纤维素拉曼光谱的单体仿真方法研究

纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖,是世界上最丰富、最便宜、最容易获得的天然聚合物。纤维素作为最古老最丰富的天然高分子在研究中备受关注,纤维素的可控性取决于其分子量、大小和结构,而拉曼光谱具有“指纹特性”,可以对不同的纤维素纤维进行鉴别,也能对历史老化的纺织纤维材料进行鉴别。然而纤维素作为大分子多糖对其做理论仿真较为困难,该研究提出采用基本单元模拟大分子光谱这一方案,使用纤维素单体仿真拉曼光谱来分析纤维素大分子的光谱性质。使用Gaussian 16软件基于密度泛函理论,在B3LYP/6-31g(d, p)的基组条件下,计算了不同外电场(-0.01-0.03 a.u.)下的纤维素单体的拉曼光谱,以及纤维素双链节的拉曼光谱。研究表明,在无外电场作用下,纤维素单体的拉曼光谱主要在449、 597、 842、 1 127、 1 361、 1 395和3 005 cm^(-1)处有特征峰,对其做振动分析,结果表明这些拉曼峰分别是由环(C6—C4—O20)伸缩振动、 C—C—H扭曲振动、环(C4—O20—C2)伸缩振动、糖苷键(C2—O1—C8)的伸缩振动、 CH_(2)的弯曲振动、 CH_(2)的弯曲振动、 CH_(2)的伸缩振动产生。通过与实验值比较,纤维素单体仿真拉曼光谱与天然纤维素的实测拉曼光谱相吻合,故可通过对纤维素单体的第一性原理计算来反映纤维素大分子的拉曼光谱特性。当外电场由负方向变为正方向且逐渐增大时,597 cm^(-1)对应的环C—C—H扭曲振动的振幅无明显变化,以无电场为基准,施加外电场时,振动能量减小光谱红移;1 127 cm^(-1)对应的糖苷键(C2—O1—C8)的伸缩振动振幅明显减小,光谱呈蓝移;CH_(2)的弯曲振动在1 395 cm^(-1)处的特征峰光谱呈蓝移,在1 361 cm^(-1)处产生的光谱先蓝移再红移又再次蓝移,推测是弯曲振动区域更容易受到骨架振动和环境变化的影响。对比纤维素单体与双链节拉曼光谱的差异,除单体明显的特征峰外,双链节分子的在1 041和151 cm^(-1)处有明显的特征峰,其分别为仲醇C—O伸缩振动,C—O—H弯曲振动所产生,可对纤维素单体的拉曼光谱进行补充说明。这些结论为研究纤维素在外电场作用下的光谱提供理论依据,同时为其他大分子聚合物的拉曼光谱研究分析提供一种新的方法。

空间外差遥感数据光谱-干涉图双向校正算法研究

空间外差光谱技术(SHS)作为新型高光谱分析技术,被广泛应用于大气检测、卫星遥感等领域,但由于空间外差光谱仪的制作不理想或工作环境的变化都会改变仪器参数而引入误差,使干涉图数据不准确,需要进行误差校正。在卫星平台下,由于与地面环境的巨大差异,导致地面测定的校正参数对空间外差干涉图数据不再适用,特别是调制项误差(相位误差和非均匀误差)的改变,极大影响了光谱的准确性。针对空间外差遥感数据的调制项误差,从光谱与干涉图两个方面入手,进行误差分离与原因分析,认为空间外差遥感数据误差主要来源于CCD尺寸伸缩导致的光谱频率变化和CCD响应改变导致的干涉图强度变化,提出了光谱-干涉图双向校正方法。校正测试数据选取高分五号搭载检测仪(GMI)实测的12条O 2吸收光谱。取其中一条作为标定光谱,以SCIATRAN仿真的无误差光谱为基准,与标定光谱进行对比,分析两者在光谱维的频率偏差,通过特征峰频率确定两者的频率变换关系。然后根据变换关系将仿真光谱进行频率拉伸,使拉伸后的仿真光谱与实测光谱谱峰重合,计算拉伸仿真光谱与实测光谱干涉图,将两者干涉图相比得到干涉图强度的变化关系。最后将干涉图强度变化关系用于其余11条光谱的校正,得到校正后光谱。为了衡量校正效果,以校正前后光谱的标准差、均方误差和信噪比作为评价指标。结果显示标准差、均方误差都明显降低,同时信噪比显著增大,且标准差基本都在0.07以下,信噪比基本能达到20以上。其中校正效果最好的实测光谱,标准差减少了0.3767,信噪比提高了25.1016,均方误差降低了0.1587,校正效果较差的实测光谱,标准差减少了0.2296,信噪比提高了9.6328,均方误差降低了0.1049。因此所提出的光谱-干涉图双向校正方法对空间外差遥感数据的误差校正起到较好的效果,且处理过程简单,为同类数据的处理提供了一种新思路。

采用小波变换的空间外差光谱仪基线校正

空间外差光谱技术是应用于天文测量以及大气遥感等方面的一种超光谱分析技术。为消除应用过程中的基线漂移,提出了改进的小波变换进行基线校正的方法。通过对不同小波函数以及分解层数对基线校正结果影响的分析,对原始光谱信号进行小波分解得到细节系数和逼近系数,将逼近系数置零以实现光谱信号的重构,从而实现干涉图的基线校正。最后将小波校正结果与阈值拟合校正结果进行对比。结果显示:两种方法校正光谱的相关系数为0.999 9,结果一致,但小波变换的程序运算耗时缩短10余倍。说明利用小波变换进行空间外差干涉图基线校正是一种行之有效、省时、简便的方法。

空间外差信号提取中多重信号分类算法准则的影响

基于空间外差光谱特性,针对传统傅里叶变换算法在光谱复原中的局限性,引入现代谱估计的多重信号分类MUSIC算法进行空间外差信号光谱复原,采用自回归传递函数准则(CAT)对影响谱估计效果的信号空间维数值进行估计.测试结果显示CAT准则直接定维值与最佳结果存在偏差,将CAT准则直接定维值减数值3作为改进后的新准则重新应用于实测数据光谱复原.改进的CAT准则与MUSIC算法配合能够很好地适用于空间外差干涉数据,光谱复原效果优于直接傅里叶变换结果.以光谱角度匹配和均方误差作为改进CAT准则的MUSIC算法谱估计效果评价指标,与理想光谱相比,MUSIC算法对钾盐双谱峰信号处理后复原光谱相似度达到0.764,均方误差为0.040,对氖灯多谱峰信号和处理结果分别为0.806和0.046.复色光结果分别为0.988和0.089.采用改进的CAT准则进行自适应定维的MUSIC算法对空间外差光谱复原具有一定优势,提高了功率谱复原效果.

基于空间外差的三叶草拉曼特征光谱测量实验研究

空间外差光谱技术凭借超高光谱分辨率、高通量、瞬态探测、无运动部件等优势,在星际暗物质及大气微量气体成分等微弱光谱信号检测方面得到广泛应用。为了探索一种基于空间外差光谱技术实现物质拉曼光谱(RS)快速、直接检测的可行性,选择三叶草作为测量对象,使用一体化HEP-765-S空间外差光谱系统作为拉曼特征光谱探测器,配合特定波长激光器搭建系统,开展拉曼特征光谱直接测量实验。首先使用Gaussview6.0构建三叶草所含主要色素:叶绿素a、叶绿素b、α-胡萝卜素和β-胡萝卜素的分子结构,然后利用Gaussian16获取优化的仿真RS,分析四种色素最强拉曼谱峰的波段范围,确定四种成分的强信号特征波段为1 537~1 800 cm^-1。根据激发光源与拉曼位移的理论关系,结合探测系统759~769 nm的检测波段范围,计算出用波长680 nm的激光器作为光源激发拉曼信号,可保证四种色素强特征拉曼信号正好落在探测范围,且可避开光源瑞利散射光及荧光干扰的影响。最终购置中心波长为680.28 nm的激光器与HEP-765-S空间外差光谱系统搭配开展三叶草强峰拉曼信号的直接检测实验。实验结果表明:搭建系统能够实现三叶草RS的直接测量,但是所测拉曼信号强度偏弱,这主要是两方面原因造成:(1)由于所用激光器的输出功率峰值偏小,约为130 mW;(2)所用HEP-765-S空间外差光谱系统为一体化设计仪器,软硬件系统及参数固化后不能进行调整,仪器数据采集的最大积分时间偏小,设定值为832 ms。光源功率不够大且仪器积分时间小共同导致采集信号偏弱。通过与仿真光谱比较,实测光谱在使用空间外差系统探测波段与三叶草叶片内四种主要色素拉曼信号叠加的包络基本一致,中央主峰与两端次峰都符合较好,实测光谱与仿真光谱具有较好一致性,说明采用空间外差系统对物质拉曼信号进行快速、直接检测具有可行性。

基于SCIATRAN模型的大气CO_2敏感性分析

SCIATRAN是一种高光谱分辨率辐射传输模型,其参数丰富、调节性强,为反演CO_2浓度提供更可靠的仿真资料。研究采用SCIATRAN模型模拟了不同气溶胶类型、气溶胶光学厚度以及地表类型的CO_2辐射亮度,分析了不同条件下影响CO_2辐射亮度的规律。研究结果表明:气溶胶类型对CO_2辐射亮度的影响比例在8%以内。由于城市型气溶胶成分复杂,对CO_2辐射亮度的影响比乡村型和海洋型气溶胶稍大;气溶胶光学厚度对CO_2辐射亮度的影响比例在-3.52%~42.97%之间,光学厚度越小,CO_2辐射亮度则越大;地表类型对CO_2辐射亮度影响最大,与参考值差值比例最高达166.43%,且CO_2辐射亮度随地表反照率的增强而增强。该研究还通过仿真信号与实测信号的对比,验证了SCIATRAN模型仿真信号的有效性和可行性。

有关光电信息技术实验的教学改革探讨

在新形势下,为满足当前社会对创新型人才培养和高校工程教育专业认证的迫切需求,本文提出了光电信息技术实验的教学改革建议。基于该校光电信息技术实验教学现状的分析,提出了如何激发学生的学习兴趣、建立完善的实验室管理系统、设立前导课、基于虚拟操作平台仿真实验以及开设合作型综合设计实验等建议。

基于多源数据的桂林市气溶胶特性分析

该文基于CE-318反演的光学参数、环境监测站的细颗粒物分布和以卫星数据为基础所做的后向轨迹图,研究了2017年9月-2018年8月的桂林地区气溶胶特性,分析由CE-318数据反演的桂林地区的气溶胶光学参数。结果显示:气溶胶在500 nm通道的光学厚度反演值在0.136~3.490,波长指数的反演范围在0.065~1.776,平均值为1.164,较高的波长指数值表明桂林市的空气质量主要受人为气溶胶干扰。对观测期间总体和不同季节波长指数出现的频次进行统计,并进行高斯拟合。拟合结果表明:整个观测期间波长指数峰值出现在1.347处,确定主控粒子是细粒子;由环境监测站的桂林全年细颗粒物分布发现:研究期间,2017年11月、12月、2018年1月出现污染过程;利用卫星数据做污染日的HYSPLIT后向轨迹图观察发现:桂林污染较为严重时主要受东北和东南风场影响。

橙皮素电场作用的分子结构和红外光谱理论研究

橙皮素(HES)是一种二氢黄酮药物,为研究在外电场(EEF)作用下, HES的分子结构和光谱的变化,利用密度泛函理论(DFT)以及6-311G(d,p)基组,在C2—C1方向施加EEF(-0.005~0.010 a.u.)并优化HES分子的基态几何构型,研究了分子总能量、键长、红外光谱(IR)、偶极矩(DM)和HOMO-LUMO能隙。在优化结构的基础上,采用含时密度泛函理论(TDDFT),探究不同EEF对紫外可见吸收光谱(UV-Vis)、激发态(ES)的影响。结果显示,无EEF时, HES分子中C1—O18和C2—C26间的单键都优化成了双键,转变为烯醇式结构,这样分子中更多的基团构成一个共轭体系,形成最稳定的结构。随着EEF的增强,分子总能量先升后降, DM则先降后增,键长的变化复杂。当正向负向EEF都增强时,由于HES分子中不同化学键的振动产生的IR吸收峰(AP),相应地出现了不同的频谱移动,各个AP的强度也有不同的变化。无EEF时, UV-Vis在223.6和262 nm处有2个AP,分别处于E 2带、 K带。 223.6 nm处的AP随着EEF的增大出现了蓝移(BS),当EEF大于0.002 5 a.u.谱峰消失;262 nm处的AP在正向EEF下出现红移(RS),吸收强度随EEF的增强呈现衰弱趋势,当EEF为0.01 a.u.时,谱峰RS至283 nm,强度达到最小值5 889.64 L·mol^-1 ·cm^-1;在负向EEF下出现BS,且吸收强度均增强,在EEF为-0.002 5 a.u.时,谱峰BS至261 nm,强度增至最大值为12 500.36 L·mol^-1 ·cm^-1 。当正向负向EEF都增强时,分子的能隙和激发态能量(EE)均呈现减小趋势,说明HES分子易被激发而处于活跃状态。在无EEF时, OS均大于零,表明能够被激发。当不断加强正向EEF时, ES的OS均先升高再降低;在负向EEF下OS有复杂的变化。分析EEF下物质的分子结构和光谱,将为探究橙皮素的药效对其进行电场解离提供理论参考。

基于空间外差的拉曼信号处理方法研究

空间外差拉曼光谱技术是近年兴起的一种超光谱探测技术,它既具有拉曼光谱测量的非接触、快速、简单、可重复、无需样品准备等特点,更具有空间外差的超光谱分辨率、高通量、无运动部件优点,能在被测物质特征波长中心范围探测,实现微弱拉曼光信号的直接测量。由于被测信号微弱、光学元件加工精度、器件封装及仪器安装误差等原因,会导致空间外差拉曼光谱仪(SHRS)接收到的干涉图存在光强分布不均匀、干涉条纹倾斜或扭曲等现象,从而使普通光谱恢复方法得到光谱信号准确度下降或无法识别。根据SHRS探测到的干涉图所存在的误差特点,将二维傅里叶变换应用于SHRS干涉图的光谱复原,提出基于二维频域谱重采样的最强直线方向光谱提取方法,以实现SHRS光谱的获取。提取过程为:将采集的目标干涉图进行二维傅里叶变换,获得二维频谱图,通过使用相同实验系统采集的单波长或多波长光源的二维频谱信号特征峰的位置信息,拟合获取光信息强度最大方向直线方程。然后根据该直线与目标二维频谱图各列交点坐标位置,确定重采样贡献像元及权重。对拟合直线方程经过的所有列像元进行重采样,得到最终的光谱信号。将该方法应用于自行搭建实验系统采集的三叶草干涉图数据,同时与其他方法光谱复原结果进行对比。结果表明:与一维行平均光谱法比较,该方法获取的光谱在探测波段中心区域信号强度更加明显,同时消除了探测器热噪声的影响;与二维频谱中心行直接提取法比较,该方法是该方法的改进版本,两者结果比较接近。但是由于考虑到干涉条纹y分量的影响,沿二维频谱信号最强方向重采样得到的最终光谱,其主峰半峰宽更窄、边频噪声强度更小,且随着y分量的增加,光谱复原效果及优势将越发明显。该方法是空间外差拉曼光谱技术数据处理的一种有益补充与尝试。

基于密度泛函理论的单层氢化石墨烯特性分析

本文采用密度泛函理论的第一性原理方法,研究了不同尺寸H-graphene的稳定性、HOMO-LUMO能隙以及电子激发态.研究结果表明,对于C_(16)H_(10)、C_(30)H_(14)、C_(48)H_(18)、C_(70)H_(22)、C_(96)H_(26)、C_(126)H_(30)计算的比结合能,C_(126)H_(30)相比C_(16)H_(10)的比结合能增长23.9%,且比结合能随着H-graphene尺寸扩大而增加,意味着稳定性不断提高.通过对HOMO-LUMO能隙分析发现,在较小尺寸的H-graphene中,由于量子效应起主要作用,因此出现了较大的HOMO-LUMO能隙,且随着H-graphene团簇尺寸的增加,能隙逐渐缩小可以看出,对于无限大的H-graphene团簇中,HOMO-LUMO能隙无限趋近于零(相当于零带隙),其电子性质与纯石墨烯相似.通过分析C_(16)H_(10)、C_(30)H_(14)、C_(48)H_(18)、C_(70)H_(22)激发态以及了吸收光谱,发现随着尺寸的扩大,吸收光谱发生红移,为石墨烯在电子器件领域的应用提供理论基础.

一类综合脉冲控制系统的动力学分析

针对Lotka-Volterra的捕食-食饵系统提出了一个新的综合控制系统,利用三次脉冲微分方程拟合在一周期内不同时刻释放病虫和捕食者、喷洒农药以及投放病毒的动力学过程,从而达到控制害虫(食饵)的目的.根据Floquet定理和小振幅扰动方法,证明了当脉冲参数大于某个临界值时,系统存在一个全局渐近稳定的害虫灭绝周期解,并进一步获得了系统持续生存的条件.

“新工科”背景下高校机器人实验改革的探索

随着新一轮科技变革的到来,以机器人为代表的人工智能产业正在蓬勃发展,这对高校培养全面优秀的机器人工程人才提出了新的要求。文章在“新工科”的背景下,分析机器人技术实验课改革的必要性,针对机器人实验教学的现状,提出了增设前导课、开发渐进式实验内容、开展项目式学习以及引入虚拟仿真技术的教学方法,为机器人实验改革拓宽了思路。

新工科背景下的电类实验改革探析

随着新工科建设的推进,高校需要对传统工科专业进行改造升级,重点培养学生的实践创新能力。文章就目前电类实验存在的问题进行分析,并提出了实验分类,多平台教学以及多角度考核的改革方向。这些改革内容提升了学生学习的兴趣和自主性,提高了教师的教学效率,以及全面立体的考核制度给予学生更多的创新和实践空间。结合桂林电子科技大学的实际情况,这一系列教学改革取得了良好的效果。

基于Django的智能货梯系统设计

为使老旧小区改造智能化、人性化,设计基于Django平台的智能货梯系统。Django框架具有体量小、支持多协议等特点,其采用前后端分离、软硬件分离的思想,实现货梯设备的连接和管理。智能货梯系统的控制以STM32为核心,利用传感器检测货箱环境并将数据上传至物联网平台。实践表明,该系统在满足消防安全的前提下,具有轻量、可移植、易部署、易操作等优点。

空间调制型全偏振成像系统的图像解调算法修正

空间调制型全偏振成像系统可实现目标全偏振参量的同步探测。现有解调算法仅适用于单色光的探测系统,不适用于复色光的探测系统。通过寻找中心频谱位置获得实际载波频率的方式对偏振解调算法进行了修正。复色光偏振成像实验结果表明:宽波段空间调制型全偏振成像系统通过修正的图像解调算法可以得到中心波长的偏振信息,偏振探测误差小于5%。研究结果为复色光全偏振成像系统的解调算法研究提供了参考。

地方高校青年教师队伍建设的探索与思考——以桂林电子科技大学为例

青年教师是高校教师队伍的重要力量,青年教师队伍建设对高校教师队伍的发展和稳定起到至关重要的作用。本文通过对桂林电子科技大学的调查研究,发现地方高校青年教师主要反映出平台和资源受限、工作负担重、晋升机会少和工作不满意几大问题。针对以上问题,从搭建青年教师发展平台、改进青年教师考评机制、简化行政管理流程、疏通青年教师交流渠道几个方面提出了建议,对地方高校的青年教师队伍建设提供思路。

基于比值法的大气CO_(2)反演与地表反射率分析

二氧化碳(CO_(2))是造成温室效应的气体之一,其浓度的空间分布对气候预测和人类生产、生活的影响不可忽视,实现CO_(2)浓度的准确反演有利于掌控全球CO_(2)时空分布。但是在近红外波段,地表反射率的不确定对CO_(2)浓度反演存在影响。引入比值法对卫星对地辐射光谱进行处理,验证吸收波段辐亮度比值与CO_(2)浓度之间存在某种关系,该关系反演CO_(2)浓度具有可行性。以MODTRAN4仿真的辐亮度光谱为数据源,选取4个特征吸收峰的光谱辐亮度比值与CO_(2)浓度进行分析。结果显示,光谱辐亮度比值与CO_(2)浓度存在近似线性关系,而且在6310 cm^(-1)处的线性关系更为明显,误差仅有1.15%。然后通过设置不同的大气模式和气溶胶模式,进一步对辐亮度比值与浓度之比进行剖析,结果表明,在0.1~0.9反射率区间,两者呈高度相关,相关系数高达0.98,平均误差不超过2%。最后对实测数据进行相同处理,与仿真数据进行了对比。在4个波段的拟合中,6334 cm;处拟合效果最好,线性关系达到了0.99,从另一方面说明了光谱辐亮度比值与CO_(2)浓度存在线性关系,这种关系可以很好地应用于CO_(2)浓度的反演,近似消除地表反射率影响。

空间外差连续光的非均匀误差校正

为了获得高精度的光谱,必须对空间外差光谱仪干涉图进行校正。针对空间外差光谱仪自身缺陷导致的干涉图非均匀误差,提出了一种基于傅里叶变换的校正方法。通过理论推导发现目标光谱是非均匀误差的傅里叶变换与误差光谱的卷积,并以连续光水汽干涉图为例进行了验证实验。结果表明,在2693组实验数据中,2679组数据得到了明显的校正效果,随机抽取3组数据校正后的标准差均提升了一个数量级,验证了该校正方法的有效性。