红外辐射光谱范文

2024-07-05

红外辐射光谱范文（精选6篇）

红外辐射光谱第1篇

With the higher requirements on the detection of weak target under strong background in the daytime, considering the different characteristics of different targets, spectral detection technology is expected to improve detection capability. For the weak target spectral detection in the daytime, not only spectral characteristics of the target shall be known, characteristics of spectral radiance of skylight background shall also be acknowledged accurately.

Sky background light is resulted from the sunlight scattering and the radiation of the atmospheric molecules. After solar radiation reaches the Earth-atmosphere system, some radiation is absorbed by the atmospheric molecules and the ground, and some is scattered by atmospheric molecules and reflected by the ground. The sky is blue in the sunny days because atmospheric molecules scatter the sunlight, with scattering intensity inversely proportional to the fourth power of wavelength, approximately complying with Rayleigh scattering law. Provided that sky background light is equivalent to atmospheric molecular blackbody radiation, the color temperature of the sky is approximately 20 000 ~ 25 000 K[1]. As a result, sky background spectral distribution is quite different from solar spectral distribution. As pollution to temperature environment in different places is different, geographical environment in different places has different weather conditions, background radiation and skylight spectral characteristics in different places are different. Although software is commonly used for analysis and simulation of skylight background radiation at present[2], such as sky background computation software Lowtran, Modtran and Hitran of America, theoretical simulation of these software leads to certain deviation and limitation in places in China as they are developed on the basis of American environmental parameters and ignore regional differences, so that they can not show the geographical conditions of China, especially western China. To have accurate spectral detection and study, having actual measurement of skylight background and modifying model is of great importance.

In this paper, aiming at a certain region in western China, Lowtran is used to analyze the skylight background spectrum of some sky domain and sky background meter is developed to have actual measurement of the sky background and provide the experimental test results of sky background in that region, laying foundation for following fine study on spectral detection.

1 Theoretical Model of Sky Background Luminance

In 1989, Zibordi G et al calculated and measured the spectral distribution of sky radiation and worked out a computational model of sky radiation with solar zenith angle of less than 60°[3]. In 2005, Su Yi et al from China Academy of Engineering Physics modified the model to obtain the following sky spectral radiance luminance formula [4]:

Where,Eout(λ) is corrected extraterrestrial solar spectral irradiance including Sun-Earth distance,τs( λ)and τa( λ) are the total optical thickness respectively of atmospheric scattering and atmospheric absorption; σ[τs( λ)] is atmospheric scattering transmission coefficient; λ is wavelength; m(θs) is atmospheric optical mass;θs is solar zenith angle.Eout(λ) can be worked out based on the Eo(λ) of mean Sun-Earth distance:

Where,ε is the eccentricity of the Earth's orbit, and D is Julian day.

The empirical formula[5]of m(θs) is showed as follow:

As can be seen from Formula (1), sky background luminance is subject to the impact from solar irradiance, atmospheric scattering and absorption, solar zenith angle and atmospheric optical mass.

2 Software-based Calculation and Analysis of Sky Radiation Brightness

Taking clear sky as computing and research object, the following information of some area are obtained by winter mid-latitude atmospheric model in Lowtran database in combination of 23 km visibility and rural aerosol: from 8:00 to 20:00 in winter, solar altitude ranged from 6° to 48°, due north is taken as the origin of azimuth angle,the angle is positive in eastward direction, observed azimuth angle is 178°, observed zenith angle is 38°, the minimum solar angle is 3°, and the maximum solar angle is 76°. See Fig. 1 for the luminance spectral distribution from 8:00 to 13:00.

As shown in Fig. 1, daytime sky backgroundbrightness spectrum is decreased along with solar angle (reachedto 3° at 13:00) and rapidly increases within the range from 390 nm to 780 nm, and the brightness increase is slowalong with wavelength increase. The brightness spectrum is peaked around 460 nm and the peak value is kept atthis wavelength range along with solar angle changes. Relatively large attenuation occurs around 760 nm and 940 nm, which can be explained by atmospheric transmittance curve in Fig. 2. It is proved that relatively large spectralabsorption occurs at these two wavelength ranges.

The sky background brightness distribution shown in Fig. 1 is resulted from atmospheric scattering and absorption and quite different from solar spectral distribution, as shown in Fig. 3.

As presented in Fig. 3, the sunlight photon flux is peaked within the wavelength range from 600 nm to 900 nm, while the brightness of sky background is peaked within the wavelength range from 400 nm to 500 nm. The difference between two distribution modes is undoubtedly beneficial for target detection. The spectral distribution of general objective is similar with sunlight spectral distribution and different from background spectral distribution, in this way, spectral filtering can be used to increase the transmittance of the whole detection system within the range from 600 nm to 900 nm and reduce the transmittance within the range from 400 nm to 500 nm accordingly, improving the contrast between the objective and background. Meanwhile, it is preferable to select the detector with high quantum efficiency in the wavelength range from 600 nm to 900 nm. Furthermore, it is necessary to select appropriate observed altitude angle and observed azimuth angle to reduce the luminance at the observation point.

3 Experimental Measurement of Sky Background Radiance

3.1 Principle of Skylight Background Meter

It is the theoretical approximate simulation of skylight background above. To obtain the complex sky background data accurately, it is necessary to study skylight background meter. The skylight background meter researched in this paper conducts real-time data measurement through the satellite orbit elements guiding and tracking telescope. The overall structure comprises three parts: optical structure, mechanical structure and electrics. In which, the primary mirror of telescope in optical-mechanical structure is of 200 mm caliber and 2 000 mm focal length, the mean transmittance of optical system is 70%; the horizontal two-axle driven telescope is applied, with pointing accuracy of 2′, and the adoption of this mechanism aims to meet the maneuverability for measuring sky background and obtain the luminance value of overall sky within relatively short time. During the measurement,the telescope receives the moving trajectory data of sky target, and the data is treated as guide and integrated by computer, after that, input the controlled quantity into driving mechanism of telescope to automatically track the target. The optical radiation of sky background near the target is converged on focal plane through the telescope, the optical power meter installed at the focal plane receives the optical radiation around the target, and delivers the data to computer display and control terminal, and then the display and control terminal processes and analyzes the optical output power data, and records the results of data processing. The system schematic diagram is shown in Fig. 4.

The key of system measurement is the control of telescope and the extraction of optical output power measurement data, which needs the stable data transmission, seeing Fig. 5 for system telecommunication relationship.

Handheld control box can independently control telescope, and the communication between them is completed through internal HBX interface protocol. The system initialization and alignment can be realized through control box. The highly integrated servo control, featuring small size, low power dissipation and high reliability, etc., is applied for telescope control system. Servo control algorithm runs on a SCM kernel module, and establishes communication with computer through RS232 to realize the tracking control. The optical power meter for the equipment is a 1918-C sensor that is capable of converting the received background light signal into simulate electric signal, with response wave length of 400 ~1 100 nm. The simulation electric signal is delivered to low pass filter and responsivity compensation amplification circuit to obtain the DC voltage corresponding to the magnitude of power. After that, the numerical value of power is obtained through the conversion of A/D, and then the signal is delivered to the remote computer through USB interface to perform data processing.

3.2 Calibration of Optical Power Meter

Since the skylight background measurement performed by optical power meter is conducted with single wavelength, the optical power meter should be calibrated. The standard A light source that is similar to the sky background spectrum should be applied to the calibration, the radiation field irradiance of standard A light source is 14.072 m W/cm2, and the diaphragm area of test instrument probe is 0.8171 cm2. Different correction factors are obtained by sampling different wave lengths, as shown in following table 1.

During the actual measurement, select a certain standardized wave length from above table to measure, and

3.3 Sky Background Test

Daytime airspace skylight background of a certain place is tested by adopting the sky background meter, and the test results are as shown in Table 2 and compared with value calculated by software.

Fig. 6 shows the variation of daytime sky brightness with the change of time in a certain place.

Test results show that the test results of cloudless sky is basically consistent with the tended computation results by Lowtran. However, there are two inflection points, i.e., inflection point at 11:40 am and 4:30 pm. From 8:00 am to 11:40 am, the measured value is smaller than calculated value and the difference is becoming smaller and smaller gradually. From 4:30 pm to 6:00 pm, the calculated value is greater than measured value and the difference is becoming greater and greater. From 11:40 am to 4:30 pm, the measured value is greater than calculated value, the difference is becoming greater and greater and reaches the maximum difference value at 2:00 pm. However, the difference is becoming smaller and smaller after that and becomes zero at 4:30 pm.

For sunny and cloudless sky, the test result is basically consistent with calculated result by Lowtran, but thereare still differences mentioned above. The sky background is brighter at around 2:00 pm but darker in the morning and evening. Analysis shows that it is related to sky clearness, sun brightness, atmosphere turbulence and also remote non-tranquil air.

When sky condition changes, such as it is sunny and partly cloudy or cloudy, measured value shall be final value as Lowtran software has no such calculation models for calculation.

In general, the calculated result can reflect tendency of skylight background. But for one specific day and more complex skylight background laws, detailed measurement shall be carried out. The test instrument researched in this paper can measure the skylight background under complex weather conditions well.

4 Conclusion

Through theoretical analysis and model analysis, it is obtained that the influencing factors to skylight background are solar radiation, atmospheric parameter and solar zenith angle. Due to the relatively large absorption of atmosphere near 460 nm and 940 nm, the skylight background luminance decays in a relatively big manner at the two wave-bands. Through comparing skylight background spectrum with solar spectrum, it is found that the peak of skylight background luminance occurs at 400~500 nm, while the peak of solar irradiation spectrum occurs at 600 ~900 nm.

Actual measurement with developed meter is performed for some region in western China and it shows that the measurement results and tended computation results are basically consistent under good visibility and atmospheric transmissivity, which indicates that the calculated result can show tendency of skylight background. However, detailed measurement shall be carried for one specific day or more complex skylight background laws because theoretical calculation parameters may be inaccurate and it may lead to big error under that condition. The test instrument researched in this paper can measure the skylight background under complex weather conditions well.

红外光谱成像目标识别技术综述第2篇

关键词：红外成像；光谱识别；光谱成像；

中图分类号：o434 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

1 引言

目标识别技术主要用于對目标的搜索、识别和跟踪，目标识别技术有着非常重要的作用，也成为各国发展的重点。目前广泛使用的手段和技术有：可见光电视识别、红外点源识别、红外成像识别、毫米波识别和复合识别等。目前研究的重点都在试图改善目标识别的抗干扰能力，同时寻求新的方法和技术。随着红外探测器技术的快速发展，红外成像由于具有高灵敏度、高帧频、抗干扰性好、可全天时工作等特点，在目标识别中已得到广泛应用。

红外光谱目标识别技术是通过红外光谱测量，揭示物质组成成分，利用光谱谱型来区分真假目标，尤其红外光谱成像既可测量红外光谱又可观测红外图像，具有红外成像识别和红外光谱识别的复合识别效果[1-3]。很多目标由于所使用动力的燃料和表面涂覆材料不同，通过红外光谱测量，确定其燃料和表面涂覆材料的物质组成成分，进行有效目标识别。红外光谱及成像为识别技术提供了一种新的手段和方法。

2 红外光谱成像目标识别技术

红外光谱成像技术是上个世纪80年代初，在多光谱扫描技术的基础上发展起来的先进的新一代技术。它把映射目标辐射属性的光谱特性与映射目标空间和几何关系的图像结合在一起，非常适合人们根据图像进行目标特性探测。光谱成像测量技术为当代遥感发展的前沿技术，在很多领域得到了广泛和重要的应用，如在地质勘探、大气遥感、真假目标及干扰物的揭示等。目前，发达国家都将光谱成像技术列为重点发展技术。

通过光谱成像测量对区分真假目标和识别技术得到广泛的关注。据报道，应用红外超光谱成像技术，建立目标的红外光谱特征数据库，根据目标的光谱特征来自动探测和识别目标。超光谱成像可得到大量的反映目标物质成分的光谱数据，通过对数据的处理、分析和比对，探测和识别真假目标。红外光谱成像能够全天时、全天候的实时探测、跟踪和识别目标，大幅度提高其效能。

光谱成像常用技术方式主要有滤光片分光型，色散分光型和傅立叶干涉型等。傅里叶变换成像光谱技术是利用红外探测器每个像素的干涉图与目标光谱图之间的对应关系，通过测量离散干涉图并对干涉图进行傅里叶积分变换计算，反演得到光谱图，从而获取二维空间目标的光谱信息。傅里叶变换成像光谱仪器在空间目标探测中具有：多频道、高通量、高信噪比、高光谱分辨率，探测灵敏度高，微弱信号探测能力强，根据不同目标可实时调整光谱分辨率的优势，特别适合红外弱辐射光谱的探测。通过图像数据和光谱数据的融合，揭示各种目标的光谱特征及物质成份，区分同类目标的细微差异，对目标识别和分类具有重要意义，极大提高对目标的识别能力。

利用高光谱或超光谱遥感进行目标探测的特点主要表现在对目标探测识别的能力有较大提升，可以区分出相近类目标的微小差别，有效解决“异物同谱”和“同谱异物”现象，为目标精确光谱探测提供了数据量保障，使目标光谱探测由定性分析变成定量测量，为目标识别奠定了技术基础。研究一种采用高帧频、多波段红外焦平面的红外多光谱成像识别。采用多帧处理的超分辨率处理，实现较高分辨率，甚至超过物理分辨率，通过多帧频叠加处理方法来提高探测灵敏度，实现远距离分辨小间隔目标，同时完成目标光谱特征提取。

发达国家在光谱成像技术方面进行了大量研究，在光学系统、分光器件、焦平面探测传器、数据融合技术、目标跟踪和识别算法等方面做了非常多的建设性的工作。一些研究成果已经得到了很好的应用。红外光谱成像技术在目标识别方面具有一定的优势和非常好的应用前景。可对低对比度目标进行探测且具有较高背景抑制能力；光谱加成像即光谱成像复合识别方式，使目标识别成功率有较大提高，尤其抗干扰效果非常好，使干扰难度增加甚至无法进行干扰。光谱成像识别方式缺点是光学系统较为复杂，数据量偏大，硬件成本高，实时性略差。有的系统对数据处理实时性要求较高和系统空间较小，因此红外光谱成像目标识别技术的应用还需进一步完善和提高。

3 结束语

红外光谱成像具有光谱和图像合二为一的特点，把目标红外几何图像和光谱识别技术有机的结合，在目标识别技术方面具有非常好的应用前景，能达到复合识别效果。

参考文献：

[1] 曾宪林. 红外成像导引头及其成像制导武器述评[J]. 航天电子对抗，2004，（5）：45-48.

[2] 耿凡. 光谱识别技术在红外制导方面的应用展望与分析[J]. 红外与激光工程，2007，36（5）：602-606.

[3] 黄士科，张天序，李丽娟. 空空导弹多光谱红外成像制导技术研究[J]. 红外与激光工程，2006，36（1）：16-20.

[4] MAYERRR，SCRIBNERD，FLEETE，eta1.Spectral optimization studies and simulations of two-，three-，and four-bnad staring LWIR sensors inmissilede fensescenarios[C]. Proceedings of SPIE，Imaging Spectrometry X，2004，5546：84-95.

一定保留：

作者简介：孟庆华（1963-），男，吉林长春人，工学硕士，研究员，主要从事光谱仪器和光电经纬仪设计

水雾对红外光谱遮蔽衰减特性研究第3篇

雾也是大气气溶胶的一种形式,由悬浮在近地面空气中缓慢沉降的水滴或冰晶质点组成,气溶胶具有可改变电磁波介质传输的性能.水雾遮蔽性能主要有2个:辐射遮蔽和衰减遮蔽.辐射遮蔽型水雾通常利用生成的浓度气溶胶微粒,凭借在较强的红外辐射时水雾形成的“假目标”,来遮蔽真实目标.衰减遮蔽型水雾主要是靠散射、反射和吸收作用来衰减电磁波辐射.水雾遮蔽通常是2种遮蔽性能同时起作用后的一个综合结果.

将水雾的遮蔽作为一种过程来描述,在直接传输过程中,吸收和散射作用将观瞄者视场中的、直接来自目标和其周围背景的某些辐射衰减掉;单次散射和多次散射的目标前向散射,对于视场较大的探测器接收目标信息具有重要的作用;周围环境和辐射源的多次散射也可以降低目标的分辨率并使成像设备观测到的景物信息的减少[1].

1.1 直接辐射传输

采用辐射强度I(λ、r0、Ω)来描述红外波长为λ,由位置矢量r0处沿方向Ω单位立体角的辐射通量,I(λ、r、Ω)描述位置矢量r处的辐射强度.

直接由r0传输到r的过程,可由朗伯—比尔定律描述

I(λ、r、Ω)= I(λ、r0、Ω)exp[-τ(λ、r、r0)] (1)

式中,τ(λ、r、r0)称为光学深度或光学厚度; T(λ、r、r0)=exp[-τ(λ、r、r0)]称为直接透过率 ,它体现了辐射经水雾吸收和散射后的能量变化,其与水雾遮蔽的浓度和消光系数有关.

设2个位置矢量间距离为s,则光学厚度undefined、s′)c(s′)ds′.式中,α(λ,s′)称为质量消光系数;c(s′)为水雾遮蔽浓度.若水雾空间分布较均匀,则

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消光系数包括散射和吸收2部分,即α(λ)=αscat(λ)+αabs(λ),在理想情况下,若已知红外波长、水雾粒子光学常数、尺寸及尺寸分布可以应用米氏公式计算水雾遮蔽粒子的散射系数、消光系数.

1.2 前向散射

在计算散射对透射辐射能量的作用时,通常用到反照率及相函数等概念,粒子单次散射的反照率ω(λ)定义为散射系数与消光系数之比,它代表散射在总的消光作用中的贡献,而1-ω(λ)自然就表示吸收作用的贡献,通常它又代表单位光学厚度上的发射率.相函数P(μ,φ;μ′φ′)表示从方向(μ,φ)来的入射光在方向(μ′,φ′)上的散射能力,其与入射波波长、粒子光学常数、粒子形状、尺寸及尺寸分布有关.对P(μ,φ;μ′φ′)作归一化处理,则undefined;μ′φ′)dφ′dμ′,由此可见,单次散射的反照率代表在所有角度发生散射的总体作用.

对于前向散射,相函数可近似为小角度时有高峰值的高斯函数

P(⌒Ω)undefined(3)

式中,θ0为前向散射峰值的小角度半宽;αP为前向峰值宽度的替换参数.

在接近前向角度,水雾遮蔽还会对成像设备探测的分辨率或对比度造成影响,因此,引入水雾遮蔽的调制传递函数这一概念.探测接收总的调制传递函数

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式中,K为光学系统的MTF;D(λf)为与水雾遮蔽的调制传递函数相关的函数.

若水雾遮蔽粒子半径a比波长大,其衍射扩展半角undefined,并由此产生一个近似高斯相函数参数undefined,则

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2 红外辐射传输方程

从目标r0处沿方向Ω到达观测者r处,辐射通量I(λ,r0,Ω)的变化,实际是计算红外波段直接透射和漫散射的总辐射问题,求解这一问题需应用辐射传输方程.辐射传输方程的积分形式是

I(λ,r;μ,φ)=I(λ,r0;μ,φ)exp[-(τ-τ0)]+

undefined;μ,φ)exp[-(τ-τ′)]dτ′

其中,J(λ,r′;μ,φ),表示从各方向和沿传输路径的所有点来的多级散射的源函数,它包含了周围环境各种辐射源经水雾散射进入视场的辐射散射

J(λ,r′;undefined;θ′,φ′)I(λ,r′;θ′,φ′)dθ′dφ′+J′(λ,r′)

式中,J′(λ,r′)为水雾粒子热发射源;undefined.其中,e(λ,r′)为水雾粒子的发射率;α(λ,r′)为水雾粒子的质量消光系数.

J′(λ,r′)=α(1-ω0)B(λ,t),B(λ,t)为普朗克函数.

对于水雾液滴对光波的能量衰减主要是球形粒子的米氏散射、光学散射、折射及液滴的吸收作用.当入射红外波长与粒子尺寸可比拟时,就产生米氏散射.可应用米氏公式计算水雾粒子的散射系数、消光系数并考虑路径辐射等因素,最终求解红外波段的辐射传输方程[2].

3 遮蔽特性评估

采用红外热像仪检测手段对水雾遮蔽衰减红外特性进行评估,对比实施水雾前后所获取的红外热图像,可以直观地看到水雾遮蔽红外辐射的效果,但要对遮蔽能力定量分析首先要用黑体对红外热像仪进行标定,黑体的辐射出射度为

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式中,C1,C2 分别为第一、第二辐射常数;λ1、λ2分别为所测试对应的红外波段.

热像仪对红外辐射目标进行测试,接收到目标辐射出的两部分能量,一部分是目标自身的红外辐射能量,另一部分是目标反射环境红外辐射能量,通常情况下将目标视为灰体,具有相对发射率ε和反射发射率ρ,它们之间的关系为:ε+ρ=1.

在测试过程中将目标置于红外热像仪的测试轴线上其投影面对热像仪的目标表面积为S,同时在红外热像仪的热图像上生成n个等温区,相对应的目标面积为Si,那么热图像上所显示的目标波段的红外辐射功率为

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式中,K是测试设备与介质相关的参数;TB是辐射源所在的环境温度;M△λТi是所测温度Ti 下的波段辐射出射度;M△λТB是环境温度TB下的波段辐射出射度.

水雾对红外辐射的透过率τ为

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式中,P△λ1,P△λ0分别为施放水雾和无水雾时的波段红外辐射功率;M△λТi1,M△λТi0分别为施放水雾和无水雾时所测红外辐射源在温度Тi1,Тi0时的波段辐射出射度.

红外辐射能量在穿过水雾区时与水雾相互作用而受到衰减,设强度为I(λ)的光辐射通过厚度为dy的水雾后,其强度变化为:I(λ)+dI(λ),则

dI(λ)=-I(λ)σe(λ,y)dy (9)

σe(λ,y)为水雾的线性消光系数,解此方程得

I(λ)=I0(λ)exp[-∫undefinedσe(λ,y)dy] (10)

y1和y2为相距为L的两点横向坐标,当水雾的浓度、粒度较均匀分布时则式(10)可写成

I(λ)=I0(λ)exp[-σe(λ)L] (11)

此式为Lamber-Beer定律,式中σe为水雾对红外辐射的消光系数,m2/g;L为红外辐射能量穿透水雾的长度,m.

根据式(11),如果己知红外辐射能量在水雾介质中传输的距离为L,就可以通过实验测定红外在穿透水雾前后辐射功率的变化情况确定水雾对该辐射的消光系数[3].

实际测试如图1所示.图1中是红外热像仪距红外辐射源L处测试评估效果的演示图.在无水雾实施时可以通过热像仪直接观察红外目标的热图像并且效果检测系统显示能量,此时红外辐射目标特征信号清晰可见,见图2.布设水雾数秒钟后红外热像仪所观察红外目标的热图像已经无法看清,见图3,此时红外辐射目标已与背景融为一体无法识别出来.

通过设备检测与式(8)~式(11)计算,得到在无水雾和有水雾遮蔽情况下的红外辐射能量衰减效果曲线如图4、图5所示.

4 结论

从光辐射传输理论分析、检测理论公式计算、或是通过检测系统检测,测评结果都表明了水雾对红外波段光谱具有良好的遮蔽效果[1].

参考文献

[1] 侯文学.雾对光波的作用机理探讨[J].光电技术应用,2008,23(4):18-20.

[2] 潘功配,杨硕.烟火学[M],北京:北京理工大学出版社,1997.

[3] 姚禄玖,高钧麟,肖凯涛,等.烟幕理论与测试技术[M],北京:国防工业出版社,2004.

摘要：从理论上简要阐述了水雾对红外光谱的遮蔽衰减特性,用朗伯—比尔定律描述、分析了红外光谱在辐射传输过程中辐射经水雾吸收和散射后的能量变化.同时用米氏散射理论解释、计算水雾粒子的散射系数、消光系数并考虑路径辐射过程其他因素的影响.并且通过检测评估说明了水雾对红外辐射能量的遮蔽衰减特性.

关键词：水雾,红外,遮蔽

参考文献

[1]侯文学.雾对光波的作用机理探讨[J].光电技术应用,2008,23(4):18-20.

[2]潘功配,杨硕.烟火学[M],北京:北京理工大学出版社,1997.

红外辐射光谱第4篇

摘要：近年来随着生活环境的日益恶化，食品中的有毒物质和各种化学添加剂越来越多，为了进一步提升人们的生活质量，有必要运用先进的设备和科技对食品品质进行检测。近红外光谱作为一种新型的光学检测技术在食品检测中的应用越来越广泛，尤其是在肉类品质检测中对肉制品的保水性、肉色、新鲜度等的检测具有突出优势。本文就在现实的基础上对红外光谱技术特征以及发展前景等进行分析，并重点探究了其在肉类品质检测中的应用，希望对食品检测行业发展有一定的指导意义。

关键词：红外光谱技术；肉质食品；检测；鉴别

项目基金：TDZKQN201505，科技支疆项目：2014AB037

中图分类号：S762 文献标识码：A DOI编号：10.14025/j.cnki.jlny.2016.10.083

改革开放以来，我国国民经济经历了一个飞速发展时期，人们生活水平普遍提升，对肉类的数量和品质等提出了更高的要求。肉质食品的品质主要是指肉色、嫩度、风味以及多汁性等，传统的检测技术主要通过物理、化学以及口感等损坏性检测方式为主，检测结果的可靠性和准确性不足，有些不法商贩甚至通过注射某些化学添加剂等躲避质监部门的质量检查，给传统的检测方法带来了更大的挑战。国外投入了大量的资金和精力用于先进技术的开发，并取得了一定的成绩，红外光谱技术就是其中的典型代表，并成功应用于肉类品质检测的生产线中。我国也开始大力引进该检测技术，为人们吃上放心肉提供了技术保障。

1 红外光谱技术简介

红外光谱检测技术中普遍使用的是近红外光电磁波，它是一种波长范围在700～2500海里的电磁波，介于可见光和远红外光之间。肉类食品中含有大量的脂肪、蛋白质、糖类等，这些有机物中的化学成分主要是一些含氢基团，如羟基（-OH）、甲基（-CH₃）、以及羧基（-COOH）等，这些含氢基团对红外光谱电磁波特别敏感，可吸收不同频率范围和数量的近红外电磁波，通过对其进行近红外光波分析就可以了解肉质食品中的含氢基团成分，并通过进一步的分析和数据处理就可以获取肉类品质的相关信息，具有较高的可靠性。目前该技术已经在食品检测行业中的得到了大力推广，具有简单无污染、分析快速、非破坏性分析等优点，而且还可以实现远程监测，解决了当下肉制品检测中的一系列问题，具有很好地发展前景。

2 近红外光谱技术在肉类品质检测中的应用

2.1 在肉类化学组分分析中的应用

肉类是人体的重要供能物质，从化学成分来看主要有脂肪、蛋白质、糖类、水分、维生素以及矿物质等。每一种化学成分都会对肉类食品的品质产生重要的影响，如水分减少会严重影响肉类的色泽和口感，蛋白质的质量直接关系肉质的多汁性和嫩度。早在上世纪七十年代，美国等发达国家就开始了化学成分的相关研究，并取得了一定的成绩，如丹麦的Foss公司成功开发出了FoodScan系列食品检测仪器，受到了质监部门的一致好评。在实际检测环节为了获得更高的检测精度通常是将待测肉类样品切割磨碎成肉糜状，并用特定频率的红外电磁波照射样本，通过分析检测回收电磁波中的光信号就可以准确获得肉制品脂肪、水分、蛋白质等化学成分的品质和含量。对于成块的或是已经包装好的待检测样品，近红外检测光谱检测技术虽然检测精度相对较差，但是基本满足了质监部门的在线监测要求。

2.2 在肉类感官品质评价中的应用

肉类感官品质评价参数主要有系水力、嫩度、大理石纹以及新鲜度等，最容易引起消费者的感官认同的品质类型。从目前的技术发展水平来看，这些品质类型的评价都可以通过近红外光谱检测技术实现。在嫩度的评价过程中，将测定的沃一布剪切力值与光谱值进行关联建模，再通过一系列的数据分析和处理实现嫩度的仪器评定。如我国的赵杰文博士利用已经测定好的优质的牛肉样本近红外吸收光谱和沃-布剪仪器测量的牛肉样本最大剪切力值进行建模，将牛肉品质分成了几个不同的品质等级，并给出了不同等级的近红外光谱分析参考数据，为我国的肉制品检测工作的高效完成提供了有力的参考。在肉制品的保水性检测中，通常通过测量肉质品的肌肉系水力来测定其保水品质。在研究中科学家通常用自由滴水量，即滴水损失来综合评定保水性的好坏，Forrest等人首先用近红外线检测设备测定了屠宰当天新鲜肉类的滴水损失，统计结果显示其与PLS模型具有很好地关联性，关联系数为r=0.84，具备很好的参考价值。随后Geesink等人又测量了屠宰两天后猪肉的感官品质，希望通过进一步的分析实现肉质口感的分级评定。

3 结语

红外辐射强度测量系统设计第5篇

1 测量原理

测量的基本原理是通过探测器对标准辐射源与被测物体的不同输出电压响应进行比较.根据距离平方反比定律求得被测物体在λ1~λ2波段上的辐射强度.标准辐射源的腔口面积为ABB的黑体,绝对温度为T,在λ1~λ2波段上,探测器在其法线方向距离为d处测得的电压为Vc. 用相同探测器测量物体时,在距离被测物D处测得的电压为Vs.则被测物体的辐射强度为

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式(1)中,M为黑体的光谱辐射出射度;λ为波长(μm);T为黑体温度(K);c为光速(m/s);KB为玻尔兹曼常数;h为普朗克常数[1].

用测试系统测量标准辐射源的过程称为标定[2],标定过程主要是采集并记录探测器的电压响应Vc,并长期保存.进行物体红外辐射强度测量时,系统采集探测器的电压响应Vs,根据式(1)求得被测物体的辐射强度.

2 测量系统设计

2.1 硬件构成及设计分析

测量系统由3部分组成:探头、控制器、工控机,如图1所示.

探头的作用是完成光信号到电信号的转换,其主要由4个部分组成,带通滤光片,光学调制盘,光电转换器件,以及前置放大器.如果测量物体在波段3~5 μm的辐射强度,那么可以用1片3~5 μm的带通滤光片,以过滤3~5 μm以外的辐射光,使得到达探测器的入射光仅为3~5 μm之间的辐射光.热释电器件只响应变化的光信号,所以需要一个光学调制盘来对入射光进行调制.热释电器件的光谱是近乎均匀的,符合应用需要,选用的热释电器件光敏材料为钽酸锂晶体,窗口材料为KRS-5,光敏元直径为5 mm,其相对光谱响应曲线如图2所示.前置放大器用来把光电转换器输出的微弱信号进行初步放大,便于传输及进一步放大.以上4个部分装于一个封闭的小金属机箱内,机箱上安装一个瞄准镜,用于对准被测目标,底部三角架以便于调整高度及朝向.

控制器部分负责信号放大,驱动光学调制盘和采集触发.包括:锁相放大电路、电机控制电路和采集触发电路.锁相放大电路,可把探头输出的信号进行高质量的放大,使输出的信号幅度高,噪声低;电机控制电路,用于驱动光学调制盘转动;采集触发电路,用于向信息处理器发送一个采集触发信号,然后系统由处理器进行数据采集、计算和分析.

信息处理器主要由工控机,I/O卡,A/D卡,以及打印机,显示器等相关附件组成.工控机用来处理采集数据,测量结果显示及打印等功能,选用CPU为P42.4 G以上,内存512 M以上,硬盘80 G以上即可满足要求.I/O卡用带隔离输入输出的板卡,采集控制器发送过来的触发信号,保证系统能够及时有效地开始数据采集.A/D卡选用采样速率在250 K/s,精度16位的板卡,实现实时、高精度的模拟信号采集.

2.2 软件流程

软件采用LabVIEW图形化编程语言设计开发完成.LabVIEW是虚拟仪器的著名开发平台,可充分发挥计算机的运算能力,有强大的数据处理功能,在数据采集和数字信号处理方面有着得天独厚的优势[3].软件包含2个部分内容,即标定和测量.

标定主要用来测量和记录探测器在黑体法线方向距离为d处测得的电压Vc.以便在测量物体红外强度时使用.首先设定辐射仪参数,初始化数据采集卡.为了计算准确,先连续采集探测器对环境的电压响应,记录该电压V1,然后在相同的环境条件下采集探测器在黑体法线方向距离为d处测得的电压V2,由V2-V1计算得出实际需要的电压Vc.最后同时需要记录的数据还有黑体的温度T和腔口面积ABB.

测量部分主要是采集探测器对物体的输出电压响应,采集环境的温湿度,结合标定过程记录的各参数计算出物体的红外辐射强度.其软件框图如图3所示.

3 系统工作过程

3.1 标定

标定过程在初次测试前执行,将黑体及探头放于固定支架上,使黑体腔口正对探测器,将黑体升温到指定温度,打开测试系统电源,探头、控制器上电,开始工作,在工控机上执行标定操作,系统保存从A/D卡上采到的电压.整个标定操作应在室内进行,应避免阳光直射,探头前方及两侧不应有其他热源.同时标定时应连续采集数据,对多次采集的数据取平均值,减少各种噪声对标定结果的干扰.黑体距探测器的距离不应太远,以保证器件有足够的响应量.如图4所示.

3.2 辐射强度测试

将探头置于三角架上,用瞄准镜对准被测物,打

开测试系统电源及测试软件,准备就绪以后按下控制器的采集触发按钮,系统通过I/O卡给测试软件一个触发信号,软件开始通过A/D卡采集数据.数据采集完成后进行分析和计算,给出辐射强度-时间曲线图.为避免探测器饱和,可根据被测物的不同适当调整被测物与探头之间的距离,大气衰减需根据情况不同而做相应处理.当距离较远时不可忽略,这是需要采集测量环境的温湿度,并结合当地的海拔等自然条件计算出测量环境的大气透过率.

4 结束语

详细介绍了以辐射源为基准的物体红外辐射强度测量方法.设计了基于该方法的测量系统,论述了系统的硬件构成、工作原理和软件流程.充分考虑了外界因素对系统测量结果的影响,使测量结果更加准确.系统精度高,实时采集性好,稳定可靠,操作简单,达到了预期的设计目标.系统适用于多种红外应用领域,对科研、生产和产品质量检测都有着重要的作用,有着广泛的应用前景.

参考文献

[1] 张建奇,方小平.红外物理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.

[2] 郑丽,高秀伟,李世诚.基于LabVIEW的红外辐射强度测试系统中标定的实现[J].光电技术应用,2008,23(6):57-59.

[3] 侯国屏,王坤,叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京:清华大学出版社,2005.

参考文献

[1]张建奇,方小平.红外物理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.

[2]郑丽,高秀伟,李世诚.基于LabVIEW的红外辐射强度测试系统中标定的实现[J].光电技术应用,2008,23(6):57-59.

不同产地何首乌的红外光谱鉴定第6篇

1 仪器与试药

Perkin Elmer spectrum100傅立叶变换红外光谱仪,YP-2压片机(上海山岳科学仪器有限公司),温度控制器(SR-92型,SHIMADEN),Spectrum 3.0红外分析软件,采用清华大学分析中心设计的二维相关分析软件和Matlab软件获得二维相关红外光谱。溴化钾为分析纯(广州化学试剂厂,临用前于120℃下烘烤4h以上,备用)。何首乌药材共8个样品,经广东药学院房志坚教授鉴定为蓼科植物何首乌(Radix Polygoni Multiflori),详见表1。

2 实验方法

2.1 供试品制备

采用溴化钾压片法。分别取上述何首乌药材,粉碎过200目筛,压片时取出约2mg,置玛瑙研钵中,然后加入约200mg的溴化钾粉末,在研钵中研磨。混匀,转移到压片模具中,在低真空下,用约25bar的压力,加压3~5min即可。所压出来的片子应为透明的薄片,作为供试品。

2.2 光谱测定

将供试品放入红外光谱仪,光谱范围400~4000cm-1,分辨率4cm-1,扫描次数16次,扫描时实时扣除水和CO2的干扰。动态微扰光谱的测定采用加热微扰方法,控温范围是室温(约30℃)至110℃,每间隔10℃采集1次光谱图。

2.3 数据处理

用Perkin Elmer公司的Spectrum 3.0红外分析软件处理获得红外吸收度光谱,基线自动较正,二维相关红外光谱采用清华大学分析中心红外光谱组设计的二维相关分析软件和Matlab软件获得。相似度比较采用Spectrum 3.0软件进行相似度分析。

2.4 方法学考察

2.4.1 精密度试验

取1号样品,按“2.1”项制备供试品,连续扫描6次,对所得的谱图进行相似度比较,分别为1.000、0.9977、0.9976、0.9974、0.9973、0.9970,表明仪器具有较好的精密度。

2.4.2 重复性试验

取1号样品,按“2.1”项制备供试品,平行操作6次,分别测定红外光谱,对所得的谱图进行相似度比较,分别为1.000、0.9906、0.9897、0.9873、0.9971、0.9873。