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期刊信息/Journal information
光谱学与光谱分析
光谱学与光谱分析

高松

月刊

1000-0593

chngpxygpfx@vip.sina.com

010-62181070

100081

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

    法布里-珀罗干涉仪在远程探测领域的应用

    金康张楠刘冰
    1801-1812页
    查看更多>>摘要：远程光谱探测是人类探索大尺寸空间和物质的重要手段,在天文、气象、深海等领域发挥着重要的作用,但收集远程光谱对光谱仪的性能也提出了很高的要求.根据Jacquinot提出的光谱性能评价标准,相较于其他光谱系统(光栅光谱仪,棱镜光谱仪等),法布里-珀罗(F-P)干涉仪通光孔径大、多光束干涉的光谱分辨能力强,使其在远程弱光探测领域有着天然的优势.从1914年法布里本人第一次将F-P干涉仪用于天文观测以来,F-P干涉仪已被广泛应用于远程光谱测量领域,并逐渐发展出各种改进型F-P干涉仪.传统F-P干涉仪在远程探测领域主要面临三个问题:自由光谱范围窄,大孔径的F-P干涉仪装调难度大,环状干涉结构能量分散.随着探测需求的不断提升和科学技术的长足进步,解决方案也应运而生,本文介绍了三种典型的改进型F-P干涉仪,分别是:增加自由光谱范围的级联F-P干涉仪,适用于极端环境下的旋转扫描F-P干涉仪以及将能量分散的干涉圆环转换为能量集中的干涉直线的F-P干涉系统(CLIO).对F-P干涉仪在气象、天文、深海等领域中的重要应用进行了系统的总结.在气象学领域,介绍了用于大气中层和热层风速测量的大口径F-P干涉仪,测量大气中的痕量气体及其同位素体的德国海森堡高精细度F-P干涉仪;在天文学领域,介绍了由美国威斯康星大学设计、用于研究星际物质发射线的级联F-P干涉仪;在海洋学领域,介绍了国内F-P干涉仪测量布里渊散射的主要应用实例:2004年北京师范大学设计的水下布里渊散射系统,2021年上海交通大学设计的星载布里渊散射系统等;在大气污染检测领域,介绍了南开大学设计的F-P干涉仪用于测量飞秒激光远程光丝NaCl气溶胶荧光光谱.最后提出光谱识别精度,热稳定性是未来F-P干涉仪应用在远程光谱测量领域需要进一步突破的难点.

    法布里-珀罗干涉仪远距离弱信号探测天文学气象学海洋学

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    铀矿区超富集植物可见及短波近红外光谱判别研究

    肖怀春刘阳魏冰雪高家榕...
    1813-1819页
    查看更多>>摘要：随着各国对核能需求的剧增,铀矿勘探成为核能供给中关键环节.铀矿勘探方法主要有放射性物探测量、地球化学测量等传统方法,大都存在探测数据不准确、效率低等的不足.采用近红外光谱技术,结合化学计量学,探索铀超富集植物筛选及确定的可行性.通过铀矿区植物生长情况及特性调查挑选超富集植物,利用近红外光谱分析仪获取不同区域其叶片综合光谱,比较分析光谱响应关系.发现两种超富集植物的吸收峰位于650～700和950～1 050 nm两个波段内,前一个波段为叶绿素的吸收峰主要由C—O与C—H键伸缩振动的组合频产生.后一个波段是水的吸收峰主要由O—H键弯曲振动5级倍频导致.通过PCA与SPA选择特征变量,将两种样本分别按照3∶1的比例随机划分为训练与预测两部分,结合PLS和LSSVM两种方法构建超富集植物铀富集检测模型,并对比预测效果.发现基于PLS的狗尾草铀富集检测模型效果最佳,其判别正确率高达100％,RMSEP为0.115,R2为0.946.两种建模方法中狗尾草检测模型均优于辣蓼,可能是狗尾草富集系数高于辣蓼,导致其铀矿区叶片铀含量浓度高于非铀矿区.结果表明,近红外光谱技术联合偏最小二乘法建立的超富集植物铀富集检测模型效果最好,很好的对铀超富集植物进行无损识别,从而筛选并确定之是可行的.该方法为废铀矿区生态修复提供重要参考,同时为利用特异性、指示性植物寻找铀矿提供新思路.

    铀矿超富集植物铀富集近红外光谱偏最小二乘

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    热解石墨晶体在X射线荧光仪器的应用进展

    汪淼程大伟贾云海李建强...
    1820-1826页
    查看更多>>摘要：石墨晶体具有优良的化学惰性、高熔点、强弹性和独特的电子性能,广泛应用于诸多领域,由于热解石墨具有出色的高反射率,在XRF技术中的运用越来越广泛.热解石墨是一种层状结构的人造合成石墨材料,在接近3 000 ℃的温度下进行退火可以调整材料结构,当退火伴随变形时结构变化增强,退火温度和变形类型的不同组合会导致产生具有不同结构的热解石墨,主要的热解石墨有两种分别是高定向热解石墨(HOPG)和高退火热解石墨(HAPG).HOPG晶体镶嵌度通常在0.3°～3°,具有极高的积分反射率,在2 keV到几十keV的能量范围内,与完美晶体相比,它的积分反射率高一到两个数量级,但能量分辨率稍低.HOPG的能量分辨率主要受镶嵌度和Bragg反射的本征宽度的影响,较大的镶嵌度会导致能量分辨率显著降低.HAPG晶体是一种类似于HOPG晶体的改性材料,晶体的镶嵌度非常低,与相同厚度的HOPG晶体相比,HAPG晶体的镶嵌度约为其1/5,一般是0.05°～0.1°,有较高的能量分辨率,积分反射率会有所下降;HAPG晶体可以单层沉积在基材上并可以弯曲成小半径等几乎任何形状,且不会显著降低能量分辨率.石墨晶体在X射线荧光领域主要是用作单色器,可以有效消除白光、荧光及X射线管中的杂光等原因所造成的高背景,这些优异的性质使其被广泛应用于Von Hamos光谱仪和能量色散X射线荧光仪,Von Hamos光谱仪加上热解石墨晶体的镶嵌聚焦,可以得到较好的积分反射率和能量分辨率;热解石墨晶体在能量色散X射线荧光仪中可以提高分析的灵敏度和检出限.在研究X射线吸收精细结构光谱、测量放射性元素、乳腺X光检查等方面都有较好的表现.文章回顾了近二十年热解石墨晶体在X射线仪器的研究及应用.

    HOPGHAPG镶嵌度XRF

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    基于虚像相位阵列的光谱检测中角色散均匀性的研究

    纪文杰谭中伟
    1827-1834页
    查看更多>>摘要：随着光谱学的不断发展,光谱检测作为一种快速无损的检测手段逐渐被应用于越来越多的领域中.而随着对信息精度要求的不断提高,如何得到高分辨率和低波长误差的光谱信息,是设计光谱检测系统时必须解决的问题.传统的色散元件如衍射光栅,虽然有较大的波长响应范围,但是通常只能提供nm量级的分辨率而无法满足当下的高光谱分辨率的要求.虚像相位阵列(VIPA)具有大角度色散特性,可以有效提高系统的光谱分辨率,因而近年来不断被用于精细光谱检测的研究.但其波长和色散角度对应关系存在非线性,而且同一波长易产生多个衍射级次的光斑,从而造成额外的光能损失.因此,本文主要基于VIPA的交叉色散光路就如何降低VIPA色散的非均匀性的问题进行了理论分析和实验验证.首先基于傍轴理论的色散定律展开理论分析探讨了入射光腰尺寸、入射角度等参数对于VIPA色散的非线性程度和衍射级次数量的影响.然后通过进行仿真记录了宽光谱光源在不同VIPA倾斜角度条件下各波长衍射级次的数量,以及各波长对应的光斑质心的坐标值.计算各情况下的质心坐标与拟合曲线之间的距离均差,比较了不同角度条件下线性度的好坏.最后根据理论分析和仿真实验的结果进行实验.实验中记录了VIPA的交叉色散光路在不同的VIPA倾斜条件下出现的衍射级次数量,并利用一个波长可变的激光器得到了不同波长的光源在VIPA倾斜2°的实验条件下各衍射级次光斑的质心坐标.同样通过计算不同衍射级次光斑的质心与拟合曲线之间的距离均差分析不同衍射级次的线性度好坏.实验证明通过控制入射光束参数,可以一定程度上降低VIPA色散的非均匀性.VIPA倾斜角度越大且越靠近探测器中央位置的衍射级次线性度越好.

    虚像相位阵列光谱检测线性度衍射级次

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    第23届全国分子光谱学学术会议和第五届光谱年会暨黄本立院士百岁华诞学术研讨会(第一轮通知)

    中国光学学会中国化学会中国光学学会光谱专业委员会厦门大学...
    1834,1851,1857页
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    基于XGBoost算法的鱼粉中微塑料的红外光谱识别研究

    许晓栋张慧敏刘佳乐韩鲁佳...
    1835-1842页
    查看更多>>摘要：作为四大新兴污染物之一的"微塑料"带来的危害日益凸显,微塑料的检测识别是其污染评估和风险管理防控的关键.以鱼粉饲料中的微塑料(包括PA、PE、PET、PP、PS、PVC)作为研究对象,运用XGBoost算法分别研究构建了近红外光谱和红外光谱定性识别模型.采用GridSearchCV工具包研究优化XGBoost模型的主要超参数,近红外光谱模型的超参数优化结果为n_estimators:300,learning_rate:0.08,gamma:0,max_depth:4,min_child_weight:1;红外光谱的超参数优化结果为 n_estimators:100,learning_rate:0.02,gamma:0.20,max_depth:4,min_child_weight:1.基于优化后的超参数构建的近红外定性识别模型平均精确率(Precision)为0.985,平均召回率(Recall)为0.977,平均F1值(F1 score)为0.978,相比于优化前模型效果分别提升了40.17％,51.00％,50.00％;红外定性识别模型平均精确率(Precision)、平均召回率(Recall)和平均F1值(F1 score)均为1.000,优化后的模型效果分别提升了20.67％,27.50％,26.33％.进一步与PLS-DA模型对比分析发现,红外光谱的XGBoost模型与PLS-DA模型效果基本一致,近红外光谱的XGBoost模型各参数(Accuracy,Precision,Recall,F1 score)效果均不同程度地优于PLS-DA模型.综上所述,运用XGBoost算法可以有效识别鱼粉中不同种类的微塑料,该研究为鱼粉饲料中微塑料的快速检测识别方法提供理论支持和技术支撑.

    微塑料红外光谱XGBoostPLS-DA

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    基于Au@4-ATP@Au凸多面纳米颗粒的多菌灵表面增强拉曼散射检测

    严霞胡聪聪杨智远赵航...
    1843-1851页
    查看更多>>摘要：表面增强拉曼散射(SERS)技术在农药残留的检测方面具有很大的潜力,但在痕量和定量分析方面仍存在局限性.提出了一种基于Au@4-ATP@Au凸多面纳米颗粒(NCPs-Au@4-ATP@Au)为增强基底的农药检测方法.XRD结果表明,由于探针分子对金前驱的选择性和诱导性,NCPs-Au@4-ATP@Au纳米颗粒与球形金纳米颗粒晶面结构信息有明显差异,具体体现在(200)处的强反射峰.结合扫描电镜与吸收光谱可以确定,NCPs-Au@4-ATP@Au同时具备球形与多面体结构特征.吸收峰较球形金纳米颗粒有明显红移,更加接近激发光波长,这在理论上更有利于SERS信号的增强.实验证明,以表面包覆高指数晶面,同时内嵌4-ATP作为探针分子的NCPs-Au@4-ATP@Au为增强基底,农药多菌灵(CBZ)的检测限(LODs)达到0.66 nmol·L-1.通过对CBZ分子的拉曼与SERS光谱位移分析可以初步确定,CBZ分子是通过NH键和C＝O键吸附于金纳米颗粒上.Au@4-ATP@Au利用多凸面结构体提高灵敏度的同时,以4-ATP作为定标信号,归一后光谱稳定性和时效性也得到改善.内标峰强度矫正后光谱稳定性的相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)低至7.03％,半个月内信号强度仅降低5.87％,RSD为2.94％.结果表明,NCPs-Au@4-ATP@Au提高了SERS在农药检测方面的痕量和定量检测能力,该基底有望推动SERS在实际中的应用.

    表面增强拉曼散射多菌灵凸多面纳米颗粒定量分析内定标

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    基于主成分分析和宽度学习系统的土壤铅镉重金属元素定量分析

    吕树彬杨婉琪李福生
    1852-1857页
    查看更多>>摘要：在土壤重金属元素定量分析研究中,X射线荧光分析(XRF)是一种有效的无损分析技术.由于受到矩阵效应以及元素干扰的影响,已有的机器学习方法在利用土壤XRF光谱预测铅(Pb)元素、镉(Cd)元素浓度时存在性能不足和不稳定的问题.该工作提出了基于主成分分析(PCA)结合宽度学习系统(BLS)的XRF土壤重金属元素定量分析方法(PCA-BLS),用于精确、高效、稳定测定土壤中Pb元素和Cd元素的浓度.使用PCA对56个标准土壤数据进行特征降维,并选取Pb和Cd的前3个主成分作为特征.将最优主成分特征输入宽度学习系统进行校正和测试,并使用网格搜索算法确定最佳网络结构.其中Pb元素和Cd元素对应的BLS的三个最优参数值分别为2,11,11和3,19,15.使用支持向量回归(SVR)、BP神经网络和原始BLS三种模型与PCA-BLS方法进行对比.PCA-BLS在测定Pb对应的决定系数R2、均方根误差RMSE和平均绝对百分比误差MAPE三个指标上取得了0.954、1.433、1.014的结果,在定量Cd实验中取得R2为0.982、RMSE为1.215和MAPE为1.059的精度.网格搜索可视化表明PCA-BLS在预测两种重金属元素时具有稳定的性能.实验结果表明,PCA-BLS可以有效校正土壤XRF光谱中的矩阵效应和干扰,在准确预测Pb和Cd元素浓度的同时保持模型稳定性,是一种具有潜力的XRF光谱定量分析方法.

    土壤重金属XRF定量分析宽度学习系统主成分分析

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    太赫兹多维度相位调控反射超表面研究

    黄若彤李九生
    1858-1867页
    查看更多>>摘要：数字编码超表面可以控制电磁波传输,受到了广泛关注.大多数报道的编码超表面基于几何相位或传输相位实现对反射或者透射线极化波和圆极化波的2π相位覆盖,限制了太赫兹波调控灵活性.提出传输相位和几何相位相结合排布超表面,在线极化太赫兹波入射下,基于传输相位机理设计的超表面产生了涡旋波束.根据几何相位原理,在圆极化太赫兹波入射下,设计的超表面产生了反射波束的偏转,超表面可以在多个频点产生涡旋波束,在0.9和1.2 THz处产生拓扑荷数l=1和l=2的涡旋波束,通过卷积生成偏折涡旋波束.最后设计聚焦超表面,实现了反射聚焦.研究结果表明,设计的超表面提供了一种多自由度的太赫兹波偏振和相位操控方法,在太赫兹系统具有广阔的应用潜力.

    太赫兹相位调控涡旋波束波束偏转

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    改进模糊推理分类器进行木材树种近红外光谱开集分类识别研究

    李振宇赵鹏王承琨
    1868-1876页
    查看更多>>摘要：开集分类识别是近10多年来模式识别领域研究的热点,它能够识别训练集中已知类别的测试样本,同时还能够有效"拒识"未知类别的测试样本;这些未知类别样本不包含在训练集中.现有的开集分类识别算法主要是基于Support Vector Machine(SVM)和深度学习网络框架进行改进,并且主要应用在自然景物图像领域中;在光谱分析领域中还鲜有报道.将传统的闭集框架下的模糊推理分类器进行模型改进,提出了开集框架下的改进模糊推理分类器,并将其应用到木材树种近红外光谱分类识别中.首先,使用Flame-NIR近红外微型光谱仪采集木材样本横切面的近红外光谱曲线,采用Metric Learning算法进行光谱向量维度约简降维至4维(4D).其次,改进闭集框架下的模糊推理分类器,根据模糊规则置信度和各维度隶属度概率的乘积构建Generalized Basic Probability Assignment(GBPA),再根据GBP A进行分类处理.在20个树种的具有不同的Openness指标下的近红外光谱数据集的分类识别对比实验表明,改进的开集模糊推理分类器(fuzzy reasoning classifier in an open set,FRCOS)优于现有的基于机器学习和深度学习的开集分类识别主流算法,具有较好的评价指标F-Score,Kappa系数及总体识别率.

    开集分类识别木材树种识别模糊推理分类器近红外光谱分析

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