基于长光程的土壤氧化亚氮排放规律的FTIR光谱法研究

氧化亚氮（N₂O）的过量排放会对臭氧层造成破坏,合理施肥和采取减排措施对减缓温室效应具有重要的现实意义。本文利用FTIR光谱法研究了施肥和水分对白菜地土壤排放N₂O的影响。为了提高系统的灵敏度,我们利用多个反射镜加长了光程。通过比对施肥前后N₂O红外光谱和NIST谱库N₂O红外光谱,最终选取2 160～2 225 cm-1作为定量计算N₂O的特征波段。研究发现,施肥和水分能促进白菜地土壤N₂O气体排放,这为农田N₂O的减排和减缓温室效应提供了理论依据。最后,还研究了施肥后土壤N₂O的昼夜排放规律,结果表明,N₂O白天的排放量高于晚上,通过和前人研究结果对比,验证了此方法的可行性。本文研究证实,基于长光程的FTIR光谱法是一种测量土壤排放N₂O气体规律的快速有效方法,它可以对施肥后的白菜地土壤N₂O气体排放进行测量,相对其他传统测量方法具有高速、简便等优势。     

转镜式傅里叶变换光谱仪光程差非线性的研究

转镜式傅里叶光谱仪中,转镜的转动形成光程差的非线性。光程差非线性是转镜材料和工作角选择时要考虑的重要因素,通过对它的研究,可以为工程实践提供指导,为进一步研究奠定基础。通过输入单色光时的情况对干涉图进行研究,发现光程差非线性使干涉图的周期发生变化;通过和光程差线性系统的仪器函数比较对复原光谱进行研究,发现非线性给复原光谱带来了噪声和波数漂移。由于光程差的变化是已知的,在光谱复原时,用非线性的光程差代替傅里叶变换中的光程差,就可以对光程差非线性进行补偿。计算机仿真实验的结果表明,这种方法效果明显,经补偿后复原光谱中光程差非线性带来的噪声基本消失。     

基于微机电系统红外光源的长光程气体检测

针对红外气体传感器对光源的要求,选用了一种宽波长、高调制频率、低功耗的小体积微机电系统(micro-electro-mechanic system, MEMS)红外光源作为辐射源,其各项性能均能很好的满足红外传感系统对于光源的要求。由于其面光源的朗伯辐射特性,整形之后的红外光数值孔径仍然很大,采用传统的长光程气室结构很难实现长光程从而提高系统的检测灵敏度。本文结合双波长单光路的差分检测方法,设计了一种基于积分球特性的吸收气室,有效地解决了MEMS红外光源在高灵敏度气体检测应用中难于实现长光程的问题;并运用光在传输过程中光通量守恒的原理,推导了此积分球吸收气室的等效光程,解决了积分球气室等效光程计算的难题;同时采用FPGA主控芯片对MEMS红外光源进行高频调制并处理探测器的输出信号,使得外围电路的设计更加简单、灵活。设计中,使用直径为5 cm的积分球吸收气室便可实现166.7 cm的等效光程,研究结果显示系统可测得的最小甲烷浓度达0.001×10-6,极大地提高了红外检测系统的灵敏度。     

基于LASSO方法的傅里叶变换红外光谱快速定性识别方法

采用红外光谱技术对未知气体组分进行监测,需要对气体组分进行定性识别分析。基于多元线性回归模型的LASSO变量选择技术广泛应用于数据分析领域。将LASSO方法引入到红外光谱分析领域,提出一种LASSO变量选择技术结合循环线性最小二乘(LCLS)分析的定性识别方法,并开展了相关的实验对其进行验证。实验采集CO,C₂H₄,NH₃,C₃H₈,C₄H₁₀和C₆H₁₄六种单组分傅里叶变换红外(FTIR)光谱吸光度谱以及一组C₂H₄和NH₃混合组分的吸光度谱,结合实验室自建光谱数据库,先采用LASSO方法对采集的光谱进行初步定性分析,然后使用LCLS方法剔除干扰组分。实验结果表明,LASSO结合LCLS的方法能有效识别出光谱中的目标组分,即使是在干扰严重的光谱波段也可以剔除掉大部分的干扰组分。     

长程差分吸收光谱技术气体浓度反演误差的定量估计

长程差分吸收光谱法(LP-DOAS)是基于最小二乘原理来反演大气痕量气体浓度的。LP-DOAS能对痕量气体进行高灵敏的测量,但是还没有统计的方法定量确定LP-DOAS反演误差。痕量气体的吸收通常很弱,外来影响因素决定了检测限和测量精度,其被误当做真正的吸收,增加了没有统计特性的噪声到残差中,导致最小二乘拟合误差(err(LSQ))有一个明显的误估计。研究采用蒙特卡罗方法,通过残差的循环移位定量确定差分吸收光谱法反演气体浓度的误差。实验结果表明,蒙特卡罗方法可以定量估计差分吸收光谱法反演误差,误估计因子为1.13,而err(LSQ)为3.12。     

基于红光二极管为光源的LP-DOAS系统监测大气NO3自由基的研究

NO₃自由基是夜间大气中最重要的氧化基团,鉴于NO₃自由基易变性以及极低的大气浓度,开发了以发红光二极管(LEDs)为光源来监测大气NO₃自由基的长程差分吸收光谱系统(LEDs-DOAS)。分析了新型红光二极管Luxeon LXHL-MD1D LEDs的谱特性,研究了以其为光源的长程LEDs-DOAS系统测量大气NO₃自由基的原理,设计了大气NO₃测量自由基的装置,给出监测的大气吸收光谱,研究了反演NO₃的方法,并给出反演谱图和一周大气NO₃浓度的时间序列图。研究结果表明当光程为2.8 km时,LEDs-DOAS系统的探测限大约为12 ppt。     

A Weak Formulation of the Boltzmann Equation Based on the Fourier Transform

In this article we present an alternative formulation of the spatially homogeneous Boltzmann equation. Rewriting the weak form of the equation with shifted test functions and using Fourier techniques, it turns out that the transformed problem contains only a three-fold integral. Explicit formulas for the transformed collision kernel are presented in the case of VHS models for hard and soft potentials. For isotropic Maxwellian molecules, a classical result by Bobylev is recovered, too.     

基于傅里叶红外光谱的钢渣微粉修复重金属污染土壤效果软测量模型

以转炉钢渣作为固化稳定化药剂,采用toxicity characteristic leaching procedure(TCLP)方法与傅里叶红外光谱跟踪检测钢渣微粉对重金属土壤修复效果,以及混合物(钢渣微粉与重金属污染土壤)的微观结构。建立基于高斯过程回归的钢渣微粉对重金属污染土壤修复效果软测量模型。结果表明,钢渣微粉对重金属污染土壤具有较好的修复效果,180 d内修复效果均保持在90%以上;修复过程分为前期、中期与后期,其中前期(1~3 d)环境碱性较高,修复方式以离子交换为主,中期(7~42 d)离子交换作用减弱和凝胶固化作用增强,后期(56~180 d)形成大量C—S—H凝胶,凝胶固化作用进一步增强;基于高斯过程回归的钢渣微粉对重金属污染土壤修复效果软测量模型的真实值与预测值数据吻合较好,绝对误差为-1.35~-0.48,相对误差为-1.448%~-0.497%。     

基于傅里叶变换的光纤法布里-珀罗传感器解调研究

从双光束干涉的基本原理出发,分析了高斯分布光源条件下利用傅里叶变换解调光纤法布里-珀罗传感器的原理。针对高斯分布光源特点,提出直接对波长均匀采样得到的光谱数据进行快速傅里叶变换,然后利用传感器腔长与频域中峰值频率之间的关系求解传感器腔长的可行性。在此基础上,采用频谱插值技术提高了系统解调精度,并利用宽带光源和光谱仪等组成的解调系统,对所提出的方法进行了实验验证。结果表明,从实验中测得的数据与理论计算值能较好地吻合。     

傅里叶变换红外光谱法应用于中药砂仁真伪鉴别的研究

为了直接准确地鉴别砂仁及其伪品的真伪, 采用傅里叶变换红外光谱法直接测定砂仁及其伪品的红外光谱。结果阳春砂、绿壳砂、海南砂的红外光谱差别不大,而砂仁与其伪品红壳砂仁、海南假砂仁、华山姜及山姜的红外光谱吸收差别较大。对同一批次的不同样品进行了重复性试验,二阶导数傅里叶变换红外光谱正峰值的峰位一致率检验结果无显著性差异存在,说明可以采用FTIR法直接、快速、准确地对阳春砂、绿壳砂、海南砂与其伪品红壳砂仁、海南假砂仁、华山姜及山姜进行区别鉴定。     

光纤法布里-珀罗传感器串连复用的傅里叶变换解调方法初探

光纤法布里—珀罗传感器复用、特别是串连复用的解调十分困难。为解决这个问题,从光纤法布里—珀罗应变传感器的基本原理出发、在仅有两只传感器复用的基本条件下,深人分析了复用系统组合输出光强信号及其分布特性;研究了对其进行傅里叶变换的解调原理及具体实现方法,分析了因复用信号不满足傅里叶变换条件而在变换域产生的畸变,进行了计算机仿真解调。在此基础上,搭建了两只传感器的串连复用实验系统,并用此方法实现了两只复用传感器的解调,且传感器之间的相互影响小于5％。理论与实验表明,虽然传感器的复用信号不满足傅里叶变换的标准条件,且仿真与实验存在一定差异,但所提出的傅里叶变换方法,基本可用于光纤法布里—珀罗传感器的串连复用解调。     

基于仪器线型订正的开放光程FTIR测量中的水汽谱在线扣除方法

水汽吸收分布于整个中红外波段,它的存在干扰红外光谱的定量分析。文章介绍了一种从傅里叶变换红外光谱仪的测量数据中扣除水汽干扰信号的新方法。该方法首先通过气象参数测量获得气压、温度和相对湿度,结合HITRAN数据库中提供的水汽线强、自展宽、空气展宽等参数,使用逐线积分方法计算出高分辨率水汽吸收谱,再通过仪器线型订正,合成出与仪器分辨率相匹配的水汽谱,将其作为干扰组分直接从测量所得到的含有水汽的混合光谱中扣除。对开放光程FTIR系统的实测数据的分析结果表明,使用该方法可以有效消除水汽干扰,扣除后的光谱包含待测组分的吸收特征和噪声。在开放光程FTIR等无法使用干燥设备去水的观测条件下,使用该方法可以达到较理想的水汽扣除效果。     

用傅立叶变换红外光谱法研究核辐照对三七粉成分的影响

本文采用红外光谱法对经不同剂量核辐照的三七粉进行了对比研究, 比较了它们红外光谱的异同。三七粉的红外光谱主要由淀粉吸收带及碳水化合物的吸收带组成, 低辐照剂量(低于15 kGy)处理的三七粉组成成分的化学结构及含量几乎未发生变化; 较高辐照剂量(高于18 kGy)处理的三七粉组成成分中少数成分的化学结构及含量可能已经发生了变化。表明采用适当核辐照剂量杀灭三七粉中污染微生物和各种寄生虫卵是可取的。辐照剂量高于15 kGy后, 糖类(主要是多糖、庶糖)增加, 增加的糖可能是淀粉转化而来的。     

用傅立叶变换红外光谱法研究核辐照对人参粉成分的影响

本文采用傅立叶变换红外光谱(吸收光谱、二阶导数谱及差谱)法对经不同剂量核辐照的人参粉进行了对比研究.辐照剂量不高于9 kGy时,人参粉样品的化学成分几乎没有发生变化;人参粉样品经15kGy及以上的辐照剂量辐照后,可能产生新的化学成分,表明采用辐照剂量不高于9 kGy的核辐照杀灭人参粉污染的微生物和各种寄生虫卵是可行的;...     

算法融合的差分吸收光谱法烟气SO2浓度在线监测研究

过去几十年中差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)在大气污染物监测方面取得了成功应用.文章提出了根据差分吸光度最大值(OD'm)设定阈值的思想,将传统DOAS算法与基于卡尔曼滤波的DOAS算法相结合,利用两种算法在相同信噪比下具有不同反演精度的特点,在保证测量精度的前提下提高了DOAS系统的检测极限,较好地解决了短光程下低浓度气体的测量精度问题.在常温常压和流动状态下,对烟气中的SO2浓度测量进行了理论和实验研究.研究结果表明,改进的DOAS算法在OD'm＜0.048 1时,SO2浓度测量精度较高,测量下限可低于28.6 mg·m-3,零点漂移低于2.9 mg·m-3传统DOAS算法在0.048 1＜OD'm＜0.927 2时,SO2浓度测量精度较高;两种算法对OD'm＞0.927 2时的SO2浓度测量都存在较大的误差,必须进行线性度校正.     

提高布里渊光时域反射应变仪测量空间分辨力的等效脉冲光拟合法

由于探测光脉冲宽度受到限制,布里渊光时域反射仪(BOTDR)在对光纤上的应变进行分布式测量时,空间分辨力只能达到1 m。针对布里渊光时域反射仪单次采样接收背向布里渊散射信号(BBS)需要一定的时间,提出了基于等效脉冲光的多洛仑兹拟合法以提高其应变测量的空间分辨力。该方法将探测光脉冲在布里渊光时域反射仪完成单次采样所需的时间上进行积分,将积分函数作为等效脉冲光的表达式,再根据等效脉冲光的形状将布里渊光时域反射仪接收到的背向布里渊散射谱(BBS)细分,并对它进行多洛仑兹迭代拟合,准确求得每个细分布里渊散射谱的中心频率,进而利用光纤中布里渊频移与应变的对应关系,得到光纤中与细分布里渊散射谱对应的细分光纤单元上的应变情况。实验结果表明,利用这种方法,可使布里渊光时域反射仪应变测量的空间分辨力提高至0.05 m。     

利用配置长程气池的FTIR技术研究挥发份中氮赋存形态

利用FTIR分析技术,对3种不同煤阶的我国电站典型动力用煤——神木烟煤、铜川贫煤和宜宾无烟煤的挥发份中氮的赋存形态进行了研究。为克服研究工作中的微氮现象,在研究过程中采用了16 m光程的长程气池。研究结果显示,红外光线在16 m长程气池构造作用下多次穿过挥发份,检测出含量微少的氮元素,成功地克服了微氮现象,取得了较好的研究结果;我国电站用煤的挥发分中氮的赋存形态有4种,分别为吡啶型氮化合物、吡咯型氮化合物、吡啶-N氧化物和腈类化合物。氮在煤与挥发分中赋存形态的差别主要是由于煤分子中的大分子量含氮结构在温度作用下发生分解所致。     

基于双积分球的宽光谱组织光学参数测量系统与方法研究

组织光学参数测量是生物医学光子学的主要研究内容之一,人体组织光学性质与其生理病理状态密切相关。近年来,利用组织光学特性,特别是吸收与散射特性进行组织成像诊断及无创成分检测成为生物医学光子学领域研究热点,为肿瘤早期诊断、代谢动态监护及光动力治疗等临床应用提供了基础。双积分球方法能够同时测量离体组织吸收系数、散射系数等,具有测量准确、快速,适用范围大等优点,作为光学参数测量的标准方法得到广泛研究与应用。利用双积分球及超连续激光器搭建了宽光谱的组织光学参数测量系统,分析了积分球测量传递函数与误差来源及系统最佳测量条件,建立了基于BP-MCML的系统校正正向模型与L-M算法的光学参数反构算法。在此基础上,测量了1 100～1 400 nm连续宽谱范围内Intralipid溶液光学参数,实验结果表明改进后反构算法测量结果比较准确,多次测量标准偏差在3%以内,不同波长下约化散射系数及吸收系数测量结果与其他研究小组得到的测量结果对比,偏差小于3.4%。     

FTIR与XRD的均匀粒度分布Ce-Cu/TiO2空心微球制备机理研究

随着社会经济的发展,环境空气品质已经成为研究热点。TiO₂是一种化学稳定性高,耐腐蚀性强,对人体无毒无害的N型半导体材料。利用TiO₂的光催化性能提高室内环境空气品质已经成为研究焦点,但是由于TiO₂只能在紫外光源下才具有较高的光催化效率,而在可见光源下的光催化效率较低,从而极大的限制了TiO₂在室内环境领域的发展。因此,研发在可见光源下具有良好光催化性能的TiO₂复合材料势在必行。利用元素掺杂改性技术与提高比表面积方法可以改善光催化反应过程中量子效率和对光能的利用率,以加快电子和空穴向表面迁移的速率同时降低光生载流子的复合机率。以二氧化硅SiO₂为模板、聚乙烯吡咯烷酮为成膜剂、硝酸铈Ce(NO₃)₃·6H₂O和硝酸铜Cu(NO₃)₂·3H₂O为改性剂采用溶胶-凝胶法制备均匀粒度分布的Ce-Cu/TiO₂空心微球,并将制备过程分为四个阶段,即纳米SiO₂球模板的制备、Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球凝胶的制备、Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球的制备和Ce-Cu/TiO₂空心微球的制备。利用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）与X射线衍射仪（XRD）对Ce-Cu/TiO₂空心微球的制备过程各阶段生成物进行测试与分析,即在纳米SiO₂球模板的制备阶段从微观角度研究纳米SiO₂球模板的搭建过程,在Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球凝胶的制备阶段研究TiO₂附着于纳米SiO₂球模板的过程,在Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球的制备阶段研究煅烧工艺对Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球中晶相与结构的影响,在Ce-Cu/TiO₂空心微球的制备阶段研究氢氧化钠溶液对Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球中纳米SiO₂球模板洗涤效果的影响。利用紫外-可见分光光度计（UV-Vis）对Ce-Cu/TiO₂空心微球的光响应性能进行测试与分析,以研究Ce-Cu/TiO₂空心微球对可见光源的利用效率。利用激光粒度分析仪（LPSA）与扫描电子显微镜（SEM）对Ce-Cu/TiO₂空心微球的粒度分布与微观形貌进行测试与分析,以研究Ce-Cu/TiO₂空心微球的均匀粒度分布效果。结果表明：以Si-O-Si基团构建非晶体结构的无定形态纳米SiO₂球模板,有利于聚乙烯吡咯烷酮在纳米SiO₂球模板表面附着,从而控制Ce-Cu/TiO₂空心微球的空腔结构。Ce-Cu掺杂基本进入TiO₂晶体,极少进入纳米SiO₂球模板晶体,从而抑制了Ce-Cu/TiO₂-SiO₂复合微球中TiO₂由锐钛矿相向金红石相的转变。Ce-Cu掺杂TiO₂可以促使TiO₂内部形成新的能级,实现能量较小的光子捕获e-和h+,从而提高Ce-Cu/TiO₂空心微球对可见光源的利用效率。Ce-Cu/TiO₂空心微球的表面光滑且不存在明显的缺陷,其形貌呈现良好的球体且粒径分布均匀,即d₉₀为219.54 nm,d₅₀为151.60 nm、d₁₀为103.84 nm,以及d₉₀-d₁₀为115.70 nm。研究结果为进一步获得可见光源下具有良好光催化性能的均匀粒度分布Ce-Cu/TiO₂空心微球提供理论依据和研究基础。     

用傅立叶变换红外光谱法研究核辐照对虫草粉成分的影响

本文采用傅立叶变换红外光谱(卷积谱及二阶导数谱)法对经不同剂量核辐照的虫草粉进行了对比研究。虫草粉中碳水化合物(糖和纤维素)、蛋白质及脂肪含量较高; 虫草的多糖及酯对核辐照较为敏感, 辐照还使分子中吡喃环的C-O-H基团向多糖的O-H和酯的C-O-C基团转化; 构成虫草蛋白质的多肽是α构象的; 低于18 kGy剂量辐照虫草粉样品对虫草蛋白质影响很小, 但对虫草主要有效成分(含有C-N基团和N-H基团成分)影响较大; 高于18 kGy剂量辐照虫草粉样品对虫草蛋白质、多糖及酯的分子结构可能产生了破坏。建议不宜采用核辐照对虫草粉杀菌消毒处理。