白昼红外星图星点提取方法

白昼红外星图具有高背景噪声、低信噪比、弱目标的特征,采用传统单帧提取方法很难准确提取星点.且由于星点为弱小目标,对噪声极为敏感,星点成像多为随机不规则图形,采用单帧提取星点质心鲁棒性较差.传统多帧叠加法虽能克服单帧提取星点质心鲁棒性较差的问题,但对于高背景噪声红外星图,叠加星图并不能明显提高信噪比,星点提取成功率依然较低.为此,提出利用背景预测方法确定疑似星点位置,并对边界进行膨胀,然后利用膨胀后的边界进行单帧星图能量提取,并将提取星图进行叠加形成高信噪比星图,最后进行星点质心提取.实验表明,该方法星点提取正确率为99.5%,较自适应阈值分割法和多帧叠加法分别提升84.2%和37.9%,较背景预测法正确率提升14.5%.同时该方法较自适应阈值分割法和背景预测法、多帧叠加法精度分别提升12.8%,41.4%, 33.3%,具有明显优势.

基于拉曼光谱数据处理和谱峰识别的变压器油绝缘老化研究

针对变压器油的拉曼光谱分析通常受到噪声和荧光背景等的干扰以及谱峰位置难以识别的问题,提出了一种改进的数据处理和谱峰识别算法,用于变压器油老化评估时的拉曼光谱分析。提出一种自适应Savitzky-Golay滤波法,引入自适应窗口大小拉曼光谱数据进行去噪处理。采用改进的多项式拟合算法对去噪后的数据进行去除荧光背景处理,减小荧光背景对拟合结果的影响。通过数据点与期望的拉曼信号的接近程度为每个数据点赋予权重,以实现更准确的去荧光背景处理。利用谱峰识别技术判别变压器油的老化程度,采用大小两种尺度高斯窗口判别法来识别谱峰,并结合局部加权信噪比(local weighted signal-to-noise ratio,LW_SNR)来判断疑似拉曼谱峰的真实性。最后通过实验验证了所提算法在变压器油老化评估中的有效性。

激光脉冲重复频率对等离子体辐射特性的影响

为了提高激光诱导击穿光谱质量,采用Nd∶YAG激光器输出的纳秒脉冲激光激发产生土壤等离子体,采用光栅光谱仪和光电检测系统记录了元素谱线AlⅠ394.401nm,BaⅠ455.403nm,FeⅠ430.791nm和TiⅠ498.173nm的辐射强度和信背比,研究了激光脉冲重复频率(5,10和15Hz)对等离子体辐射特性的影响。实验结果表明,在相同的激光输出能量条件下,当采用15Hz的激光脉冲重复频率时,元素Al,Ba,Fe和Ti的谱线强度要比5Hz时的分别提高50.94%,112.7%,107.46%和99.38%,光谱信背比分别提高15.16%,24.08%,40.26%和72.06%。通过测量等离子体参数,解释了激光脉冲重复频率对等离子体辐射特性的影响机理。

单脉冲和再加热正交双脉冲激光诱导击穿光谱对比研究

为了提高激光诱导击穿光谱技术(LIBS)的检测灵敏度和辐射光谱特性,采用再加热正交双脉冲结构对样品中的4种元素Fe,Pb,Ca和Mg以及含有不同浓度重金属元素Cr的土壤样品进行分析。研究了4条特征谱线FeⅠ:404.581nm,PbⅠ:405.78nm,CaⅠ:422.67nm和MgⅠ:518.361nm的光谱强度和信背比随两激光脉冲之间时间间隔的变化关系,获得了两激光脉冲之间最佳的时间间隔为1.0μs。在单脉冲和双脉冲条件下,得到了4条特征谱线FeⅠ:404.581nm,PbⅠ:405.78nm,CaⅠ:422.67nm和MgⅠ:518.361nm光谱强度的增强倍数分别为2.23,2.31,2.42和2.10;分析了特征谱线FeⅠ:404.581nm和CaⅠ:422.67nm谱线强度随时间的演化特性以及4条特征谱线信背比随光谱采集延时的变化关系,双脉冲能有效延长光谱强度的衰减时间以及提高特征谱线的信背比;比较分析了等离子体温度和电子密度随时间的演化特性,在双脉冲条件下,等离子体温度最大升高了730K,电子密度最大增加了1.8×1016 cm-3。单脉冲和双脉冲条件下获得重金属元素Cr的检测限分别为38和20μg·g^(-1),再加热正交双脉冲技术使元素检测限下降近2倍。以上结果表明:再加热正交双脉冲能有效地提升LIBS技术的检测灵敏度和光谱特性,为进一步降低元素的检测限提供了有效的方法。

空气-氩气混合气冷却ICP中镁、铬、镉、锰四种元素的谱线强度和信背比的测定

本工作使用扫描等离子体光谱仪，在与小功率ＡｒＩＣＰ类似的条件下，测定了空气氩气混合气冷却ＩＣＰ中镁、铬、镉、锰谱线强度和信背比随冷却气组成及观测高度的变化，并估算了折衷条件下的检出限。结果表明对于离子线及激发电位较高的原子线，当冷却气中引入５～１０％空气后，谱线强度最大并大于ＡｒＩＣＰ中数值；对于激发电位较低的原子线，随着冷却气中空气含量的增大其谱线强度逐渐减小。谱线的信背比则与激发电位及谱线波长有关。

钾添加剂对ICP光源辐射的增强效应

为了改善电感耦合等离子体原子发射光谱质量,降低分析检出限,实验研究了在水样品中加入钾添加剂以后对光谱强度、信背比的影响,并通过多谱线斜率法和Stark展宽法分别测量了等离子体的激发温度和电子密度。实验结果表明,当水溶液样品中加入钾添加剂以后,等离子体光谱强度有不同程度的增强。在钾含量为1.0g.L-1时,元素Al,Cr,Cu,Mn,Ni和Zn的谱线强度比无添加剂时分别提高了8.62%,32.29%,108.45%,6.06%,64.98%和54.99%,光谱信背比分别提高了7.90%,30.95%,104.60%,5.21%,66.00%和52.82%。在样品中钾含量为1.0g.L-1的条件下,等离子体的激发温度比无添加剂时提高了239.69K,而电子密度提高了4.99×1011 cm-3。可见,钾添加剂能够提高电感耦合等离子体发射光谱质量。

一种变形标准加入法及其在等离子体发射光谱分析中的应用

在小体积(<50μL)液体取样时,容易产生较大的取样误差,为了降低分析结果的不确定度,常常用质量定量法代替体积定量法。传统标准加入法以样品体积定量,不能用于以样品质量定量的场合。为此,我们提出了一种变形标准加入法,以便用于以样品质量定量的场合。以ICP-OES法测定复杂溶液体系中低含量及微量元素Hg,Mo和Rh为例,对变形标准加入法进行了介绍。标准加入法的目的是为了校正溶液基体效应,而溶液基体效应包括两种不同类型的干扰:"恒定干扰"和"比例干扰"。变形标准加入法只能校正溶液基体效应中的"比例干扰","比例干扰"的大小可以用一个定量指标k表示:当k=1时,表示不存在"比例干扰"的影响;k偏离1越远,则"比例干扰"的影响越大。至于"恒定干扰"的影响,则可以利用仪器自身的背景校正方法予以降低或消除。变形标准加入法测定结果不确定度主要来自于背景校正,与所选分析线的信背比密切相关。信背比越低,背景校正的不确定度越高,因此实际分析中应尽可能选择具有较高信背比的分析线,否则,即使事先经过了背景校正,最终的分析结果也可能包含很大的误差。

红外小目标检测的预处理技术研究

建立了红外小目标图像的场景模型,分析了小目标情况下图像预处理的特点,根据这些特点对预处理技术进行了分类描述。为了评价预处理结果,定义了两个评价参数———信噪比和背景抑制因子。实验结果表明,不同的预处理方法具有不同的应用范围,只有根据图像特点选择合适的预处理方法,才能取得理想的预处理效果。

纳秒脉冲激光诱导土壤等离子体辐射强度研究

为了改善激光诱导击穿光谱质量,采用Nd∶YAG激光器输出的纳秒脉冲激光激发土壤样品,由光栅光谱仪和光电检测系统记录激光诱导等离子体发射光谱,研究了激光输出能量(100～500mJ)对等离子体辐射强度的影响。实验结果表明,在激光能量为200mJ的优化条件下,可以提高光谱强度和信背比。当激光束被适当散焦以后激发样品时,能够进一步改善光谱质量,散焦位置为+6mm时元素Mg,Al,K和Fe的谱线强度比未散焦时分别提高了46%,63%,59%和45%,而光谱信背比分别提高了11%,31%,35%和38%。这为检测土壤样品中痕量杂质元素奠定了基础。

白天CCD观星可探测极限星等值分析

介绍了白天天空背景下,在大气层内用CCD探测恒星可探测极限星等值的计算方法。根据恒星和白天大气背景辐射的对比度,计算和分析了3°×3°视场下,可探测星等极限值随观测高度、太阳天顶角、波段和恒星光谱类型的变化情况。结果表明:可探测星等极限值随观测高度和太阳天顶角的增加接近线性增加;对K和M类恒星,长波波段可探测星等极限值高。在25 km高度、3°×3°视场、太阳视线20°以外,可探测星等极限值可达到6.3等。

运用响应面分析法优化激光诱导土壤等离子体测试参数

测试参数的选择和优化是进行激光诱导击穿光谱(LIBS)试验的重要步骤之一,合适的测试参数能够保障所得光谱数据的准确性。本研究运用LIBS技术,以土壤中主要元素(硅、铁、镁、钙、铝、钠、钾等)为载体,研究LIBS不同测试参数对元素谱线特性影响,优化得到普适的土壤测试条件。设计了以LIBS系统中激光脉冲能量(LE)、延迟时间(DT)和聚焦透镜到样品的距离(LTSD)三因素的二次中心组合的试验,以土壤中主要元素的特征谱线组合信背比(SBR)YSBR为目标函数,分析了三因素之间交互作用对YSBR的影响。结果表明:因素DT对YSBR的线性效果显著,而LE和LTSD对YSBR的线性效果均不显著;三者的交互影响对YSBR的交互效果都不显著;对于二次项LE2,DT2和LTSD2对YSBR的曲面效应均显著。优化得到最佳的试验条件是:激光能量LE为103.09mJ,延迟时间为2.92μs,透镜到样品的距离LTSD为97.69mm,得到最大组合信背比YSBR为198.602。这些测试参数是后期LIBS数据准确分析的前提,为田间实地土壤LIBS检测参数的选择提供重要的借鉴。

激光诱导击穿光谱最佳探测时间的分析

为了确定激光诱导击穿光谱(1aser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)的最佳探测时间,采用时间分辨LIBS研究了样品中4种元素Fe、Pb、Ca和Mg的4条特征谱线峰值强度以及相应的连续背景辐射光谱强度的衰减特性,对特征谱线峰值强度和连续背景辐射光谱强度的比值求极值,获得了特征谱线最佳信背比(signal-to-background ratio,SBR)所对应时间的计算值。连续背景辐射和特征谱线光谱强度均呈指数形式衰减,4条特征谱线衰减时间分别为1.42,1.95,1.69,1.65μs,相应的连续背景辐射衰减时间分别为0.85,0.93,0.89,0.87μs。4条特征谱线最佳SBR所对应时间的计算值分别为1.43,1.77,1.62,1.80μs,最佳SBR所对应的时间的实验测量值分别为1.5,2.0,1.5,1.5μs,二者具有较好的一致性.特征谱线峰值强度和连续背景辐射光谱强度的演化规律能够对最佳SBR出现的时间作出预测.以上研究结果表明,LIBS最佳探测时间与连续背景辐射和特征谱线的衰减规律密切相关,通过对光谱强度的比值求极值,可以预测谱线最佳SBR出现的时间,此方法为确定LIBS技术探测和分析的最佳时间提供了依据.

铜合金自体小孔约束等离子体辐射增强作用研究

为了提高激光诱导击穿光谱的质量,探索便捷的等离子体辐射增强方法,采用自体空间约束的方法,研究了铜合金自体小孔约束对激光诱导等离子体辐射的增强作用。在常压空气中,利用Nd:YAG脉冲激光器作为激发源,诱导激发HPb59-1铅黄铜合金样品,由光栅光谱仪和ICCD采集光谱,分析了Cu和Pb元素的等离子体辐射强度随自体小孔尺寸的变化情况,得到自体小孔约束的最佳尺寸为直径3.0 mm、深度1.5mm。与无约束时相比,Cu和Pb的谱线强度分别提高了38.3%和35.4%,信背比提高了200.2%和137.5%。研究结果表明,自体小孔约束方法能够有效改善激光诱导击穿铅黄铜合金样品的谱线质量,避免外加约束结构的内壁污染对实验结果的干扰,方法简单易行。

序贯试验法激光诱导击穿光谱实验条件优化

采用波长为1064nm的Nd:YAG脉冲激光作为光源聚焦于铝合金表面产生激光诱导等离子体,使用三光栅光谱仪和门宽控制的ICCD检测光谱信号。实验分析了实验参数对AlⅠ394.40nm和AlⅠ396.15nm两条特征谱线强度和信背比的影响。研究表明,ICCD探测延时、ICCD门宽和激光脉冲能量对光谱信号和信背比有较大的影响,其中ICCD门宽变化会引起光谱信号信背比起伏变化。通过优化这些实验参数,确定了最佳实验条件,在低激光脉冲能量下获得了高光谱强度和信背比的信号,为定性和定量分析铝合金成分提供了有利条件。

基于信背比拟合的水体重金属LIBS定量分析研究

LIBS技术定量分析的精密度与准确度受到多种因素的影响。通过深入分析激光诱导等离子体背景光谱和特征光谱的特性,利用两者随温度的变化趋势近似相同的特点,采用两者的比值即信背比进行元素浓度的定量拟合,可以补偿激光能量、光谱接收效率等系统参数抖动造成的谱线强度变化;针对测量数据有限及非线性的特点,使用支持向量机算法进行回归。实验结果表明通过信背比拟合可以提高LIBS定量分析的稳定性和准确性,测试集的相对标准偏差和相对误差平均值分别为4.7%和9.5%。基于信背比的数据拟合方法不受基体元素和背景大小限制,为实时在线的LIBS定量分析技术提供数据处理方面的参考。

基于Boxcar滤波器的荧光检测二氧化硫信号的去噪研究

荧光法以物质发射的荧光强度与浓度之间的线性关系进行定量分析。当采用荧光法检测大气中的二氧化硫等有害气体时,由于光电探测器等光电元件在无荧光时,仍会产生暗电流噪声,使得本底噪声信号对测量结果有直接的影响。在分析Boxcar滤波算法的基础上,运用小波滤波、EMD滤波和Boxcar滤波三种算法对淹没在本底噪声中的荧光信号进行有效提取和恢复,较之前两种滤波方法,Boxcar滤波效果更佳,对本底噪声的抑制更强,并验证了取样次数影响着荧光信号的信噪比。

不同仪器墩对波形记录影响的对比研究

为研究不同仪器墩的地震波形记录质量,2009年7月至2010年3月在河北武安地震台,用同一类型的地震计和采集器分别在3种仪器墩上进行波形记录实验。对比实验表明,摆坑仪器墩在相对条件下能取得较好记录效果。

基于机器视觉的红外成像系统探测性能评估

在分析红外成像系统的基础上 ,提出了一种基于机器视觉的系统探测性能评估模型 ,阐述了该种性能评估模型的基本思想、子模块及其预测性能的方法 .实验结果表明该性能评估模型能很好地预测复杂背景中目标的探测性能 .

基于小波变换和管道滤波的红外空中小目标检测

针对空中远距离红外小目标检测的实际问题,提出了一种基于小波变换和管道滤波的检测算法。该方法利用小波变换的优良性质,通过分析噪声系数、背景边缘系数和目标系数在尺度间的不同特性,计算各个信号在尺度间的相关系数并归一化。按照自适应阈值法对噪声和背景边缘系数进行抑制,进而通过反变换得到抑制背景增强目标的图像。结合目标面积信息选择适当阈值,对重构图像进行分割生成单帧检测结果。基于目标运动的连续性和噪声的随机性,通过分别设置目标检测和位置变化门限,利用改进管道滤波完成小目标检测过程。试验结果表明,提出的算法能够准确地检测目标,相对于通常的小目标检测算法,该算法在背景抑制方面具有一定的优势,能够获得相对较高的信噪比。

基于高信背比的视频低速暗弱目标增强

为了解决图像处理领域缺少一个描述目标信号显著程度的物理量的问题,引用了光谱学中信背比的概念,类比于信噪比的计算方法,求出目标信号平均灰度值与背景平均灰度值之比,直观地表示出目标信号与背景的对比度。同时,为了解决视频中低速暗弱目标难以分辨与检测的问题,提出了一种视频低速暗弱目标增强方法,首先对视频首尾的连续多帧图像进行叠加差分运算,得到平滑的差分图像,然后进行灰度变换迭代,获得高信背比的图像。实验结果表明,信背比可以有效地描述了目标信号的显著程度,采用提出的视频低速暗弱目标增强方法后,目标信号的信噪比由1.84增加至9.18,信背比由0.33增加至19.44,提高了接近60倍,暗弱目标的显著程度大幅度提高,达到了视频低速暗弱目标增强的要求。