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安光所在FTIR紅外光譜分辨率增強(qiáng)研究方面取得新突破

發(fā)布時(shí)間：2024-02-22人氣：

近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院安光所高閩光研究員團(tuán)隊(duì)在傅里葉(FTIR)紅外光譜分辨率增強(qiáng)研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果分別以《基于線性預(yù)測(cè)理論的太陽(yáng)遙感光譜高分辨率增強(qiáng)方法》和《基于線性預(yù)測(cè)理論的傅立葉光譜分辨率增強(qiáng)算法》為題發(fā)表于SCI期刊MEASUREMENT（SCI二區(qū)TOP，IF=5.6）和INFRARED PHYSICS & TECHNOLOGY（SCI二區(qū)，IF=3.3）。

FTIR技術(shù)以測(cè)量速度快、精度高和波段寬的優(yōu)勢(shì)，在大氣污染監(jiān)測(cè)、食品藥品安全檢測(cè)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于光譜分辨率的限制，該技術(shù)在多組分超痕量物質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域面臨著挑戰(zhàn)，如何在不改變光譜儀結(jié)構(gòu)、不增加儀器重量和體積的前提下有效提高光譜分辨率，成為制約FTIR技術(shù)更廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題。

課題組李相賢副研究員和秦玉勝博士生等通過(guò)對(duì)FTIR光譜儀干涉特性進(jìn)行深入研究，開(kāi)發(fā)了一種基于線性預(yù)測(cè)理論的FTIR光譜分辨率增強(qiáng)算法。通過(guò)建立前后項(xiàng)線性預(yù)測(cè)總體最小二乘法估計(jì)模型參數(shù)并實(shí)現(xiàn)噪聲抑制，利用滑動(dòng)窗口技術(shù)減小預(yù)測(cè)誤差并實(shí)現(xiàn)干涉信號(hào)高精度外推，顯著提升了FTIR光譜分辨率增強(qiáng)模型的性能，在不改變干涉儀采樣基礎(chǔ)上，有效增強(qiáng)了FTIR光譜分辨率。

《基于多步線性預(yù)測(cè)的太陽(yáng)遙感光譜高分辨率改進(jìn)》提出了一種基于滑動(dòng)窗口的干擾信號(hào)多步線性預(yù)測(cè)方法，該方法將滑動(dòng)窗口與線性預(yù)測(cè)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了光譜分辨率的高質(zhì)量提升。該方法的主要思想是首先得到干擾信號(hào)的自回歸（AR）模型，將預(yù)測(cè)長(zhǎng)度劃分為多個(gè)大小相等的預(yù)測(cè)窗口，利用自回歸模型逐級(jí)預(yù)測(cè)每個(gè)窗口的干擾數(shù)據(jù)。然后，利用預(yù)測(cè)的干涉數(shù)據(jù)重新建模，更新 AR 模型參數(shù)，再根據(jù)新的 AR 模型預(yù)測(cè)下一個(gè)窗口，形成基于滑動(dòng)窗口的 MSLP 方法，直到完成最后一個(gè)窗口的預(yù)測(cè)，得到所需的干涉信號(hào)。經(jīng)過(guò)傅立葉變換后，可獲得分辨率更高的光譜信號(hào)。通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)，MSLP 方法可用于分離低分辨率的氣體光譜，實(shí)現(xiàn)交叉吸收分離。此外，該方法還可用于重建低濃度氣體光譜的吸收特性。

《基于線性預(yù)測(cè)的傅里葉光譜分辨率增強(qiáng)算法》提出了一種基于線性預(yù)測(cè)理論的傅里葉光譜分辨率增強(qiáng)算法。該算法由兩個(gè)主要部分組成。第一步，建立干擾信號(hào)的自回歸模型（AR）。利用前后向線性預(yù)測(cè)總最小二乘法和奇異值分解（SVD）估計(jì) AR 模型中的參數(shù)，有助于減少奇異值反演造成的假峰值，抑制噪聲干擾，并提出干擾信號(hào)最小預(yù)測(cè)誤差準(zhǔn)則來(lái)確定 AR 模型的階數(shù)。第二步，利用 AR 模型進(jìn)行線性預(yù)測(cè)。提出了一種基于滑動(dòng)窗口的干擾信號(hào)多步線性預(yù)測(cè)方法，以提高預(yù)測(cè)精度。此外，還通過(guò)模擬研究了信噪比（SNR）、增強(qiáng)因子和傅里葉變換紅外光譜的初始分辨率對(duì)算法精度的影響。為了驗(yàn)證該算法的實(shí)用性，我們將其用于增強(qiáng) NH3 的光譜分辨率。然后使用增強(qiáng)光譜進(jìn)行定量分析，以更好地評(píng)估該算法在增強(qiáng)光譜分辨率方面的效果。通過(guò)理論、模擬和實(shí)際應(yīng)用，證明了所提出的算法能有效提高光譜分辨率和定量分析的準(zhǔn)確性。