基于tri-PLS模型的油类混合物三维荧光光谱及其成分的研究

提出了一种光谱重叠的多种矿物油混合物组分含量测定的新方法。将偏最小二乘方法(PLS)推广至三维扩展(tri-PLS),不需要解决特征值问题。利用该方法对柴油、汽油和煤油混合物的三维荧光光谱进行研究,根据样本序列、激发波长、发射波长构造出三维数据矩阵,结合浓度矩阵应用tri-PLS法建立校正模型,对实验样本进行预测,实验结果表明tri-PLS方法的建模精度比常用的平行因子法优越。     

基于荧光分析的氨基甲酸酯类农药残留检测系统

通过对氨基甲酸酯类农药在紫外光照射下能够产生荧光的机理研究,设计了一种用于检测氨基甲酸酯类农药残留的荧光系统。该系统采用单光源、双光路结构,能够对测量信号和参考信号同时进行处理。采用所设计的筒式光纤探头激发并探测荧光,设计了相应的信号处理电路,实现了计算机管理。利用该系统和稳态光谱仪对西维因进行了对比实验。结果表明:在激发波长为319nm、荧光波长为654nm时,最小检测浓度为5×10-7μg/L。当西维因浓度范围在0.0～120.0μg/L之间时,系统具有较好的线性关系,线性相关系数r=0.9996(信噪比S/N=5)。该系统达到了荧光检测的指标。     

多通道扫描型红外光纤气体测量系统研究

提出了一种将声光可调滤光器技术应用于气体浓度测量的红外光谱系统。该系统以氙灯作为光源,TeO2晶体作为声光介质的色散元件,InGaAs光电二极管阵列作为多通道检测器,利用光纤探测和传输光信号,由计算机处理数据和显示结果。通过声光调制将宽带光变为单色光,通过超声射频的变化实现光谱扫描,可对不同气体进行快速测量,无机械调谐机构,结构简单。通过对甲烷气体的实验表明,该系统的有效光谱测量范围为900~1900nm,光谱分辨率为60nm,可用于对有害气体的在线检测。     

基于提升小波变换的矿物油荧光光谱去噪研究

矿物油的使用是造成雾霾等空气污染问题的重要原因。矿物油荧光光谱检测系统光谱消噪处理的有效性和快速性是在线实时监测系统的热点问题。研究应用提升算法小波变换(LWT)矿物油荧光光谱去噪的方法。与传统的离散小波变换(DWT)相比,提升小波变换将现有的小波滤波器分解成基本的构造模块,分步骤完成变换,结构简单,运算速度快。在矿物油荧光光谱去噪过程中具有运算量低、原位运算和便于实现的特点,有效解决了传统小波变换在这方面的不足。提升算法的小波变换、传统离散小波变换和经验模态变换(EMD)分别运用到0#柴油、97#汽油、煤油三种矿物油的荧光光谱去噪中,评价去噪效果指标的信噪比(SNR)、重构均方根误差(RMSE)和波形相似度(NCC)证明了提升方法小波变换用于矿物油荧光光谱去噪的有效性。同时,提升算法变换能提高构造的灵活性和运算的简单性使消噪时间降低62%,证明了提升算法的小波变换运用到矿物油荧光光谱去噪中的快速性,适于矿物油实时消噪处理系统。     

可拓神经网络模式识别对成品油的鉴别与测量

燃油存在“消耗量大”、“相对低质”、“前端缺少清洁”、“末端排放缺乏控制”四大问题, 我国的空气污染60%以上来自煤和油的燃烧,雾霾问题很大程度上取决于能源问题。快速准确地实现汽油、柴油、煤油等成品油的鉴别与测量,对于实施空气污染监测及治理具有重要意义。在精确地表征成品油种类信息的基础上,为了提高网络模型的识别效率,采用主成分分析方法将高维空间进行降维处理。对最常用的三维荧光光谱基于激发-发射矩阵(excitation-emission matrix, EEM)数据进行主成分分析以提取更精细、更深层的特征参量。分类过程中应用交叉验证的方法避免发生“过拟合”现象。设计鉴别和测量双重处理的神经网络,将神经网络模式识别结果反馈到浓度网络的输入端,与相对斜率、综合本底参数、相对荧光强度一起测量相应种类的浓度输出,利用可拓神经网络模式识别技术实现成品油的鉴别与测量。应用可拓神经网络方法实现成品油种类模式识别的平均识别率达到0.99,浓度平均回收率为0.95。模式识别平均耗时为2.5 s,仅为PARAFAC模型分析方法的48.5%。该方法显著提高了运算速度,且应用效果理想。需要指出的是,在分析诸如成品油、茶叶、农药等成分复杂的混合物时,应针对具体待测物制作相应的校正样本,用以确保分析的准确性与精度。     

微含量石油类污染物三维荧光光谱及平行因子解析

为解决微含量石油类污染物识别问题,采用三维荧光光谱(EEMs)与平行因子(PARAFAC)相结合的技术,研究了石油类样品荧光组分特征及平行因子组分识别方法。依据水体中石油类含量的标准规定,配制出与Ⅰ—Ⅴ类水体对应的CCL₄含油样品,用来模拟油类污染物成分。首先对97#汽油、0#柴油、普通煤油及CCL₄溶剂进行三维荧光光谱扫描,得到纯组分样品的三维荧光光谱图,其次对97#汽油、0#柴油及普通煤油的标准样品进行三维荧光光谱图测定,最后对97#汽油、0#柴油、普通煤油在CCL₄溶剂中的混合样品进行三维荧光光谱图测定。在掌握上述不同组分样品的三维荧光光谱特性的基础上,重点分析微含量下97#汽油、0#柴油及煤油混合液的三维荧光光谱,应用平行因子方法解析出样品中三种组分的激发与发射特征光谱以及组分间的浓度比。解决了混合样品荧光光谱出现叠加,用化学分离或单纯荧光分析方法较难识别荧光组分的问题,实现了对微含量含油混合样品的主要组分的识别,并得到混合样品溶液中不同组分间浓度比。     

静态小波变换荧光检测水中矿物油信号的去噪方法

荧光分析法具有灵敏度高、选择性好、易于设计等优点,是检测水中油类污染物的重要手段。光电探测器产生的噪声会影响荧光检测系统的灵敏度,荧光信号的噪声消除一直是研究的热点问题。由于荧光信号增加了支集长度,dbN族小波能够解决信号的边界问题,通过比较dbN族不同小波基的去噪效果,选择db7为最优小波基,对含噪荧光信号作5层静态小波分解。根据小波熵理论自适应地选择阈值,高频系数经过阈值量化并重构得到纯净的荧光信号。与离散小波变换相比,静态小波变换去噪后信号具有信息完整性和时移不变性。     

光栅光谱仪光路结构的设计

为提高光栅光谱仪的波长扫描精度,设计了一套可对光栅转动情况进行实时反馈的系统结构,实现了仪器在高速和高精度扫描上的统一。在对反馈结构进行设计时,应用光栅尺测位移技术对正弦丝杆上的滑块进行位移反馈,由计算机对其进行接收和处理。对比实验显示,仪器本身波长扫描精度为 0.7 nm,加入反馈电路进行反馈后波长扫描精度可达 0.15 nm。结果表明,加入对光栅转动情况的反馈结构后,可使光栅光谱仪满足高精度扫描要求。     

基于棱镜气室的光纤甲烷传感系统的研究

综合运用棱镜气室与谐波检测技术,构建了适用于宽广浓度范围内的光纤甲烷检测系统。以大气环境为背景,基于比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律在气体弱吸收时的近似表述,利用背景扣除和比值处理技术,实现了常压下甲烷不同浓度水平(0～20%)的检测。利用渐变折射率透镜(GRIN)气室测量了甲烷在不同浓度时的直接吸收谱,结合现有DFB-LD光源选择甲烷2ν₃带的R5支(1 648.212 nm)作为被测吸收峰。在不同浓度气体配置过程中,进行了系统的在线实验,结果表明系统示值与浓度变化间线性良好,而且系统的稳定性和动态响应特性比较理想。该系统可根据不同现场环境的甲烷浓度水平,选择适当强度的吸收线,通过步进电机调节棱镜中线间的距离,进而改变气室内有效吸收光程,拓展了仪器的应用领域,可作为煤矿巷道或天然气管道沿线的瓦斯监测仪器。     

Influence of AlN buffer layer thickness on structural properties of GaN epilayer grown on Si (111) substrate with AlGaN interlayer

We present the growth of GaN epilayer on Si (111) substrate with a single AlGaN interlayer sandwiched between the GaN epilayer and AlN buffer layer by using the metalorganic chemical vapour deposition. The influence of the AlN buffer layer thickness on structural properties of the GaN epilayer has been investigated by scanning electron microscopy, atomic force microscopy, optical microscopy and high-resolution x-ray diffraction. It is found that an AlN buffer layer with the appropriate thickness plays an important role in increasing compressive strain and improving crystal quality during the growth of AlGaN interlayer, which can introduce a more compressive strain into the subsequent grown GaN layer, and reduce the crack density and threading dislocation density in GaN film.