行星科学课程体系中“地球科学概论”教学实践与思考

进入21世纪后,我国在月球与深空探测领域取得了长足发展,已成为一个快速崛起的深空探测大国,而我国行星科学学科建设相对滞后。山东大学是国内较早开展行星科学本科教学的高校之一,已经建立起较为完善的课程体系。“地球科学概论”作为首门专业课程,已经进行了6年的课程建设和教学实践。本文介绍了该课程在整个行星科学课程体系中的定位和意义,详细阐述了课程教学内容设置,总结和分析了目前教学中存在的一些问题并提出针对性调整建议。本文为其他高校建设行星科学学科提供借鉴和参考。

采用主成分分析结合相关系数法提高苯及其同系物含量预测结果的准确度

采用短波近红外光谱法对苯及其同系物进行了检测 ,研究了多组分近红外光谱主成分的特点和物理意义。指出前几个主成分和此多组分混合物的相关系数曲线十分相似 ,给予理论证明并指出了成立的条件。主成分结合相关系数法可以鉴别出系统高频噪声 ,扣除这部分噪音可有效地提高预测模型的预测准确度。

傅立叶变换中红外漫反射光谱法定量检测褐煤的六个关键指标

采用傅立叶变换中红外漫反射光谱法同时对褐煤中的内水分、挥发分、含硫量、高位发热量、低位发热量和折合率6个指标进行了基于最小二乘法(PLS)的定量分析。结果显示,内水分、挥发分、含硫量、高位发热量、低位发热量和折合率的相对误差分别为3.4%、2.0%、4.0%、1.4%、2.5%和2.2%,得到了满意的预测结果。采用中红外光谱分析的方式实现了一种快速分析煤炭品质的新方法,为工业在线分析煤炭品质论证了可行性。

褐煤品质的傅里叶变换近红外光谱定量分析

采用傅里叶变换漫反射近红外光谱法采集了94个褐煤样品的Kubelka Munk(KM)光谱数据,同时建立了褐煤的全水分、内水分、挥发分、含硫量、高位发热量、低位发热量和折合率7个指标的偏最小二乘(PLS)定量分析预测模型,并对预测模型进行了验证,验证结果显示:全水分、内水分、挥发分、含硫量、高位发热量、低位发热量和折合率的相对误差分别为9.1%、11%、2.8%、10%、3.4%、2.5%、3.4%,得到了满意的预测效果,基本达到了实际分析的要求;本研究采用近红外光谱分析的方式实现了一种快速分析煤炭品质的新方法,可以替代基于热分析的传统化学分析方法,为工业在线分析煤炭品质论证了可行性。

互相关分析在近红外光谱模型传递中的应用

采用互相关分析,研究近红外光谱的模型传递问题。提出了对2台近红外光谱仪所采集的光谱数 据分别进行互相关运算以后,所得到的2台光谱仪的互相关函数之间存在1个固有倍率常数的假设,并且通 过实验证实了这个假设。通过补偿这个倍率常数,从而增强了模型之间的兼容性,得到了很好的预测结果。

提高二甲苯3种同分异构体预测模型准确性的相关系数法

对多组分混合物近红外光谱的相关系数进行了细致的研究,指出了多组分近红外光谱中相关系数的特点;证明了采用相关系数较高的波段建立模型会得到更理想预测值的原理;并用对二甲苯、间二甲苯、邻二甲苯混合溶液的处理对原理进行了验证。

反射定标板污染对典型月球矿物定量分析影响的研究

悬浮月尘存在污染月表就位光谱仪反射定标板的可能。文中工作模拟并分析了近红外光谱仪反射定标板在无污染、受轻度和重度污染情况下对模拟月壤矿物混合物光谱指纹特征及定量分析模型预测精确度的影响。结果表明:以受污定标板为参比的月壤矿物混合物反射光谱在反射率和指纹特征上均异于无污染样品,且污染越重差异越大;用无污染光谱数据建立的偏最小二乘(PLS)定量分析模型,预测受污样品时其预测精确度显著降低;采用受污后光谱数据重建PLS模型会在一定程度上能提高受污样品的预测准确度。该研究和获得的结论,在星表光学载荷的设计、数据校正以及定量分析模型预测能力评估等方面具有一定的指导意义。

近红外光谱法快速鉴定干海参产地

该文采用近红外漫反射光谱法,对来自4个不同产地的96个干刺参样品,进行了产地鉴别分析。研究表明:在5000～4000cm-1波段,干海参样品具有丰富的光谱结构,且反映出了由于海参生长环境不同带来的差异性;对该波段的一次微分光谱数据进行主成分聚类(PCCA)计算,可成功实现对其产地的鉴定分析。该研究为动物性海洋食品的产地快速鉴别分析提供了新方法。

基于“嫦娥一号”干涉成像光谱仪数据的月球岩石类型填图:以月球雨海—冷海地区(LQ-4)为例

月球表面的岩石类型分布是理解月球岩浆演化的线索。随着出现越来越多的月球探测数据,利用我国的月球探测数据开展数据挖掘,以获得更深刻的科学认识,这是促进相关研究领域发展的当务之急。文中在进一步校正干涉成像光谱仪数据的基础上,获得了更为可靠的月表FeO和TiO2、镁指数填图等。在调研已有的月球岩石分类标准的基础上,根据我们的月表成分填图结果并结合Lunar Prospector Th元素数据,将月球岩石分为亚铁斜长岩、富镁结晶岩套、克里普岩和5种不同钛含量月海玄武岩等8类岩石。笔者以月球正面雨海—冷海(LQ-4)地区为例,做出该区域的岩石分类图,并讨论了该地区的岩石成因。该地区覆盖"嫦娥三号"着陆区,包含月球雨海撞击事件所形成的玄武岩岩浆泛滥区,对于理解月球的岩浆演化具有重要的研究价值。笔者利用岩石类型分布图,结合岩石同位素年龄数据,与对该地区岩石类型分布及其所代表的月球岩浆演化历史进行了讨论。此外,笔者也对"嫦娥三号"着陆区的FeO、TiO2和镁指数、岩石类型等进行了初步判别,有待于与玉兔号搭载的探测仪器测量结果相互验证。

嫦娥一号干涉成像光谱仪数据再校正与全月铁钛元素反演

月球表面的元素和物质成分分布是理解月球成岩与地质演化历史的重要线索。嫦娥一号干涉成像光谱仪（IIM）是我国首台月球探测成像光谱仪器,其获得的大量月球高光谱数据已成为我国未来探测月球成分与地质演化研究的宝贵基础数据。本文利用探月工程地面应用系统发布的IIM B版本2C级数据,开发出一套数据再定标流程,获得了较为可靠的月表相对反射率数据。我们在新校正数据的基础上开展月球表面FeO、TiO_2的反演建模,获得了全月FeO和TiO_2分布图,这些图件是进行月球地质填图的基础。校正数据反演的FeO和TiO_2分布与前人对Clementine UVVIS数据的反演结果相近,表明干涉成像光谱仪数据具有较大的应用潜力。高地的低铁岩石成分（一般小于8%）佐证了月球月壳形成的过程中的岩浆洋分异假说,而月海玄武岩的TiO_2成分变化范围较大（0~13%）则表明月海玄武岩来源于不同的月幔源区。根据嫦娥一号干涉成像光谱仪全月FeO分布图,可将月球表面物质类型总体划分为高地斜长岩和月海玄武岩,而根据TiO_2分布可以进一步将月海玄武岩划分为5种不同钛含量的玄武岩岩石类型。FeO和TiO_2在全月范围内的分布表明Apollo和Luna返回的月球样品不能够代表全月范围内的矿物成分多样性,月球岩浆演化历史比前人认为的要复杂。未来月球样品返回任务（如嫦娥五号）如能赴这些特殊地区进行取样,将很有可能返回重要的月球科学研究发现和成果。

建设特色鲜明的实验教学示范中心

介绍空间科学与物理实验教学中心打造特色鲜明的实验教学平台的思路和所采取的措施,其中包括:开设行星数据处理实验、天文观测实验、面向应用的材料物理实验,搭建了远程天文观测平台、网络教学管理系统,建立了创新物理实验教学平台,开展科普教育等。

非晶硅薄膜的激光晶化及深度剖析喇曼光谱研究

利用共焦显微喇曼光谱仪,对采用PECVD方法制备的非晶硅薄膜进行了退火晶化。晶化后薄膜的喇曼光谱表明,薄膜由非晶硅结构转变为微晶硅结构,同时根据微晶硅结构的喇曼光谱的晶化峰位的移动,可以计算出晶化后微晶硅晶粒尺寸为5nm左右。在对晶化后的薄膜进行深度剖析喇曼光谱研究中,对光谱进行分峰拟合,根据晶化峰的积分强度和非晶峰的积分强度的深度剖析曲线,可以看出晶化程度最高的部分位于薄膜中央,也就是在薄膜上层和接近衬底底部材料结构仍是非晶硅结构,而位于薄膜中间的材料结构转变为微晶硅结构。

一种新型共轭聚合物发光二极管老化的拉曼光谱研究

通过显微共焦拉曼光谱 ,对一种以新型的共轭聚合物半导体材料 3,4 (2 乙基己氧基 )苯基 1,3 丙二醇酯 (poly(2 (4 Ethylhexyl) phenyl 1,4 phenylenevinylene) (P PPV) )为发光层的聚合物发光二极管(PLEDs)器件进行了老化研究 ,无论是光致发光光谱还是拉曼光谱都提供证据说明造成器件老化的原因主要是发光层的聚合物的主链结构 ,即聚合物的共轭结构被破坏 ,这对提高以P PPV作为发光层的PLEDs器件的性能提出有用信息。

多光谱辐射测温的正交多项式回归方法

对于多光谱辐射测温问题,传统的数据处理方法多为最小二乘法、多元线性回归拟合和逐步回归拟合。这些处理方法自身都存在一定的缺陷,使得拟合结果与物体表面真温之间存在一定的误差。文章在可变发射率模型的基础上,提出了对多光谱辐射测温数据处理的另一种新方法———正交多项式回归方法。文章阐述了正交多项式回归的数学基础,并根据钨表面在不同温度下的光谱发射率数据,分别采用逐步回归方法和正交多项式回归方法,对钨表面的真温进行了模拟。通过拟合结果的对比发现用正交多项式回归方法来处理数据,其原理简单、运算量小,拟合结果与表面真温之间的相对误差也较小。得出的结论是用正交多项式回归方法对多光谱辐射测温的数据进行处理,拟合结果比传统方法误差小、速度快、精度高。

利用多元散射校正提高油菜籽脂肪酸近红外分析精度

近红外光谱技术可对完整油菜籽进行快速无损检测分析,但因受样品装填密度、颗粒大小及分布不均匀等物理因素的影响,光谱测量散射误差较大。本文利用MSC技术、相关分析和微分预处理光谱数据,结合PLS回归建模和交叉验证方法,建立了油菜籽脂肪酸近红外光谱分析模型。研究表明,MSC校正和其它光谱预处理方法相结合显著地提高了模型的分析精度,减少了模型的PLS主因子数。

“嫦娥三号”着陆区月壤下伏玄武岩单元划分和充填过程研究

月球在演化过程中,几乎没有经历过大气或流水等地质作用,在全月范围覆盖有表层土壤,极少有下伏岩石裸露。经过数十亿年的空间风化作用,月海月壤光谱特性与下伏玄武岩有很大差别。因此,通过常规遥感方法不能探知下伏玄武岩的特性。了解月球岩石的关键是透过干扰的月壤看到下伏岩石的信息。通过对"嫦娥三号"着陆区低成熟度撞击坑坑底和坑壁位置的光谱分析,进行月壤下伏玄武岩的组分识别、单元划分并根据地形数据计算其厚度。具体内容包括:(1)基于LISM多光谱遥感数据的撞击坑筛选与光谱信息提取;(2)玄武岩单元类型划分和厚度反演,建立离散撞击坑与连续的地质单元之间的关系。结果表明,研究区至少发生了6期玄武岩溢出充填活动,由新到老可以依次划分出6种玄武岩单元。其中单元1、2和3的厚度从南向北逐渐减小最后消失;单元4、5和6可能分布于整个研究区,在南部区域被前3期玄武岩单元覆盖,没有暴露在月表,在北部区域则位于下伏玄武岩的顶层。从元素含量上看,不同玄武岩单元Ti质量分数变化较大,从最低的1.26%到最高的6.65%,而Fe质量分数相对变化较小,在16.31%到17.57%。最后,玄武岩填充时间与其Fe、Ti元素含量之间有一定的联系,玄武岩年代越年轻,其中的Fe和Ti元素更加富集。

DWT-iPLS在烃源岩漫反射光谱数据处理中的应用

红外漫反射光谱技术被广泛地应用于粉末样品的定性、定量测量中。但是由于粉末样品自身的特点,颗粒度、密度、表面粗糙程度等几何参数的影响,使得漫反射光谱数据的信噪比很低、背景干扰很大。因此需要一种有效的方法对漫反射光谱数据进行预处理来提高信噪比,消除背景干扰。文章采用了离散小波变换对红外漫反射光谱进行了预处理,有效地消除了光谱中的高频噪声和低频背景的干扰,并结合iPLS(间隔偏最小二乘回归)方法进行线性回归分析,建立了用于复杂样品体系组分分析的建模方法(DWT-iPLS)。并以烃源岩的红外漫反射光谱为例,将DWT-iPLS应用于数据的预处理及建立数学模型,其结果与未用DWT预处理的方法相比较,准确度有明显的提高,证明了此方法是一种快速有效的定量分析的建模方法。

月球Reiner Gamma漩涡地区物质的光度行为及分类

月球漩涡是月球表面具有磁场异常和光度异常的独特地质特征,其成因目前仍存在争议。本文以典型的Reiner Gamma漩涡为例,利用LROC WAC观测数据,建立该地区主要地质单元(明亮斑纹、暗带和周边月海)的光度模型。研究表明,除光谱特性外,漩涡地区各地质单元的光度行为可作为物质分类的重要依据。Reiner Gamma漩涡地区的明亮斑纹与暗带和周边月海的光度特性完全不同,其异常光度行为(相函数参数)可能与漩涡的强水平方向磁场存在关联。暗带与周边月海的亮度和光谱特性相近,但具有明显不同的相函数参数,其光度行为介于周边月海和明亮斑纹之间,表明它们的月壤物理特性存在差异。

FTIR在中药研究中的应用及优化

文章综述了FTIR技术在中药鉴定、太空育种中药、中药剂型、中药成分含量、复方配伍等方面应用的最新进展;并且阐述了FTIR在中药研究应用中的优化方法,包括:FTIR-OMNI采样器、热差分析法、GC/FTIR联用技术、阵列相关系数比对法、人工神经网络、小波变换等。FTIR技术及其优化方法具有无损、快速、可重复性强等优点,极大地推进了中药现代化的进程。

提高深度剖析拉曼光谱的纵向分辨能力

使用适当近似从理论上给出了共焦显微拉曼光谱仪的纵向仪器响应函数 .针对相对薄 (几个 μm)的样品 (诸如半导体薄膜材料 )给出了一个简化的卷积模型 .利用共焦显微拉曼光谱的深度剖析方法 ,研究了激光晶化后的非晶硅薄膜 ,并利用反卷积算法 ,提高了对薄膜纵向结构的分辨能力 ,发现了激光晶化产生的纳米微晶硅仅位于薄膜中间 .