光谱特性（精选6篇）
光谱特性 篇1
动物胆汁是我国的传统用药,其药用价值一直受到关注,临床上有来源熊胆、蛇胆、鸡胆、牛胆和猪胆等的制剂,具有消炎、止咳、解痉和降压等方面的功效。家兔的饲养在中国逐渐走向产业化,但其胆汁目前大多被当作废料丢弃。家兔胆汁有独特的理化特性和药理作用,具有开发为临床用药的前景。家兔胆汁含去氧胆酸最多,去氧胆酸有消炎、镇痉、降压、降血脂等方面的功效。本实验观察了家兔胆汁的紫外、红外光谱,作为鉴别家兔胆汁的可靠指标,同时还观察了其降压效应,为将其开发为降压药做前期研究。
1 材料与方法
1.1 实验材料
3月龄SD大鼠(广东医学院实验动物中心提供,许可证号:2009029),Med Lab生物信号采集系统(南京美易公司),岛津紫外光谱仪(UV-3101PC,日本),红外光谱-红外显微镜联用系统(FTS175C-UMA500,美国BIO-RAD)。
1.2 实验试剂
家兔胆汁(广东医学院实验用兔采集),青霉素钠(悦康药业集团有限公司,批号:090219)。
1.3 实验方法
1.3.1 胆汁紫外光谱测定
家兔新鲜胆汁蒸馏水稀释200倍后紫外光谱扫描,扫描波长范围是200～600 nm。
1.3.2 胆汁红外光谱测定
将新鲜家兔胆汁置于培养皿中,于60℃水浴箱中加热烘干后,密闭保存,取少许干燥胆汁与溴化银一起压片,在红外光谱仪中进行红外光谱扫描。
1.3.3 降压作用观察
21只3月龄Sprague-Dawley大鼠,体重范围250～300 g,随机分成三组:假手术组、模型组和胆汁组,每组各7只。模型组和胆汁组大鼠通过结扎左肾动脉建立高血压模型,具体方法是:大鼠在全麻下做腹部正中切口,找到并暴露左肾,小心分离肾动脉和肾静脉,然后平行肾动脉放置一去尖5号针头,一并结扎动脉和针头,抽出针头,逐层关腹,关腹后腹腔注射20万单位青霉素防止感染[1]。假手术组大鼠在分离肾动脉后,不做动脉结扎,直接关腹。术后1个月大鼠基本康复,开始给药。模型组、假手术组用生理盐水灌胃,胆汁组用新鲜的家兔胆汁灌胃,用量为0.3 mL/100 g。1个月后,全麻下进行颈总动脉插管,插管与Med Lab生物信号采集系统连接,测定大鼠血压,连续测定5 min。
1.4 统计学处理
采用SPSS 15.0统计学软件进行数据分析,计量资料数据用均数±标准差(x±s)表示,两组间比较采用t检验。以P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 新鲜家兔胆汁紫外光谱、红外光谱图
紫外光谱显示,276 nm和386 nm波长处各有一吸收峰,强度分别是0.419和0.314(图1),不同于鸡、牛、猪、鱼羊的紫外光谱(图2)。红外光谱中,指纹区1 015.39～1 090.64 cm-1处有一组特征峰(3个),在918.26～968.4 cm-1处也有一组特征峰(3个)(图3)。
2.2 家兔胆汁对大鼠动脉体重、血压的影响
模型组大鼠的血压值高于假手术组,两组平均动脉压分别为15.8 kPa和12.8 kPa,说明高血压模型建立成功。而胆汁组大鼠的血压明显较模型组低,平均动脉压从15.8 kPa降到12.3 kPa,说明胆汁降压有效果。同时胆汁组大鼠体重较假手术组及模型组低,但差异无统计学意义(P>0.05)。见表1。
3 讨论
家兔饲养在中国具有较大的规模,家兔胆汁是其副产品之一,具有独特的理化特性和药理作用,它的开发利用逐渐受到关注,研究清楚其质量标准、药理作用有利于其开发利用。动物胆汁成分和各成分的比例相对固定,其紫外、红外光谱应该是固定不变的,可作为鉴别胆汁的一种可靠方法。刘养清等[2]观察了牛、羊、鱼、鸡、猪等的紫外光谱,结果显示各种动物的紫外光谱形状各异,具有特征性。本实验首次检测了家兔胆汁的紫外光谱,与鸡、牛、猪、鱼、羊等动物胆汁的紫外光谱有明显的区别,家兔胆汁在波长276 nm和386 nm处有吸收,吸收强度分别是0.419和0.314。对于单一化合物,红外光谱可提供化合物的官能团、结构异构、氢键等信息,是研究分子结构的主要手段之一,红外光谱分特征区和指纹区,4 000～1 250 cm-1范围为特征区,主要来源于含氢原子的单键、各种三键和双键的伸缩振动;4 00～1 250 cm-1范围为指纹区,主要来源于各单键的伸缩振动和多数基团的弯曲振动,弯曲振动的能级差别小,因此指纹区的谱带较密集,指纹区图谱犹如人的指纹,能敏感反应化学结构上的细小差别。动物胆汁虽然不是单一化合物且化学成分复杂,但是其成分固定且各组分比例固定,因此在相同条件下测定其红外光谱应该是一致的。刘养清等[3]证明各种动物胆汁的红外光谱是确定的,可作为鉴别指标之一。本实验所测得的家兔胆汁红外光谱,在特征区与其他动物胆汁无明显区别[4],在指纹区则有特征性变化,1 015.39～1 090.64 cm-1处有一组3个小峰组成的吸收峰,其中,在1 043.77 cm-1处有一强吸收峰,在918.26～968.4 cm-1处也有一组小吸收峰,可作为鉴别家兔胆汁的可靠指标。
注:与模型组比较,*P<0.05
胆汁性寒、味苦,具有多种功效,是我国中药的传统用药,近年胆制剂的研究开发和临床运用取得一定成绩,例如蛇胆川贝液,用于治疗感冒咳嗽、气管炎,受患者青睐;鸡胆汁加糖调匀,治疗小儿百日咳疗效显著;牛黄降压片,降压效果确切,其主要成分是牛黄、冰片等,牛黄中的磺酸去氧胆酸是主要的降压成分。家兔胆汁的胆汁酸提取物制剂也有少量运用于临床,例如利咽灵片,用于治疗小儿急性咽喉炎,也有制成利胆片,用于利胆、促消化。家兔胆汁含去氧胆酸和胆酸两种胆汁酸,比例为9∶1,是提取去氧胆酸的理想材料。吴克霞等[4]证明从家兔胆汁中提取的去氧胆酸有降压作用。杨履艳等[5]报道兔胆粉滤过液能降低垂体后叶素引起的ST段、T波抬高,提示家兔胆汁有扩张血管作用,具有开发为降压药的前景。但在胆汁提取过程中存在提取率低(只有3%)、破坏胆绿素、牛磺酸等降压成分以及引入有毒化学物质等问题。胆汁是体内的正常成分,毒性较低,临床上有直接利用猪胆汁绿豆浸膏治疗高血压[6]的做法,因此,本实验直接观察了家兔新鲜胆汁的降压作用,结果显示,胆汁能降低肾性高血压大鼠的血压,同时还能降低大鼠的体重,这可能与家兔胆汁中去氧胆酸舒张血管和降低血脂的功效有关。
参考文献
[1]郑惠珍,陈小源,梁洪英,等.川芎嗪对压力超负荷大鼠血液流变学的影响[J].中国流变学杂志,2006,16(1):9-11.
[2]刘养清,苑戎,赵慧辉.鸡胆汁的红外吸收光谱特性[J].光谱学与光谱分析,2002,22(5):779-782.
[3]刘养清,刘二保.动物胆汁理化特性及药用[M].北京:化学工业出版社,2002:50-55.
[4]吴克霞,李方才,张宪党,等.兔胆酸类物质的制备及降压活性的研究[J].山东医药工业,1999,18(6):28.
[5]杨履艳,冯芹喜.兔胆对垂体后叶素所致家兔心肌缺血保护作用[J].牡丹江医学院学报,1997,18(2):7-9.
[6]李建平,杨正华.绿豆猪胆降压片的制备及临床应用[J].中华医药杂志,2005,5(12):36-37.
光谱特性 篇2
色散介质中啁啾高斯脉冲的时间和光谱特性
对啁啾高斯脉冲光束在色散介质中的时间和光谱特性作了研究.给出了远场光谱蓝移和脉冲展宽的解析式.结果表明:通过选择适当的.啁啾参量,啁啾高斯脉冲光束沿轴上传输色散长度时,脉冲可恢复到初始值.随啁啾参量增加,谱线宽度展宽,轴上光谱蓝移增加,在远场蓝移趋于一渐近值.随啁啾参量增加,离轴光谱红移增加.
作 者：邹其徽 吕百达 ZOU Qi-hui L(U) Bai-da 作者单位：邹其徽,ZOU Qi-hui(四川大学,激光物理与化学研究所,成都,610064;西南石油大学,理学院,成都,610500)吕百达,L(U) Bai-da(四川大学,激光物理与化学研究所,成都,610064)
刊 名：光子学报 ISTIC PKU英文刊名：ACTA PHOTONICA SINICA 年，卷(期)：2007 36(8) 分类号：O435 关键词：高斯脉冲 啁啾 时间和光谱特性 色散介质光谱特性 篇3
紫外波段的光传感器具有抗干扰能力强和适于恶劣环境等优良的特性被广泛应用于军事、航天、环保等许多工业控制领域。军事上, 可用于导弹、飞机的尾焰探测跟踪, 具有高的抗干扰性;也可作为太空飞船轨道中太阳紫外光的探测器;环保上, 随着臭氧层的破坏, 对太阳光紫外线辐射的监测愈加重要。此外, 传感器亦可对有害工业废气及汽车尾气进行监测;在工业和日常生活中, 对发动机燃烧过程的监控、高分子化工过程的紫外固化过程的控制、光刻工艺中对紫外光曝光过程的控制, 以及紫外防护、火灾报警、地震发光现象的监测及临震预报、高密度存储系统中的数据读出等诸多领域具有广泛的应用[1,2,3,4,5] 。
紫外光的波长较短, 适合研制紫外波段的光传感器的最佳的材料应是一些禁带宽度较宽的半导体材料。TiO2作为一种宽禁带半导体材料, 对可见光几乎不吸收, 对340nm以下紫外光具有很好的吸收特性。而且其化学稳定性和耐候性良好, 制备工艺相对成熟, 被广泛应用于抗紫外线吸收剂 (化妆品、透明包装材料、遮阳材料等) 。近年来, 利用TiO2的紫外吸收特性在光催化、新型太阳能电池方面的研究十分活跃, 已成为国内外相关领域的研究热点[6,7,8,9,10,11,12]。
本文利用TiO2具有选择吸收紫外光特性, 以普通玻璃为衬底材料, 使用溶胶-凝胶法 (sol-gel) 制备透明纳米TiO2薄膜, 并对其紫外光吸收特性进行了研究, 在此基础上对膜的厚度和禁带宽度的关系进行了研究。为进一步研制TiO2薄膜紫外光传感器提供了实验依据。
2 实验
实验所用试剂除钛酸丁酯为化学纯外均为分析纯。将4ml钛酸丁酯和1ml三乙醇胺溶于12ml无水乙醇, 搅拌30min得到混合溶液。另将1.2ml去离子水与4ml无水乙醇混合均匀后, 于不断搅拌下逐滴滴入到上述混合液中, 并持续搅拌90min, 得到均匀、透明的淡黄色TiO2溶胶, 静置备用。
将清洗好的玻璃片固定在KW—4A型匀胶机上, 采用旋转涂膜的方式在玻璃基片表面形成一层均匀的TiO2凝胶, 恒温100℃干燥15min。制备多层膜, 重复上述操作。最后, 把载有凝胶的玻璃片放入马弗炉中以4℃/min的速度升温至一定的温度下烧结2h, 得到纳米TiO2膜。利用Rigaku D/Max—2000型X—射线粉末衍射仪、WGZ—8型双光束紫外-可见分光光度计和NaˉNoˉVisnal型原子力显微镜 (AFM) 对制备好薄膜样品进行表征。
3 结果与讨论
本实验采用solˉgel法制膜, 由于所需薄膜的面积不是很大, 因此采用滴液扩散的方式涂膜。该方式简便易行, 得到的膜较均匀。溶胶的制备是本实验成功的关键之一。钛酸丁酯极易水解。其原因是由于Ti4+ 的水解作用。实验中向溶液中加入适量的三乙醇胺可起到抑制钛酸丁酯的水解作用, 可有效提高涂膜质量[6]。
3.1 薄膜的X射线衍射分析 (XRD)
将上述制备的溶胶放入马弗炉中100℃下干燥成纳米TiO2粉体, 经500℃、600℃、700℃、800℃和900℃恒温烧结2h后进行X射线衍射测试, 如图1。测试结果表明, 经500℃烧结后在2θ= 25.33°, 37.87°, 48.09°及54.08°处分别出现了锐钛矿的特征衍射峰, 分别对应锐钛矿相的 (101) 、 (004) 、 (200) 及 (105) 面[13], 即纳米TiO2粉末是锐钛矿相结构;温度在500℃以上锐钛矿相开始向金红石相转化, 600℃和700℃为锐钛矿与金红石相的混合晶相;800℃均为金红石相结构;900℃出现了金红石相与板钛矿相的混合晶相。
3.2 薄膜表面形貌
图2为经4次涂膜的薄膜表面形貌图。由图中照片可看出, 颗粒很少出现团聚现象, 薄膜上粒子分布比较均匀, 每个微晶呈针状, 垂直于衬底择优生长, 有较大的比表面积及大量的表面空洞, 并且针状微晶的空间生长速率有一定的随机的涨落, 这些都是光催化反应器再好不过的形貌[14]。且通过面粗糙度分析得知, 薄膜表面平均粗糙度为1.71nm。
3.2 TiO2纳米膜的紫外-可见光谱
3.2.1 不同涂膜次数的影响
由图3不同涂膜次数的紫外-可见吸收曲线 (除玻璃本体吸收) 可看出, 薄膜的最大吸收峰位于紫外区内, 即对紫外光有很强的吸收, 这表明实验制备的薄膜能够抵抗紫外线, 为制备紫外波段的光传感器奠定了实验基础。而薄膜在340nm以后的吸收度值都较低, 这说明薄膜对可见光的透光性良好。此外, 随涂膜次数的增加吸收边相对发生了红移。
图4为λ=270.0nm时不同涂膜次数对TiO2薄膜吸收度的影响。由图可以看出, 随着涂膜次数的增加, 薄膜对紫外光的最大吸收度值先增大后减小, 当涂膜次数为3次时, 薄膜对紫外光的吸收值达到最大值。
图5为不同涂膜次数薄膜的透射谱图。从图中可看出, TiO2薄膜的相对透光率在波长小于340nm时急剧下降, 表明所制备的TiO2薄膜在近紫外光处具有明显的吸收, 即对紫外线有强的吸收。此外, 对于镀膜次数较多的薄膜, 在紫外-可见光谱上会出现干涉条纹, 这与文献[16]中所得结果正好符合。
从图6 (λ=550.0nm) 中可以看出, 薄膜在可见光区的相对透光率都大于75%, 可见TiO2薄膜对可见光有良好的透射性。此外, 薄膜的透光率与镀膜次数有关, 随着镀膜次数的增加, 薄膜的透过率减小。这是由于随着涂膜次数的增加, 薄膜的表观厚度增加的缘故。
3.2.2 不同凝胶时间的影响
由图7 (λ=270.0nm) 不同凝胶时间对TiO2薄膜的吸收度的影响中可看出, 随着凝胶时间的增长最大吸收峰也相应的增大, 15h之后溶胶的性能相对较稳定, 其吸收峰值相应的变化也相对较缓。
由图8 (λ=550.0nm) 不同凝胶时间对TiO2薄膜透光率的影响表明, 溶胶的凝胶时间对薄膜的透过率称先增大后减少。这是由于凝胶时间的长短直接影响溶胶的粘稠度。
3.2.3 不同热处理温度
由图9中薄膜的吸收谱图可知, 两曲线对光吸收主峰分别在269.0nm 和265.0nm 处, 可见相比较块状锐钛矿晶体λ=387.5nm出现了不同程度的“蓝移”。
由图9中薄膜的透射谱图可知, 热处理温度对薄膜的透射率有一定的影响, 热处理温度升高, 薄膜的透射率明显下降, 这可能是由于高的热处理温度可形成较大的粒子, 从而引起较大的光散射。
3.3 TiO2纳米膜的半导体禁带宽度影响分析
在TiO2半导体中, 存在2种类型的光激发电子跃迁, 直接跃迁和间接跃迁。对于直接跃迁吸收光谱中的光学吸收系数用下式表示[17]:
ahv=Bd (hv-Eg) 1/2
式中Bd是直接跃迁的吸收常数。
间接跃迁的光学吸收系数由下式确定[17]:
ahv=Bi (hv-Eg) 2
式中Bi是间接跃迁的吸收常数。
本文利用薄膜的紫外-可见光谱, 作a2-E和a1/2-E 图 (E=hv) 。从图中直线段在a=0的外推值, 可以得到薄膜的直接跃迁和间接跃迁的禁带宽度。
从图9可以看出, 涂膜次数不同的薄膜的直接跃迁和间接跃迁的禁带宽度均不同, 说明涂膜次数对膜的禁带宽有影响, 且随着涂膜次数的增加, 禁带宽度红移就越明显。
从图10可以看出, 直接跃迁的禁带宽度均是3.88eV, 间接跃迁的禁带宽度均是3.44eV。这说明溶胶的凝胶时间对薄膜的禁带宽不产生影响。
从图11可以看出, 直接跃迁的禁带宽度基本相同, 而热处理温度较低的膜的间接跃迁的禁带宽较小, 热处理温度较高的膜的间接跃迁的禁带宽较大, 这说明热处理温度对膜的间接跃迁的禁带宽度有影响, 且随着热处理温度的升高, 禁带宽度“蓝移”就越明显。
4 结论
光谱特性 篇4
为了比较3种聚合物光纤在γ射线辐照下的辐照损伤特性的不同,通过分析3种聚合物光纤在辐照环境下的物理化学变化,并测量了聚甲基丙烯酸甲脂、聚碳酸脂、聚苯乙烯3种光纤在不同剂量γ射线辐照下可见光波段的辐照光谱,得到3种光纤辐照损伤特性的`定量结果.在0.1kGy和1kGy辐照剂量时,3种光纤的透过率光谱趋势类似,整个可见光波段透过率光谱都较平坦;在5kGy和10kGy辐照剂量时,测得的辐照光谱在不同波长段出现峰值,辐照剂量越高,剂量率越大,光谱的峰值效果越明显,透过率起伏越多,透过率峰值也向长波段偏移.结果表明,光纤的辐照损伤和恢复都有波长相关性,这对核辐照环境下使用塑料光纤有很好的参考作用.
作 者：葛文萍 地里木拉提・吐尔逊 王耀祥 田维坚 GE Wen-ping TURSUN Dilmurat WANG Yao-xiang TIAN Wei-jian 作者单位：葛文萍,GE Wen-ping(中国科学院,西安光学精密机械研究所,西安,710068;新疆大学,信息科学与工程学院,乌鲁木齐,830046)
地里木拉提・吐尔逊,TURSUN Dilmurat(新疆大学,信息科学与工程学院,乌鲁木齐,830046)
王耀祥,田维坚,WANG Yao-xiang,TIAN Wei-jian(中国科学院,西安光学精密机械研究所,西安,710068)
刊 名：激光技术 ISTIC PKU英文刊名：LASER TECHNOLOGY年，卷(期)：200731(5)分类号：O434关键词：光谱学 γ射线辐照 聚合物光纤 透过率光谱
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光谱特性 篇5
An Imaging spectrometer measures the image of ground scene pixels and simultaneously obtains spectra data of each scene pixel in tens to hundreds contiguous spectral bands[1,2].The spectral radiance measured by detector pixels of an imaging spectrometer would be little for observing water or low albedo target.It is anticipated to prolong the integral time of detector to increase the Signal-to-Noise Ratio(SNR)of the imaging spectrometer.Motion Compensation(MC)method is generally used to increase integral time of detector such as COIS[3],Hyperion[4]and HIRIS[5].The principle of MC is shown in fig.1.When the pointing mirror is laid 45ºimaging spectrometer observes nadir point.When the space-borne imaging spectrometer lies in position 1,the pointing mirror turnsα/2 ahead.So the axis of Instantaneous Field Of View(IFOV)is turned aheadαalong flight direction and points to D1 before the nadir point B1.And then the axis of IFOV is turned backwards relative to the imaging spectrometer by controlling pointing mirror.Until position 3,motion compensation is completed.The point mirror is quickly turned ahead again and the axis of IFOV points to B2.Next motion compensation is beginning.If the distance from position 1 to 3 is A1B1=nl and the observed distance is C1D1=l,the integral time of detector will increase n times compared with without MC for observing scene area C1D1.Using MC can increase SNR of an imaging spectrometer.But it makes spatial resolution some loss[5].In addition,the geometrical ubiety of ground scene pixel relative to the entrance pupil of imaging spectrometer and the transmission path of scene radiance would change with the Tilt Angle of the Axis of IFOV(hereafter,TAA for short).Further,the measured scene radiance and atmosphere scatter radiance are varied with TAA.The characteristics of spectral radiance measured by imaging spectrometer with MC will be analyzed concretely in the following sections.
1 Theoretical Discussion
For a spaceborne push-broom imaging spectrometer without MC,the measured radianceΦof the detector pixel is the convolution of the spectral response function f(λ-λ0)with a high-resolution upwelling spectrum L(λ)across the spectral band:
Where,Tint is integral time of detector.L(λ)is upwelling spectral radiance.The spectral response function generally is Gaussion function.τopt is transmittance of optical system.cosi is cosine of the included angle between ground pixel normal and the axis of IFOV.For imaging spectrometer without MC,i=0°,cosi=1.∆S=GSD2nadir is ground pixel area.GSDnadir is Ground Sampling Distance(spatial resolution)corresponding to nadir point∆ω=πD2/4H2is the solid angle of entrance pupil to ground pixel.D is diameter of entrance pupil of imaging spectrometer system.H is the height of space orbit.
The definition of the angle of IFOVθis given by
When the dimension of detector pixel d,focal length of telescopic system f and the height of space orbit H are fixed,the IFOV and GSDnadir also become fixed value.So cosi,∆S and∆ωare invariable for the imaging spectrometer without MC.
For imaging spectrometer with MC,there is just one position where the system observes nadir point,while there is an included angleα(TAA)between the axis of IFOV and nadir direction in other positions.The radiance transmission direction and path are variable.∆S,∆ωand cosi are variable.The relationship of∆S,∆ωand cos withαcan be expressed as
Where:R is the radius of the earth;M=(R+H)/R;GSDx and GSDy are along-track and cross-track spatia resolution.We assume that the observed ground scene surfaces are spherical surface at along-track direction and plane surface at cross-track direction.
The incident spectral radiance of imaging spectrometer with MC is given by
Where:Lg is ground scene spectral radiance.Ls is atmosphere scatter radiance.τ0(λ)is the vertical transmittance of atmosphere corresponding to nadir point.m(α)is the relative atmosphere mass,it can be expressed as[6]
Finally,substitute Eq.(3)～(6)into Eq.(1),the relationship between the measured radianceΦn and TAAαfor the imaging spectrometer with MC is given by
Where,n is MC gain.Whenα=0°and n=1,there is no MC and the system observes nadir point.Eq.(7)is the same as Eq.(1).
According Eq.(7),the equation to compute the signal in electrons per pixel is
Where:h is Planck constant.c is light speed.ηis quantum efficiency of detector.The SNR of the imaging spectrometer with MC also varies with the tilt angle of the axis of IFOVα.The expression of SNR is
2 Calculations and Discussions
In order to analyze the characteristics of spectral radiance measured by imaging spectrometer with MC,the upwelling ground scene spectral radiance,scatter radiance and the total spectral radiance at the top of the atmosphere were modeled in the spectral range of 0.4～1.0µm with conditions of a 30°solar illumination angle,a0.3 reflection horizontal surface at sea level,and the 23 km visibility,standard mid-latitude summer atmosphere model(See Fig.2)[8].The spectral resolution is 10 nm.The height of orbit is H=400 km.The radius of the earth is R=6 378.01 km.The gain of MC is n=2.The ratios of measured radianceΦ2(α)/Φ2(0°)between a certain TAAαand observing nadir point(α=0°)are calculated according Eq.(7)(see Fig.3 to 5).
Fig.3 shows the ratio of measured scene radiance with a certain TAAαto that with observing nadir poin(α=0°).The measured scene radiance decreases along withαincreasing in the process of motion compensation Whenαincreases,the transmission path of scene radiance in the atmosphere becomes longer.The absorption and scatter of atmosphere become stronger.There is more energy loss for scene radiance in transmission.The signa level of target radiance measured by imaging spectrometer also becomes lower.Whenαis less than 30°,the average reduction of measured scene radiance is no more than 10%.Whenα=45°,the average reduction of measured scene radiance is near 20%and more than 20%in short-wave spectral range.
Fig.4 shows the ratio of measured scatter radiance with a certain TAAαto that with observing nadir poin(α=0°).The measured scatter radiance firstly decreases and afterward increases along withαincreasing.This characteristic is determined by the geometrical relationship of observer-target-sun.Whenαis less than 30°the average variation of measured scatter radiance is no more than 5%.Whenα=45°,the average increment of measured scatter radiance is 15%.The disturbance of the scatter radiance to the scene radiance is strengthened obviously.
Fig.5 shows the ratio of measured total radiance with a certain TAAαto that with observing nadir poin(α=0°).The measured total radiance always decreases along withαincreasing in the process of motion compensation.It indicates that the reduction of measured scene radiance is lager than the increment of measured scatter radiance.Although the average reduction of measured total radiance is no more than 8%whenα<45°,the proportion of ground scene radiance in total radiance becomes smaller compared with observing nadir poin(α=0°).The capability to detect the ground scene cannot maintain two times MC gains by design along withαincreasing.So the maximum ofαis better no more than 30°when using MC.Fig.6 shows increase ratio of SNR of imaging spectrometer between with and without MC corresponding to different MC gain andα.The parameters of imaging spectrometer used to calculate SNR are listed in Table 1[5].When using MC,the increase values of SNR corresponding to observing nadir point(α=0°)are approximately proportional with the square root of MC gain n For a certain MC gain,SNR decreases along withαincreasing.Whenα=45ºSNR averagely decrease 15%(Fig.6).
The relationship of MC gain n,observing distance l and the maximum of TAA(αmax)can be expressed as
Eq.(10)indicates that:For a certainαmax,if MC gains n increase,the observing distance l will decrease.If the observing distance l keeps invariable,increasing MC gain n must enlargeαmax.But Whenα>30°,the measured total radiance and the proportion of scene radiance are much smaller than that with observing nadir point(α=0º).The detective capability for the scene target cannot reach n times MC gain by design.Table 2 lists the observing distance in MC with certain MC gain andαmax.
3 Conclusions
Using motion compensation can prolong the integral time of detector and finally increase the SNR of imaging spectrometer.While the geometrical relationship of ground target to imaging spectrometer and the transmission path of spectral radiance are changed because of the swing of the point mirror.the total radiance measured would decrease along with the tilt angle of axis of IFOV increasing in the process of motion compensation.And the proportion of ground scene radiance in total radiance also becomes smaller.Just when observing nadir point(α=0°)the increase of SNR can reach the value by design.In order to make the detective capability of imaging spectrometer to approach the increase value with MC,the tilt angle of the axis of IFOV is better no more than 30°.
摘要：为研究运动补偿下成像光谱仪的辐射能量采集特性,首先推导出系统探测器像元采集到的光谱辐射能量与瞬时视场光轴摆角的关系式。据此,在可见近红外(0.4～1.0μm)光谱范围内,计算不同摆角下系统采集到的光谱辐射能量与观测星下点(对应光轴摆角为0o)时系统采集到的光谱辐射能量的比值。结果表明:与观测星下点相比,运动补偿过程中系统采集到的总光谱辐射能量随光轴摆角的增大而减小,并且其中地面目标辐射所占的比例也随之减小。系统信噪比有类似的特性。要使整个观测过程辐射能量提高的倍率保持或接近预期的补偿倍率,光轴摆角尽量小于30o。
关键词：成像光谱仪,遥感成像,光轴摆角,运动补偿
参考文献
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光谱特性 篇6
对于鲁西北盐碱地而言,普通多光谱遥感手段已有所尝试,胡涛[1]采用监督分类法利用Landsat TM5将研究区土地类型分为轻度盐渍地、重度盐渍地、绿地及其他,但影像获取时间与地面考察时间不同步,且仅靠少数GPS点位作为采样点进行分类会导致不确定性。田贵全等[2]采用图像预处理加目视解译的方法对德州及聊城部分地区的盐碱地实现了动态监测,但由于该地区潜在盐碱地块常年被大田作物所覆盖,且不同区域盐碱地在分布时间及程度上不同,致使目视解译较难获取准确的分布信息。综合来看,目前应用于该区域盐碱地的遥感监测方案还很不完善,以个例居多,制约主因在于普通多光谱信息的随机性以及鲁西北盐碱地对时空转换的不敏感性。
高光谱遥感具有普通多光谱遥感无法比拟的优势,在精细遥感领域中有重要的应用价值。盐碱地由于其土壤矿物组分的不同导致其反射光谱曲线在一些细节特征方面和其他地物有显著不同[3],故可将光谱数据用作盐碱地的分析工具。不过在本区盐碱地研究中,高光谱遥感技术尚未广泛利用。鉴于此,本文尝试了提取该地典型盐碱地光谱信息,通过其诊断性吸收峰特征分析盐碱地特性的方法。
国内外不少学者已将高光谱技术应用在盐碱地光谱特征的分析中:Y L Weng等利用EO-1 Hyperion数据,在包络线去除反射率的2052及2203nm处构建了土壤盐渍化光谱指数(SSI)以分析盐碱土的光谱吸收特征[4]。R L Dehaan等曾对澳大利亚墨累达令盆地Pyramid Hill镇附近Tragowel平原农业区R&D地块的盐渍化土壤进行过取样与场地光谱测量,发现其在505、920、1415、1915和2205nm处表现出光谱吸收特征[5]。J Farifteh等对荷兰西北部特塞尔岛及匈牙利东北部一块区域采集的土样进行了实验室光谱分析,发现经过包络线去除的土壤光谱曲线在1440和1933nm处的吸收特征与石盐和钾盐的矿物光谱曲线一致[6]。诸多实验的开展证明了光谱分析技术可以有效运用于盐碱地研究。利好的消息是目前以及未来几年我国有若干高光谱遥感平台正在或即将投入运营,如2011年开始运营的天宫1号及计划于2016年发射的CCRSS(China Commercial Remote-sensing Satellite System)[7],随着数据源的日益丰富和优质,借助光谱信息对盐碱地的精细诊断成为可能。
2 研究区及数据
选取的数据是2011年6月4日过境山东省德州市的EO-1Hyperion数据,研究区范围是德州西部武城、夏津两县被该景影像所覆盖的地带(图1)。
2.1 研究区概况及盐碱地分布情况
研究区位于黄河下游冲积平原,面积为419.136km2,经度115.92°~116.16°E,纬度36.87°~37.38°N,属暖温带半湿润季风气候,四季分明,光照充足,地形整体平坦,系典型的冲积平原地质区。境内的盐渍化土壤可划分为两个土类:潮土及盐土。具体划分,潮土中的亚类———盐化潮土实质上占据了本区域盐渍化土壤的大部分,而真正的盐土(潜水埋深1~1.5m,潜水矿化度1.26~7.3g/L,表层盐分含量1%左右,0~5cm盐分含量高达2.25%,作物难以生长,利用改良困难)并不多见,少量分布于境内洼坡地、背河槽状洼地等地貌类型上。
2.2 Hyperion及盐碱地端元数据
采用美国EO-1卫星Hyperion成像光谱仪Level1R数据产品作为提取研究区光谱曲线的源数据。该高光谱影像含242个波段(196个已辐射定标且不重叠的波段),在不考虑大气窗口的前提下,其有效探测光谱已覆盖426.82-2355.21nm的可见光-近红外(VNIR)及短波红外(SWIR)范围,具有30m的空间分辨率和10nm左右的光谱分辨率。本实验影像条带号123,行编号34,云量10%,但因厚云区均在研究区之外(图1),影像质量总体为优质。选取该时期影像是由于6月和10月本区域基本无大田作物覆盖(影像中除部分未完成收割的麦田,大部分土壤已经裸露),因而避免了土壤反射率和植被反射率叠加的问题,保证了盐碱地光谱质量。
为获取准确的盐碱地端元,作者曾于2011年5月前往研究区进行现场踏勘,并结合武城、夏津两县地方志土壤章节关于盐碱地分布地点的描述确定了若干地块作为盐碱地端元候选地块集A。同时,为避免经验判断的不足,在后期加入了从德州市国土资源局获取的该市2014年3月盐碱地(定义为“指表层盐碱聚集,生长天然耐盐植物的土地”[8])地块参考数据,作为盐碱地端元候选地块集B。
3 数据处理与光谱曲线的生成
3.1 数据预处理与波段优选
利用ENVI平台的hyperion_tools v2.0完成了对Hyperion L1R数据的预处理,包括条纹剔除,坏线屏蔽,计算各波段中心波长、半峰全宽(FWHM)和波长半径以及Smile效应的去除。处理后的Hyperion影像波段质量见表1,最后优选了155个波段用于光谱提取(图2)。
3.2 辐射校正与几何校正
辐射校正包含辐射定标与大气校正。将B1-B70间剩余的波段除以40,B71-B242间剩余的波段除以80,即得到单位为W/(m2·μm·sr)的表观辐射亮度值。以表观辐射亮度值作为输入数据,在ENVI FLAASH模块填入影像、传感器的参数,选择1135nm作为水汽反演波段,2-Band(K-T)作为气溶胶反演方法,计算出Hyperion影像反射率。
因L1R数据仅经过了VNIR与SWIR波段之间的空间位置校正和系统辐射纠正,尚不具备投影坐标系,选取同期Hyperion L1Gst(在L1R的基础上追加了几何校正和地图投影)作为基准坐标系,将Hyperion L1R影像、盐碱地地块矢量数据进行精确配准,误差控制在0.5个像元内。
3.3 光谱曲线的生成
光谱库的创建依赖于准确的盐碱地端元。虽有现场勘定地块GPS点位及国土部门提供的权威数据,但考虑到2年多时间跨度内地块的变化性,加之30m分辨率影像混合像元及混合光谱问题,此处基于高光谱影像纯净像元指数(PPI)确定纯净像元集C,并选取A、B、C的交集作为端元波谱提取地块。最终选择的地块及端元点位如图2所示,并利用Hyperion数据生成了5个端元的反射率曲线及平均光谱曲线,绘制在图3中。由于平均波谱反映总体特征,因此也将其视为1个独立端元波谱,本文其余分析均依据以上6条光谱曲线中出现的吸收峰数量进行描述。吸收特征最明显的谱段在1135nm左右,系B97-B100共4个为水汽反演而保留的波段,水汽吸收作用使其具有非常低的反射率,不将其视作吸收峰特征。
4 光谱分析
4.1 实验端元的诊断性吸收峰
定义与前后相邻波段反射率之差均大于或等于0.01,且小于前后相邻波段反射率的波段为吸收峰波段,其中心波长定义为波峰位置,对5个端元及平均波谱统计见表2。
4.2 土壤电导率特征分析
R L Dehaan等[5]将具有9710Ms/cm的EC1:5(表征盐分的土壤电导率)的土壤定义为中度盐渍土,并指出在其实验范围内只有满足该EC1:5的土壤在1180nm处表现出水合物相关吸收特征。而上述5个端元中有4个(除03号端元外)均在1180nm附近表现出了明显的吸收峰,分布在B103/B104/B105波段,据此可推断上述端元均同Dehaan定义的中度盐渍土有较高的相似性。
L L Biehl曾指出具有超过4dS/m电导率的土壤在500到2380nm间反射值较低,当电导率减弱时,反射率升高[9]。从图3中可见02号端元在该区间的反射率比较低,而该地块被证实是长期闲置的盐碱地地块,故推测该地块较低的全局反射率与重度盐渍化有一定关系。
4.3 土壤盐分含量特征分析
E I Karanova等运用多元回归分析得出计算结果:4种土壤组分贡献了750nm处总光谱亮度值方差的52%,除腐殖质含量贡献35%之外,土壤中盐分含量贡献6.5%,石膏含量贡献5.2%,碳酸盐含量贡献5.6%,说明此波谱段反射率对盐分含量比较敏感。而01、04端元及平均波谱均在B41波段(762.6005nm)处体现了吸收特征,02、03端元未表现吸收特征,它们的差异可能是土壤盐分不同导致的。
J Farifteh等认为只有重度盐渍土在1631nm处表现出吸收特征[6];而02号端元在1628.8103nm(B148波段)处恰好表现出明显的吸收特征。上面4.2节已介绍02号端元所处的是长期闲置的较严重盐碱地块,故认为在一定程度上1631nm可以作为本区域重度盐渍土的检测指标。
4.4 诊断性指标分析
盐碱地一些诊断性指标与矿物成分密切相关。该地区盐碱土依据土壤发生学原则归类为盐土,具体又分为白潮盐土及油潮盐土,两者分别具有不同的典型化合物:白潮盐土盐分中多含Cl-及SO42-,硫酸钠脱水后形成的白色结晶是该地区土壤表层一个显著的现象;油潮盐土盐分组成与白潮盐土类似,含有较多的吸水性强的MgCl2及CaCl2,因而地表长时间呈现湿润状态。总体上,地表盐土盐分组成以氯化物及硫酸盐为主。
4.4.1 水合物
R L Dehaan等认为在1010nm及2210nm处呈现水合物相关吸收特征的土壤盐渍化程度较高[10],这与03号端元在1013.2982nm(B87波段)处以及01和04端元在2213.9265nm(B206波段)处反映出的特征一致(图4)。G I Metternicht也通过实验指出1170nm处微弱的水合物吸收特征对于盐渍化土的正确制图而言至关重要[11],而本实验中4个端元在此处的统一吸收特征也印证了这个波段的诊断性能。
4.4.2 矿物
Drake等描述了在1000nm附近石膏的吸收特征[12],显然01、02及03号端元在993.1704/1003.2994nm(B85/B86波段)处均有所体现。目前尚不能肯定此特征表征了几处地块较高的CaSO4·2H2O含量,但考虑到白潮盐土中较多的SO42-及油潮盐土中较多的Ca2+,这种可能性并不能排除。
石灰质土由于CaCO3中CO32-离子的振动而在2250、2350、2380及2465nm处具有多个吸收波段[13];而03、04号端元所处的地块在2254.2212nm(B210波段)处具有明显的吸收特征,但由于Hyperion光谱范围有限,不能做到完全验证,尚需地面光谱做进一步配合。
4.4.3 土壤湿度
R L Dehaan等还指出,潮湿的土壤样品在1190nm处具有与众不同的吸收特征;而01、02和05号端元在1184.8738/1194.9725nm(B104/B105波段)处表现出的反射率与03、04有显著不同,考虑到研究区在6月短时阵雨较多且土壤排水性能存在差异,因而这可能与成像时土壤湿度的差异有关。
翁永玲等曾指出因盐分组成不同,实测光谱反射率与土壤含盐量会出现负相关,如由Na+、Mg2+、Cl-组成的高湿度盐土壤,从周围环境吸收了大量水分后,反射率降低[14],这符合研究区油潮盐土的特性,但由于麦收季节土地停止灌溉,蒸发量较大,土壤含水量较低,因而该土类的特性体现并不明显。
其他指标:R L Dehaan还指出在其实验中,4个裸土端元的波谱在2290nm处出现吸收特征强度与复杂度的增加[10];而01、02、04号端元及平均波谱均在2294.615nm(B214波段)处体现该特征,目前尚不清楚该波长的反射特征与何种物质有关,但很可能也是盐碱地的有效诊断波段之一。
5 结语