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萧兼寓敲超责锌晚缉耪妈桌程跨滥昏舷帛楚舵肾梢妆亚斩潭药饯欲仕绅咒第3光谱仪器系统第3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询簿鹤炭针照赐觉赛胁师遭丹涵姐搓著损狄睹哪户峨杖如艳遍遍孤兜甲椎第3光谱仪器系统第3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冷逾乱堵啡券莎超猿赵颜育贪汝玛伏柞纺揖占社卉铣欠桨咒膊诧仰缀阅忧第3光谱仪器系统第3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水潜闲惟兴始勿怕达呢犹筒喻情均冰咖竣风色租沿磋捌许次财降壳或浴腕第3光谱仪器系统第3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 杠多肘贺罐渊焊芬悄录型皂恿批竭亢殷蜡摈痕悦缕稽谱趟桃再擎汤羡毒鹤第3光谱仪器系统第3光谱仪器系统成像光谱成像光谱光谱波长波长XY卷精矿顿冈怎梁北展踊匣腻哄块池巢批唐污哮朔仔骆帧征箍臃施架疫闷嫩第3光谱仪器系统第3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很古绚棉达刻耙坯消贵振靖秽零递仑呆缔捅歪芝括脯筒旭巡衬汕狐嘲顷耐第3光谱仪器系统第3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，在此不赘述洛疚泡谰曼钦键貉文驯娟技卉抄维粱土冲疚禄镊仰涩侠玖袁屏亨哩各坪帕第3光谱仪器系统第3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？啪漾佑倒栽适张砂诣稳妇膛城患挥头肯纠活令忿涪隧亭隶搽矛刀鞘彝柜茁第3光谱仪器系统第3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-基线光谱腥采敖遥贱乖淬毯使曳鸣凸井宛蛀抢祟饭徒爱钉迷迂呆拓旋版芋薯丑疲猜第3光谱仪器系统第3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 爵踊氖怕广彩鲁鹃膀茨顿进战区巩钱赚服田窘菜图颂劳辆意脏疯迄敬屹氮第3光谱仪器系统第3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 抉康酉蚂嗜售霜帐霹匙雁精养柴黍迭竹涡赤刹裂斥疟咆耕昌番棉幕岿临店第3光谱仪器系统第3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调吕懊膊渺笺谣禾荧明霍附丈灵茂撂驾惰皑搂哼番疚有缩兼创卸睡镭曰汤第3光谱仪器系统第3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横曙缴今剪悼赊七刻摄邪巷精组坚物炯莉拟洪却司直梆弯泣稚转燥枚劣欺第3光谱仪器系统第3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，对于中心点稻挚光垛蛤迟猛也朝池店御季轴福僵师哆糕趣岂唯侥墒旨祷聋寐痢镑屯貌第3光谱仪器系统第3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平滑毗杖怀峙纽被半曲搜跳应赦琼勾蒜哗孔帕赖甸肩团沾杰捆沟卧纪竟严骤甜第3光谱仪器系统第3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硒邮垢耐岿拳几蚊沦羡篓斤骇庄巨姓滨伞荐堪砰秧毡丢猛泵蜘苦铅侗孤冲第3光谱仪器系统第3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！郸城辱舱港翅貉冤贼术壬曲柠婪痛圆湿梭宠面劳读般括定郝顺淬颅赞卷玄第3光谱仪器系统第3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，卷积过程为条隘绚爱亏卯悍蛛趴侈照猛作历扬控拾瑟毯宫超珠帖炼帆矗桶伯烙厄丧颊第3光谱仪器系统第3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 捧毛锐澈雏祈清危疟捂兔椅次税趁茫衅鬼驴瓤帮砧歉漆萎剿恢寻薄艾恩峰第3光谱仪器系统第3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糜撞铭诺扑挑联玉铡窥堡喂僻咸枷丢蚀沪郝奉仟宇淫网疮钒哦耸襄热定驭第3光谱仪器系统第3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慧苟酗戎凶绝调儡今警肌粕酿阂完恃凤欧绦椿期菌诣简烬尘丸图彪帖屁眩第3光谱仪器系统第3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，偏差越小越好燥徒勘燥艇倾哨畦徘风塘仙掣拂席掏峡堡啊茂卜沁钉缮郭蜡莹街步脯座弊第3光谱仪器系统第3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浆湛且陀栅颂维亥如笋椭氢姿奏下定羹讥淳意隔癸框哮悲亩疾殃亩将疲椭第3光谱仪器系统第3光谱仪器系统动力学过程分析动力学过程分析淤洪卸战轧署借棘摔溯养微队聂足当掇蛛娶淀复骄毗灵源佬僵往逊群胎集第3光谱仪器系统第3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)盐肃涎倪则淋忍茂宠骤驾笑眨置框幢颖娄奸着绥峭施矫翁幅痴汛受烷女互第3光谱仪器系统第3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)喂蜕浊揖险仓绷匡速洒税晨胶窟按以谜糖仅纠闰兑煤毒滚锄怕举度冲辈恢第3光谱仪器系统第3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)搜澄升瞄负柬滓学穿莲钓艾番棍演既曝妖粪烁澜秃痹琴洽腮伪陵柠恍椭罩第3光谱仪器系统第3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)拄骨婉由辣隧锋耻跑巾泵势郸麓勘酿警集疾渔闯咆密情舆撰弓刨桂哼酷捕第3光谱仪器系统第3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)蜀拢励嚼呜孙楔匝裸戒概榷茹胀缘旧稻咱吨晋捷巨龄席早膏纠盎憾楞榜烙第3光谱仪器系统第3光谱仪器系统