高超声速再入试验的辐射光谱定量测量

利用膨胀管对宽度为45 mm和90 mm的半圆柱模型进行了地球再入高超声速流动试验,再入速度为8 km/s。试验利用配有ICCD相机的光谱仪,测量了具有空间分辨的激波后辐射光谱,光谱范围为250~550 nm,得到了沿流体方向的激波辐射轮廓线。分析发现在该光谱范围内辐射主要为CN(B-X)带系分子光谱。利用卤钨灯对该波段光谱进行定标,得到了激波层辐射的绝对辐射亮度。通过采用两种模型辐射亮度对模型宽度归一化后发现,绕流场高温气体辐射存在较强的自吸收现象,同时观测到了绕流场激波的三维效应。通过实验发现,CN(B-X)Δv=0带系的3-3振动带系385.2 nm波长位置和0-0带系388.4 nm波长位置辐亮度之比随着流场靠近模型边缘而逐渐下降,这表明激波层内辐射的动态非平衡特征。     

形态学方法用于三维荧光光谱化学秩的确定

确定化学秩是解析化学体系的第一步,正确确定化学体系的组分数对后续的解析异常重要。由于实测的三维荧光光谱不可避免地受到噪声的干扰,传统的化学秩估计方法常常失效。首先根据三维荧光光谱信号与噪声信号的形态差异,选用正弦形结构元素,对信号进行先开启后闭合运算,用形态学方法对实测三维荧光光谱进行去噪,然后对去噪后的光谱进行奇异值分解(SVD),联合分解得到的奇异值和奇异向量进行化学秩的确定。主要讨论了形态滤波方法的理论基础,先用模拟数据说明了文中所提方法的必要性和有效性,然后又把此方法用在酚类化合物三维荧光光谱的组分数检测上,并与传统的蒙特卡罗方法做了对比。实验结果表明,提出的方法更具有实用性,能够正确估计出化学秩。     

基于偏最小二乘回归的藻类荧光光谱特征波长选取

针对藻类荧光光谱解析中常见的信息冗余和光谱相关性问题,基于偏最小二乘(PLS)的方法,提出了区间蒙特卡罗偏最小二乘(IMC-PLS)方法,有效地解决了特征波长的选取问题。根据特征色素荧光峰位置预选出特征区域,综合利用了此特征区域内单个波段的信息和不同的随机波段组合对于模型的贡献,基于荧光光谱的三线性特点,联合了发射波长和激发波长的信息。研究结果表明,与无信息变量消除算法(UVE)相比,IMC-PLS反演4种藻类浓度得到的平均相对标准偏差分别降低了0%、34.3%、55.9%、30.5%,选择出的特征波长数和运算时间分别减少了80.1%、81.3%,IMC-PLS方法有效地解决了实时监测问题,也为离散三维荧光光谱仪器的研制提供了理论支持。     

基于非负矩阵分解的重叠三维荧光光谱解析

重叠三维荧光光谱的解析是荧光光谱解析中的难点,非负矩阵分解(NMF)作为一种有效的盲分离方法,能够提取光谱的局部特征和内在联系,克服光谱严重重叠带来的干扰,在解析重叠光谱中具有不可比拟的优势。首先用模拟三维荧光光谱验证了NMF在三维荧光光谱解析中的有效性,然后将四种不同的NMF算法(乘性迭代算法、交替最小二乘算法、二阶方法、投影梯度算法)用于实测的酚类化合物(百里酚、间甲酚、苯酚)三维荧光光谱的解析中,并讨论了在酚类化合物分离应用中四种NMF算法的收敛速度和计算复杂度的差异。实验结果表明,四种方式的NMF标准偏差均在0.06%以下,其中交替最小二乘算法在收敛行为和鲁棒性上最为优越。     

基于叶绿素荧光诱导动力学曲线的光合作用参数反演算法研究

快相叶绿素荧光诱导曲线中蕴含着丰富光合作用信息。该信息可以反映出植物的生存状态、病理以及受到胁迫时的生理变化趋势等多种信息。通过采集藻类荧光及诱导光信号,拟合快相叶绿素荧光动力学曲线。基于最小二乘拟合方法,提出自适应最小误差逼近的方法对快相叶绿素荧光动力学曲线进行多元非线性回归拟合,实现Fo(固定荧光)、Fm(最大荧光产率)、σPSII(PSII的功能吸收截面)等细节参数的反演。实现了蛋白核小球藻光合作用参数反演,并实验了在Cu2+胁迫环境下,蛋白核小球藻的生理变化趋势。     

土壤重金属铅元素的X射线荧光光谱测量分析

在实验室条件下,利用NITON XLt793型便携式X射线荧光光谱重金属分析仪测量并分析土壤中铅元素的X射线荧光光谱特性。分别以铅的Lα(10.55keV)和Lβ(12.61keV)特征谱线作为分析线,分析了不同基体元素对分析线的影响;测定在不同铅浓度下的特征谱线强度变化。结果表明铅的质量分数在10×10-6～1 800×10-6范围内,元素的光谱强度与浓度之间呈现较好的线性关系;建立了铅元素的定标曲线,并计算得到铅的检出限为7.89×10-6。     

基于色素特征荧光光谱的浮游植物分类测量方法

光合作用色素组成是浮游植物分类的重要依据。通过对蓝藻、绿藻、硅藻、甲藻和隐藻等5个门类浮游植物三维荧光光谱的差异性分析,提取了与叶绿素a、叶绿素b、叶绿素c、类胡萝卜素、藻蓝蛋白和藻红蛋白等光合色素相关的36个特征荧光光谱点,提出了基于色素特征荧光光谱的不同门类浮游植物分类测量方法。对铜绿微囊藻、小球藻、桅杆藻、光甲藻和卵形隐藻的实验结果表明:色素特征荧光光谱法对5种藻类纯种样品的测量误差分别为5.15%、5.63%、7.90%、4.85%、6.55%,对优势藻类(质量分数高于50%)的测量误差分别为7.96%、8.69%、5.44%、10.78%、15.57%,对劣势藻类(质量分数低于30%)的测量误差分别为18.29%、17.52%、20.01%、29.11%、20.14%,测量结果准确度达到了三维荧光光谱法水平,但数据量和计算时间仅是三维荧光光谱法的1.1%和2.2%,是一种快速有效的浮游植物分类测量方法。