光谱仪器系统.pptx

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 成像光谱成像光谱光谱波长波长XY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(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？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(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 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 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Savitzky-Golay平滑法平滑法(Cont.)假设用2次多项式拟合，窗口大小为5Savitzky-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(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！(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 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(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(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(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动力学过程分析动力学过程分析小组讨论小组讨论1、经棱镜色散后的谱线会弯曲，请解释为什么？(1-4组)2、请解释雨后彩虹现象以及霓是怎么形成的？(5-8组)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)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)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)