Нормоскоп и нормоспектрум в спектральном анализе¶

Нормоспектрум — это нормированный (приведённый к единой шкале) спектр сигнала, то есть зависимость интенсивности или амплитуды излучения от длины волны, частоты или энергии, предварительно разделённая на опорную величину. Нормировка позволяет сравнивать спектры, полученные разными приборами, при разных условиях и в разное время, устраняя влияние аппаратной чувствительности, расстояния до объекта, времени накопления сигнала и других не связанных с самим образцом факторов. Понятие широко используется в спектроскопии, астрофизике, аналитической химии, оптике и обработке сигналов.

¶Смысл нормировки

Сырой спектр, регистрируемый детектором, представляет собой произведение истинного спектра объекта на аппаратную функцию прибора и условия измерения. Чтобы выделить свойства самого объекта, измеренную кривую делят на опорную:

• на спектр эталонного источника с известным распределением энергии (например, лампы накаливания или стандарта);
• на «белый» или фоновый спектр (спектр чистого растворителя, пустой кюветы, безоблачного участка неба);
• на максимальное значение, интеграл или средний уровень сигнала в выбранном диапазоне;
• на теоретическую модель континуума.

Результат — безразмерная или условно нормированная величина, которую можно сопоставлять с другими измерениями.

¶От чего зависит нормоспектрум

Поскольку нормоспектрум получается делением, его вид определяется и самим сигналом, и выбранной опорой. Основные факторы:

1. Спектр объекта. Именно он несёт физическую информацию: линии поглощения и излучения, полосы молекул, форма континуума.
2. Опорный спектр. Если в качестве эталона взят источник с неравномерным распределением энергии, в нормоспектруме появятся его особенности. Поэтому эталон подбирают близким по цветовой температуре или применяют калибровку.
3. Аппаратная функция. Ширина щели, разрешение, чувствительность детектора по длинам волн влияют на форму кривой до нормировки.
4. Условия измерения. Температура, влажность, атмосферное поглощение, расстояние, время экспозиции, уровень шумов.
5. Способ нормировки. Деление на максимум, на интеграл, на значение в конкретной точке или приведение к единичной площади дают разные кривые из одного и того же сырого спектра.

¶Применение

¶Астрофизика

В астрономии нормируют спектры звёзд и галактик: делят наблюдаемый поток на спектр стандартной звезды или на модельный континуум. Это позволяет измерять эквивалентные ширины линий, определять химический состав, температуру и скорость объекта по красному смещению, не завися от инструмента и атмосферы.

¶Аналитическая химия

В спектрофотометрии и ИК-спектроскопии нормировка на базовую линию или на реперную полосу даёт возможность количественного анализа по закону Бугера — Ламберта — Бера и сравнения образцов между разными приборами и лабораториями.

¶Обработка сигналов

В цифровой обработке нормоспектр (нормированная спектральная плотность мощности) используют для оценки частотных свойств случайных процессов, распознавания сигналов и сравнения записей разной длительности.

¶Типичные способы нормировки

¶Ограничения

Нормировка не создаёт новой информации: она лишь приводит данные к сопоставимому виду. Если опорный спектр выбран неудачно, в нормоспектруме возникают ложные особенности. Кроме того, деление на малую величину усиливает шум, поэтому в областях слабого сигнала нормированные кривые становятся менее надёжными. Корректный выбор опоры и учёт аппаратной функции — обязательные условия содержательной интерпретации.