岩石是由多种矿物组成, 其反射率光谱吸收特征与矿物含量之间存在紧密联系, 矿物光谱在特定波段处的光谱吸收特征是定量估算含量的重要指标之一。 为提升岩石光谱吸收特征定量反演矿物含量的准确度与精度, 以白云母为研究对象, 分析岩石光谱在2.2 μm附近的光谱吸收特征及其白云母含量, 采用Savitzky-Golay平滑滤波和连续统去除法对岩石光谱反射率进行处理, 进而提取光谱吸收特征参数(吸收深度、 吸收宽度、 吸收面积), 分析岩石光谱在2.2 μm附近吸收特征与白云母含量之间的相关性。 研究中采用单一吸收特征建立统计模型、 多维吸收特征建立偏最小二乘法(PLS)和多层感知器(MLP)模型, 对岩石中白云母含量与光谱吸收特征参数进行分析, 进而提出一种非线性预测岩石中矿物含量的方法。 研究结果表明, 岩石光谱在2.2 μm附近的光谱吸收特征中, 吸收深度与白云母含量之间的相关性最高。 基于单一吸收特征的统计模型中, 二次曲线模型对吸收深度拟合的效果最佳, R2为0.935 0, RMSE为0.063 0, 岩石光谱的吸收深度随白云母丰度满足二次曲线变化, 岩石中白云母的含量越高, 岩石光谱吸收深度值越大; 基于多维光谱吸收特征的PLS模型相较于MLP模型拟合的效果更佳, 其R2为0.947 7高于MLP的0.901 2, RMSE为0.002 7低于MLP的0.005 1; 整体上, 多维模型优于单一维度模型, PLS模型反演能力最佳, 该模型在预测白云母含量上具有运算量小、 精度高的特点。 通过分析岩石在诊断特征处的光谱吸收特征, 为其矿物组分的含量等进行定量反演提供理论参考, 为矿产资源监测与评估提供快速高效便捷的方法。

为分析我国未来拟发展的高轨静止卫星毫米波大气辐射特征, 选择最佳模拟其毫米波辐射的光谱吸收线库方案, 选取了三种基于典型光谱吸收线库逐线吸收模型（毫米波传播模型(MPM)、 罗氏模型(ROS)和高分辨率分子吸收传输模型(HITRAN)）, 针对拟新增的静止轨道毫米波探测频率424 GHz, 分析了三种大气吸收模型模拟该频率大气吸收系数随大气温度、 大气压强和大气湿度的变化差异。 构建了一种多层毫米波辐射传输模型, 利用上海探空站加密观测数据, 模拟风云三号B星微波湿度探测仪(FY3B/MWHS) 183.31 GHz三个毫米波通道辐射值, 并与真实观测值对比, 分析三种光谱吸收线库在模拟海陆边界地区毫米波辐射时的性能差异。 分析结果表明, 对于424 GHz通道三种大气吸收模型对大气温度、 大气压强和大气湿度的敏感变化趋势一致, 数值上MPM模型与ROS模型更接近, HITRAN模型要显著低于其他模型。 对于183.31 GHz, 在海陆交界地区MPM模型模拟误差相比ROS和HITRAN模型最小, 所有模型的第五通道模拟误差比第三通道和第四通道要小。

烟羽断层重建质量受两方面条件限制: 其中一个限制条件是遥感设备的时间分辨率。 以往的研究多使用多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）进行CT重建, 受采集数据速度的限制, 重建图像的时间分辨率较低。 另一个限制条件是, 采集到的数据量有限, 是典型的不完全角度重建。 过去多使用代数迭代重建算法或统计迭代重建算法, 重建图像受测量误差的影响比较大, 分辨率较低且伪影较多。 构造了基于成像差分吸收光谱技术（IDOAS）的光谱数据采集系统, 与多轴差分吸收光谱仪构造的系统相比, 数据采集的时间分辨率提高了160多倍, 基本解决了时间分辨率的问题。 提出了一种基于压缩感知理论和低三阶导数模型的烟羽断层重建算法——投影凸函数集低三阶导数法, 简称为POCS-LTD。 在投影的过程中, 使用代数重建算法使重建图像符合投影方程; 在全变分迭代的过程中使用了优化算法, 将低三阶导数模型的全变分归一化值作为优化算法的迭代方向, 前次迭代运算结果与本次投影运算的差值的模作为迭代步长。 对重建算法进行了数值模拟, 并以重建图像的接近度和一致性相关因子为指标, 对重建结果进行了分析。 数值模拟表明, 算法具有良好的抗误差能力, 与传统的低三阶导数法相比, 本文提出的算法将重建接近度减小了80%以上。 使用烟羽数据采集系统进行了外场实验, 用POCS-LTD算法对外场实验的数据进行了烟羽重建, 重建图像显示烟羽图像清晰, 伪影得到了较好的抑制。 介绍的烟羽断层数据采集系统和烟羽断层重建算法, 提高了烟羽断层重建图像的时间分辨率, 减少了重建图像的伪影, 扩大了光谱测量技术的应用范围。

根据皮肤组织解剖结构特性建立了六层层状模型, 并给出了皮肤组织各层的特性参数; 考虑了氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收特性, 依据皮肤组织各层的水、 血、 脂肪、 血氧饱和度含量以及血管大小给出了皮肤组织各层的光谱吸收系数; 对不同波长散射系数做了适当简化, 给出了皮肤组织各层的光谱散射系数。 利用蒙特卡罗方法仿真血管组织在收缩与舒张两种状态下, 400～1 000 nm波长光在皮肤组织多层模型中的传输过程, 并通过统计大量光子的分布特性, 获得了皮肤组织光谱反射系数, 并利用模拟所得的两种状态下的反射系数计算得到了光谱容积脉搏波幅度。 仿真结果表明, 当入射光强一定时, 绿光的容积脉搏波幅度优于红光和蓝光。 通过计算不同波长光沿皮肤组织深度方向光能流率衰减为1/e时对应的皮肤组织深度, 获得了皮肤组织光谱穿透深度。 结果显示, 血管舒张状态下蓝光和绿光的穿透深度较小, 蓝光大部分只能达到表皮层, 绿光能到达微循环层, 红光可直达真皮层。 考虑到光在皮肤组织中传播包含了一个从收缩到舒张的动态过程, 基于此, 根据穿透深度定义了脉搏波信号产生深度, 利用血管舒张与收缩两种不同状态下的穿透深度计算得到了光谱产生深度。 结果表明, 不同波长光产生深度大于其穿透深度, 蓝光产生深度较浅, 且其受到的血液吸收调制较小, 因而其获得的脉搏信号易受噪声干扰; 红光的容积脉搏波产生深度较大, 但是相比于绿光其受血液吸收调制较小, 且绿光产生深度足够达到真皮血管层, 因而红光容积脉搏波的幅度小于绿光。 上述仿真结果明确了皮肤组织部分光谱特性, 为皮肤组织多光谱容积脉搏波的精确获取及其他相关研究提供了一定的理论基础。

土壤中的重金属含量较少, 难以在光谱曲线上表现出明显的特征, 现有的土壤重金属反演实验多是通过统计的方法寻找重金属的敏感波段, 不能准确解释土壤重金属的反演机理, 难以建立土壤重金属反演的普适性模型, 通过分析铁锰氧化物、 有机质、 粘土矿物在土壤光谱曲线上的吸收特征, 深入研究了土壤重金属对可见光近红外光谱的影响, 分析了褐土中的重金属反演机理。 以徐州试验田为例, 共采集80个土壤样本。 首先, 利用ASD地物光谱仪测定土壤样本的光谱反射率, 并采用电感耦合等离子体质谱仪检测土壤样品中的Cr, Cd, Cu, Pb和Zn的含量。 然后, 土壤光谱经过包络线去除处理, 与重金属相关的吸收峰在480, 1 780和2 200 nm附近, 所显现的吸收峰主要受土壤中的铁锰氧化物、 有机质、 粘土矿物的影响。 在吸收峰位置提取了光谱吸收特征的四个参数： Depth480, Depth1 780, Depth2 200和Area2 200, 分析了它们随五种重金属含量变化的增减趋势, 发现四个参数数值与五种重金属含量有很强的相关性。 分析单个变量反演重金属发现, 参数Depth480反演Cr和Pb的效果较好, 参数Area2 200, Depth1 780反演Cd, Cu和Zn的效果比较好。 同时使用四个光谱吸收特征参数, 利用最小二乘法、 岭回归法、 支持向量回归法求取回归系数, 建立的五种重金属含量的反演模型比使用单变量建立的反演模型预测能力强且稳定, 五种重金属Cr, Cd, Cu, Pb和Zn反演效果最好的验证集决定系数分别是0.71, 0.84, 0.92, 0.80, 0.89。 结果表明, 在此研究区域Cr和Pb容易被铁锰氧化物吸附, 而Cd, Cu和Zn更容易被有机质、 粘土矿物吸附。 此研究为探究土壤光谱特征与土壤重金属含量之间的关系提供了参考。

葡萄酒市场的迅猛发展, 大量的中国优质葡萄酒也一直受假冒葡萄酒的侵害。 假冒劣质葡萄酒的存在不仅影响中国优质葡萄酒的品牌, 也会对人体产生一定的伤害。 葡萄酒中掺水掺伪是制造假酒的最常见的手段, 因此, 对葡萄酒掺水掺伪的检测方法的研究也越来越受到国内外学者的重视。 相比于传统的感官鉴定法、 理化指标分析检验方法, 具有快速、 高效、 无需破坏样本、 非接触性等独特优势的可见-近红外光谱分析技术, 更加适合于葡萄酒品质的快速检测。 为了快速、 准确的检测葡萄酒掺水问题, 基于可见-近红外光谱构建了一种反映葡萄酒掺水程度的光谱吸收深度指数(DI), 并设计构建了基于DI指数的葡萄酒掺水量的反演估算模型。 首先采用长城解百纳葡萄酒(CC)、 张裕解百纳葡萄酒(ZY)和西奥葡萄酒(XA)三种葡萄酒配制葡萄酒样本, 分别提取相同量的葡萄酒作为实验对象, 掺入比例为0%(未掺水的纯葡萄酒), 4%, 7.7%, 11.1%, 14.3%, 17.2%的蒸馏水, 获取样本共18份; 另外对长城葡萄酒加大掺水比例, 分别掺入比例为0%, 20%, 40%, 60%, 80%, 90%的蒸馏水, 获取样本数为6份, 共获得24份掺有不同比例蒸馏水的葡萄酒样本。 然后利用PSR-3500便携式地物光谱仪采集葡萄酒样本光谱数据, 并对葡萄酒样本的原始光谱数据进行S-G滤波、 特征波段选择、 包络线去除等特征增强预处理; 通过分析预处理后的葡萄酒样本的可见-近红外光谱特征, 选取能反映葡萄酒掺水程度的837 nm处稳定的吸收特性, 构建了葡萄酒掺水的光谱吸收深度指数(DI)。 为了提高光谱吸收深度指数DI的稳健性, DI指数中光谱反射率的值均采用837 nm附近微小邻域均值进行计算。 最后采用二次多项式拟合方法, 给出了基于DI指数的葡萄酒掺水量的反演估算模型。 选用长城解百纳葡萄酒在837 nm处微小邻域内光谱吸收深度指数DI值, 同时选择长城葡萄酒样本中的七个样本作为模型预测集, 另外4个样本作为测试集, 对该葡萄酒掺水量的反演估算模型进行验证分析。 实验结果表明, 采用二次多项式拟合方法, 该模型结果的精度R平方高达0.999 2, 且该模型的估算值与真实值的平均相对误差为0.042 5, 表明了基于DI指数所构建的反演估算模型不仅可以判定待鉴别葡萄酒是否掺水并且可以定量分析葡萄酒的掺水量。 光谱吸收深度指数DI构建简单, 且能够反映不同品牌的葡萄酒的掺水稀释程度。 研究结果可为低成本、 手持式简易的葡萄酒光谱检测设备的设计与研发提供科学依据, 进一步促进可见-近红外光谱分析在葡萄酒品质无损检测及相关领域的应用推广。