期刊,光谱学与光谱分析 2024年卷3期_国家学术搜索

期刊信息/Journal information

光谱学与光谱分析

主　　编：高松

出版周期：月刊

国际刊号：1000-0593

电子邮箱：chngpxygpfx@vip.sina.com

电　　话：010-62181070

邮政编码：100081

地　　址：北京市海淀区学院南路76号钢铁研究总院

光谱学与光谱分析/Journal Spectroscopy and Spectral AnalysisCSCD北大核心CSTPCDEISCI

查看更多>>本刊系中国光学学会会刊，由钢铁研究总院、中国科学院物理研究所、北京大学、清华大学联合承办的学术性刊物。刊登主要内容：激光光谱测量、红外、拉曼、紫外、可见光谱、发射光谱、吸收光谱、X-射线荧光光谱、激光显微光谱、光谱化学分析、国内外光谱化学分析最新进展、开创性研究论文、学科发展前沿和最新进展、综合评述、研究简报、问题讨论、书刊评述。本刊适用于冶金、地质、机械、环境保护、国防、天文、医药、农林、化学化工、进出口商检等各领域的科学研究单位、高等院校、光谱仪器制造厂家、从事光谱学与光谱分析的研究人员、高等院校有关专业教师和研究生、有关专业管理干部。《光谱学与光谱分析》为我国首批自然科学核心期刊，中国科协优秀科技期刊，中国科协择优支持基础性、高科技学术期刊，是中国科技论文、中国科学引文数据库、中物理文摘、中国学术期刊文摘的统计源刊，被国外的SCI，AA，CA，EI，MEDLINE，AJ等文献结构收录。

正式出版

收录年代

惰性气体在LIBS中的辅助测量研究

许杰谷懿宋宝林葛良全...

601-609页

查看更多>>摘要：激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种发射光谱分析技术,因其实时、多元素、无损、远程等优势,在分析高危环境和重要文物等方面具有极大潜力.目前,LIBS测量技术仍受实验设备,测量环境等因素影响,其中,气氛环境对LIBS测量的影响尤为显著.惰性气体因其优秀的物理性质(比热容,导电率,稳定的化学性质,较大的相对分子质量等)有利于辅助LIBS测量,增强光谱信号,提高检测下限,在激光诱导击穿光谱测量中的应用愈发频繁.因此,在详细调研了惰性气体于LIBS测量过程中的应用基础上,解析了其对光谱信号的影响因素,如很低的化学活性有效降低了空气中其他气体(氧气,氮气等)对光谱信号的吸收湮灭、较大的原子体积限制了等离子体向外扩张,使得单位体积内的温度大幅度上升、丰富的核外电子使产生的等离子体中自由电子大幅度上升,提高了电子密度、亚稳态的存在促使惰性气体对待测样品的延迟激发,辅助激发某些较轻元素并大幅度增加等离子体寿命、能量传递更能特定增强某些特殊能级的发射谱线,获得更高的增强因子、还分析了氡气通过衰变对发射谱线的影响,惰性气体的发射谱线也可用于计算样品的等离子体温度和电子密度等,对LIBS的辅助测量有重要影响.列举了亚稳态在LIBS测量中的应用和惰性气体在不同测量对象中对谱线信号的增强因子.分析比较了不同惰性气体在信号增强,烧蚀质量,时间演化方面的差异,结果表明,氦气相比其他惰性气体较为特殊,归结于其特殊的物理性质和核外结构,而其他气体随着周期数的增加,信号增强因子逐渐增加而烧蚀质量却逐渐减小,等离子的时间演化也逐渐变长,为LIBS测量中选择合适的惰性气体提供理论支持和参考.

关键词：

光谱测量原子发射光谱分析法惰性气体综述

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基于光谱反射率的低照度图像增强方法研究

麻祥才曹前白春燕王晓红...

610-616页

查看更多>>摘要：低照度图像增强技术是机器视觉研究热点之一,Retinex理论模型假设图像是反射分量与光照分量乘积,通过去除或校正光照分量并结合物体的反射特性来恢复图像,被广泛应用在传统算法和深度学习增强模型中.光谱反射率是颜色的指纹,多光谱图像比普通图像的信息量更为丰富.色度学理论和Retinex理论都认为图像的颜色特性取决于反射系数,但光谱反射率是基于仪器测量获得真实的数据,而图像反射分量是基于图像分解假设的数据,目前文献没有从光谱角度对低照度图像增强进行研究.受Retinex理论启发结合深度学习非线性拟合能力,用颜色的光谱反射率代替RetinexNet网络中的图像反射分量,用CIE标准光源的光谱功率分布代替网络中的图像照明分量,提出了一种基于光谱反射率的低照度图像增强方法.首先对图像数据库中正常光照图像进行光谱重建,构建低照度图像与正常光照的多光谱图像数据集.然后训练将低照度图像转换成多光谱图像的深度学习网络模型.任意低照度图像通过网络模型得到多光谱图像,多光谱图像根据色度学理论得到CIEXYZ三刺激值,再通过标准颜色空间转换到RGB颜色空间中显示.该方法在公开LOL数据集上进行训练与测试,结果表明在图像噪声抑制和颜色恢复方面都优于常用方法,证明该方法对低照度图像增强的优越性和有效性.

关键词：

光谱反射率低照度图像增强Retinex理论深度学习

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《光谱学与光谱分析》期刊社决定采用ScholarOne Manuscripts在线投稿审稿系统

《光谱学与光谱分析》期刊社

616页

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近红外无创血糖浓度的Label Sensitivity算法和支持向量机回归

孟琪赵鹏宦克为李野...

617-624页

查看更多>>摘要：近红外光谱分析技术在生物医学工程领域具有广阔应用前景.无创且持续性地测量能实时监控人体血糖水平,给糖尿病患者带来极大便利性、提高生存质量、降低糖尿病并发症发生率具有很大的社会效益.无创血糖监测的想法提出较早,但仍然存在预测精度低、预测值与标签值相关性不高等难点,至今没有达到临床要求.近年来,光谱检测技术发展迅猛且机器学习技术在智能信息处理方面具有明显优势,两者结合可以有效提高人体无创血糖医学监测模型的精度和普适性.提出了一种标签敏感度算法(LS),并结合支持向量机方法建立了人体血糖含量预测模型.使用近红外光谱仪采集了 4名志愿者食指处动态血液光谱数据(每名志愿者28组数据),并使用多元散射矫正(MSC)方法消除了部分光散射的影响.考虑血糖对不同波长光的吸收有差异,提出了基于血糖浓度标签差的特征波长挑选方法,并构建了标签敏感度支持向量机(LSSVR)预测模型.设计实验,对比该模型与偏最小二乘回归(PLSR)和区分度支持向量机(FSSVR)算法.结果表明,LS算法的最佳特征波长数为32,经特征波长选择后的LSSVR表现最佳,其均方误差降低至0.02 mmol·L-1,明显优于全谱段PLSR模型,血糖浓度的预测值与标签值的相关系数提升至99.8％,预测值全部位于可容许误差的克拉克网格A区内.LSSVR模型的优异表现为早日实现血糖的无创监测提供了新思路.

关键词：

无创血糖近红外光谱特征波长LabelSensitivity算法支持向量机

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TDLAS在森林可燃物热解气体多组分同步测量中的应用分析

郭松杰王璐鹏陈金铮马云...

625-631页

查看更多>>摘要：森林可燃物热解的研究,对森林火灾预警和控制具有重要意义.森林可燃物热解过程中主要生成CO、CO2和CH4等含碳气体,这些气体的不断释放容易引发森林火灾并加剧温室效应,快速准确检测这三种组分的浓度有利于火灾早期预警和大气环境保护.通过频分复用结合可调谐二极管激光吸收光谱(TD-LAS)技术准确测量了六种山林树种样品热解气体中CO、CO2和CH4三种组分的浓度,证明了频分复用-TDLAS技术对森林可燃物热解气体多组分同步测量的适用性.首先,介绍了频分复用-TDLAS技术的基本原理,确定了三种组分互不干扰、且谱线强度适宜的吸收谱线.其次,为了准确反演不同的浓度,对二次谐波(2f)信号和二次谐波/直流(2f/DC)信号的特性进行了研究.通过Simulink仿真的方式,比较了利用2f信号和2f/DC信号反演不同浓度准确性的差异,结果表明2f/DC信号具有更大的线性区间,适用于森林可燃物热解气体中不同浓度组分的测量.最后,利用两支中心波长分别为1 580.0和1 653.7 nm的分布式反馈(DFB)激光器搭建了 CO、CO2和CH4同步测量的实验装置.在900 ℃管式炉中对六种树种样品进行热解以及热解气体制备,利用Herriott吸收池测量了三种组分的2f/DC信号,通过标准气体建立标定模型获得了热解气体中三种组分的绝对浓度.结果显示,三种组分的2f/DC信号峰值与浓度满足良好的线性关系,线性度大于0.995,且在焦炭气化反应和Boundouard反应的作用下,六种树种样品热解气体中CO浓度明显高于CO2和CH4.通过分析枫香叶样品的光谱,表明在2 s测量时间内,该光谱系统对于CO、CO2和CH4的最低检测限低于0.008％,灵敏度优于0.005％,满足森林火灾预警的需求.该研究为森林可燃物热解气体多组分同步测量以及森林火灾预警提供了方法参考.

关键词：

森林火灾可燃物热解TDLAS频分复用同步测量

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基于激光诱导击穿光谱的混凝土氯元素分布测量方法

张智郭歆宇杭玉桦邱岩...

632-640页

查看更多>>摘要：氯元素会对混凝土结构产生侵蚀,引起结构内部的钢筋锈蚀,导致混凝土开裂,破坏结构的完整性.化学滴定等常规的混凝土中氯元素含量测量方法存在操作复杂、检测速度慢等问题.激光诱导击穿光谱(LIBS)具有无须样品预处理、二维扫描检测和原位定点分析等优势,但其用于混凝土中的氯元素含量测量仍存在氯元素定量限难以降低、非水泥成分对氯元素二维分布测量结果的影响等问题.面向核电站混凝土构筑物中氯元素含量现场快速检测的需求,研究了氯元素含量分布的双脉冲激光诱导击穿光谱检测方法,进一步评估了核电站混凝土模拟样品渗透面中氯离子的侵蚀状况.首先,分别采用内标法、主成分回归和支持向量回归建立氯元素定标模型,基于内标法得到的氯元素检测限为0.006 02 wt％、定量限为0.018 06 wt％,并采用留一法交叉验证法来评估三种模型的预测性能.其次,为了排除非水泥基质对氯元素检测的影响,分别建立了结合主成分分析的逻辑回归分类和支持向量机分类模型对混凝土中的水泥和骨料进行精确识别.同时选取Si、Ca、O三种元素组合的支持向量机模型的分类效果最优,其对总体组分识别的准确率达到了 98.20％,其中骨料识别准确率97.84％、水泥识别准确率为98.33％.最后,基于主成分回归定标模型针对侵蚀15和30 d的混凝土渗透面的氯含量进行二维分布测量,两种样品的平均预测Cl含量均在约2 mm处达到最大值分别为0.890 wt％和0.599 wt％,结果与电位滴定法一致.综上,基于双脉冲激光诱导击穿光谱检测方法,在30 mJ的总能量下实现了氯元素检测限达0.006 02 wt％,实现了混凝土中骨料和水泥的精确识别,获得了混凝土侵蚀渗透面的氯元素含量二维分布,为核电站混凝土构筑物氯元素含量快速检测的现场应用提供了工程化解决方案.

关键词：

激光诱导击穿光谱混凝土氯组分识别二维扫描

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激光诱导击穿光谱技术在沉积物元素定量分析中的应用

付晓芬宋友桂张明玉冯中琦...

641-648页

查看更多>>摘要：激光诱导击穿光谱(LIBS)可以快速测量样品中各种元素的含量或组成,被广泛应用于环境样品的测试分析,但对第四纪沉积物的分析还鲜有报道.该实验是以青海湖岩芯第四纪湖泊沉积物和国家标准土壤样品为研究对象,利用Savitzky-Golay卷积平滑和标准正态变量变换(SNV)联用对原始光谱进行预处理,然后结合单变量定标分析、偏最小二乘回归(PLSR)对青海湖沉积物样品中Na、Ca、Mg、Si、Al、Fe、Mn、Sr和Ba 9种元素进行定量分析.以交叉验证的结果作为PLSR模型参数寻优的标准,分别以预测决定系数(R2)、交叉验证均方根误差(RMSECV)、预测均方根误差(RMSEP)和相对分析误差(RDP)作为评估PLSR模型的定量精度和稳定性.结果表明,PLSR算法显著改善了传统单变量分析的定量效果,预测决定系数分别为 0.94、0.94、0.98、0.94、0.97、0.84、0.89、0.98 和 0.76,相对分析误差分别为 2.74、2.35、3.27、2.97、3.56、1.68、1.54、4.18和0.75,结合交叉验证均方根误差及预测均方根误差结果可知,LIBS技术结合PLSR算法对Na、Ca、Mg、Si、Al和Sr元素的预测准确度较高,而Fe、Mn和Ba元素的定量效果不是很理想,说明PLSR算法在预测精度和适用性方面存在一定的局限性.为进一步探究LIBS技术应用于元素地球化学指标测试的可行性,利用LIBS预测含量比值与参考含量比值进行对比,二者曲线变化趋势基本一致,验证了 LIBS技术应用于沉积物元素地球化学的可行性和有效性.为第四纪沉积物样品中元素定量分析提供了可靠方法,也为古气候古环境重建提供新的技术手段和研究思路.

关键词：

激光诱导击穿光谱偏最小二乘回归定量分析第四纪沉积物古环境

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基于多光谱图像角度融合测定库尔勒香梨理化指标

刘鸿阳孔德国罗华平高峰...

649-655页

查看更多>>摘要：基于多光谱图像角度融合,提出了一种库尔勒香梨快速无损检测的方法.以库尔勒香梨为研究对象,应用多光谱成像采集系统,以10°为间隔,获取了相对方位角为10°～90°内的多光谱图像.使用EN-VI5.1软件进行多光谱图像角度融合并提取感兴趣区域(ROI),获得多光谱数据.对光谱反射率、波段和相对方位角进行了皮尔逊相关性分析,发现波段和相对方位角都对光谱反射率呈极显著相关性,且相对方位角相关系数为0.1大于波段相关系数0.053,有必要在建模过程中加入相对方位角因素.采用标准正态变量变换(SNV)、均值中心化变换(MC)、卷积平滑处理(S_G)和归一化处理(Nor)等预处理方法,选用偏最小二乘回归(PLSR)建立全波段检测模型,通过校正集相关系数(Rc)、预测集相关系数(Rp)、校正集均方根误差(RMSEC)和预测集均方根误差(RMSEP)对模型的效果进行评价,对比探究特征角度下和角度融合下库尔勒香梨关键指标的模型检测效果.结果表明:采用角度融合处理后,所建立的PLSR和SVM模型预测效果都有显著提升.预测库尔勒香梨含水率最优模型为采用角度融合的偏最小二乘回归模型(AF-PLSR),其Rc为0.936,RMSEC为0.298,Rp为0.901,RMSEP为0.285;预测库尔勒香梨硬度和糖度的最优模型为以角度融合的支持向量机模型(AF-SVM),Rc分别为0.894、0.905,RMSEC为0.527、0.376;Rp为0.830、0.901,RMSEP为0.532、0.379.角度融合将不同角度下的光谱数据结合在一起,获得了比单一角度更加丰富的信息,得到了更加完善的光谱.所建立的检测模型精度更高.结果证明:基于多光谱图像角度融合技术预测库尔勒香梨的含水率、硬度和糖度是可行的.为提高多光谱无损检测精度和高光谱无损检测精度提供了一种新的思路.

关键词：

多光谱成像融合光谱库尔勒香梨偏最小二乘回归

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高光谱结合离散二进制粒子群算法对久保桃可溶性固形物含量的检测

张立秀张淑娟孙海霞薛建新...

656-662页

查看更多>>摘要：可溶性固形物(SSC)是评价久保桃内部品质的重要指标.传统的SSC检测有损、费时、费力;快速、无损检测久保桃的SSC含量对于其品质分级有着重要意义.离散二进制粒子群算法(BPSO)是在标准粒子群算法(PSO)的基础上,更新速度公式得到的,具有精度高,收敛快的特点,多用于离散空间的优化问题.基于高光谱技术结合BPSO算法及BPSO的组合特征波长选择算法对久保桃的SSC含量预测进行研究.首先采集198个久保桃样本的高光谱信息,获取久保桃900～1 700 nm范围内的光谱信息,计算感兴趣区域的平均光谱作为有效光谱数据,同时测量久保桃的SSC值.采用K-S(Kennard-Stone)算法将样本划分为校正集(147个)和预测集(51个).使用BPSO特征波长选择算法对久保桃的原始光谱数据进行特征波长提取,并与竞争性自适应重加权算法(CARS)、连续投影法(SPA)、无信息变量选择法(UVE)等特征波长选择算法比较.同时为了避免单一算法建模中的不稳定问题,提出了基于BPSO的一次组合(BPS0+CARS、BPSO+SPA、BPSO+UVE)和二次组合[(BPSO+CARS)-SPA]、[(BPSO+SPA)-SPA]、[(BPSO+UVE)-SPA]特征波长提取方法.基于上述10种特征波长提取方法分别建立支持向量机(LS-SVM)模型和遗传算法(GA)优化的支持向量机模型(GA-SVM)模型.结果表明,基于BPSO算法提取特征波长建立的模型预测性能均高于其他单一特征波长方法,建立的两种模型预测集决定系数R2p均达到0.97以上;基于BPSO的组合算法中,二次组合(BPSO+SPA)-SPA算法建立的LS-SVM在特征波长数量较少的情况下对久保桃SSC含量预测性能最高,校正集和预测集决定系数R2c为0.982,R2p为0.955,均方根误差RMSEC为0.108,RMSEP为0.139.该模型预测性能略低于BPSO算法,但其仅用了 22个特征波长进行建模,极大地简化了模型.说明(BPSO+SPA)-SPA是一种有效的特征波长提取方法,为水果SSC含量的无损检测提供了新的检测方法.

关键词：

高光谱离散二进制算法特征光谱变量久保桃可溶性固形物

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等离激元银金属膜耦合氮化硅纳米空腔在可见光-近红外区间的多谱带完美吸收和传感性质的仿真研究

王家正刘佳孙维鑫周剑章...

663-669页

查看更多>>摘要：具有多谱带完美吸收效应的超构材料在光学滤波和折射率传感等多种应用中是理想的材料.提出了一种由银金属上的氮化硅介电纳米空腔阵列组成的多谱带窄带完美吸收超构材料.有限元仿真给出了四个最高可达99.9％的吸收峰,以及最小达到0.74 nm的吸收峰宽.这些吸收谱带来自于表面晶格模式和三个表面等离激元极化子模式.此外,这些模式的谱峰对超构材料几何外形和环境介质光学参数的变化敏感,从而在可见光-近红外范围内可以被调控.用于折射率传感时,其具有347 nm每折射率单位的灵敏度,Fig-ure of Merit达到469.这些特性令这一材料适用于光学滤波器和折射率传感器等用途.

关键词：

完美吸收超构材料结构敏感吸收谱折射率传感器表面等离激元

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