一种离子迁移谱谱图重构及特征峰提取算法

离子迁移谱(IMS)是一种常压下快速、高灵敏度的痕量化学物质检测方法,广泛应用于化学战剂、爆炸物和毒品等检测领域。在离子迁移谱定性和定量分析中,采集到的原始谱图除了包含样品自身信息外,还包含了电噪声、背景干扰等噪声,特别是当分析物浓度低时,噪声会严重影响定性和定量分析的准确性。为提高离子迁移谱技术化学物质识别准确率,需要对离子迁移谱谱图信号进行重构。本文提出一种可同时实现离子迁移谱谱图重构和特征峰提取的新方法。通过建立优化目标函数,采用l_1范数作为线性惩罚项,λ为正则化参数用来调节惩罚项在优化过程中的比例。为了求解优化目标函数,首先构造一个由Gaussian分布函数构成的超完备字典来表示离子迁移谱离子特征峰峰形,采用替代函数方法对优化目标函数进行迭代求解,当达到重构谱图与原始谱图均方根误差小于设定的阈值时停止迭代。为了验证提出的方法性能,分别采用仿真数据和甲基磷酸二甲酯(DMMP)样本数据进行验证,其中仿真数据由高斯分布函数字典原子及高斯白噪声组成。与此同时,我们对仿真数据和真实样本数据分别采用小波软阈值、小波硬阈值及S-G平滑滤波算法进行去噪重构。采用均方根误差(RMSE)和信噪比(SNR)作为评价指标,实验结果表明该方法成功实现离子迁移谱谱图重构和特征峰提取,预处理结果比其他三种方法有显著的性能提升,为开展离子迁移谱定性和定量分析研究提供了基础。     

微分消卷积法提高重迭谱图的分辨率

本文介绍了微分消卷积法的基本原理，通过对模拟谱图与各种类型的实测谱图进行微分消卷积处理，说明该方法能使谱峰宽度减小，从而提高重叠谱图的分辨率，提高了重叠谱图的解析精度。     

粉末衍射谱图分解的模拟退火法

将模拟退火法应用于中子和x射线粉末衍射谱图分解研究中. 该方法有两个主要优点：一是 解谱结果不依赖于峰参数初始值的选取，可以任意给定峰参数初始值而不影响收敛性，因而 能克服传统最小二乘拟合法在拟合多峰严重重叠的复杂谱图时遇到的初始解的选取困难；二 是具有寻找全局最优解的能力，可有效解决谱图分解在数学上的多解性问题，这对于因多峰 重叠而可能存在多个局部最优解的谱图分解很有益处. 详细描述了方法的计算步骤，讨论了 有关参数设置，并通过模拟谱和实际谱例子对模拟退火法与传统最小二乘拟合法进行了比较 ，阐明了前者在处理复杂谱图时的独特优越性. 原则上该方法也可应用到与粉末衍射谱类似 能用峰形函数描述的其他实验谱的拟合研究中. 关键词： 谱图分解 模拟退火法 粉末衍射 分峰     

一种基于连续小波变换的LIBS光谱自动寻峰方法

谱线寻峰在激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy)中是必不可少的步骤,然而噪声和背景的存在,干扰了寻峰的准确性。为了提高LIBS寻峰中重叠峰分辨能力和自适应能力,提出一种适用于LIBS谱图的自动寻峰方法。将基于连续小波变换的脊线寻峰法引入到LIBS中,探讨了连续小波变换中的小波母函数的选择并优化了尺度参数和平移参数,提出一套脊线校正方法对脊线寻峰法进行了改进。实验结果表明,该方法与直接比较法、导数法和脊线寻峰法相比,在重叠峰分辨能力和寻峰精度等方面优势显著,可应用于LIBS数据处理。     

基于二阶导数谱与特征吸收窗的红外光谱定量检测方法

红外光谱分析技术已被液体、固体和气体混合物各组分的定量检测广泛应用。针对红外光谱定量检测过程中存在的计算过程复杂、受背景及噪声干扰、多组分谱线混叠的问题,一方面,通过获取谱线二阶导数去除背景及噪声干扰,并一定程度上区分混叠谱峰。在获取二阶导数谱线过程中运用Savitzky-Golay滤波器进行平滑滤波处理,并根据谱线频率特征选取Savitzky-Golay滤波器最佳滤波参数,解决了滤波参数缺乏标准化选取方法的问题。另一方面,根据被测组分的吸收分布情况生成特征吸收窗分别对待测原始吸收谱线以及二阶导数谱线加以处理,提取出在浓度计算过程中占据重要性更大的特征吸收的区域,从而排除非吸收区域中背景、噪声及其他组分对计算结果的干扰。以一组丙烷、丙烯和甲苯混合气体为例,运用二阶导数方法以及特征吸收窗方法进行定量检测,并与直接利用原始谱线的检测结果进行比较分析。实验结果表明采用二阶导数谱与特征吸收窗的定量检测方法精度更高,相对误差基本在5%以内。     

种群算法在能量色散X荧光重叠谱拟合中的应用

在能量色散X荧光光谱分析中,常用的闪烁探测器如NaⅠ(Tl)探测器的能量分辨率都不高,均在8%左右。能量分辨率低下往往对谱数据分析带来较大的难题,特别是在高本底低计数的情况下剥离仪器谱重叠峰会受到很大限制,越是重叠严重的峰越是无法剥离,进而无法分辨峰值和峰面积,更无法进一步对元素进行定性定量分析。为此,结合遗传算法和免疫算法的优势建立新的种群算法应用在重叠谱分析上,该算法以欧式距离为进化的判断依据,以最大相对相似误差值为迭代准则进行迭代。利用高斯函数模拟不同重叠程度的仪器谱图,将种群算法应用在重叠峰分离和全谱模拟中,峰道址偏差在±3道以内,峰面积偏差不超过5%,证明该方法在能量色散X荧光重叠谱分析中有较好的效果。     

基于自适应粒子群算法的多峰谱线分离方法研究

电感耦合等离子体原子发射光谱分析法（ICP-AES）已成为一种常规的元素分析方法,但在ICP-AES分析过程中,大多元素的分析谱线会受到背景或其他谱线的重叠干扰,形成的光谱干扰严重影响了谱线分析的准确性,所以在元素的分析过程中,需要通过适当的光谱干扰校正方法才能得到合适的元素分析线。根据光谱强度具有叠加性的特征,利用谱图将谱线形状表示为Voigt线型函数加和的多峰谱线叠加模型,以多峰谱线叠加模型与目标谱线的均方根误差构建多元函数作为评价函数的数学模型,设计自适应粒子群优化（APSO）算法寻找分离谱线特征参数的最优解,APSO算法在标准PSO算法的基础上,引入压缩因子同时使得种群参数惯性权重根据粒子个体适应度值自适应变化以及学习因子线性变化,在算法迭代过程中协调粒子种群内全局搜索能力和局部开发能力,保证算法有效且迅速收敛,实现多峰谱线分离,减少干扰谱线的影响从而得到更精准的元素分析线。以ICP-AES检测器返回的含Pr元素溶液特征波长为390.844 nm和汞灯特征波长为313.183 nm两条谱线的光强AD采样值作为两组实测数据,以两个Voigt线型近似函数构成的三种不同重叠程度的叠加合成曲线作为三组模拟数据,在数据曲线上分别选取50个能够包含曲线全部特征参数信息的点作为数据点,通过对上述五组目标数据点进行APSO算法处理,结果表明APSO算法得到的多峰谱线叠加模型相关参数能够较准确地拟合出相应的目标数据曲线,目标数据点与拟合曲线函数值相对误差较低,算法表明能够有效扣除谱线重叠干扰,同组目标数据经过多次算法处理,选择最小的最优适应度值相应的特征参数向量作为Voigt线型函数相关参数,以此拟合出的多峰谱线叠加模型曲线精准度越高、相对误差越小。这种算法具有良好的收敛性和适应性,可应用于ICP-AES在元素定性、定量方面的分析研究。     

双背景法扣除溶剂水峰及蛋白质热变性的研究

研究蛋白质水溶液的红外光谱(IR)谱时,由于溶剂水的强吸收与蛋白质的吸收峰会发生严重重叠,极大地干扰对蛋白质吸收峰的识别、定性、定量和结构分析。尝试利用杂化光谱法扣除溶剂水峰。采用双背景方法,用空白ATR晶体（背景样品1）与ATR水层（背景样品2）合成了单光束杂化背景谱,通过控制对背景样品1和背景样品2的扫描次数,合成的单光束杂化背景谱中水的信号强度可任意调节,成功实现了牛血清白蛋白（BSA）水溶液中溶剂峰的在线扣除。与光谱差减技术比较,杂化光谱扣除法具有显著的优势：水3 400 cm-1峰强度接近于零,1 700～1 800 cm-1区间得到近似平滑直线,水1 640 cm-1峰彻底扣除,观察到了高质量的酰胺I带吸收峰。将杂化谱法获得BSA红外光谱二次微分,得到蛋白质二级结构大量信息,与文献报道高度吻合。杂化光谱法应用到蛋白质热变性研究中,成功获得没有溶剂水峰干扰的蛋白质红外光谱,变性前后,酰胺Ⅰ带光谱发生明显改变,峰形变化显著,吸收峰往低波数方向移动,吸收强度显著减小。杂化光谱ATR法扣除溶剂水峰简单、易操作、效果令人满意。     

基于改进的反向匹配的拉曼光谱识别方法研究

针对传统的反向匹配方法中存在的强弱峰权重差异和噪声峰的干扰问题,提出了改进式反向匹配方法,通过引入权重衰减函数来优化强峰和弱峰之间的权重占比关系,使得谱图中各特征峰的权重分布在合理的范围内,避免了强峰权重掩盖弱峰的情况;通过概率分布函数动态滤噪的方法,实现了噪声峰的自适应过滤,从而提升了反向匹配方法的识别性能。实验以大量的常规拉曼和表面增强拉曼的谱图为验证样本,基于大型常规拉曼与表面增强拉曼数据库进行拉曼谱图识别验证。实验表明该方法在大量数据测试下综合准确率达到91.52%,相比于命中质量指数方法(51.08%)和传统的反向匹配方法(16.57%)有大幅度的提升。     

有部分峰重叠时NOESY谱的全弛豫矩阵分析

采取用理论计算的NOESY峰强度代替NOESY谱中重叠的对角峰或交叉峰强度,用理论计算值和实验数据相结合的方法解决峰强度矩阵的完整化问题,用全弛豫矩阵分析法定量分析了谱中有部分峰重叠的天然有机化合物冬凌草乙素的相敏NOESY谱,计算出冬凌草乙素分子中各质子间的交叉弛豫速率,根据1/r_ij⁶∝σ_ij计算出相应的质子间距离,结果表明:用全弛豫矩阵分析法计算出的质子间距与分子力学计算得到的质子间距离完全一致。该方法能够用于谱中有部分峰重叠的天然有机化合物的NOESY谱的定量处理,可以为核磁共振方法确定分子在溶液中的三维空间结构提供可靠的结构参数     

Beam propagation method and its application to integrated optic structures and optical fibers

Practical applications of integrated optics require understanding of light propagation in dielectric waveguides of various geometries and calls for elegant and quick methods of analysis. In this paper, we use beam propagation method to analyse some integrated optic waveguiding elements such as waveguide with bend and branching waveguide. The method is extended to cylindrical co-ordinates, so that structures with circular symmetry can be easily solved. We first present a general beam propagation method algorithm, followed by results taking typical values for various parameters. Our studies show that the efficiency of the method depends on thez-propagation steps and on the number of points chosen for the Fourier transform. The algorithm developed can be used to analyse many other integrated optic structures and to study the effect of other input beam profiles.     

Structure of modes of smoothly irregular three-dimensional integrated optical four-layer waveguide

An asymptotic method is used for researching an integrated optical multilayer waveguide satisfying the condition of the smooth modification of the shape of the studied three-dimensional structure. Three-dimensional fields of smoothly deforming modes of the integrated optical waveguide are described analytically. An evident dependence of the contributions that the first order of smallness makes to the amplitudes of the electrical and magnetic fields of the quasi-waveguide modes is obtained. The canonical type of equations describing the propagation of quasi-TE and quasi-TM modes in the smoothly irregular part of a four-layer integrated optical waveguide is represented for an asymptotic method. With the help of the method of coupled waves and the perturbation theory method, the shifts of complex propagation constants for quasi-TE and quasi-TM modes are obtained in an explicit form. The elaborated theory is applicable for an analysis of similar structures of dielectric materials, magnetic materials, and metamaterials over a wide enough range of electromagnetic wavelengths.     

光机系统集成分析仿真研究

在与传统的光机系统设计方法对比下,构建了光机系统集成分析仿真的基本框架.以望远镜镜面为研究对象,选择Patran,Matlab/Simulink和Zemax作为软件环境,分别建立各自的独立模型,探讨了光机系统集成化分析的实现策略.在简要研究模型创建、模型简化等技术的基础上,编制了结构控制接口工具,实现了光机系统结构和控制的集成分析.在研究动态数据交换(DDE)技术的基础上,探讨了大数目光线追迹问题的解决方案,实现了Matlab和Zemax的动态数据交换和光机系统的光控集成分析,达到了光机系统光机控制集成分析的目的.     

Integrated photoelasticity for nondestructive residual stress measurement in glass

The paper gives a review of integrated photoelasticity and of its application for residual stress measurement in glass. By considering the basic theory of the method, two particular cases, the case of weak birefringence and that of constant principal stress axes, are picked up. It is shown that integrated photoelasticity is actually optical tensor field tomography. Its peculiarities in comparison with scalar field tomography are considered. Since directly integrated photoelasticity allows for the measurement of only some of the stress components, analytical or numerical methods are to be used for complete determination of the stress field. Nonlinear optical phenomena, interference blots and fringe bifurcation, are briefly considered. Several examples illustrate the application of the method.     

单晶热释电探测器混合集成制造方法研究

在比较几种探测器集成制造方法的基础上,提出采用各向异性导电膜作为电信号互联的手段,实现热释电探测器与信号处理电路的混合集成,从而演示了一种兼容性良好的集成化多传感器制造方法.对单晶钽酸锂热释电探测器采取机械研磨减薄获得其薄膜,利用3M的5552R各向异性导电膜,实现了探测器与信号读出电路的互联.对探测器的测试表明:机械研磨减薄获得的钽酸锂薄膜表现出与晶体接近的热释电特性,探测器表现出良好的绝热性质和动态响应特性.     

矩形波板法测量光锥与CCD耦合器件的光学传递函数

本文采用直接对矩形波板成像的办法,测得系统的对比传递函数,然后再利用系统对比传递函数与系统的调制传递函数的关系,得到系统的调制传递函数.该方法克服了传统刀口扫描法的缺陷,消除了由于离散型光学元件的离散性产生的空间非平移不变性的影响,减小了测量误差,提高了精确度.     

Basic Parameters of Asymmetrical Coplanar Striplines with Multilayer Substrates and Overlays

In this paper, asymmetrical coplanar striplines (ACPS) with multilayer substrates and overlays are analyzed using conformal mapping method. Analytic closed-form expressions for the basic parameters are obtained. The analyses are useful for monolithic microwave integrated circuits and integrated optical application.     

嵌入式结构下集成优化自动控制系统设计

随着互联网技术的发展，数字图像处理与优化已普遍应用于各个领域。近年来集成控制技术快速发展，图像处理系统已向集成控制方向发展。通过对现有的图像优化控制系统分析发现，系统普遍存在嵌入式结构下多模组协调逻辑性欠缺、自动处理识别反馈单元缺失、系统整体控制单元统一性欠佳，导致传统控制系统无法在嵌入式结构下快速、高效、平稳的运行。针对这些问题，提出嵌入式结构下集成优化自动控制系统设计方法。采用IFCO嵌入式逻辑数据库、多元数据主控平台、HRG数据平流稳定模组针对性的解决传统控制系统存在的一系列问题。通过仿真模拟实验测试证明，提出的系统设计方法具有处理速度快、数据信号执行准确率高、运行稳定性好的特点。     

子晶格干涉畴尺寸不同对X射线衍射积分宽度与积分强度的影响

研究了子晶格干涉畴尺寸不同情况下的Ｘ射线衍射问题，给出了衍射峰积分宽度与子晶格干涉畴尺寸的关系表达式，证明出子晶格干涉畴尺寸不同不影响Ｘ射线衍射各峰的相对积分强度，提供了一种结构缺陷的分析方法。 关键词：