分析化學(xué)中的小波分析技術(shù)

　　叢書序 與讀者見面的這一作品是《分析科學(xué)現(xiàn)代方法叢書》中的一本，這套叢書將介紹這個領(lǐng)域的各個側(cè)面，希望大家喜愛它。 在剛剛過去的100年中，世界經(jīng)歷了人類歷史上空前劇烈和深刻的變化，展望未來，仍將處于飛速的變化中；這種變化在很大程度上是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步所推動的。比如，計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和通訊的快速發(fā)展，正使經(jīng)濟(jì)、政治和文化真正具有全球性。社會生產(chǎn)與財(cái)富積累方式發(fā)生根本性的變化，地域人均GNP與財(cái)富分布的分散性迅速擴(kuò)大；同時，人造物品的廣泛應(yīng)用，改變甚而破壞了自我生存環(huán)境。要理解和預(yù)測未來所展示的可能性，就需要系統(tǒng)地研究這些關(guān)鍵性變化，以及正在使生活改變面貌的各種趨勢。變化的基礎(chǔ) 是知識：知識的發(fā)現(xiàn)、它的迅速傳播以及利用這種知識所需要的教育。獲得并運(yùn)用知識是經(jīng)濟(jì)進(jìn)步的鑰匙。分析科學(xué)現(xiàn)代方法正是人類知識寶庫中最重要、最活躍的領(lǐng)域之一，它不僅是研究的對象，同時又是觀察和探索世界，特別是微觀世界的手段，各行各業(yè)都離不開它。以1996年底的我國國家標(biāo)準(zhǔn)為例，其中分析方法國家標(biāo)準(zhǔn)占國家標(biāo)準(zhǔn)總數(shù)1．7萬多個的16．5％左右。可以毫不夸張地說，沒有分析科學(xué)、分析方法和分析儀器就沒有現(xiàn)代工業(yè)，沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。 隨著社會的變化發(fā)展，分析科學(xué)現(xiàn)代方法的應(yīng)用，不斷向縱深拓展延伸，同時，又經(jīng)常面臨新需求的挑戰(zhàn)，要求改進(jìn)和發(fā)展新分析方法、新分析技術(shù)和新概念，提高其靈敏度、準(zhǔn)確度和可靠性，從中提取更多的信息，提高測試質(zhì)量、效率和經(jīng)濟(jì)性。特別是材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和生命科學(xué)等的發(fā)展，要求從分子、原子和電子等的角度了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成和功能間的關(guān)系，其范圍包括從無機(jī)到有機(jī)、從常量到微量、從成分到結(jié)構(gòu)、從宏觀到微觀、從靜態(tài)到動態(tài)等測量和表征物質(zhì)的屬性。發(fā)現(xiàn)需求并理解其普遍意義，就成為關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)。需求是其發(fā)展的基本推動力，推動其廣泛地從科學(xué)知識和科學(xué)方法中、前沿科研最新成果中及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中，吸取營養(yǎng)，引發(fā)啟迪，研究運(yùn)用，尋找解答的途徑，達(dá)到更高層面的概括，擴(kuò)大并加深其無止境的疆界。 在建設(shè)有中國特色的社會主義社會的實(shí)踐中，各行各業(yè)建立了許多分析測試中心和分析實(shí)驗(yàn)室；廣大分析測試工作者活躍在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的各條戰(zhàn)線上，做出了自己的努力、自己的貢獻(xiàn)，發(fā)表了大量學(xué)術(shù)論文，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在這樣的背景下，有必要總結(jié)和推廣經(jīng)驗(yàn)，交流成果，不斷提高分析測試隊(duì)伍的業(yè)務(wù)水平，開闊視野，以適應(yīng)分析科學(xué)與技術(shù)的飛速發(fā)展和國家需要。為此，在原教委所屬高校分析測試中心會議前期準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，于1996年，中國分析測試協(xié)會決定主辦并編輯出版這套《分析科學(xué)現(xiàn)代方法叢書》，調(diào)整了編委會和出版計(jì)劃，并確定突出實(shí)用性、綜合性及新穎性作為該叢書編輯的主導(dǎo)思想，以反映國內(nèi)分析科學(xué)的新水平。我們歡迎有興趣的專家學(xué)者，從自己實(shí)踐的側(cè)面或自己概括的角度，積極參加叢書的撰寫工作，豐富其內(nèi)容，擴(kuò)延其疆界。 叢書的編輯出版工作得到各界人士、專家學(xué)者及中國分析測試協(xié)會領(lǐng)導(dǎo)的熱情關(guān)注和支持，在此謹(jǐn)致衷心感謝，同時亦真誠地歡迎讀者的關(guān)注和批評指正。 潘更民 序 Fourier從1807年開始研究熱的解析理論，1822年在巴黎發(fā)表這方面的經(jīng)典著作"Theore analytique de la chaleur"，他提出了Fourier級數(shù)，并繼續(xù)研究直到1830年去世前提出Fourier積分。這就是Fourier變換發(fā)展的源頭。Fourier的工作并沒有得到與他同時代的學(xué)者的認(rèn)同，甚至當(dāng)時有權(quán)威的人士譏諷這類級數(shù)是"魔鬼的創(chuàng)造"，很難用它們演示表達(dá)任何事物。直到一個世紀(jì)后，F(xiàn)ourier變換才為人們所認(rèn)識，特別是20世紀(jì)60年代Tuckey與Cooley的快速Fourier變換（FFT）問世，F(xiàn)ourier變換這一強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)工具的功能得以在計(jì)算機(jī)上高效實(shí)現(xiàn)，這對科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。從化學(xué)與分析化學(xué)學(xué)科信息化的產(chǎn)物：化學(xué)計(jì)量學(xué)的發(fā)展看，如果我們從CA檢索"Fourier變換"這個詞條，在化學(xué)計(jì)量學(xué)發(fā)展的初期，從1976年11月到1979年10月檢出的文獻(xiàn)數(shù)是34篇，而從1985年12月到1987年12月檢出的文獻(xiàn)數(shù)竟達(dá)到1315篇！Fourier變換在化學(xué)中的應(yīng)用展示了強(qiáng)大的生命力，但它仍有很多不足之處，為此在20世紀(jì)80年代初至90年代末小波變換應(yīng)運(yùn)而興。小波變換的發(fā)展似乎比Fourier變換走過的路子要順暢得多。這可能是由于科學(xué)工作者包括化學(xué)工作者從Fourier變換發(fā)展的歷史中吸取了教訓(xùn)，但更重要的是，科學(xué)技術(shù)包括化學(xué)學(xué)科的信息化這一大背景，為諸如小波變換這樣的優(yōu)秀數(shù)學(xué)工具的應(yīng)用提供了理想的舞臺與條件。盡管如此，要在化學(xué)與分析化學(xué)領(lǐng)域真正普及與用好像小波變換這樣的數(shù)學(xué)工具，還需要做許多努力。盧小泉教授等撰寫的《分析化學(xué)中的小波分析技術(shù)》一書，對包括小波分析與Fourier分析的原理與算法，以及與分析化學(xué)相關(guān)的諸多小波與Fourier分析技術(shù)，作了深入淺出的闡述。這無疑是一部分析工作者十分需要的參考書。作者在這一領(lǐng)域不僅有良好的理論基礎(chǔ)，而且有很多實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。應(yīng)作者邀請，為祝賀本書的出版寫了以上的話，是為序。 俞汝勤 2005年6月于湖南大學(xué) 前言 1994年，我開始從事小波分析在分析化學(xué)中的應(yīng)用研究工作，隨著對小波理論研究的深入，我發(fā)現(xiàn)小波分析理論在化學(xué)學(xué)科中具有良好的應(yīng)用前景，是繼Fourier分析之后又一強(qiáng)大的信息分析工具。恰在此時，關(guān)于小波分析的數(shù)學(xué)論著，如《A Wavelet Tour of Signal Processing》（Stephane Mallat著，Academic Press，1991）、《小波分析導(dǎo)論》（崔錦泰著、程正興譯，西安交通大學(xué)出版社，1995）、《Ten Lectures on Wavelet》（I.Daubechies著）等相繼出版，但尚未出現(xiàn)小波分析在分析化學(xué)中應(yīng)用的學(xué)術(shù)專著，于是我產(chǎn)生了撰寫此書的想法。經(jīng)過精心準(zhǔn)備，自1999年起，我開始了本書的設(shè)計(jì)、資料的查閱、撰寫及修改工作。在書中，除引用了大量的文獻(xiàn)資料外，還匯集了本人在這一領(lǐng)域里的一系列研究成果，加入了大量的程序原碼，公開了一些有價(jià)值的數(shù)據(jù)（如三階樣條小波的濾波器系數(shù)等），希望本書的出版能對正在進(jìn)行相關(guān)研究的科技工作者在方法上有所幫助。在該書撰寫的過程中，博士研究生劉宏德做了大量的輔助工作。 在完成本書的過程中，得到了有關(guān)方面的大力支持，這里首先要感謝國家自然科學(xué)基金委員會（No．20275031，20335030，B-0524008）和教育部第四屆高校青年教師教學(xué)科研獎勵計(jì)劃（TRAPOYT）對該項(xiàng)研究和出版的資助；特別要感謝著名分析化學(xué)家、中國科學(xué)院院士、湖南大學(xué)俞汝勤教授在百忙中為本書作序，對作者給予了極大的鼓舞和勉勵。另外，碩士研究生王小強(qiáng)、陳晶、王嵐、王睿等在資料收集過程中做了一定的工作，中山大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院莫金垣教授和西北師范大學(xué)的有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)也在本書出版過程中給予了許多鼓勵，在此一并感謝。 由于時間關(guān)系及自身水平有限，本書內(nèi)容雖有探索性的性質(zhì)，但屬于一孔之見，因此書中難免有不足之處，敬請學(xué)界同仁批評指正。 盧小泉 2005年10月于蘭州

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