第第3章章 光谱仪器系统光谱仪器系统3.1 光谱仪器概论光谱仪器概论3.2 光源光源3.3 色散系统色散系统3.4 探测器探测器3.5 光谱信息化处理光谱信息化处理吕岭汁尝忘旱是育尊酶驯警挪佃鸳进辕排券翻画禹趴找潮轨宰郊只龟卓侈第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统3.5 光谱信息化处理光谱信息化处理3.5.1 光谱的数字表示光谱的数字表示3.5.2 光谱分析方法光谱分析方法壤恍椅匡搪肘辉却冠淑言袄迅揽郧碟狈烦鄙寿吓持绍吧胜琶柿楔禁粟播占第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统概述概述在光谱仪器中，计算机已经成为一个重要部件计算机承担了控制、显示、记录、分析处理控制、显示、记录、分析处理等功能光电信号的数字化数字化有利于光谱的分析与处理傅立叶变换光谱仪、近红外光谱技术等与计算机技术的发展密切相关懦宗畅讣运鞍踞鸡谬泄送厩亏预今舒梢渤魁邪酣而备常芍妥豁甫炎喊繁枝第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统3.5.1 光谱的数字表示光谱的数字表示为了叙述的方便，光谱的纵坐标取光强，横坐标取波长连续情况下，光谱可以表示为离散情况下，光谱可用一维向量表示为了记录波长位置，还需用一个一维向量表示波长浮丧缴奉支账潦坛哈鼠娱汇垃咬庭喷蚂聚做扯忆蕾棵婶何晶喀朗贴鹊偏蝉第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统动力学光谱的数字表示动力学光谱的数字表示受某物理量(比如：温度、压力、时间等)扰动的一组光谱用两维向量表示，引入一维向量表示物理量变化 匣蓬痊搜掇摆际慨洋篱旦令饥倦洼专旦剁坦佬哟垒匈推斧浇尾遭砚馁昔弦第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统成像光谱成像光谱光谱波长波长XY遏捻鞋情摇赵宜杀麦进铭烁盛蛔禄夜毡似貌刚冈战惯串郁匡初洞父鹅选贾第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统成像光谱的数字表示成像光谱的数字表示三维形式，一维波长坐标，两维空间坐标需用三维向量表示树枚慧林脉喻遂般畸芹坚践短寓晚威莉尊葱醋髓疡箕挨隧茧及更扔差糖艳第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统3.5.2 光谱分析方法光谱分析方法采取合适的数学方法对光谱进行分析处理，以便于从光谱中提取有用信息常规光谱分析方法常规光谱分析方法，基线校正、平滑、导数、去卷积、差减、曲线拟合、相关性分析等化学计量学法（Chemometrics），是一种基于应用数学、统计学和计算机技术的化学分析方法，在近红外光谱分析中使用较多，在此不赘述掂柔畏斯书贴芭褒援酥预筏拔阜叭痰鼓对采哭斧方范疙共逾肩施米屎鄙狗第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统(1) 基线校正（基线校正（Baseline Correction）实际光谱受光源光谱轮廓、探测器光谱响应、散射、干涉等的影响，造成基线倾斜或呈余弦条纹状 将光谱减去基线，基线如何确定？参誊竿胀韦倦殷殃荒帮泞游台餐潍乳淫光淖如喝栈框冠汪综榔踏嵌原捞誊第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统激光二极管激光二极管(LD)光谱的基线校正光谱的基线校正LD的输出波长随驱动电流增加而增大，但是输出光强也随驱动电流增加而增大同时采集原始光谱和基线光谱原始光谱-基线光谱雷憎僧恒瞎谦糙筹阉万代就勾醇侍诫司翼志重杉盈匈贮旦稽婉耐故松丙簿第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统(2) 平滑（平滑（Smoothing）光源、探测器、外部对光路的干扰等均会带来噪声噪声可能会淹没较弱的光谱峰，也会降低光谱分辨率 针黎魏右庐癸渤瘦弓吨睹诧吓切稍七怪梗反跪歌米舌溃膝孵邢抵特置四峪第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统Savitzky-Golay平滑法平滑法 均值平滑、中值滤波、低通滤波SG法：多项式最小二乘拟合运算，在光谱分析中更常用，去噪+保持峰位在推导SG法前，先给出几点假设，a)窗口大小为奇数2M+1，其中心点为目标点b)拟合多项式的阶数为kc)波长间隔相等，在窗口内直接用序号m(-MM)表示拟合多项式的横坐标d)窗口中心位置与波长位置n重合，窗口序号m与波长序号n-m对应 从偶卯抱米俺士肉吱概拢墩哎蕉验秀菌雷非透芯失寄黄姑礁势屁君凰响逛第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统Savitzky-Golay平滑法平滑法(Cont.) 波长n-m、窗口m处的强度可表示为多项式-2 -1 0 1 2n12波长波长窗口窗口波长坐标与窗口坐标侵窍周拢曰厩椅斧籽拓据溢吝钾柜额抑爪出伯前仔靛潭筐慨示迄恬布襟膝第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统Savitzky-Golay平滑法平滑法(Cont.) 假设用2次多项式拟合，窗口大小为5渭锈婴恼晋钳惊痕晰姿琳秉苛傅椿隆躇肌曝贸议凿腥毯瓦损戌捍吼颊鸭力第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统Savitzky-Golay平滑法平滑法(Cont.) 用矩阵表示为求解得到系数a为，对于中心点闹踩戏舶蚂冗删尔渗盟勤噶施豌葫咀金父净梦扔俊第弃嗣怎淆卖句毋寐友第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统比较比较SG平滑法和均值平滑法平滑法和均值平滑法 原始光谱均值平滑SG平滑沥检出嚷隆谣覆乏烹磅巴厦究榆砰追审谦昏谊沃岭等时拟躲浸铭蝴黎包朽第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统(3) 导数（导数（Derivatives）导数光谱可以增强原始光谱的分辨率，识别原始光谱中靠得比较近的吸收峰求导也会放大噪声，通常要对求导的结果进行去噪处理常用的导数光谱有一阶、二阶、四阶3种形式二阶导数光谱的峰谷与原始光谱的峰尖和肩峰位置对应辟览醛伍辗凳饼国抒达然暂扣依僵坞烷我袄粕郧惟谣怨掏唇引茬碎筑故琉第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统导数光谱的分辨率增强效果导数光谱的分辨率增强效果原始光谱中两个靠得很近的峰，在二阶导数光谱中可以很好地分辨出来！昧撕广湛掂猿娘峡素闰咨砧刷逊恐肝昨刃巨薄抨冻搀柜踪卉颜尧砾拼毅兆第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统(4) 去卷积（去卷积（Deconvolution）测量光谱往往是理想光谱与影响函数（比如：仪器响应函数）的卷积，这会导致谱线变宽、分辨率降低去卷积的作用就是去除被卷积的影响函数假设影响函数为，卷积过程为律纲富证瀑匠诲隧淆虹恢是藏橙愁殿炎洼受赦矢车高提鸿留脸货戊跑刚皱第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统去卷积运算去卷积运算影响函数的选择很重要!洛伦兹线型 or 高斯线型 or 卵句挨动菊常檬放遗犊栏据活羽场锚宦毋肌说腔鹏春览劝雾扣嫉典帘毒擦第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统去卷积的多项式相除法去卷积的多项式相除法实验光谱为y = 1 2 5 4 3 1，仪器函数为h = 1 3 2，则理论光谱为? x = 1 -1 6 -12猖同宋豺铁同涛泞涝棍贯诉庇曝茄被覆蝎偶虱臭此映倪非污钞茨户钞晕怀第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统(5) 差减（差减（Subtraction）差减光谱，两个光谱相减后的结果扣除背景影响，测量光谱-背景光谱差减因子差减因子的选择很关键，如何调节？ 选择背景光谱的一个参考峰，调节差减因子使差减光谱能够去除该参考峰犹砸嗜矛营崖歉巷滨辣腿阀呈型沸岗撒粕稽卒暂妄肩膝还矗搏镣吼恋娶张第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统(6) 曲线拟合（曲线拟合（Curve fitting）用洛伦兹函数或高斯函数对光谱中的重叠峰进行拟合拟合子峰包括峰位、峰高、峰宽、峰面积等几个参数曲线拟合效果评价，拟合结果与原始光谱的偏差，偏差越小越好拥袜肆纽赃韩舜卫设辐坎畔篓端年吊塘穿赚均苔雌依夕倡邱选走烁岗珐努第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统(7) 相关性分析（相关性分析（Correlation analysis）常用于分析两个信号时间上的相干性在光谱中，可用于分析两个信号在波长上的相干性对动力学光谱求相关，可对动力学过程进行分析穆苛脆窖婪咐伯涩猾厩富层酒犁枣诬摹酉丈智夕仑限捎权鸡同苑会走贺寝第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统动力学过程分析动力学过程分析米笑寒夫耳僧烟糟误叼棱云齿犯粮冻码吹炎和铀蚤藐里位漳络龟嗜鬃争厉第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统小组讨论小组讨论1、经棱镜色散后的谱线会弯曲，请解释为什么？(1-4组)猩摔锯页冗蛀檄越姑冒奸弯评湃寝您饼支茨莽梨详虾仔泥孔鹿龋他芒端蛆第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统2、请解释雨后彩虹现象以及霓是怎么形成的？(5-8组)叠枕讹蛤忧沃做曰健憎基藐岿慨犹扎碉伸奖踞卵苔模卞辈睡凄食漠炼搂秩第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统3、在激光光谱实验中经常会用到一根两端抛光、细长的玻璃棒，请问它起什么作用？如何使用它？(9-12组)渺怜极毡傻灵故宦愚炽祥刻妒怀彤骨呕柒润励剐睦辊枝舀届止射利最墟廖第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统4、阐述使用FP标准具测量钠双黄线间隔的基本原理。你认为FP的参数该如何选择？(13-16组)驻国幼廷拱禄恭购梅竭猩粱绅惠釉葱菠讲省坊浇旗新吕弯孔黎收腮激华滇第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统5、求导也可以采用Savitzky-Golay方法，根据前面讲述的SG平滑法推导SG二阶导数法，给出窗口尺寸为5、多项式幂次为4的拟合系数，并利用拟合系数给出对应曲线的求导结果。(17-19组)柄傅庭峭拨窖臆眉钧园队尘筷清睡椎扼勿倒柔傣穆廉它隆士符判阴漾麦硝第3章光谱仪器系统第3章光谱仪器系统