基于模型的红外光谱温度预测及校正方法

温度校正是红外光谱定性定量分析中的一个关键问题,通过去除光谱数据中的温度效应,可以改善模型的线性度,从而提高模型的预测精度。通常的温度校正方法不仅需要记录训练集光谱的采集温度,而且需要记录测试集光谱的采集温度,这对很多实际应用中的光谱温度校正造成了困难。提出了一种基于模型的光谱温度预测及校正方法,通过训练集数据对光谱中的温度信息进行建模,利用模型的信息,从而能从测试集光谱数据中估计出采集温度,并进行光谱数据的温度校正,降低了温度校正方法对测试集光谱数据采集温度的依赖性。作为方法的验证,进行了两部分的实验：在第一部分的实验中,通过对十个浓度的水-乙醇二元混合物光谱数据的温度预测以及温度校正的实验,证明了本文方法的有效性;在第二部分的实验中,我们采用了Wulfert的经典温度校正方法CPDS的实验数据和实验方案,对三元混合物的光谱数据进行温度预测以及温度校正,得到了不亚于CPDS方法的温度校正效果,同时也证明了该方法对三元混合物光谱数据的适用性。通过两部分的实验表明,在缺少测试集测量温度的情况下,提出的温度校正方法仍可对光谱数据进行有效的预测和校正,降低了温度校正方法对测试集数据的依赖性,从而提高了温度校正方法的适用性。     

基于衬底温度和贝叶斯估计的红外非均匀性校正（英文）

分析了红外焦平面阵列(IRFPA)基于定标的非均匀性校正法(NUC)和基于场景的NUC算法各自的优势和问题,在此基础上提出了联合非均匀性校正方法。根据上电时刻焦平面衬底的温度值,从FLASH中提取事先存储的对应温度区间的增益和偏置校正参数,初步消除探测器的非均匀性。通过分析初步校正后图像残余非均匀性噪声的特性,提出了一种自适应非均匀性校正算法NSCT,对经过NSCT分解后的子带图像,利用贝叶斯阈值逐点进行信号方差和噪声方差估计,计算出残余非均匀性噪声后并加以去除。实验结果表明,该算法能有效提高校正精度,并具有更强的环境适应性。     

甲胺水合离子团簇的结构模型及红外光谱研究（英文）

本文利用量子化学计算方法,研究了甲胺和水复合离子团簇[(CH_3NH_2)(H_2O)_n]~+的几何结构、能量和红外光谱,揭示了结构生长模型、氢键作用机制和质子转移机理.研究结果表明,在[(CH_3NH_2)(H_2O)_n]~+团簇中,甲胺甲基上的一个氢原子转移到氨基上,形成分子内质子转移的CH_2NH_3~+离子核心结构模型,水分子作为氢键受体,与质子化氨基NH_3~+形成氢键.CH_3NH_2~+离子核心结构模型没有CH_2NH_3~+离子核心结构模型稳定.在团簇的红外光谱中,CH振动、自由NH振动、氢键结合的NH振动和OH振动模式在CH_3NH_2~+和CH_2NH_3~+两种离子核心结构模型的理论计算红外光谱中明显不同,因此可用于鉴别甲胺水合离子团簇的结构模型,有助于理解甲胺和水复合团簇的氢键网络结构.     

近红外光谱模型传递研究（英文）

针对不同型号的近红外光谱仪器(主机:SupNIR-2700,从机:Nicolet AntarisⅡ)间的模型传递和同一仪器(Nicolet AntarisⅡ)不同分辨率的光谱间的模型传递进行研究,提出了一种改进的PDS算法-SPSG1st-PDS算法,该方法结合三次样条插值、Savitaky-Golay一阶求导和PDS算法。思路是通过三次样条插值拟在不破坏原始光谱固有的信息的前提下实现了主光谱与从光谱之间的匹配,然后对光谱进行S-G一阶求导去除光谱的基线漂移,再通过PDS算法进行模型传递,有效消除主、从光谱之间的差异,提高多元校正模型的预测精度。该方法用于醋酸乙烯酯在乙烯-乙酸乙烯酯共聚物中含量的研究,并且与小波去噪方法和S-G平滑方法作比较。实验表明:对于不同型号的仪器间的模型传递,新方法采用S-G一阶求导较其他方法有明显的优势,其验证集预测精密度RMSEP从20.595 0降低至0.374 8,明显优于S-G平滑(0.522 1)和小波去噪(0.516 7)方法,预测偏差也同样地被改善。对于同一仪器不同分辨率的光谱之间的模型传递,在模型传递前后其模型预测精密度RMSEP从0.272 2减少至0.255 3。通过提出的SP-SG1st-PDS算法,模型传递能应用于不同类型仪器之间,也能用于相同仪器不同分辨率的光谱之间,并且取得了满意的传递结果。     

基于极紫外自由电子激光的中性团簇红外光谱（英文）

团簇在能源催化和大气雾霾等诸多化学过程中广泛存在,团簇表征与性能研究对诠释化学反应机理至关重要.然而,中性团簇由于缺乏电荷、难于探测,实验研究非常困难.鉴于上述情况,发展了基于极紫外自由电子激光的中性团簇红外光谱实验方法,用于质量选择中性团簇的高灵敏探测、结构表征和性能研究.红外-极紫外衰减和红外+极紫外增强光谱实验方法已被应用于一些中性水团簇和一些中性金属羰基化合物的研究.由于极紫外自由电子激光的波长范围涵盖了绝大多数中性团簇的第一电离势,这一独特的实验方法为开展各类中性团簇红外谱学和结构的研究打开了大门.本文综述了这些红外光谱实验方法及其在中性团簇研究中的应用.     

一种新的多元校正模型分子光谱传递方法（英文）

无论是近红外还是红外光谱,多元校正模型的传递问题都尚未解决。为了实现模型和光谱的传递,提出了一种改进的PDS算法——SA-PDS算法,论方法通过PDS算法进行模型传递,使用光谱间的夹角大小作为判定准则来选择传递参数,使得模型传递过程不受到样品性质参考值的影响,也不再依赖于模型,并且可以双向传递。该方法分别通过在近红外数据和中红外数据中应用来证明模型传递的可行性,实验收集烟叶样本测得其近红外光谱,沥青样本测得其中红外光谱,将烟叶总糖会计师和沥青蜡含量作为模型预测对象。使用光谱夹角作为PDS参数选择标准与使用预测标准偏差作为判定准则相比,实验表明:对于近红外光谱的从机向主机的传递,其验证集预测精密度RMSEP从5.257 4降低至1.337 1,优于RMSEP(1.350 3)方法,预测偏差也同样被改善。对于中红外光谱从机向主机的传递,新方法验证集预测精密度RMSEP从0.525 1降低至0.186 9,优于RMSEP(0.219)方法。主机向从机的传递也取得了满意的传递结果。     

基于高光谱的颜色辨别方法研究（英文）

在颜色测量领域区分相似颜色的样品是非常困难的。测量颜色的准确性和高效性对于工业上的应用非常重要。提出了一种基于超光谱成像技术的色彩测量的方法,并设计制成原理样机系统。该系统能够快速准确的测量彩色样品的光谱,并在分析后可得丰富的颜色数据与颜色坐标。该方法克服了传统测色方法测谱不成像,成像不测谱的局限性。为了评估系统的性能,进行分析和实验:比较细分的每个波段的信噪比,并使用光谱匹配技术来比较彩色照相机和所设计的系统在颜色测量方面的优缺点。结果表明,本系统提供了一种更精确的颜色测量方法,可以有效地测试产品颜色的质量。     

油料池火焰红外光谱特性分析研究（英文）

油罐池火燃烧污染强度大、范围广,航天遥感可成为实时动态监测油罐池火灾污染的新途径。航天遥感监测以目标光谱特性分析为基础,针对油料池火焰光谱特性研究不足的现状,通过构建全火焰红外测试系统,在室外开放空间条件下对多种油料及混合油料池火焰光谱,其他可燃物火焰的发射光谱进行了测试分析研究,光谱范围1~14μm。结果表明:92#汽油、95#汽油、0#柴油、航空煤油、润滑油池火焰的光谱曲线特征相似,在特定的波长处存在特征发射峰,在1.1,2.4,2.8及6.3μm附近存在H2O特征发射峰,在4.2及4.5μm附近存在CO2发射峰,在3.4μm处存在C—H伸缩振动发射峰,6.3μm后各光谱曲线无明显特征峰。92#汽油与0#柴油以不同比例混合的池火焰光谱与各油料池火焰光谱相比也无明显差别。92#汽油池火焰光谱与木柴及纸张火焰光谱相比,在3.4μm处存在特征发射峰;酒精火焰光谱虽然在3.4μm附近也有类似辐射发射,但辐射强度与4.5μm处CO2的辐射强度之比远低于92#汽油池火焰光谱在此两波段处辐射强度之比;蜂窝煤火焰光谱近似灰体辐射光谱。各燃料火焰光谱的差异主要由燃料的化学组成及燃烧反应机理的差异决定的。对92#汽油池火焰连续区、间歇区及烟气区的光谱特性进行了比较分析,结果表明3.4μm处的C—H伸缩振动峰只存在于连续区,证明了该发射峰是参与燃烧化学反应的油气产生的,该结果与油料池火燃烧反应机理吻合。实验结论对基于光谱特性分析的油料池火焰遥感识别具有重要借鉴意义。     

海面油膜热红外发射率光谱特征研究（英文）

利用热红外遥感技术探测海面溢油存在能够全天时探测、更好地探测海表及油膜辐射特征和对油膜厚度的识别潜力较大等优势。而热红外发射率是物体在指定温度时的辐射能与同温度黑体辐射能的比值,在常温范围内,物体的发射率光谱与温度无关,仅与材质属性及波长相关。基于这一假设,以山东省东营市胜利油田孤岛采油厂获取的原油样品与渤海湾海水为材料,利用102F傅里叶变换热红外光谱辐射仪设计海面油膜发射率光谱实验,系统的测量分析了海面油膜随厚度连续变化过程中海面油膜发射率的变化特征与产生机理。结果表明,海表油膜的热红外发射率在甚薄阶段(20~120μm)变化较大,利用热红外发射率光谱能够较好的探测海表甚薄油膜;在8~10μm和在13.2~14μm波段范围内,海水与厚度为20μm的甚薄油膜存在较为稳定的发射率差异,利用该光谱范围内的油膜发射率可以用来探测20μm的甚薄油膜;在11.7~14μm波段范围内,油膜发射率与其厚度相关性小,油膜的发射率明显低于本底海水的发射率,利用该光谱范围内的油膜发射率可以用来探测较薄油膜的有无;在11.72,12.2,12.55,13.48和13.8μm这几个波长附近,油膜发射率随着油膜厚度的增加呈现出递增或递减,且变化幅度较大,利用这几个波长附近谱段的发射率可以用来探测较薄油膜的发射率光谱响应。     

基于衬底温度和贝叶斯估计的红外非均匀性校正（英）

分析了红外焦平面阵列(IRFPA)基于定标的非均匀性校正法(NUC)和基于场景的NUC算法各自的优势和问题,在此基础上提出了联合非均匀性校正方法。根据上电时刻焦平面衬底的温度值,从FLASH中提取事先存储的对应温度区间的增益和偏置校正参数,初步消除探测器的非均匀性。通过分析初步校正后图像残余非均匀性噪声的特性,提出了一种自适应非均匀性校正算法NSCT,对经过NSCT分解后的子带图像,利用贝叶斯阈值逐点进行信号方差和噪声方差估计,计算出残余非均匀性噪声后并加以去除。实验结果表明,该算法能有效提高校正精度,并具有更强的环境适应性。     

西北盐碱土理化性质的高光谱建模及预测（英文）

高光谱数据具有光谱分辨率高、波段连续性强、信息丰富等特点,在土壤信息的监测中得到广泛应用。利用高光谱遥感技术测定盐渍化土壤属性对灌区农作物的生长和农业可持续发展具有重要意义。采集玛纳斯河流域221个土壤样品,分别测定土壤电导率(EC)、有机质(SOM)和Na~+,Ca~(2+),Mg~(2+)三种离子浓度含量等土壤理化性质和光谱反射率曲线,并由三种离子含量得出钠吸附比值(SAR),采用逐步线性回归方法建立EC,SOM和SAR与原始光谱反射率(R)、标准正态变量(SNV)、归一化差异植被指数(NDVI)、倒数的对数(LR)、一阶微分(FDR)和去包络线(CR)等六种指标的模型。模型验证结果表明,相较其他五种变量的模型,以R为自变量的EC对数模型精度最高,相关系数为0.782,均方根误差为0.256。以NDVI为自变量的土SOM预测模型精度最高,相关系数为0.670,均方根误差为5.352。以FDR为自变量的SAR预测模型精度最高,相关系数为0.647,均方根误差为1.932。EC预测模型效果最好,SOM预测模型次之,SAR预测模型精度最低。最优模型中EC,SOM和SAR的敏感波长分别分布于395~1 801,352~1 144和394~1 011nm波段。由于土壤中各属性的差异和不同成分空间分布的变异性,对于不同土壤性质的建模和验证结果差异较大。本研究可为盐渍化土壤的高光谱遥感监测提供依据。     

基于二维相关红外光谱的鱼糜品质检测可行性分析（英文）

对二维相关光谱在鱼糜品质检测中的可行性进行了分析。利用二维相关技术结合中红外光谱技术对冻融处理后白鲢鱼糜蛋白二级结构变化进行了分析。在冻融次数和温度双重外扰的作用下对样品进行了分析。以冻融次数为外扰的二维相关光谱分析结果揭示了鱼糜蛋白二级结构的变化顺序:α-螺旋结构、分子内聚集的β-折叠结构→反平行的β-折叠结构→羰基结构;基于温度外扰的二维相关光谱分析结果表明:冻融处理1次和2次后鱼糜蛋白二级结构变化轻微。而冻融处理3次之后鱼糜蛋白二级结构已遭到严重破坏。结果分析还发现:外扰温度为45℃时,温度对羰基的影响比大大小于冻融循环对鱼糜蛋白二级结构的影响。以上结果说明二维相关光谱技术可以探测并直观的反应出鱼糜蛋白二级结构变化程度。如果能将这种变化程度量化,则可以利用该技术对鱼糜新鲜度等品质进行快速检测。     

Be-CO体系的相互作用势和光谱预测（英文）

采用单双迭代(包括非迭代三重激发)耦合簇CCSD(T)理论方法和大基组,计算Be-CO体系的相互作用势,得到该体系势能面的解析表达.发现在R_e=8.29a0和θ_e=115.42°处存在的一个全局极小势阱,阱深-69.21cm~(-1),势能面呈现较弱的各项异性.根据势能面,计算了体系的束缚态能级和其光谱常数.     

基于积分球反射计的红外光谱发射率测量系统校正方法

针对非理想参考反射标准对光谱发射率测量结果的影响,基于积分球反射计的红外发射率测量系统原理,提出了一种适用于反射法光谱发射率测量系统的校正方法。通过参考反射标准样光谱反射率的数据拟合,得到反射率的曲线方程,计算反射测量系统的校正系数,校正参考标准样的输出电压,推导出光谱反射率为1的参考标准样输出电压曲线,消除了非理想参考标准造成的系统误差。应用该修正方法对基于积分球反射计的太阳能选择吸收涂层光谱发射率测量系统进行了校正,将校正后的光谱发射率测量结果与能量比较法的测量结果进行对比,验证了校正方法的可行性,有效性,提高了光谱发射率测量的准确度。     

温度对AZO薄膜红外辐射性能的影响（英文）

随着全球资源的减少和环境的恶化,节能减排已成为人们关注的焦点,具有保温隔热功能的低辐射玻璃成为研究的热点。提高玻璃保温隔热性能最有效的方法就是在其表面涂覆低辐射率层。原材料丰富、导电性能好、可见光透过率高等优势使得Al掺杂ZnO (AZO)薄膜成为最具潜力的低辐射率层。系统研究了温度对AZO薄膜红外辐射性能的影响,分析了变化机理。首先研究了在一定的温度下持续一段时间后, AZO薄膜的红外比辐射率的变化情况。然后研究了在变温环境中红外比辐射率的变化情况。采用直流磁控溅射法在室温下玻璃基片上沉积500 nm厚的AZO薄膜,将薄膜放到马弗炉中进行热处理,在100～400℃空气气氛下保温1 h,随炉冷却。采用X射线衍射仪对AZO薄膜进行物相分析,采用扫描电子显微镜观察薄膜表面形貌变化。利用四探针测试法测量AZO薄膜的电阻率,采用红外比辐射率测试仪测试薄膜红外比辐射率,可见分光光度计测量可见光谱。测试的结果表明,薄膜热处理前后均为六角纤锌矿结构,(002)择优取向。300℃及以下热处理1 h后,(002)衍射峰增强,半高宽变窄,晶粒尺寸长大。随着热处理温度的升高,薄膜的电阻率先减小后增大, 200℃热处理后的薄膜具有最小的电阻率(0.9×10~(-3)Ω·cm)。热处理温度升高,晶粒长大使得薄膜电阻率降低。热处理温度过高,薄膜会从空气中吸收氧,电阻率下降。薄膜的红外比辐射率变化趋势和电阻率的一致,在200℃热处理后获得最小值(0.48)。自由电子对红外光子有较强的反射作用,当电阻率低,自由电子浓度高的时候,更多的红外光子被反射,红外辐射作用弱,红外比辐射率小。薄膜的可见光透过率随着热处理温度的升高先减小后增大, 200℃热处理后的薄膜的可见光透过率最小,但仍高达82%。这种变化是由于自由电子浓度变化引起的,自由电子对可见光有很强的反射作用。选取未热处理和200℃热处理后的样品进行变温红外比辐射率的测量,将样品放在可加热的样品台上,位置固定,在室温到350℃的升温和降温过程中每隔25℃测量一次红外比辐射率,结果表明,在室温到350℃的温度范围内, AZO薄膜的红外比辐射率在升温过程中随着温度的上升而增大,在降温过程中减小,经过整个升、降温过程后,薄膜的红外比辐射率增大。     

地面长波红外高光谱成像气体探测研究（英文）

报道了地面长波红外遥测的新进展,具体阐述了窗扫时空调制傅里叶光谱成像技术的实现过程。演示装置基于角锥反射镜Michelson干涉具,构成了空间调制干涉;采用了制冷型长波红外焦平面探测器组件,通过对数据立方体的采集、重组、基线校正、切趾、相位校正和傅里叶变换等处理,实现了长波红外波段高光谱成像。自研的CHIPED~(-1)长波红外高光谱成像原理实验装置的探测灵敏度指标噪声等效辐射通量密度NESR在单次采样时达到了5.6×10~(-8) W·(cm~(-1)·sr·cm~2)~(-1),与商品化时间调制干涉高光谱成像仪相当;反映了技术的先进性,并留有较大的改进空间。通过测试聚丙烯薄膜的透过率曲线,CHIPED~(-1)红外高光谱成像原理实验装置的光谱响应范围达到了11.5μm。文章还以室外高楼和乙醚气体的探测实验为例,研究了二维分布化学气体VOC的高光谱成像探测方法。在复杂背景和低试验浓度情况下,从同一波数的红外光谱切片上,观察不出乙醚蒸气的存在,但是进行了差谱处理后,可以清楚看到乙醚蒸气的空间分布。高光谱方法应用在有机蒸气VOC的红外探测领域,相对于宽波段热成像方法,具有灵敏度高、抗干扰能力强和识别种类多等诸多优势。     

红外光谱辐射计探测器高阶非线性响应校正方法

针对傅里叶变换红外光谱辐射计辐射定标需要黑体辐射面充满仪器视场的技术特点,分析了由于入射光子流较高导致红外探测器产生非线性响应误差的机理.通过仿真包含非线性误差的黑体辐射数据,研究了非线性误差对光谱产生的影响,并根据卷积和交叉迭代两种校正方法,提出了适合校正高阶非线性响应误差的迭代方法—梯度下降法.利用傅里叶变换红外光谱辐射计进行辐射定标实验,对比卷积、交叉迭代和梯度下降法三种校正方法的效果,结果显示三种校正方法均可有效减小非线性误差,分别使拟合优度提高了0.15%,0.29%和0.39%,梯度下降法校正后的光谱数据更为准确.     

基于Adaptive Elastic Net方法的近红外光谱建模技术（英文）

当近红外光谱信息远远大于样本量时,对光谱信息进行自动变量选择进而建立光谱与微量成分含量之间的稀疏线性模型重要且具有挑战性。针对聚苯醚生产过程中微量成分邻甲酚难以测量的问题,将变量选择方法 Adaptive Elastic Net用于建立近红外光谱与邻甲酚含量之间的定量校正模型,并将其模型性能与ElasticNet方法进行对比。在变量数目远远大于样本量的情形下,ElasticNet方法虽可以实现变量选择,但由于其系数估计不具备Oracle性质,使得模型的可解释性和预测精度受到影响,而Adaptive Elastic Net方法通过对L1惩罚项施加自适应权重从而很好的解决了上述问题并提高了模型性能。为了验证Adaptive Elastic Net方法的模型性能指标,用最终被选中的自变量数目来评价模型复杂度;利用复相关系数R~2来评价模型的可解释性,利用平均相对预测误差MRPE(mean relative prediction error)和预测相关系数Rp来评价模型的预测精度。Elastic Net方法建立的模型性能指标为:NSIV=529,R~2=0.96,MRPE=3.22%,Rp=0.97;Adaptive Elastic Net方法的性能指标为:NSIV=139,R~2=0.99,MRPE=2.00%,Rp=0.99。结果表明:Adaptive Elastic Net所建立模型的性能指标优于Elastic Net方法,可以得到更加简单且具有较强可解释性和较高预测精度的稀疏线性模型。     

基于神经免疫生长可免域网络的红外光谱图像分割算法（英文）

管道运输对远距离输送石油天然气有着较大优势,而与之伴随的管道安全问题使得管道安全检测至关重要。为确保任何时间下管道状况的有效检测,红外成像技术由于其根据对象的热辐射信息反映目标特征的特殊性,能够忽视可见光的影响检测管道状态,因而在管道检测领域有重要意义。但由于户外环境的多样性,交错的管道和复杂环境使得采集的红外管道图像具有目标特征分布不均匀,目标遮挡和背景类目标干扰等问题。这些问题增加了提取管道目标的难度,不利于管道的分割和检测。生物免疫系统在抗原检测、提取和消除上表现出识别、学习、记忆、耐受和协调配合等目前复杂系统优化策略所缺乏的优异特性,借鉴生物神经系统调控免疫系统的机理,设计一种基于神经免疫网络的复杂背景下红外管道目标的检测与提取算法。根据生物神经网络在免疫系统中的调控机制,利用基础管道形状特征模型构建用于红外管道目标定位的神经网络,并将最优神经免疫可免域和区域种子生长结合,解决管道遮挡影响提取目标完整性的问题。选择三种典型的红外管道图像,将传统目标检测算法与基于神经免疫网络的算法进行了效果对比分析。结果表明,传统算法的平均真阳性率为40.56%,Jaccard相似性指数为27.18%,绝对误差率为11.75%,而基于神经免疫网络算法的真阳性率为98.05%,Jaccard相似性指数为94.44%,绝对误差率为1.18%。对比可知,神经免疫网络算法的真阳性率比传统方法高57.49%,绝对误差率则低10.57%,验证了复杂背景下,本文算法相比传统方法能够更加准确地提取完整的红外管道目标,这对管道安全检测效率的提高有着重要意义。     

基于密度泛函方法的梓醇红外光谱的预测

梓醇是一种具有特殊药理活性的环烯醚萜苷类化合物。采用密度泛函(DFT)B3LYP/6-311G**方法对梓醇分子的几何构型进行全优化,得到其几何构型参数,进一步计算得到梓醇的红外振动光谱,振动频率校正因子为0.96。对计算得到的振动频率进行归属和解析并与实验测定得到的梓醇IR光谱特征峰比较,发现理论计算出的IR光谱与实验测定IR特征峰位具有很好的一致性,说明所采用的DFT方法能够用于梓醇分子几何构型的优化,预测难以得到标准对照品的环烯醚萜苷类化合物的IR光谱数据。