【摘要】：發(fā)展海洋原位化學(xué)傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對水下目標(biāo)化學(xué)成分的原位探測，對海洋科學(xué)研究的深入開展以及海洋環(huán)境監(jiān)測、資源開發(fā)利用等都有重要意義。與電化學(xué)傳感器相比，新興的基于光譜學(xué)原理的化學(xué)傳感器具有多成分同時探測、快速、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，是目前水下原位探測技術(shù)研究的熱點(diǎn)。然而將光譜技術(shù)應(yīng)用于水下原位化學(xué)成分探測首先需要攻克兩方面的關(guān)鍵技術(shù)：一是適用于水下的寬范圍、高光譜分辨率的光譜探測技術(shù)，二是現(xiàn)場光譜數(shù)據(jù)的自動實(shí)時處理方法。本文即圍繞這兩方面內(nèi)容開展研究工作。 為解決寬范圍、高光譜分辨率的時間分辨光譜采集問題，構(gòu)建了以折疊光柵光譜儀和帶有內(nèi)部數(shù)字延遲產(chǎn)生器的ICCD相機(jī)為核心的光譜圖像采集系統(tǒng)，并以LabVIEW為開發(fā)平臺，借助ICCD相機(jī)的SDK實(shí)現(xiàn)了時間分辨光柵衍射圖像的采集。在從光譜圖像到光譜的處理過程中，從9塊子光柵衍射圖像中各取單行像素，以多項(xiàng)式擬合方法實(shí)現(xiàn)分段光譜的波長校準(zhǔn)；通過對9個光譜段的截取、拼接獲得了300-700nm范圍的全譜譜線。測試證明系統(tǒng)像素波長分辨能力可達(dá)0.054nm/pixel，波長準(zhǔn)確度達(dá)0.1nm。 針對折疊光柵光譜儀制作工藝導(dǎo)致的光柵衍射圖像變形問題提出了軟件校正方法。對每塊子光柵衍射圖像經(jīng)過圖像校正、一維中值濾波、像素合并三個步驟的處理，可在保證光譜分辨率基本不變的前提下，提高光譜信噪比約6倍。在上述工作基礎(chǔ)上，以開發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行了溶液中Raman/LIBS聯(lián)合探測實(shí)驗(yàn)，同時獲得了硫酸根、硝酸根的拉曼信號和鈉離子的LIBS信號，驗(yàn)證了以該系統(tǒng)進(jìn)行水中原位光譜探測應(yīng)用的可行性。 針對水下光譜探測中實(shí)時分析、長期監(jiān)控等應(yīng)用需求，提出了以自動尋峰為核心，以定標(biāo)曲線進(jìn)行成分分析的光譜數(shù)據(jù)自動處理方法。在該方法中，尋峰是進(jìn)行光譜自動分析的首要和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。論文從弱峰和重疊峰識別能力、對噪聲敏感程度、背景和趨勢影響、計(jì)算機(jī)自動化處理等方面考慮，選擇以對稱零面積變換方法作為自動尋峰方法。針對重疊峰中峰參數(shù)難以準(zhǔn)確提取的問題，以對稱零面積變換尋峰法獲得重疊峰的初步參數(shù)，以L-M算法進(jìn)行擬合優(yōu)化，提高了峰參數(shù)的提取準(zhǔn)確度。在自動濾波方法方面，則對小波閾值濾波方法和EMD方法進(jìn)行了比較研究。以論文中提出的光譜數(shù)據(jù)自動處理方法對DOCARS系統(tǒng)獲得的海試光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了反演分析，獲得了理想的結(jié)果。 最后，在總結(jié)完成的工作的基礎(chǔ)上，論文從海水原位探測應(yīng)用角度提出了進(jìn)一步工作的設(shè)想，包括波長的自動校準(zhǔn)、海水環(huán)境中的強(qiáng)度標(biāo)定和光譜自動分析的深入研究等。同時針對聯(lián)合探測實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的實(shí)際問題，提出了具體的改進(jìn)方案。
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：P716;TP391.41
【圖文】：

面向水下原位探測的光譜圖像采集與數(shù)據(jù)處理 / BYF, 2013算機(jī)、ICCD 相機(jī)和電源模塊組成，這是論文研究的重點(diǎn)。由折疊光柵的色散成像系統(tǒng)對光譜探測范圍和波長分辨率等性能指標(biāo)有重要影響，要討論的光柵衍射圖像處理方法有緊密聯(lián)系。因此，下文中在對時間分系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件介紹前也對折疊光柵光譜儀予以簡單介紹，其詳細(xì)情附錄 A。

圖 3-2 折疊光柵光譜儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖片(a)和折疊光柵實(shí)物放大圖(b)3.1.2 光譜圖像記錄系統(tǒng)—ICCD 相機(jī)為滿足對微弱信號探測和對光譜時間分辨功能的要求，選用Andor公司帶有內(nèi)部數(shù)字延遲產(chǎn)生器的ICCD相機(jī)iStar734-18F（如圖3-3(a)）作為折疊光柵時間分辨衍射圖像采集的設(shè)備。ICCD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-3(b)所示[131]。放大圖折疊光柵

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本文編號：2735437