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。     

基于触发采样方法和相位校正的红外光谱测量的应用研究

傅里叶变换红外光谱仪可实现对高温烟气的多组分同时测量,在该方面具有广泛的应用前景。而决定其能否成功应用的重要因素之一,在于测量系统中对红外干涉图采样的相位误差控制。论述了系统相位误差产生的主要原因,通过分析氦氖激光干涉信号过零均匀性,说明了产生相位误差的主要原因是激光信号与参考信号的相位差。与此同时,定量分析了相位误差对仪器信噪比的影响,通过Mertz相位校正方法得到了仪器信噪比较之原来提高了数千倍。并进行了相关实验。实验结果表明,基于此干涉图采样方法的系统满足高温烟气测量的需要。     

地基高分辨率傅里叶变换红外光谱反演环境大气中的CH4浓度变化

CH₄在大气中的浓度较低(～1.8 ppmv)且混合较为均匀, 不同区域浓度差较小, 其在大气中微量变化的精确观测对反演技术提出了很高要求. 基于高分辨率(0.02 cm^-1)傅里叶变换直射太阳光谱, 研究一种高精度、大尺度的CH₄浓度反演方法, 高灵敏地观测CH₄在大气强背景下的浓度变化. 先利用先验参数实现测量光谱的准确建模, 再采用非线性最小二乘光谱拟合和非线性逐次迭代相结合的方法反演CH₄的垂直柱浓度(vertical column density, VCD), 并以7885 cm^-1 O₂ 吸收窗口为参考, 反演CH₄的柱平均干空气混合比浓度(column-averaged dry air mixing ratios) XCH₄. CH₄ VCD和XCH₄拟合误差均小于1%, 且绝大多数XCH₄反演值均位于Total Carbon Column Observing Network (TCCON)规定的<0.5%区间内. 基于典型的日观测值, 研究了CH₄浓度的日变化规律, CH₄ VCD随时间变化而减少, XCH₄的日变化量小于0.02 ppmv.     

气雾化辅助激光诱导击穿光谱检测水中的痕量金属元素

为了改善其检测极限和定量分析的线性拟合系数, 同时满足实时在线监测的需求, 采用气雾化辅助激光诱导击穿光谱技术, 对水溶液中钙(Ca), 铬(Cr), 钾(K), 镁(Mg), 钠(Na), 铅(Pb)六种元素进行了定性和定量检测. 通过对离焦量、横向距离、激光能量以及延时4个主要参数的优化, 获得上述六种元素的检测极限分别为1.2, 3.2, 19.1, 3.4, 2.8和15.9 ppm, 其线性拟合系数均达到0.99以上. 实验结果表明, 气雾化辅助激光诱导击穿光谱技术是一种快速在线检测液体中痕量金属元素的有效方法.     

不同温度压力对浓度反演精度的定量分析

自研傅里叶变换红外光谱仪在龙凤山大气本底站测量CO₂,CH₄等温室气体.自研仪器的测量结果与符合世界气象组织标准的本底站仪器的测量结果进行对比,结果表明:自研仪器与本底站仪器测量的CO₂浓度值相关系数为0.9576,均方根误差为18.6015.自研仪器使用标准温度、压力下的校准光谱反演浓度,但测量气体的温度随着气温变化,导致自研仪器反演浓度有误差.基于以上分析,提取高分辨率透射分子吸收数据库参数计算吸收截面并结合仪器线形计算不同温度、压力下的校准光谱,根据不同温度、压力下的校准光谱来校准反演浓度.校准后,自研与本底站仪器测量的CO₂浓度值相关系数为0.9637,均方根误差为6.7800.自研与本底站仪器测量的CO₂浓度值相关系数提高,绝对误差减小,说明校准算法提高了测量结果的精确度.     

傅里叶红外光谱气体检测限的定性分析

傅里叶红外光谱仪检测和定量气态化合物的最小量取决于所测气体光谱的信噪比.为了使用傅里叶变换红外吸收光谱测量CO₂,CO,CH₄和N₂O等温室气体,对混合气体的信噪比和仪器检测限进行了研究.提出通过HITRAN模拟光谱计算仪器的气体检测限并分析波段等因素的影响.此外,搭建实验平台来验证基于HITRAN模拟光谱计算的检测限近似作为仪器实际测量检测限的精确程度,并分析了两者具有误差的原因和现有实验平台的不足及优化方案.     

基于频分复用波长调制光谱的NO_2及NH_3浓度测量

基于中红外量子级联激光器(QCL)以及频分复用波长调制光谱技术,实现了NO_2及NH_3的高精度同时测量。对中心频率在1600.0cm~(-1)及1103.4cm~(-1)附近的两支QCL施加不同频率的正弦调制,利用数字锁相技术得到了测量信号在不同解调频率上的二次谐波信号。搭建了一套基于该技术的开放式空气中NO_2及NH_3的测量系统,多次反射池的光程为60m。利用25cm长的参考池进行浓度标定,发现系统在较大的浓度范围内具有优良的线性响应。两种气体的检测限均小于10~(-9)量级。使用系统进行了24h的气体监测,测量结果与参考仪器的结果吻合较好。     

基于加权平均法的活体藻类三维荧光标准光谱构建

针对活体荧光光谱不稳定引起的蓝藻门活体藻类定量误差问题,以实验室培养的4种类6个生长期的48个蓝藻样品为研究对象,通过测量样品叶绿素a和藻蓝蛋白的含量,结合藻类活体三维荧光光谱,研究了不同藻种种类、生长期和生长环境下蓝藻细胞色素组成和色素荧光效率的差异;定量分析不同条件对藻类活体荧光光谱不稳定性的影响,获得了不同条件下的光谱不稳定性权重谱;在此基础上,构建基于加权平均方法的蓝藻门活体藻类加权荧光光谱;比较了加权荧光光谱与不同条件下归一化荧光光谱对样品集的测量结果。结果表明:加权荧光光谱能有效降低荧光测量法对藻种种类、生长期、生长环境的依赖性,提高蓝藻门叶绿素浓度的测量准确性;测量结果的相对误差为0.1%~30.4%,平均相对误差为12.8%,相对误差最大可降低104.1%。     

水下宽带源方位估计的克拉美-罗界研究

推导了水下宽带源方位估计的克拉美-罗界(CRB)解析式。它揭示了宽带CRB的特点和影响方位估计性能的因素:(1)单源的宽带CRB可分为两部分:与阵列相关的部分包括阵列结构、目标方位及基阵参考点等因素;与信号相关的部分包括信号频率二阶矩及信噪比等。(2)相互独立的两个目标源,每个源的CRB与单源时相应目标源得到的结果相等。(3)两个相关源之间的夹角大于一个波束宽度时,每个源的CRB与单源结果也很接近。(4)由于信源数估计错误,单源误以为是双源,将使CRB值趋于无穷大。仿真结果验证了理论分析的正确性。因此,宽带CRB除给出宽带方位估计算法的最佳估计性能外,还能从方位估计的角度,为宽带阵列及信号波形设计等提供有益的指导。     

运动平台混响的时空耦合统计模型

混响时空耦合特性是空时处理混响抑制方法中的关键问题之一。传统方法不是建立在统计模型基础上的,对实际海洋混响扩展、海洋混响环境影响及基阵非理想性导致的混响时空耦合分析缺乏有效性。论文在混响概率模型基础上,推导了运动平台的混响时空耦合关系,进一步给出了复杂水声混响环境及具体阵列指向特性下的混响时空耦合规律的统计模型。利用该模型,推导了理想窄波束基阵混响的时空耦合关系。理论解析结果和计算机仿真清晰地展示了理想阵列流形的混响时空分布规律,验证了本文理论推导结果的正确性。最后采用数值计算方法分析非理想基阵的混响空时耦合关系及空时分布规律,结果表明利用本文的混响空时耦合模型,能获得实际基阵的混响空时分布规律,可为空时处理混响抑制算法与系统设计提供一定的理论支撑。