基于卷积型小波包变换的谱线自动提取方法

天体光谱中的谱线包含重要的天体物理信息。文章提出一种基于卷积型小波包变换的谱线自动提取方法。该方法由以下主要步骤组成：(1)将观测光谱进行4层卷积型小波包变换;(2)对第四层小波包系数,采用区域相关算法以及阈值处理方法进行噪声处理;(3)选择中高频小波包系数进行谱线特征重构;(4)根据重构后的谱线特征,利用谱线搜索方法,在观测光谱中提取谱线。作者在实验中用恒星、正常星系和活动星系光谱进行谱线提取测试,结果表明该方法具有对噪声鲁棒和谱线提取准确等特点。用该方法提取sloan digital sky survey(SDSS)光谱中的谱线后,计算了红移并与SDSS给出的红移进行了对比,实验结果间接验证了该方法提取谱线的有效性。     

谱线自动提取的小波变换零交叉点方法

将原始光谱进行小波变换,然后研究谱线在小波变换域内呈现的特性,通过引入上、下零交叉点的概念,分析并得到吸收线和发射线分别对应于不同类型的零交叉点的结论。提出一种小波变换零交叉点方法用于提取谱线和拟合连续谱,与传统方法相比,该方法可以同时得到连续谱和谱线,并且无需专门去噪处理,克服了传统方法因拟合连续谱失真和去噪过程中带来的误差导致提取谱线不准确的缺点。通过对恒星、近邻星系等的试验表明,该方法是有效的, 对特征参数计算和基于谱线的光谱分类是非常有利的。     

基于谱线检测的发射线星自动识别方法

针对我国即将建成的大型巡天项目(LAMOST),给出了一种基于谱线检测的发射线星自动识别方法.主要步骤:1)通过获取谱线特征匹配值进行恒星谱线整体估计;2)利用提取出的恒星谱线特征检测恒星的巴耳末(Balmer)线;3)对获取的特征匹配值采用阈值法,并结合恒星Balmer线的检测结果,进行发射线里判别.通过对SDSS DR4所有光谱进行识别,共获得了242条具有恒星发射线的特殊天体.根据星表查询结果,这些天体包括发射线星、激变变星和一些未知特殊天体等.大量真实光谱数据实验表明,本文方法可有效识别发射线星.     

用相对强度法测量固体推进剂火焰温度分布

许多高温体如火焰,由于本身伴随着非常复杂的化学反应,辐射出的光谱非常复杂。这些光谱通常包括连续谱、谱线和谱带三部分,而且在许多情况下谱线非常密集。如果用谱线强度法测温,就会发现由于谱线非常密集,很难找到合适的孤立谱线。文章针对这些密集谱线,在特定条件下提出用多条谱线的总强度代替一条谱线的强度来测量温度的方法,改进了常用的相对强度法表达方式,使用密集谱线的总强度与另一条谱线强度的比值来计算温度,成功测量了固体推进剂火焰的温度分布,并将结果和热电偶测量的结果做了比较。     

阻尼最小二乘法用于激光诱导击穿光谱重叠特征谱线分离提取

近年来,激光诱导击穿广谱技术发展迅速。作为一种用于物质成分探测的新技术,它具有简单、快速、无需复杂样品制备、多种元素同时检测等优点,可实现待测样品物质成分现场、在线的检测,在很多领域都极具应用前景。激光诱导击穿光谱特征谱线的分离拟合提取是光谱特征识别与后续元素浓度定量反演研究的基础。为实现激光诱导击穿光谱重叠特征谱线的有效分离拟合提取,采用阻尼最小二乘法,分析并确定了迭代前的初始拟合参数值,实现了在重叠特征谱线情况下对某火力发电厂粉煤灰中的铬元素特征谱线的分离提取。阻尼最小二乘法基于高斯-牛顿迭代,在迭代步长中引入阻尼因子,在迭代的过程中根据每一步迭代后所反馈的信息动态的调整迭代步长,从而有效防止了迭代的发散,保证了迭代的快速收敛,最终使得元素特征谱线拟合提取的效果更佳、所得到的特征谱线强度值更准确。分别采用阻尼最小二乘法和最小二乘法对不同浓度的样品中铬元素特征谱线进行分离拟合提取并给出特征谱线的强度值,作出特征谱线强度值关于元素浓度的定标曲线并对比两种方法所得结果的线性相关性。结果表明,阻尼最小二乘法所得结果的线性相关性更高,该方法稳定、可靠,适用于激光诱导击穿光谱重叠特征谱线的分离拟合提取。     

基于均值漂移实现非发射线天体光谱的谱线自动提取

非发射线天体的光谱是天体光谱谱线提取中最难处理的一种。针对非发射线天体,给出了一种基于均值漂移的谱线自动提取方法。首先,利用均值漂移总是指向局部密度最大点也即密度的模式点这一性质,提取出较为满意的伪连续谱;其次,均值漂移滤波同时工作在空间域和幅度域上,是一种非线性的边缘保持滤波方法,在去除噪声的同时,能够较好地保持特征谱线的信息,文章在连续谱归一化后,采用均值漂移去噪得到谱线光谱;最后,对谱线光谱设置局部阈值提取出特征谱线。通过对恒星、正常星系等的实验表明：该方法是有效的, 这将对后续的参数测量和基于谱线的光谱分类非常有利。     

基于多普勒非对称空间外差光谱技术的多普勒测速仿真

阐述了多普勒非对称空间外差光谱仪用于被动式多普勒测速的基本原理,通过综合考虑干涉条纹对比度和仪器测速灵敏度等关键因素,建立了效率函数,分别针对高斯线型和洛伦兹线型发射谱线,从理论上推导了最优单臂偏置量的选择依据,并以高斯线型目标谱线为例进行了仿真验证.同时,提出了一种基于部分干涉条纹反演多普勒速度的数据处理方法,简化了多谱线目标源的数据处理过程.结合自适应频率跟踪算法对单谱线目标源和多谱线目标源进行了仿真比较,仿真结果表明,在不考虑噪声的情况下,该方法针对多谱线目标源的多普勒测速最大绝对误差在0.004 m/s以内,与针对单谱线目标源的处理精度相当,可以满足实际应用的精度要求.     

基于光谱特征的恒星自动识别方法

我国正在实施的大型巡天项目(LAMOST项目),急需恒星光谱自动识别与分类系统并给出了一种基于光谱特征的恒星自动识别方法。该方法由以下主要步骤组成： (1)利用谱线小波特征进行恒星谱线整体估计和恒星Balmer线的检测;(2)利用吸收带小波特征进行吸收带位置和M型星特征频率检测;(3)根据以上检测结果进行发射线星、M型星和早型恒星识别。通过对(sloan digital sky survey, SDSS)(data release four, DR4)中的大量真实光谱数据实验表明,方法具有对噪声鲁棒等特点,发射线星识别率达到97.5%,M型星识别率达到98.1%,早型恒星识别率达到96.8%,类星体和星系的误识别率低于2%。该方法可对相对定标的巡天光谱进行自动识别,符合LAMOST数据的要求。     

激光诱导击穿光谱元素谱线自动识别方法研究

根据激光诱导击穿光谱谱线展宽机制,对NIST标准谱线数据库中的发射谱线进行了模拟,并与实验光谱进行对比,在对比分析中引入相似性测度,得到模拟光谱和实验光谱的相似程度。对元素谱线的自动归属识别方法进行分析和研究,通过相似性计算对土壤样品340～345nm波段光谱进行了识别分析,利用最小二乘原理计算各谱线之间的比例系数,实现了光谱识别,实验结果验证了基于相似性测度的光谱识别方法的可行性及其自动识别的优越性。     

Cl_2~+离子P支高激发振转态的跃迁谱线

基于描述双核分子体系包含转动光谱常数Lv所在高阶项在内的跃迁能谱的经典表达式,采用差分收敛法(DCM)的物理思想,推导获得了求解双核分子体系P支跃迁谱线的另一解析表达形式。对于某一双核分子体系的P支跃迁带,新的谱线表达式仅需要11条精确的实验跃迁谱线就可以正确预言高激发振转态的谱线结构,同时,利用谱线展开系数C还可以进一步给出计算谱线的不确定度以更可靠地预言高激发振转态的跃迁谱线。推导获得了相应的计算公式以正确获得对应跃迁带的转动光谱常数(B_(v′),B_(v″),D_(v′),D_(v″),H_(v′),H_(v″),L_(v′),L_(v″))。应用新的谱线表达式,对~(35) Cl_2~+和~(35) Cl ~(37) Cl~+离子电子态A~2Π_u-X~2Π_g(Ω=1/2)跃迁体系(3,7)跃迁带的P支跃迁谱线进行了详细研究,获得的计算结果不但能完全重复已知的实验数据,还获得了实验上未能获得的包含高激发振转态在内的跃迁谱线。另外,通过计算同时也得到了各跃迁带的高阶转动光谱常数。该研究方法和计算结果为人们进一步正确认识Cl_2~+离子电子态的内部能级结构及物理化学的相关性质提供了更完整的参考数据。     

星系光谱的400.0 nm跳变点的自动测量技术

本文给出星系光谱中的400.0nm跳变点位置和跳变值的自动测量方法,利用小波变换和离散卷积等技术,避免了对每条光谱进行繁琐的测量,可以作为星系光谱研究的预处理步骤。     

基于辐射法和原子发射光谱法的转炉口火焰温度测量

转炉炼钢的终点控制包括钢水出钢时温度及其成分的控制,炉口火焰能够反映炉内脱碳速率及转炉运行参数等。工业炉燃烧火焰可见光谱段,普遍存在着钾(K)和钠(Na)等碱金属元素的原子发射谱线,利用K的特征谱线相对比值可以计算火焰温度。基于辐射双色法,三色法和谱线相对强度法对转炉口火焰温度进行了测量;数据处理过程中对特征谱线进行了基线拟合提取,小波脊线拟合提取;特征谱线进行了Gauss函数和Lorenz函数拟合。结果表明,辐射测温法对谱线比较敏感,选择合理的波段能够有效,精确地测量火焰温度;采用谱线相对强度法受制于特征谱线的数学模型、谱线的跃迁机率、能级的简并度及火焰的光学厚度,需要分辨率非常高的光谱仪才能进行高温转炉火焰中电子温度的测量。     

样品厚度对薄膜法X射线荧光光谱测量的影响研究

分别以富集有Cr,Pb和Cd三种元素的尼龙薄膜样品及玻璃纤维滤膜为研究对象,采用滤膜叠加的方式,通过XRF光谱仪测量不同样品厚度下薄膜样品的XRF光谱,根据测得的尼龙薄膜样品中Cr,Pb,Cd元素及玻璃纤维滤膜中Ca,As和Sr元素特征XRF性质的变化,研究样品厚度对薄膜法XRF光谱测量的影响。结果表明：薄膜样品厚度对不同能量区间上元素特征谱线荧光性质的影响并不相同。元素特征谱线能量越大,元素特征X射线荧光穿透滤膜到达探测器的过程中损失越少;但由薄膜样品厚度增加引起的基体效应却越强,相应特征谱线位置处的背景荧光强度就越大,因此样品厚度增加所引起的基体效应对薄膜法XRF光谱测量的灵敏度影响就越大。对于特征谱线能量较低(能量小于7 keV)的元素,以增加薄膜样品厚度的方式来增加待测组分的质量厚度浓度,并不能有效地提高薄膜法XRF光谱测量的灵敏度;对于特征谱线能量较高的元素(能量＞7 keV),可以通过适当增加样品厚度以增加被测组分的质量厚度浓度的方式来提高XRF光谱测量的灵敏度,薄膜样品厚度在0.96～2.24 mm内,更有利于XRF光谱的测量与分析。该研究为大气及水体重金属薄膜法XRF光谱分析中薄样制备及富集技术提供了重要的理论依据。     

Equivalence of the method of the kinetic equation and the fluctuating-frequency method in the theory of the broadening of spectral lines

A new expression for the Stark profiles of spectral lines in plasma has been obtained by the method of the kinetic equation taking into account the dynamics of the plasma microfield. The result represents a dynamic line profile in the form of simple functionals of a static profile. The relation of the new solution with the known fluctuating-frequency method has been analyzed. It has been shown that this method is a discrete analog of the method of the kinetic equation and passes to the latter method in the limit of the continuous fluctuations. Simple formulas (4), (5), and (21) for dynamic line profiles provide ultrafast calculations of the profiles of spectral lines taking into account the dynamics of the plasma microfield.     

Correction of the self-absorption for reversed spectral lines: application to two resonance lines of neutral aluminium

A new method for the correction of reversed spectral lines, in consequence of self-absorption, is proposed in this article. This method was applied to two resonance lines of neutral aluminium (Al I) obtained by a laser pulse on an aluminium solid placed in air. Several spectra of these lines were corrected for various delays after the laser pulse. The evolution of several parameters of these lines was computed as a function of this delay after the correction of self-absorption.     

Sensitive detection of flame absorption spectra of rare-earth elements with a dye laser

The dye-laser amplified absorption method is applied to observe the atomic absorption lines of rare-earth elements in a nitrous-oxide-acetylene flame. All of the rare-earth elements except Pm are analyzed and about 1200 lines have been recorded within the continuous spectral region from 432 to 670 nm. A much larger number of absorption lines can be detected than those measured by the traditional method. The absorption bands of monoxide molecules have also been detected.     

Research on stimulated Brillouin scattering suppression based on multi-frequency phase modulation

The method of generating equal-amplitude spectral lines by multi-frequency phase modulation is used in stimulated Brillouin scattering （SBS） suppression. The spectra of three, five, seven, and eleven equalamplitude spectral lines are obtained in experiment with flatnesses less than 0.3 dB. Theoretical research on SBS suppression shows that the threshold power after modulation is in reverse proportion to the maximum square of amplitude moduli of fundamental frequency and the nth harmonic wave. The threshold powers of three, five, seven, and eleven equal-amplitude spectral lines are improved by 5.21, 8.36, 9.39, and 10.76 dB, respectively.     

恒星低质量光谱的连续谱拟合方法

恒星的连续谱是由于黑体辐射导致的光辐射强度随波长(频率)连续光滑变化的光谱。每条观测到的光谱数据中都会包含连续谱、谱线和噪声。恒星的分类主要是依据光谱的谱线、连续谱的相对强度以及光谱的其他特征。恒星连续谱的分布以及谱线的轮廓是由恒星大气内的物理因素决定的,也可以根据连续谱及谱线对恒星大气的物理参数进行估计。因而处理光谱的主要问题就是提取连续谱,并且通过归一化进行谱线的提取。恒星连续谱提取的算法主要有多项式逼近、中值滤波、形态滤波以及小波滤波等,但是这些方法对于低质量光谱处理的鲁棒性不是很好,因此有必要研究一种新的算法对低质量光谱的连续谱进行提取。在仔细分析恒星低质量连续谱的基础上,提出一种基于蒙特卡罗方法的低质量恒星连续谱拟合方法。该方法对恒星光谱筛选过程中不在范围内的点利用蒙特卡罗均匀分布进行自动插值,让每一个波长都对应一个流量点,然后对这些流量点进行低阶多项式迭代拟合,从而得到连续谱。为了验证算法对不同信噪比的低质量光谱连续谱提取的鲁棒性,利用不同的信噪比在原始光谱中加入不同的高斯白噪声对低质量光谱进行模拟。结果表明蒙特卡罗算法对不同信噪比的低质量光谱的拟合具有较高的精度与较强的鲁棒性。     

基于谱线特征匹配的恒星光谱自动识别方法

我国正在实施的大型巡天项目(LAMOST项目),急需恒星光谱的自动识别系统。文章给出了一种基于谱线特征匹配的恒星光谱自动识别方法。该方法由以下主要步骤组成：(1) 利用小波变换的方法对观测光谱进行谱线特征提取;(2) 将提取出的特征和恒星谱线的特征模板进行相关匹配;(3) 根据相关匹配结果进行恒星光谱识别。通过对Sloan Digital Sky Survey (SDSS),Data Release Four (DR4)中的大量真实光谱数据实验表明,该方法具有对噪声鲁棒等特点,正确识别率高达96.7%。该方法可对相对定标的巡天光谱进行自动识别,符合LAMOST数据的要求,可为天文学家进行恒星和银河系的结构等研究提供帮助。     

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。