＶＢ语言编制了吸收峰的剥离程序,并用实验谱图对所编程序进行了检测。得到了从谱图直接读峰和模拟所得峰位一致的的结果,且模拟谱可以得到更为详尽的吸收峰信息,如弱强度吸收峰及重叠峰等。验证了剥离程序的可靠性,为红外谱线的归属和化合物结构分析提供了更加丰富的信息。     

基于PowderX软件的拉曼光谱数据处理

将处理 X射线衍射谱的 Powder X软件用于处理拉曼光谱数据 ,可方便地获得谱线中各个拉曼峰的位置、强度和半高宽等信息。经过平滑、去背景后 ,拉曼谱图的变化趋势与原始谱图吻合 ,谱线的信噪比及分辨率也有所提高 ,表明 Powder X软件完全可用于拉曼光谱的数据处理