短波红外光谱仪用途

短波红外光谱技术的研究与应用随着科技的不断发展，红外光谱技术越来越被广泛运用于各个领域中。

其中，短波红外光谱技术是目前最为先进的一种技术手段之一。

在农业、化工、医疗、食品等众多领域，人们正在利用这一技术不断实现创新与发展。

一、短波红外光谱技术的定义短波红外光谱技术（Short-Wave Infrared Spectroscopy，SWIR）是指波长在1.4-2.5微米范围内的红外光谱技术。

与常规的红外光谱技术相比，短波红外光谱技术具有更高的分辨率和更强的灵敏度。

同时，在透明度更高的物质中，其能够渗透更深，瞬间采集到更多的数据。

这也为该技术应用带来了更大的灵活性与可靠性。

二、短波红外光谱技术早期主要应用于地球科学、天文学、气象学等领域。

近年来，人们发现它在其它领域中也具有广泛的应用前景。

此外，随着各种新型传感器、红外光谱仪以及数据分析工具的问世，短波红外光谱技术的应用领域也不断扩大。

1. 农业领域短波红外光谱技术在农业领域中的应用十分广泛。

例如，在玉米田中，可以通过使用SWIR技术来测量不同类型的农田土壤中的物质含量，进一步改善农田的使用方式，提高农业生产效率。

同时，短波红外光谱技术还能够在果园或葡萄园中进行快速检测，以及在食品加工和农业产品质量控制方面得到广泛应用。

2. 化工领域在化学领域，短波红外光谱技术不仅可以用来监测和检验材料的物理和化学性质，还可以用来作为研究稳定性和功率效率的工具。

在油气工业领域，人们正在利用SWIR技术研发新型的油性图像检测、深度控制和管道防腐蚀等技术。

3. 医疗领域在医学领域中，短波红外光谱技术可以结合人体作为患者的相关数据进行多种诊断。

举例来说，像肝细胞癌和胆管细胞癌等疾病，都可以通过SWIR技术来快速检测、诊断和跟踪。

三、短波红外光谱技术未来的发展随着人工智能、机器学习算法和数据分析技术的快速发展，短波红外光谱技术未来的应用前景也非常广阔。

这种技术将会在质量控制、非破坏性检测和工业生产优化等领域，发挥更加显著的作用。

第四章 红外光谱仪的使用第一节 概述红外吸收光谱法（简称红外光谱法，infrared absorption spectroscopy，IR）是鉴别 化合物和确定物质分子结构的常用手段之一。

利用红外光谱法还可以对单一组分或混 合物中各组分进行定量分析，尤其是对于一些较难分离，并在紫外、可见光区找不到 明显特征峰的样品可方便、迅速地完成定量分析。

红外光谱仪（infrared spectrophotometer）的发展大致经历了这样的过程：第一代 的红外光谱仪以棱镜为色散元件，由于光学材料制造困难，分辨率低并要求低温低湿 等，这种仪器现已被淘汰。

二十世纪 60 年代后发展的以光栅为色散元件的第二代红 外光谱仪，分辨率比第一代仪器高得多，仪器的测量范围也比较宽。

二十世纪 70 年 代后发展起来的傅立叶变换红外光谱仪是第三代产品。

目前商品红外光谱仪主要是色 散型红外光谱仪和傅立叶变换红外光谱仪（FT­IR）两种，常用的是 FT­IR 光谱仪。

一、仪器工作原理和主要部件1．色散型红外光谱仪色散型红外光谱仪（Dispersion infrared spectrophotometer）按测光方式的不同， 可以分光学零位平衡式与比例记录式两类。

其结构图见图 4­1 和图 4­2。

图 4­1 光学零位平衡式的结构示意图光学零位平衡式的仪器是把调制光信号经检测与放大后，用以驱动参比光路上的 光学衰减器，使两束光的能量达到零位平衡。

同时记录仪与光学衰减器同步运动以记 录样品的透射比。

比例记录式仪器是把调制光信号经检测与放大后分离，通过测量两个电信号的比例而得出样品的透射比。

图 4­2 比例记录式的结构示意图由图 4­1 和图 4­2 可知，不论是何种类型的色散型红外光谱仪，其基本部件均由 光源、样品室、单色器、检测器、放大器及记录机械装置等五个部分组成。

短波红外波段指波长在1400-3000纳米之间的波段，肉眼无法识别这些光谱。

矿物质、人造物质及其他一些地物具有特殊的成分，而短波红外能够“看见”这种特有成分，但肉眼和可见光近红外光波却“看不见”。

可见光近红外光谱和短波红外光谱图短波红外成像有一个其他技术无可比拟的主要优点，即它能够透过玻璃进行成像。

对于短波红外相机来说，特制的价格昂贵的透镜或者适应恶劣环境的外壳几乎是不必要的。

这就使得它们可以用于各种各样的应用和产业。

这种能力还允许短波红外相机安装在一个保护窗口内，当将相机系统固定在一种潜在平台上时，这将可以提供很大的灵活性。

所以，为何要使用短波红外呢？因为短波红外具有以下一些优点：●高灵敏度●高分辨率●能在夜空辉光下观测●昼夜成像●隐蔽照明●能看到隐蔽的激光器和信标●无需低温制冷●可采用常规的低成本可见光透镜●尺寸小●功率低成像效果图在夜里使用短波红外还有一个大的优点。

被称为夜间天空辐亮度的大气现象所发出的光照度比星光强5至7倍，这种光照几乎都处在短波红外波长区。

所以，有了短波红外相机，再加上这种常常被称为夜气辉的夜间光照度，我们便能够在无月光的夜间很清楚地“看到”目标，并通过网络共享这种图像，因为其他成像器件没法做到这一点。

在近红外、短波红外以及可见光范围可确保提供完美的日间/夜间相机解决方案。

具有高分辨率、无光晕以及高灵敏度等优点。

使用者可以在无光源的环境下捕获大气中的“夜间光”来获得清晰可视的图像.普通数码相机,不能够提供足够的信息以对某一场景进行全天候、全面、准确、可靠的描述，易造成目标的丢失和误判，所有的成像效果都无法与S W I R镜头技术媲美。

以下是对比图广泛应用小编非常辛苦的收罗了短波红外的各种应用，希望大家能了解到他的价值。

S W I R短波镜头的精湛之处在于直接在生产读取电路晶圆上生长出锗探测单元，产生数百计数的对短波红外可见的成像芯片，可靠性高，波长响应范围更宽，不仅能够延伸到红外波段而且可以检测可见光和近红外光。

V o l.41 吉林大学学报(理学版) N o.2　2002年4月 JOU RNAL O F J I L I N UN I V ER S IT Y(SC IEN CE ED IT I ON)245～247　研究简报短波近红外光谱法分析酒中乙醇含量逯家辉,滕利荣,蒋富明,任玉林(吉林大学化学学院,长春130023)邱芳萍王友兵(长春工业大学生物工程学院,长春130012)(白城医学院,白城137000)提要:使用短波近红外光谱和多变量校正技术快速准确地测定酒中乙醇含量.研究了纯水、乙醇以及乙醇和水混合体系的光谱特征.用多元线性回归(M L R)和主成分回归(PCR)分析了二阶导数差谱数据.该法分析酒样具有方便、快速的优点.关键词:短波近红外光谱;多变量校正;乙醇测定中图分类号:O657.33 文献标识码:A 文章编号:167125489(2003)022*******测定白酒中酒精度的国家标准需将酒样先蒸馏,定容,再用比重瓶法或酒精计法测定[1].方法费时、费力,且测定结果只能保留一位小数.传统的仪器分析方法,如气相色谱法,分析酒中乙醇含量[2]一般操作复杂,且仪器昂贵.短波近红外光谱位于850～1075nm光谱区域,目前一般的紫外可见分光光度计的波长范围大都扩展到该光谱区域,因此开发、利用此光谱区域具有一定意义.有机化合物在短波近红外光谱区都有吸收,但组分间的谱带相互重叠,用其进行定量分析需采用一些化学计量学光谱数据处理技术,才能获得准确可靠的结果[3].本文将短波近红外光谱法同化学计量学技术相结合,对酒中乙醇含量进行快速非破坏定量分析.研究了一系列乙醇溶液的短波近红外吸收光谱、导数光谱和差谱的光谱特征.比较了多元线性回归(M L R)和主成分回归(PCR)等化学计量学技术处理光谱数据进行乙醇含量预测的准确性.此法无需对样品进行复杂预处理,而且具有方便、快捷等优点. 1　实验部分1.1　仪器与试剂　日本岛津U V23100型紫外可见近红外分光光度计.长城G W386 330微机通过R S2232C通讯端口与备有接口板的主机连接,实现数据的自动采集和光谱数据的传输.使用I RM A T Pen tium98微机进行光谱数据处理和运算,所用试剂均为分析纯.1.2　样品的制备　准确配制1%～25%(体积比)乙醇水溶液标准样品15份,购买2种酒样.1.3　测量条件及数据处理　1c m石英吸收池,波长扫描范围850～1075nm,光谱带宽2nm,每个样品扫描2次,取平均值.采用自编的多元线性回归和主成分回归等化学计量学光谱数据处理软件进行光谱数据处理[4]. 2　结果与讨论2.1　红外光谱　以空气为参比,测定纯水和无水乙醇的短波近红外吸收光谱.水的最大吸收在960nm左右.无水乙醇在905nm处出现甲基的C_H伸缩振动3倍频吸收带,在935nm处的肩峰是亚甲基的C—H伸缩振动3倍频吸收带,在960nm左右出现乙醇中O_H的3倍频吸收带[5].2.2　乙醇溶液光谱研究　以空气为参比,分别测定5%,10%,15%,20%和25%(体积比)乙醇收稿日期:2002209212.作者简介:逯家辉(1965～),男,工程师,从事生物化学研究.联系人:任玉林(1945～),男,教授,博士生导师,从事化学计量学研究,E2m ail:cgl93728@.基金项目:吉林省科技发展基金(批准号:2002050322).水溶液的短波近红外吸收光谱.水在960nm 左右仍有一强吸收带,在905nm 左右处还有一个弱吸收带.随着乙醇含量的增加,在960nm 处的吸收带逐渐减弱.5%,10%,15%,20%和25%(体积比)乙醇水溶液的二阶导数光谱如图1所示.从图1同样可以看出,随着乙醇含量的增加,在960nm 处的二阶导数光谱吸收带的强度也相应改变.为进一步突出主要官能团的光谱特征,用纯水的吸收光谱减去乙醇水溶液的吸收光谱,然后做二阶导数光谱,得到如图2所示不同浓度的乙醇水溶液的二阶导数差谱.图2最大的优点是乙醇在905nm 左右的吸收带和935nm 左右的吸收带明显分开.F ig .1　Second der iva tive spectra ofwa ter ethanol m ixtures (V V )a .5%;b .10%;c .15%;d .20%;e .25%.F ig .2　Second der iva tive d ifference spectra of wa ter ethanol m ixtures (V V )a .2%;b .4%;c .6%;d .8%;e .10%;f .12%;g .14%;h .16%;i.18%;j .20%;k .22%;l.24%.从图1和图2不难看出,二阶导数差谱具有两个特点:一是相同浓度下,其光谱强度增大,这意味着其灵敏度提高.二是重叠的峰分得更好,表明干扰减少.因此,我们从差谱来研究乙醇含量测定的数学校正模型.2.3　定量数学校正模型　分别测15份1%～25%(体积比)浓度的乙醇水溶液标准样品的二阶导数差谱,将905nm ,935nm 和960nm 处的差谱数据(A )同其对应的标准样品的浓度值Y (体积百分比)进行二阶导数差谱的多元线性回归(M L R ),得回归方程列于表1.Table 1　Regression equa tion of ethanol con ten t pred icted by ML R and PCRR egressi on m ethods R egressi on equati on Co rrelati on coefficien t M L R Y =1.620-1184A 935-4012A 905+423.8A 9600.9979 PCR (n =3) Y =13.4-0.9419S 1+0.06981S 2+0.08309S 30.9989 对15份1%～25%(体积比)浓度的乙醇水溶液标准样品的二阶导数差谱数据进行主成分分析,得到各标准样品的得分(S ),将前10个主成分对应的各样品的得分(S )和相应的浓度Y (体积百分比)进行主成分回归,建立主成分回归的数学校正模型.以主成分数为横坐标,所建模型预报乙醇含量的相对误差为纵坐标,绘制关系曲线.曲线表明当主成分数为3时,预报误差最小.主成分数n =3时的二阶导数差谱的主成分回归(PCR )方程也列入表1.2.4　数学校正模型可靠性评价　所建数学校正模型基于乙醇2水二元体系,与实际白酒样品的基体可能有差异,因此需用国家标准方法测定实际样品的乙醇含量[1],并做标准加入回收实验,以考核所建模型的可靠性.用酒精计法分别测红星二锅头(样品1)和榆树王(样品2)的乙醇含量(为参考值),再用二阶导数差谱多元线性回归和主成分回归方法预报乙醇含量(为预报值),其结果列于表2.分别从红星二锅头和榆树王的实际白酒样品中,准确移取25.00mL 放入100mL 容量瓶中.再准确加入5.00mL 无水乙醇,分别用蒸馏水定容至刻度,测其二阶导数差谱数据.用多元线性回归和主成分回归方法计算出乙醇含量,根据分析结果中被测组份含量的增大值,计算回收率.其结果列于表3.表3中数据为三次平行实验的平均值.642 吉林大学学报(理学版)V o l .41　Table 2　Co m par ison of ethanol con ten t pred icted by ML R and PCR with standard m ethod R egressi onm ethods Samp le N o .1R eferenceP redicted R elative erro r (%,V V )(%,V V )(%)Samp le N o .2R eference P redicted R elative erro r (%,V V )(%,V V )(%)　M L R 55.455.860.8341.741.38-0.77　PCR (n =3)55.455.670.4941.741.860.39Table 3　Results of recovery testsR egressi onm ethods Samp le N o .1A dded mLIncreased mL R ecovery (%)Samp le N o .2A dded mL Increased mL R ecovery (%)　M L R 5.005.06101.205.004.9599.00　PCR (n =3)5.005.02100.405.005.01100.20 综上所述,短波近红外光谱法同化学计量学光谱数据处理技术相结合,可以方便快速地分析白酒中乙醇的含量,适用于现场、实时地进行乙醇质量监控,此法的原理可推广应用到其它酒类.参考文献[1]　D u Zhong (杜　钟),T ian X i 2jing (田栖静),W u Q i (吴　琪),et a l .T he T est M ethod of A lcoho licity in D istilledSp irit (白酒中酒精度的试验方法)[M ].Beijing (北京):M in istry of L igh t Indu stry of Ch ina (中华人民共和国轻工业部),1989.[2]　T ian jin L igh 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EN Yu 2lin(Colleg e of Che m istry ,J ilin U n iversity ,Chang chun 130023,Ch ina )Q I U Fang 2p ing(Collog e of B ioeng ineering ,Chang chun Ind ustria l U n iversity ,Chang chun 130012,Ch ina )W AN G You 2b ing(B acheng M ed ica l Colleg e ,B a icheng 137000,Ch ina )Abs tra c t :T he sho rt 2w avelength near 2infrared sp ectro scop y and m u ltivariate calib rati on w ere u sed fo r the rap id and accu rate determ inati on of etchano l in w ines .Pu re ethano l w ater and ethano l w ater m ix tu res w ere studied to estab ilsh the sp ectral featu res .T he analysis of the second 2derivative difference sp ectrum data w as accom p lished w ith m u ltilinear regressi on (M L R )and p rinci p al com ponen t regressi on (PCR ).T h is m ethod has the advan tage of rap id analysis .Ke yw o rds :sho rt 2w avelength near 2infrared sp ectro scop y ;m u ltivariatecalib rati on ;ethano l determ inati on(责任编辑:李桂英)742　N o .2　逯家辉等:短波近红外光谱法分析酒中乙醇含量。

红外测温原理及其应用众所周知，温度是供热，供燃气，通风及空调系统中最重要的参数之一。

尤其在热工测量过程中，温度的精准程度往往是决定实验成败的关键。

因此，一个精确度高的测温仪器在工程中是必不可少的。

因此本文就温度测量工具中的红外线测温仪的原理及应用进行一些介绍。

一，红外测温的理论原理在自然界中，当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在，就会不断的向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0.75μm~100μm的红外线。

他最大的特点是在给定的温度和波长下，物体发射的辐射能有一个最大值，这种物质称为黑体，并设定他的反射系数为1，其他的物质反射系数小于1，称为灰体，由于黑体的光谱辐射功率P(λＴ)与绝对温度T 之间满足普朗克定。

说明在绝对温度T下，波长λ处单位面积上黑体的辐射功率为P(λＴ)。

根据这个关系可以得到图1的关系曲线，从图中可以看出：（1)随着温度的升高，物体的辐射能量越强。

这是红外辐射理论的出发点，也是单波段红外测温仪的设计依据。

（2)随着温度升高，辐射峰值向短波方向移动（向左)，并且满足维恩位移定理，峰值处的波长与绝对温度T成反比，虚线为处峰值连线。

这个公式告诉我们为什么高温测温仪多工作在短波处，低温测温仪多工作在长波处。

（3)辐射能量随温度的变化率，短波处比长波处大，即短波处工作的测温仪相对信噪比高（灵敏度高），抗干扰性强，测温仪应尽量选择工作在峰值波长处，特别是低温小目标的情况下，这一点显得尤为重要。

二，红外线测温仪的原理红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。

被测物体和反馈源的辐射线经调制器调制后输入到红外检测器。

两信号的差值经反放大器放大并控制反馈源的温度，使反馈源的光谱辐射亮度和物体的光谱辐射亮度一样。

显示器指出被测物体的亮度温度三，红外线测温仪的性能指标及作用测温范围，显示分辩率，精度，工作环境温度范围，重复性，相对湿度，响应时间，电源响应光谱，尺寸，最大值显示，重量，发射率等1，确定测温范围：测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。

第37卷，增刊红外与激光工程2008年6月V ol.37SupplementInfrared and Laser EngineeringJun.2008收稿日期：2008-06-06作者简介：何志平（），男，江西新余人,助理研究员，主要从事光学系统设计、光电系统检测等方面的研究。

z @短波红外成像光谱仪性能检测与定标装置何志平，刘强，徐卫明，谢锋，舒嵘，王建宇(中国科学院上海技术物理研究所，上海200083)摘要：描述了短波红外成像光谱仪研制中所涉及的系统总体性能检测与定标装置。

短波红外成像光谱仪是一台基于棱镜-光栅-棱镜（PGP ）组合分光的、推帚式成像的航空成像光谱仪，其探测波段为1000～2500nm ，视场角为24°。

短波红外成像光谱仪的系统总体性能检测贯穿于仪器研制的全过程中，包括对仪器关键器件的测试，仪器的空间分辨率、视场角及内方位元素等总体指标的测试；短波红外成像光谱仪的定标包括实验室及外场的光谱及辐射定标，它们是仪器研制成功及深入应用的重要保证。

最后，介绍了仪器在实验室成像及航空实验成像状况。

关键词：短波红外；成像光谱仪；检测；定标中图分类号：TN21文献标识码：A文章编号：1007-2276(2008)增(红外)-0531-05Equipment of per for mance testing and calibration of shor twaveinfrared hyperspectral imagerHE Zhi-ping,LIU Qiang ，XU Wei-m ing,XIE Feng,SHU Rong,WANG Jian-yu（Shanghai Institute of Technical Physics ,Chines e Academy of Sciences ,Shanghai 200083,China ）Abstr act:The equipment and technique of performance testing and calibration that had involved in the development of Shortwave Infrared Hyperspectral Im ager (SWHI)was presented.The SWHI was an airborne pushbroom hyperspectral im ager based on Prism-Grating-Prism(PGP)taken as dispersing element,and its wavelength range was 1000～2500nm ，field of view is 24°，spectral channels is 128channels.The dispersing element is tested during the development of the SWHI,and the system performance was tested and calibrated,include spectral overlapping from different order,spatial resolution,spectral and radiation calibration,etc.Key wor ds:Shortwave ；Hyperspectral im ager ；Testing ；Calibration0引言光学成像技术和光谱技术是历史悠久而又应用广泛的两种光电技术，它们通过接收来自目标的光辐射，对目标进行分析和识别。

短波红外光谱仪用途1.分析有机物：短波红外光谱仪对于有机物的分析非常重要。

有机物分子中的碳-氢和碳-氧键等常见的成键类型，以及各种官能团（如羟基、胺基、酯基等）等结构特征，都有明显的红外光谱特征。

通过对样品的红外光谱进行解析，可以确定其成分和结构。

2.检测无机物：虽然短波红外光谱仪主要用于有机物的分析，但也可以用于检测一些无机物。

例如，一些无机盐类和氧化物等，在红外波段也会有相应的吸收峰，可以用于鉴别和定量分析。

3.探测污染物：短波红外光谱仪在环境监测中具有重要的应用价值。

它可以用于快速检测空气中的挥发性有机物（VOCs）、水中的有机物污染物等，有助于了解环境中污染物的类型和含量。

4.质量控制和质量分析：在化工、医药、食品等行业中，短波红外光谱仪可以用于产品质量控制和质量分析。

通过对产品样品的光谱进行定性和定量分析，可以判断产品的纯度、成分以及可能存在的污染物。

5.生物医学研究：短波红外光谱仪在生物医学研究中也具有广泛应用。

例如，它可以用于检测血液中的代谢产物、组织样品中的脂类、蛋白质等成分，从而研究疾病诊断、药物作用机制等。

6.材料研究和表征：短波红外光谱仪在材料科学研究中扮演着重要的角色。

它可以用于研究材料的成分、结构和性质，识别不同材料之间的差异，从而为新材料的开发和性能优化提供指导。

除了以上常见的应用领域，短波红外光谱仪还可以结合其他技术进行联合分析。

例如，与红外显微镜相结合可以进行显微红外光谱测量，用于局部样品的分析；与气相色谱仪相结合可以进行气相色谱红外光谱联用分析，提高对复杂样品的分析能力。

总之，短波红外光谱仪是一种非常重要的光谱分析仪器，其用途涵盖了化学、生物、材料和环境等多个领域。

通过对样品红外光谱的测量和解析，可以获得多种信息，为科研和工业生产提供有力的支持。

地物光谱仪是一种用于获取地球表面反射和辐射特性的仪器，其工作原理是利用地物在可见光、近红外和短波红外波段的吸收、反射和发射特性来分析地表的光谱特征。

它是遥感技术中的重要工具，广泛应用于农业、地质勘探、环境监测、气象预测等领域。

本文将就地物光谱仪在不同波段范围内的应用和技术特点进行介绍。

一、地物光谱仪的基本原理地物光谱仪是一种能够对地表反射和辐射光谱进行监测和记录的仪器，其基本原理是利用地物在不同波段光谱范围内的光谱特征来分析地表的性质和特征。

地物光谱仪可以分为辐射型和反射型两种类型，其工作原理主要包括以下几个方面：1. 光谱采集：地物光谱仪通过光电二极管或光电倍增管等传感器对地球表面的反射和辐射光谱进行采集，然后将光谱信号转换成数字信号并记录下来。

2. 数据处理：通过对采集到的光谱数据进行预处理，包括去除噪声、校正大气干扰等，最终得到地表的光谱特征数据。

3. 光谱分析：利用光谱数据进行反演和分析，获取地表的光学特性参数，包括反射率、辐射率、吸收率等。

二、地物光谱仪的应用范围地物光谱仪的工作波段范围通常在300-2500nm的范围内，包括了可见光、近红外和短波红外波段。

这一波段范围内的光谱特征对于地物的表面特性和状况有着重要的影响，因此地物光谱仪在各个领域都有着广泛的应用。

1. 农业领域：地物光谱仪可以对农作物的生长状况和产量进行实时监测和分析，通过光谱特征反演出作物叶面积指数、叶绿素含量等参数，帮助农民合理施肥、灌溉和防治病虫害，提高农作物产量和品质。

2. 地质勘探领域：地物光谱仪可以利用地表反射光谱特征来识别地下矿物和岩石的成分和结构，对地质勘探和矿产资源调查有着重要的应用价值。

3. 环境监测领域：地物光谱仪可以监测地表的水质、土壤质量等环境因素，帮助环境专家进行水质监测、土壤污染治理等工作。

4. 气象预测领域：地物光谱仪可以监测大气中各种气体和颗粒物的光谱特征，对气象预测和大气环境监测有着重要的作用。