1 湖北中医药大学药学院, 湖北 武汉 430065
2 湖北省中药保健食品工程技术研究中心, 湖北 武汉 430065
3 北京理工大学光电学院, 北京 100081
4 咸宁市中心医院、 湖北科技学院附属第一医院药学部, 湖北 咸宁 437100
5 华中科技大学武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430074
6 华中科技大学光学与电子信息学院, 湖北 武汉 430074
7 武汉邮电科学研究院, 湖北 武汉 430074
山药为薯蓣科植物薯蓣的根茎, 其中的多糖、 多酚、 皂苷、 黏蛋白和维生素C等成分使山药具有抗肿瘤、 抗氧化、 抗炎症、 降血糖和降血脂等作用。 不同产地的山药由于生长条件存在差异, 致使药用成分含量显著不同, 结合独特的炮制工艺, 进而导致市场价格差别大, 所以山药饮片的产地识别至关重要。 为对山药饮片进行产地溯源, 本文基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术提出多元散射矫正-改进遗传算法-支持向量机(MSC-IGA-SVM)模型对山药产地进行精确识别。 使用八个不同产地的山药饮片进行LIBS实验, 八种产地的山药饮片磨粉过筛后制成粉末压片, 通过采集山药饮片的LIBS光谱, 分别使用单一分类器与使用光谱预处理、 特征提取及模式识别算法的模型对光谱的识别结果进行对比。 将光谱信号按2∶1的比例划分为训练集和测试集, 使用5次交叉验证K-邻近算法(KNN)模型的测试集准确率作为预处理参数优化的评价指标。 各类药材的平均光谱整体趋势一致, 所含谱峰基本相同, 但因产地不同导致峰值强度各不相同, 道地山药对一些金属元素(K, Na, Ca, Mg, Al)的富集能力大于非道地产区山药, 其中, K元素特征谱线(769.90 nm)的峰值最高, 即山药饮片中K元素含量最多, 相关研究表明山药根茎对K元素的富集能力最强。 选取35条关键谱线进行分析, 在识别种类多、 识别难度大的情况下, 改进遗传算法(IGA)比主成分分析(PCA)更能清楚辨别光谱中的非线性关系, 同时受噪声的影响更小。 MSC-IGA-SVM模型的产地溯源效果最好。 MSC-IGA-SVM模型的交叉验证集准确率为96.9%, 测试集的准确率为97.32%, 与直接使用原信号建立的最好模型支持向量机(SVM)(96.43%)相比, 测试集准确率提高了0.87%。 同时, MSC-IGA-SVM模型将输入变量的维度减少了99.93%。 结果表明, LIBS技术结合MSC-IGA-SVM模型能够快速、 准确对山药饮片进行产地溯源。
激光诱导击穿光谱 光谱预处理 特征提取 模式识别 山药 Laser-induced breakdown spectroscopy Spectral preprocessing Feature extraction Pattern recognition Rhizoma Dioscoreae
1 华中科技大学光学与电子信息学院, 湖北 武汉 430074
2 华中科技大学武汉光电国家研究中心激光与太赫兹功能实验室, 湖北 武汉 430074
4 湖南科技大学物理与电子科学学院, 湖南 湘潭 411201
激光诱导击穿光谱作为一种新型的物质成分检测技术, 具有快速、 实时、 微损、 原位、 多元素同时分析等优势, 目前在环境监测, 食品安全, 选矿冶金, 生物医疗, 太空探测等多个领域都具有广泛应用。 然而, 由于元素谱线的自吸收效应, 使得激光诱导击穿光谱谱线强度降低, 严重时甚至会使特征谱线峰型产生凹陷(即“自蚀”现象), 定标曲线变弯曲, 导致该技术的元素检测精准度变差, 从而无法实现大规模商业应用。 因此, 对激光诱导击穿光谱自吸收效应及其校正方法的探索, 一直以来是学者们研究的热点。 综述了自吸收效应校正方法的研究进展, 分析了自吸收效应产生的物理机制, 分别从实验参数优化、 物理辅助装置、 自吸收模型和校正算法等多个角度对自吸收效应的几种主要校正方法进行了归纳和总结, 并对其优势和缺点进行了对比分析, 其中实验参数优化具有原理简单、 易操作的优势; 能态选择性共振激发自吸收效应抑制效果稳定; 微波辅助激发成本较低, 可同时对多元素实现自吸收抑制; 自吸收系数法可直接量化自吸收效应强弱, 计算步骤简便且所需等离子体参数较少; 基于内参考线的自吸收校正算法计算效率高, 校正效果明显; 光学薄法可直接获取光学薄等离子体谱线, 避免理论误差。 最后, 对自吸收效应未来的研究方向和发展趋势进行了展望。
激光诱导击穿光谱 自吸收效应 校正方法 研究进展 Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) Self-absorption Correction methods Research progress 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 2989
1 长江大学地球科学学院, 湖北 武汉 430100
2 石家庄学院资源与环境科学学院, 河北 石家庄 050035
砷是严重危害人体的重金属之一。 利用高光谱技术进行土壤重金属砷含量的估测具有很大的应用潜力, 但受区域和土壤背景的影响, 估算模型适用性和精度都会有很大的差异。 针对石家庄市地表水源地保护区土壤砷含量的高光谱估算, 在水源地保护区的主要采矿地和冶炼企业进行了土壤实地采样和实验室重金属分析, 对土壤样本的原始光谱反射率采用Savitzky-Golay 7点平滑处理, 进行一阶微分(FD)、 二阶微分(SD)、 倒数(RT)、 倒数一阶微分(RTFD)、 倒数二阶微分(RTSD)、 倒数对数(AT)、 倒数对数一阶微分(ATFD)、 倒数对数二阶微分(ATSD)、 连续统去除(CR)9种光谱变换后, 再对重金属砷实测含量与经光谱变换后的光谱指标进行相关分析, 并提取各光谱指标的最大敏感波段。 运用多元线性逐步回归(MLSR)、 单光谱变换指标偏最小二乘回归(U-PLSR)和多光谱变换指标偏最小二乘回归(M-PLSR)方法构建土壤重金属砷含量估算模型, 最后通过相关系数r、 均方根误差(root mean square error, RMSE)和统计值F来比对建模效果。 结果表明: 研究区部分土壤样本重金属砷含量已经出现了轻度污染, 大部分样本处于污染的临界状态; 经连续统去除变换后的光谱特征与砷的相关性最大, 一阶微分与砷含量存在最大负相关性; 相较于多元线性逐步回归和单光谱变换指标偏最小二乘回归, 采取多光谱变换指标偏最小二乘回归方法土壤重金属砷含量模型估算值与实测值最为接近, 建模R2达到0.852, RMSE和F值分别达到0.147和32.384, 多光谱变换指标建模集成效果显著。 因此研究结果可以为石家庄水源地保护区主要采矿地和冶炼企业重金属砷污染高光谱快速监测提供科学依据。
重金属砷 高光谱 多元线性逐步回归 偏最小二乘回归 Heavy metal arsenic Hyperspectrum Multiple linear stepwise regression Partial least squares regression 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2872
南京信息工程大学江苏省大数据分析技术重点实验室, 江苏 南京 210044
土壤中重金属元素检测是环境保护事业的重点之一, 因此亟需一种能够快速检测土壤重金属浓度的定量分析手段。 该研究旨在建立一种基于激光诱导击穿光谱结合偏最小二乘法的含油土壤中重金属元素快速定量检测方法。 通过激光诱导击穿光谱(LIBS)获取含油土壤光谱数据, 采用偏最小二乘法(PLS)对样品中铜、 镍元素进行定量分析预测, 并在此基础上, 结合区间以及后向区间法对全谱进行变量筛选, 构建形成区间偏最小二乘法(iPLS)和后向区间偏最小二乘法(BiPLS)定量分析铜、 镍元素含量的模型。 结果表明: 后向区间偏最小二乘法(BiPLS)在剔除了干扰信息的基础上, 保留了更多的有效光谱信息, 获得了比PLS和iPLS更好的预测结果: 铜元素的测试集预测结果的决定系数()和均方根误差(RMSEP)分别为0.944 9和0.036 3, 相对分析误差(RPD)为3.0; 镍元素的测试集预测结果的和RMSEP分别为0.933 7和0.041 4, RPD为2.6, 两元素的BiPLS预测结果相较于PLS和iPLS方法均有所提升。 因此, 针对含油土壤重金属元素光谱信息, BiPLS算法相较于iPLS和PLS算法更适合与LIBS光谱相结合, 筛选对Cu和Ni两种重金属元素定量分析贡献度较大的特征变量, 进而提升模型的预测效果。 该方法将促进LIBS技术应用于土壤品质在线评价。
含油土壤 重金属检测 激光诱导击穿光谱 偏最小二乘法 Oil-contaminated soil Heavy metal detection LIBS Partial least squares 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3812
1 长江大学地球科学学院, 湖北 武汉 430100
2 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室, 湖北 武汉 430079
针对遥感影像中的阴影会导致地物信息受损、影像质量下降的问题,提出了联合对数变换与局部增强的高分遥感影像阴影补偿方法。在阴影检测结果的基础上,首先设计了改进的对数变换图像增强方法,构建了对数变换模型,实现了阴影区域亮度的有效提升。然后,联合局部补偿模型,进行了加权处理,提升了阴影区域的对比度。最后,基于阴影边界同类特征点匹配的思想,自动解算了补偿模型的参数,实现了自动补偿。实验结果表明,所提方法可有效地实现阴影补偿,提升阴影区域的亮度与对比度,较准确地再现阴影区域地物的真实信息。
图像处理 高分辨率遥感影像 阴影补偿 对数变换 局部补偿模型 加权综合 激光与光电子学进展
2020, 57(20): 201006
1 湖北工程学院 物理与电子信息工程学院, 湖北 孝感 432000
2 华中科技大学 光电国家研究中心, 武汉 430074
针对工业现场和野外恶劣环境下快速检测的需求, 设计并搭建了基于光纤激光器的便携式激光诱导击穿光谱实验系统.采用迭代小波变换去背景算法对光纤激光器的高重复频率造成的高的连续背景干扰进行消除.对比了去背景前后攀钢生铁样品中的Mn元素的谱线, 发现Mn元素的4条特征谱线的定标曲线决定系数分别由0.988、0.985、0.982和0.992提高到了0.994、0.994、0.994和0.995; 采用留一交叉验证得到的均方根误差分别从0.123、0.146、0.101和0.083, 降低到了0.072、0.085、0.062和0.073.结果表明, 采用该迭代的小波变换去背景算法, 能够有效地去除连续背景干扰, 提高回归模型的准确性, 进而提高激光诱导击穿光谱定量分析的准确度.
激光诱导击穿光谱 去背景 小波变换 光纤激光器 定量分析 Laser-induced breakdown spectroscopy Background removal Wavelet transform Fiber laser Quantitative analysis
上海交通大学机械与动力工程学院， 上海 200240
三维激光切割头空间位姿变化的平顺性直接影响机床切割效率、安全和稳定性。建立了三维激光切割机五轴联动运动学模型，分析切割轨迹刀位点几何信息转换为机床五个运动轴空间坐标的可选值。结合B和C旋转轴运动部件间的摩擦力、质量和转动惯量，建立相邻刀位点间的旋转轴旋转运动耗能模型。将完整切割环上旋转轴运动最低总耗能作为优化目标，通过Dijkstra最小路径优化算法，获得完整切割环上的最佳切割方式。通过实例分析，该方法可避免B和C轴瞬间摆动过大情况，提高了切割头运动的平顺性。
激光技术 三维激光切割 运动学模型 耗能 路径优化
Author Affiliations
Abstract
Department of Electronic Engineering and Information Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China
Image matting and color transfer are combined to achieve image composition. Firstly, digital matting is used to pull out the region of interest. Secondly, taking color harmonization into account, color transfer techniques are introduced in pasting the region onto the target image. Experimental results show that the proposed approach generates visually pleasing composite images.
图像合成 图像抠图 颜色传输 100.2960 Image analysis 100.2980 Image enhancement 330.1720 Color vision 100.2000 Digital image processing Chinese Optics Letters
2009, 7(6): 06483
