基于激光光谱差分法检测NO_2

为了分析大气污染的主要污染气体之一的二氧化氮(NO2)的光谱与气体体积分数之间的关系,采用了中心波长位于NO2高吸收峰位置的激光作为检测光源,建立了光谱气体检测系统。根据朗伯-比尔定律,采用分时差分方法,结合权威数据库对比,并考虑光谱线宽度等因素影响,进行光谱分析,用最小二乘法进行数据拟合,取得了NO2吸收光谱与其体积分数的关系曲线数据,并进行了体积分数反演和误差分析。结果表明,实验结果与理论分析相吻合,验证了光谱检测对NO2检测的研究与应用价值。

基于多光谱差分植被抑制法的蚀变信息提取

遥感蚀变信息提取以岩矿裸露或低植被覆盖区为主,高植被覆盖区蚀变信息提取一直是一个难题。以Sentinel-2为代表的多光谱卫星数据具有大幅宽、空间分辨率和光谱分辨率都较高等特点,但尚未被应用于高植被覆盖区蚀变信息提取。因此,本文根据植被和矿物光谱特征差异,结合Sentinel-2多光谱传感器波段设置的特点,选取波段组合进行差分处理,提出了多光谱差分植被抑制法(Multi-spectral Differential Vegetation Suppression,MDVS)。分析结果表明,MDVS可以有效去除浓密植被影响,与主成分变换配合使用,在散点图中准确圈定出羟基和铁染蚀变信息。本研究为实现大范围高植被覆盖区蚀变矿物分布信息提取奠定基础,对于遥感找矿技术的应用和推广具有重要意义。

光谱差分策略在扩散近似模型和简化球谐近似模型中的应用

生物发光断层成像(Bioluminescence Tomography,BLT)是一种很有前途的在体分子成像工具,可以在细胞和分子水平上对生理和病理过程进行无创监测。BLT的重建精度受光传输模型误差和逆问题病态性影响,针对此问题,受高阶光传输模型可提高模型精度、多光谱方法可降低逆问题病态性的启发,本文将光谱差分理论和多光谱方法结合构建的光谱差分策略分别应用到基于扩散近似方程(Diffusion approximation Equation,DE)和三阶简化球谐近似方程(3rd Simplified spherical harmonic approximation equation,SP3)建立的光传输模型。首先,对这两种辐射传输方程(Radiative Transfer Equation,RTE)近似产生的误差进行分析,对比了光谱差分策略对两种光传输模型误差的衰减作用。前向仿真实验结果表明光谱差分策略能有效地减少DE和SP3的模型误差,对DE模型采用光谱差分,能够获得接近SP3模型的传输精度,并且降低高阶近似对运算时间和存储空间的高要求。在此基础上,将光谱差分策略分别应用到DE和SP3光传输模型进行光源重建。实验结果表明光谱差分策略在提高两种光传输模型精度的同时,缓解了BLT中逆问题的病态性,使光源重建的位置误差小于1 mm,在目标定位、形状恢复和图像对比度等方面取得了更准确的效果。相比于SP3模型平均耗时约1525 s,DE模型结合光谱差分策略平均耗时仅为34 s左右,较好地兼顾了重建精度和重建速率。

差分拉曼光谱结合化学计量学对白色购物纸袋的检验研究

目的建立差分拉曼光谱用于无损识别白色购物纸袋的方法。方法对收集到的60种不同品牌、不同规格的白色购物纸袋进行拉曼光谱测定,对样品的拉曼光谱图进行预处理,根据光谱图对样品进行初步分类,并结合化学计量方法对样品进行分组。应用Fisher判别分析方法对分类结果进行验证。最后应用RBF模型对未知样本进行分类判别。结果结合样品中所含的碳酸钙、滑石粉、硫酸钡的不同,可初步将白色购物纸袋样品分为五大类,采用K-均值聚类方法继续细分,通过Fisher判别方法对样品分结果进行验证,判别准确率为100%。应用神经网络RBF模型对未知样本进行判别分析,准确率达到89.48%。结论该方法简便易行,为白色购物纸袋的分类提供了科学的依据,也为公安基层工作的开展提供了便捷的办法。

星载高动态范围差分吸收成像光谱仪成像电路设计及实现

星载差分吸收成像光谱仪通常运行于太阳同步轨道,探测地表反射光的光谱并根据特征气体的谱线吸收强度测量区域内某些痕量气体浓度。第一代星载差分吸收光谱仪受限于探测器性能等原因,探测的动态范围不大,造成暗背景下数据信噪比低,亮背景下像元饱和。随着更大阱深,更高速度的探测器出现,第二代高动态范围的差分吸收成像光谱仪得以实现。本文介绍了高动态范围的差分吸收光谱仪成像电路的研制过程,包括器件选型,电路方案及电路测试,并对测试结果进行了分析。重点讨论了高动态范围的实现,给出了单点测量值的概念,提出了最大单点测量值的计算公式,解释了最大单点测量值与动态范围的关系,并评估了探测器件的单点探测能力,同时规划了未来进一步提高动态范围的方法,从而为同类设备的研制提供参考。

机载光纤式成像差分吸收光谱仪测量区域大气污染应用研究

我国大气污染呈现出区域性和复杂性等特性,开展污染气体区域分布的立体监测,能够及时了解大气环境现状、研究分析影响大气质量的各种因素,指导大气污染控制措施。机载成像差分吸收光谱仪,是目前有效的污染气体区域分布遥感手段之一。该技术观测区域大,覆盖率高,最终可提供精细化的污染气体区域分布资料,实现污染分布及传输的可视化探测。以往机载成像差分吸收光谱仪采用整体式设计,需要占用飞机光学观察窗口,航空搭载需求苛刻、应用受限。为此提出了光纤式机载成像差分吸收光谱仪,采用光纤束传输方式,安装过程中对飞机改装需求小,极大的便利了机上安装和调试,适应了适航设备认证需求。该系统采用特制多芯光纤束结合Littow-offner结构光谱成像系统,具有光谱成像分辨率高、大视场、结构紧凑等优点。在此详细介绍了该设备性能参数,并利用该系统在芜湖市周边开展了区域污染遥感应用。应用过程中,针对光纤式成像差分吸收光谱仪,提出了数据处理算法。对采集到的太阳散射光谱进行反演得到污染气体的斜柱浓度,并利用大气传输模型计算大气质量因子,实现垂直柱浓度转化。最后结合飞机姿态位置信息,快速获取了芜湖市区及其周边上空的NO_(2)、SO_(2)的浓度分布,并进行了区域内污染源快速定位和传输过程分析。从反演结果来看,本次实验NO_(2)垂直柱浓度在实验区域存在4个高值点,SO_(2)垂直柱浓度在实验区域存在2个高值点,高值点附近均存在重工企业,结果与实际情况相符。并结合卫星数据评估二者交叉校验精度,二者呈现正相关,相关性系数为0.77。应用效果验证了光纤式成像差分吸收光谱仪的方案可行性,可为大气污染气体航空遥感技术推广提供参考,同时弥补了地面站点监测在空间尺度上以及卫星遥感在时间尺度上的不足。

基于差分拉曼光谱法和化学计量学的纸质快递文件袋的分类

利用纸质快递文件袋上涂漆填料的差异,采用差分拉曼光谱法和化学计量学建立了一种快速无损的纸质快递文件袋的分类方法。将63个样品剪成0.5 cm×0.5 cm的小片,采用差分拉曼光谱仪采集其拉曼光谱图,根据不同填料的差分特征拉曼峰对样品进行初步分类。对原始光谱数据进行Z-score标准化后,采用K-means算法对初步分类结果进行细分,费歇尔判别分析法对细分结果进行验证,留一交叉验证法检验判别结果。结果显示:通过差分拉曼光谱特征峰的差异可将63个样品分为4类,其中48个样品为第I类样品(以碳酸钙为主要填料)。K-means算法可将第I类样品分为3组,费歇尔判别分析法验证其分类准确率达93.6%,留一交叉验证法所得判定结果准确率达87.2%,说明提出的方法可用于纸质快递文件袋的快速、准确鉴别。

基于随机森林利用差分拉曼光谱对塑料食品包装瓶的分类研究

目的建立一种快速无损的检验塑料食品包装瓶的分析方法,提供一种快速分类模型。方法利用差分拉曼光谱对100个塑料食品包装瓶样品进行检验,根据样品的差分拉曼特征峰可以对样品进行分类,样品可被分成聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚丙烯两大类,对其中数目较多的第I类继续根据样品中所含填料的不同进行分类。利用贝叶斯判别、多层感知器和随机森林算法分别构建分类模型对继续分类结果进行分析验证。结果第I类样本可继续被分为4类,贝叶斯判别结合留一交叉验证法分类正确率为71.7%,多层感知器神经网络分类模型的训练集和测试集分类正确率分别为100%和86.2%,随机森林分类模型的训练集和测试集分类正确率分别为100%和96.5%。通过比较发现,差分拉曼光谱与随机森林算法相结合可以对塑料食品包装瓶实现有效的分类。结论该方法简单快速,样品用量少且无损样品,可为塑料食品包装品的物证鉴定提供科学依据。

基于差分拉曼光谱对黄芪药材的快速检验分析

为建立一种快速准确的黄芪药材的分类方法,利用差分拉曼光谱仪,在光源使用双频输出(δλ≤1nm),单频激光输出功率为250 mw,波长为785 nm,光谱范围为180~2800 cm-1,积分时间为3秒的条件下,对88批次黄芪药材进行检验。根据拉曼谱峰的不同,比较样品的差分拉曼光谱发现样品可以分为四种;通过标准差标准化方法(Z-Score)对原始光谱进行预处理;利用判别分析模型进行训练,预测集和交叉验证下的准确率分别为95.5%、81.8%;建立的卷积神经网络模型中测试集的准确率达到了100%;为了更进一步确定特征波长对预测的重要性,使用相同的训练集和测试集建立随机森林算法模型,准确率分别为90.8%、85.0%。结果显示差分拉曼光谱能够对不同种类的黄芪药材进行检测,建立的通用预测模型方便快捷,对黄芪药材的快速检验分析奠定了基础。

差分吸收光谱中甲醛的反演研究

由于甲醛(HCHO)在城市大气光化学反应中的重要性,测量大气环境中的甲醛已经成为全球的热点。针对目前国内检测甲醛的方法基本局限于化学法,文章详细介绍了采用差分吸收光谱(DOAS)技术反演得到大气环境中甲醛的方法,利用自制的差分吸收光谱系统测量了北京地区大气中的甲醛。文章分析了DOAS反演过程中反演甲醛光谱波段的选择及去除大气中SO2,NO2,O3的吸收以及氙灯灯谱结构对光谱反演中的交叉干扰影响;通过采用选择不同干扰气体所对应的最优波段,同时反演获得大气环境甲醛的浓度,避免了甲醛选择波段过窄,干扰气体去除不全的缺点;通过对误差来源的分析,得到该甲醛的反演方法总误差在13.7%内。

被动差分吸收光谱法测量区域内污染气体排放通量的方法研究

研究了一种基于被动差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)测量区域(如工业区,城市)内SO2等大气污染气体排放通量的光学遥测方法。采用安装在汽车上的被动DOAS系统围绕区域进行扫描测量,通过被动DOAS光谱处理方法对系统采集的天顶太阳散射光谱进行处理获取污染气体柱密度,再结合测量时段的气象(风场)信息获得该区域内污染气体对外的净排放通量。文章着重描述了获得污染气体柱密度的差分吸收光谱方法以及区域内污染气体净排放通量的计算方法,并构建了车载被动DOAS系统对北京市五环路以内区域的SO2和NO2排放进行外场测量,测得了该区域内SO2和NO2净排放通量分别为1.13×104和9.3×103kg.h-1。实验结果表明这种基于被动DOAS的光学遥测方法能够用于区域内污染气体排放通量的快速测量。

差分吸收光谱技术监测气溶胶消光系数的误差分析

给出了在利用差分吸收光谱技术监测大气气溶胶消光系数时确定测量误差的方法。分析了光源变化、探测器积分时间间隔、大气湍流、系统参数校正、测量系统位移以及粒子后向散射等可能对测量结果产生影响的因素,通过理论分析和实际测量确定气溶胶消光系数误差为0.03 km-1。

差分吸收光谱方法反演大气环境单环芳香烃有机物

差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)是利用气体分子在紫外-可见光谱范围的特征吸收来测量其浓度含量,如SO2,NO2,O3等。由于大气环境中的芳香烃有机物含量较低,并且其在紫外的特征吸收光谱与O2和O3分子的吸收谱相互重叠,交叉干扰,使得对芳香烃有机物的测量比较困难。文章利用自制的差分吸收光谱系统,采用与实际测量光程接近、经过插值的氧气分子吸收柱密度作为氧气分子吸收的参考光谱,通过最小二乘拟合去除其干扰,另外采用不同温度下的O3吸收截面作为参考光谱修正O3的温度效应,测量了大气环境中的苯、甲苯、二甲苯和苯酚,表明差分吸收光谱方法能满足大气环境中单环芳香烃的测量。

利用差分吸收光谱系统对O3，SO2和NO2的监测分析

结合我国对空气质量自动监测系统质量保证的要求及差分吸收光谱（DOAS）技术自身的技术特点，重点讨论了对南京江北地区的大气污染物的DOAS监测数据的质量控制，并对2007年12月—2008年8月ρ（O3），P（SO2）和ρ（NO2）的日、季节变化特征进行了分析．结果表明：ρ（O3），p（SO2）和ρ（NO2）小时均值的频率分布峰值分别出现在30～40，20～30和30～40μg／m^3；三者超过《环境空气质量标准》（GB3095-1996）一、二级标准的频率分别为4．37％和1．02％（O3），21．78％和0．89％（SO2），5．65％和0（NO2）；ρ（O3）季节变化十分明显，春季最高；ρ（SO2）和ρ（NO2）的日变化与局地排放源、大气扩散能力和人类活动密切相关；ρ（O3）和ρ（NO2）日变化呈负相关．

差分吸收光谱技术及在大气监测领域中的应用

差分吸收光谱技术(DOAS:DifferentialOpticalAbsorptionSpectroscopy)是一种光谱监测技术,其基本原理就是利用空气中的气体分子的窄带吸收特性来鉴别气体成分,并根据窄带吸收强度来推演出微量气体的浓度。凭借其低廉且简单的设备装置和出色的监测能力,DOAS技术在大气监测领域内在国外已经被广泛应用。鉴于国内的污染形势的日益严峻及对此新兴技术知识的匮乏,对于DOAS技术的工作原理、浓度反演方法及其在大气研究领域内的应用与发展前景做了较为详细的介绍,为今后在大气监测领域里研究和应用DOAS技术提供了必要的理论知识。

基于差分吸收光谱法的燃煤锅炉烟气浓度反演算法

根据被测对象在所选波段具有差分吸收结构的光谱特性,研究了一种改进的基于差分吸收光谱法(DOAS)的气体浓度反演算法。在该算法中,考虑了噪声、颗粒群散射以及干扰气体的影响。应用该算法在给定光程下分别对一种气体和几种气体的混合物,以及在不同光程下同一浓度的气体进行了数值模拟。结果表明,该算法具有良好的抗噪声和抗干扰性能,并且浓度反演误差基本在1%以内,研究还给出了在不同光程下对浓度值极高或极低(mg/m3)的待测气体“测量”结果的比较。

便携式差分吸收光谱气体监测仪的研究

差分吸收光谱技术(DOAS)是利用气体分子在紫外/可见波段的特征吸收来精确解析其浓度的光学方法,在大气污染成分探测方面具有广泛的应用。将差分吸收光谱法与多次反射池技术相结合,研制出了便携式污染气体在线连续监测仪,阐述了系统的工作原理和设计方法,并通过不同浓度的SO2标准气体对系统进行了测试。结果表明,该仪器可满足污染源、污染泄漏、应急监测的要求。

星载差分吸收光谱仪CCD成像电路的设计及实施

星载差分吸收光谱仪通过获取地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光辐射,监测大气痕量气体的全球分布。载荷使用4片面阵CCD作为探测器,对地观测、实时测量紫外可见波段光谱信息。其中CCD成像电路是电子学部件的核心,该电路的设计除完成通用CCD成像电路功能以外,还针对卫星空间有限和航天元件受限等特殊情况,采用了单板四通道、数字像元合并的方案。本文讨论了载荷CCD成像电路的设计实施过程,并重点论述了单板四通道和数字像元合并的设计特点。

基于二极管阵列PDA的紫外可见差分吸收光谱(DOAS)系统的研究

介绍了一种自行研制的长程差分光学吸收光谱(DOAS)系统,该系统采用光电二极管阵列(PDA)作为光谱检测器,代替结构较为复杂的光电倍增管(PMT)加扫描圆盘的SD检测器,并对该系统检测器的偏置、暗电流、噪声、线性以及光谱仪的分辨率、光谱范围等性能进行了测试,同时对SO2,NO2等大气污染物进行了外场的测定,确定出相应光程下该系统测量SO2,NO2的最低检测限。