激光光谱技术在环境监测中的应用专题系（Ⅰ）：光谱技术在大气环境监测中的应用

碳的氧化物、硫的氧化物、氮的氧化物和卤化物等是由人类的生物活动和社会活动产生的重要的环境污染物质,它造成了温室效应、酸雨、对流层的光化学雾和平流层的臭氧耗减等环境问题,它威胁着人类的生存环境和地球上的生态平衡,光谱技术可广泛应用于环境污染监测。文章简便介绍全球面临的主要环境问题,重点介绍光谱技术（包括常规光谱技术、激光光谱技术以及激光雷达等）在大气环境监测中的应用和进展,利用这些技术,可以获得污染物的组分、浓度、温度或空间分布等方面的信息。     

光谱技术在大气污染物浓度测量中的应用

正随着科技的进步,大气污染问题日益突出。人类活动使得大气中氮氧化物、硫氧化物和挥发性有机物等有害气体的浓度大幅增加。这些有害气体对我国大范围雾霾污染的形成起到了不可忽视的作用。为了积极防控大气污染,需要环境监测系统的支撑,通过对大气环境中有害物质浓度的监测,来制定有效的应对策略。近来,方兴未艾的光谱技术为浓度的测量提供了独有的非接触性探测方法,其中尤以吸收光谱、激光诱导荧光、激光感生击穿光谱和差分光学吸收光谱等     

激光光谱技术在环境监测中的应用专题系列（Ⅱ）差分吸收光谱技术在大气污染监测中的应用

大气中的一些污染分子不仅威胁人类的生存环境,而且破坏地球上的生态平衡,差分吸收光学光谱技术和差分吸收激光雷达可用于监测它们,前者可以进行定点和局部测量,后者可进行距离和大范围的遥感测量,文章简要地介绍了差分吸收光谱技术和差分吸收激光雷达的原理和教学基础,重点介绍它们在大气环境污染监测中的应用。     

光谱分析在植被重金属污染监测中的应用

矿产资源的开发导致环境污染日益严重,尤其足矿山废弃物中大量的重金属元素,严重污染土壤,影响了作物生长和人类健康,矿山环境污染的监测和治理成为亟待解决的一个问题.基于地物波谱特征的遥感技术,能克服传统监测方法的不足,成为环境污染监测的有力手段.并以德兴铜矿为研究区,以盐肤木为研究植被,样品采集与波谱采集同步进行,化学分析和光谱分析相互结合,建立了由光谱参数到重金属含量的回归方程和反演模型,提出了利用光谱分析技术监测重金属含量的方法,证明了高光谱遥感的光谱分析法应用在环境污染监测上的可行性.     

近红外光谱技术在微生物检测中的应用进展

近红外光谱作为一种无损检测技术被广泛应用于农业、制药、食品等领域的多组分品质快速监测。微生物的快速准确检测,在临床诊断、制药和食品加工等领域一直是一个难题。微生物菌体细胞壁、细胞膜及细胞内生物大分子和水的近红外光谱具有高度特异性,因此可以使用近红外光谱快速识别和分类不同的微生物。通过对相关文献的归纳整理与分析提炼,对近红外光谱技术在微生物检测中的研究进展做综述。对微生物的基本知识和近红外光谱技术鉴定微生物的基本原理进行了介绍,并重点综述了近红外光谱技术在微生物分类、食源性微生物检测和成像微生物检测等方面的国内外研究进展,最后对近红外光谱技术目前存在的问题和未来的应用前景进行了展望,以期为今后在微生物检测领域更好地利用近红外光谱提供参考。     

光导纤维拉曼光谱技术及其在化学中的应用

本文综述了光导纤维拉曼光谱法的研究近况,主要介绍其实验技术及其应用于化学中常规拉曼光谱、表面增强拉曼光谱和近红外富里叶变换拉曼光谱等领域的工作,讨论了该领域存在问题和应用前景.     

高光谱遥感技术在国家环保领域中的应用

高光谱遥感技术在环境保护领域中应用广泛,本文概述了高光谱遥感技术在我国大气环境中污染气体、温室气体监测,水环境中重点水污染源水华、水质、饮用水源地安全监测,生态环境的生物多样性、植被类型监测、土壤污染等方面的应用情况,并指出目前存在国内高光谱卫星缺乏、数据处理和信息提取能力不足等问题,以及目前迫切需要发展搭载大气痕量气体差分吸收光谱仪、温室气体监测仪、高光谱成像仪等高光谱传感器的环境卫星后续星、加强高光谱数据处理和信息提取攻关研究、加快高光谱环境地面应用系统的建设等建议。     

傅里叶变换红外光谱分析技术在预防医学领域的应用

本文从环境污染、生命科学、应用开发及最新红外分析方法四方面阐述了傅里叶变换红外光谱分析技术在预防医学领域的具体应用：在环境污染领域主要叙述了气红联用（GC/FTIR）技术在环境复杂有机污染体系分析中的优势、局限性及解决途径；在生命科学领域主要叙述了红外光谱分析技术在蛋白质二级结构、膜蛋白、脂、核酸及细胞、组织等复杂体系研究中的具体应用；另外，还介绍了的红外光谱分析技术在食品、化妆品及保健药品等领域的具体应用及几种最新红外分析方法。     

红外光谱技术在饮料酒鉴别中的应用进展

红外光谱作为鉴别技术被广泛地用于各种饮料的品质检测和定性鉴别中。文章对比了各种用于饮料酒鉴别的技术的优缺点,介绍了红外光谱技术鉴别饮料酒的技术流程,以及红外光谱技术在葡萄酒、啤酒、威士忌、白兰地、日本清酒、中国黄酒等饮料酒的产地、酒龄以及分级等方面的国内外研究现状,分析了红外光谱技术应用于饮料酒鉴别的种种优势和需要解决的问题,并展望了其在我国饮料酒鉴别中的应用前景。     

无人机光谱成像技术在大田中的应用研究进展

传统大田农作物生长环境监测的方法,需要在环境恶劣的田间布设各种传感器,铺设复杂电路,通常会出现耗时费力、维护成本高、且或多或少的损坏到植株的问题。无人机光谱成像技术是一种融合了无人驾驶飞行器技术、空间遥感和图像实时传输等多种手段的快捷新型农田环境监测技术,能够快速获取农田作物的即时光谱图像,通过分析图像获取大田作物的生长信息,这一技术的应用弥补了上述问题。首先对无人机光谱成像技术进行了概述,介绍了无人机应用的优势。和传统卫星遥感监测平台相比,无人机可以工作在较低的高度,即80～400 m,能够抵消极端天气和云层影响,实现快速、准确地获取高精度图像。目前,国内外小型无人机的应用主要集中在灾害监测、自然资源监测、城市规划和植被监测等领域。由于其低成本、近实时图像采集等特点,在精准农业的发展过程中,无人机光谱图像的应用也愈加广泛。分析了常见光谱图像的特点和应用场景。全色图像由于分辨率高,多用于数据融合;多光谱及高光谱影像由于丰富的光谱信息,与农作物的光谱特征结合,可用于农作物的生物理化指标的检测、农业灾害预警、产量预测和精细分类制图等;热红外图像可以获得农作物温度信息,可用于监测田间旱灾。总结了无人机光谱图像技术在大田中的主要应用途径。目前利用无人机光谱图像技术对农作物进行监测的方法主要有:利用光谱反射率构造植被指数或红边参数,研究植被的反射特点,构建农作物时间层面上与光谱特征对应的生长模型,利用新兴数学方法与农作物生化参数结合建立模型进行反演。探讨了无人机光谱图像技术在大田的应用中尚且存在着的一些技术空白及难点,以期为无人机光谱成像技术在大田中的衍生应用发展提供参考。     

Laser spectroscopy applied to energy,environmental and medical research

Through the development of powerful laser spectroscopy techniques new means for advanced diagnostics and sample analysis have emerged. Applications of laser spectroscopy in the fields of energy, environmental and medical research are discussed. Emphasis is placed on non-intrusive diagnostic techniques for studying combustion processes, for remote monitoring of atmospheric pollutants and for industrial and medical applications of laser-induced fluorescence. Selected examples from work performed at the Lund Institute of Technology are used as illustrations, and references to books, reviews and selected papers are given.     

光谱测量在激光加工在线监测上的应用研究进展

随着现代工业的发展,复杂加工环境和对象、大动态范围、高效率和高精度激光加工需求愈加迫切,在线监测并实时优化激光加工参数是一条重要的解决途径。与此同时,激光与物质相互作用时可产生与加工参数、加工过程和目标特性密切相关的光信号和表面光学特性变化,在线测量光信号光谱可分析加工过程和状态,故光谱测量有望成为一种重要的激光加工在线监测手段。实际上,光谱测量已应用于激光焊接、激光切割和钻孔、激光清洗打磨、微纳结构制备和增材制造等几乎所有激光加工工艺,具有分辨率高和光谱信息丰富等特点。分析和总结了用于激光加工在线监测的光谱测量技术,包括等离子体光谱、反射光光谱和非线性光信号光谱等。基于单脉冲和多脉冲激光加工激发等离子体信号的光谱测量,除实现化学成分定性和定量监测外,还可以根据特征谱线相对强度变化实时调焦,根据等离子体温度监测和调控激光加工过程中与热效应相关的物理过程;作为一种无损伤且工作距离较远的监测方法,反射光光谱监测可通过测量特定波段反射光信号光谱积分功率、特征谱线和波段位置和强度来有效监测材料表面清洁度、损伤、色度和成分变化等;而在特定条件下产生的谐波信号、荧光信号和拉曼信号等非线性光信号,尽管应用场景有限,但提供了一种实现成分、焦距和材料损伤等监测的新方法。进而,展望了光谱测量在激光加工在线监测上应用的未来发展趋势,包括多种光信号的光谱协同监测与光、声、温度及图像等多种信号测量的复合监测。同时,人工智能技术与在线监测和激光加工的深入结合将进一步推动激光加工技术的智能化发展。     

Use of IR Absorption Laser Spectroscopy at Nuclear Fuel Cycle Plants: Problems and Prospects (Review)

The main stages of the nuclear fuel cycle from extraction of uranium ores to disposal of radioactive waste resulting from the processing of spent nuclear fuel were briefly analyzed. A list of the most probable radioactive substances and toxic chemicals that can be part of emergency emissions at each stage of the nuclear fuel cycle was composed. The basic physical principles of local and remote IR absorption laser technologies for detecting radioactive substances and toxic chemicals in the atmosphere for solving some unique problems of environmental monitoring were considered. The analytical potential of the currently most effective laser technologies for atmospheric monitoring at nuclear fuel cycle plants based on the achievements of diode laser spectroscopy, cavity ringdown laser spectroscopy, and optoacoustic laser spectroscopy using diode and quantum-cascade lasers was discussed. Current trends in the development of laser technologies for atmospheric monitoring in different IR spectral ranges were analyzed.     

可调谐半导体激光吸收光谱中的吸光度反演算法研究

可调谐半导体激光吸收光谱具有高分辨、高灵敏度和快速测量等特点,已经在环境检测、工业过程检测等方面得到广泛应用。在直接吸收光谱技术中,吸光度曲线以及积分吸光度的确定对于气体浓度反演、线强校正等都有重要的作用。对激光直接吸收光谱中吸光度和吸光度积分反演算法进行了研究,采用分段多项式基线拟合方法来消除激光器光强波动的影响,得到吸光度,再用非线性拟合Levenberg-Marquardt算法进行线形拟合来获取积分吸光度。通过水气吸收谱线的检测对算法进行了验证。     

A Review of Signal Enhancement and Noise Reduction Techniques for Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy

Abstract: Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS), as a noninvasive spectroscopic method, permits high-resolution, high-sensitivity, fast, in situ absorption measurements of atomic and molecular species and narrow spectral features in gaseous, solid, and liquid phases. Advances in new diode laser sources and laser spectroscopic techniques generally have triggered an increasing application of TDLAS in various disciplines (for example, atmospheric environmental monitoring, chemical analysis, industrial process control, medical diagnostics and combustion monitoring, etc.) over the last four decades. This article reviews some important developments in TDLAS, from its basic principles as a spectroscopic tool to the demonstration of gas absorption measurements, emphasizing signal enhancement and noise reduction techniques developed for improving current TDLAS performance.     

GC－FTIR联用技术测定水中有机污染物

采用毛细管气相色谱－博里叶变换红外光谱（ＧＣ－ＦＴＩＲ）技术对工业废水中的有机污染物进行了鉴定，井用气相色谱－质谱（ＧＣ－ＭＳ）进行了对照。在分离出的２５个组分中，ＧＣ－ＦＴＩＲ发挥了能给出官能团信息和区别同分异构体的长处，而ＧＣ－ＭＳ则发挥了灵敏度高、能提供分子量信息和区别同系物的特点。两种技术的结合为环境有机污染物的检测提供了有力的手段     

分辨率对大气中痕量污染气体的DOAS测量性能影响研究

在差分吸收光谱(DOAS)测量过程中,光谱分辨率的选择直接决定了污染气体浓度的测量准确度.主要研究了光谱分辨率对污染气体被榆测到的特征吸收结构形状的影响,以及差分吸收截面随分辨率的变化趋势,从而确定了光谱分辨率对污染气体最低可检测浓度的影响,通过研究分辨率与光强的关系,确定了分辨率与信噪比(S/N)的函数关系式,得出了DOAS测量NO2,O3,和SO2的最佳信噪比范围,对多种污染物标准气体进行了同时监测,计算出标准气体在不同光谱分辨率下的测量误差,确定了对NO2,O3和SO2监测的最适用的分辨率范围.在此分辨率范围既能够实现对痕量气体的准确定性定量测量,又能达到测量所需要的高灵敏度,强选择性和适用的时间分辨率.通过在北京丰台区的实际监测得到了与点式仪器测量结果很好的一致性.     

Generation of shaped ultraviolet pulses at the third harmonic of titanium-sapphire femtosecond laser radiation

We experimentally demonstrate a method to generate shaped femtosecond laser pulses in the ultraviolet at a central wavelength of 267 nm, the third harmonic of conventional titanium-sapphire femtosecond laser systems. Employing a 128-pixel liquid-crystal spatial light modulator, we impose variable spectral phase modulations upon the near-infrared laser pulses. By this, complex laser pulses can be shaped whose overall spectrum is still conserved. Our experiments show that it is possible to easily transfer these pulses into the ultraviolet at 267 nm via sum-frequency mixing in nonlinear crystals and to predictably generate multistructured ultraviolet femtosecond laser pulses. We analyze the temporal and spectral composition of these pulses after frequency conversion into the ultraviolet using difference-frequency cross-correlation and XFROG (cross-correlation frequency-resolved optical gating) techniques with an unmodulated fundamental laser pulse. The method can be employed to facilitate adaptive quantum control experiments in the ultraviolet wavelength regime, where the major absorption bands of many organic molecular systems are located. PACS 42.65.Re; 42.72.Bj; 32.80.Qk     

Tunable infra-red lasers and their applications to air pollution measurements

This paper describes a number of tunable infra-red lasers and techniques employing them for the detection and monitoring of gaseous air pollutants. Recent progress in the development of lasers that can be matched to characteristic infra-red absorption or emission lines of certain pollutants suggest wide potential application for sensitive specific monitoring. Examples to be described include highly-specific point-sampling,in situ source monitoring, ambient air monitoring, resonance fluorescence, and remote heterodyne detection.This work was supported by the Environmental Protection Agency.     

调谐激光吸收光谱波长偏移修正算法研究

可调谐半导体激光器具有线宽窄、波长扫描快、室温工作等特点,基于可调谐半导体激光器构成的激光吸收光谱气体测量系统在大气环境检测、工业生产过程在线检测中得到了广泛的应用。在实际测量系统中,由于可调谐半导体激光器中心波长受温度等因素的影响发生偏移,如不进行中心波长校正,将造成序列光谱数据重叠,处理后的光谱线型发生展宽,进而影响后续的光谱线型拟合,对气体浓度的反演精度产生影响。一般采用参考光谱吸收谱线寻峰方法进行序列光谱数据偏移的对齐,但光谱数据中的随机噪声、背景噪声、漂移噪声等因素影响峰线波长的精度。为了降低上述因素的影响,提出一种改进的时域相关光谱修正算法,首先对光谱信号进行自相关,在一定程度上提高光谱信号的信噪比,然后再进行时域互相关处理,能够准确的计算出激光器波长偏移量,减少由此造成的光谱线型展宽的影响,提高了浓度反演精度和测量稳定性。在激光吸收光谱气体浓度检测实验系统中进行了实验验证,评估结果中,原始数据标准差为1.482 8,谱线寻峰方法与时域相关方法修正后数据标准差分别为0.433 9和0.293 6,改进的时域相关修正方法修正后数据标准差为0.132 5,改进的时域相关修正方法相关系数均优于0.992,欧式距离的标准差为1.726 4。系统稳定性评估中改进方法波长漂移修正后标准偏差为0.144 3。