中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院, 北京 100083
随着人类生活质量的提高, 农产品重金属污染问题备受关注。 农作物中的重金属元素会通过食物链侵害人体健康, 而不同重金属元素对人体毒害差别较大, 因此农作物中含有重金属元素的类别识别至关重要。 传统重金属元素检测方法存在环节多、 耗时长、 成本高等缺点, 但高光谱遥感技术具有信息使用量大, 理化反演能力强, 分析速度快, 无损监测等优势, 逐渐成为农作物重金属污染分析的重要手段之一。 以不同CuSO4·5H2O和Pb(NO3)2浓度梯度土壤胁迫下典型农作物玉米生长的叶片光谱为研究对象, 引入光谱包络线去除(CR)、 光谱比值(SR)、 分数阶微分(FOD)同时结合改进红边比值指数(MSR)构建铜铅元素识别指数(CLI); 通过挑选与铜铅元素种类相关性最强的三个分数阶微分阶数的CLI值建立铜铅元素判别特征点(CLDFP); 再利用欧式聚类(EC)将训练集样本分为铜污染与铅污染两类并结合圆心连线的垂直平分线(PB), 建立基于EC-PB识别铜铅元素种类的二维坐标系下判别规则线(CLDRL)和三维坐标系下判别规则面(CLDRP), 从而实现玉米叶片光谱信息的重金属铜铅元素种类准确识别。 研究结果表明, CR-SR-FOD光谱变换处理增加了玉米叶片光谱信息与铜铅元素种类之间的相关性; 各阶次FOD对应的CLI与铜铅元素种类相关系数各不相同, 随着阶次的增加, 相关性呈现先递增后递减的趋势, 其中相关系数最高的三个阶次分别为1.2阶, 0.7阶, 1.0阶; 在二维坐标系下训练集样本判别正确率为78.95%, 验证集样本判别正确率为75.0%; 在三维坐标系下训练集样本判别正确率为76.32%, 验证集样本判别正确率为75.0%, 证明了基于EC-PB构建的二维CLDRL和三维CLDRP光谱判别规则可以有效识别玉米叶片中铜铅污染元素种类。
光谱分析 玉米叶片 光谱变换 重金属元素识别 欧式聚类 垂直平分线 Spectral analysis Corn leaf Spectral transformation Identification of heavy metal elements Euclidean cluster Perpendicular bisector 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3256
1 中国计量科学研究院, 北京 100029
2 核工业北京地质研究院, 北京 100029
在采用全杂质元素扣除法进行纯度计算时, 痕量氧对高纯金的纯度测定具有明显影响, 而以往的杂质扣除法不计算氧等非金属元素, 使得纯度测定结果缺乏说服力。 通过建立惰气熔融红外吸收法, 测量高纯金纯度标准物质中痕量氧含量, 同时采用二次离子质谱法进行了方法比对, 确保测量结果的可靠性。 优化了氧氮氢分析仪的测量参数, 确定了最佳工作条件: 吹扫时间35 s, 分析延迟75 s, 排气周期2, 排气时间25 s, 排气功率4 500 W, 分析功率4 000 W; 选择金属锡作为助熔剂, 通过氧释放实验确定金锡比为5∶3, 对金样品进行二次测量发现氧残留与空白一致, 说明锡粒的加入可以促进金中氧的释放, 从而解决了金中氧释放不完全的难题; 对锡粒进行反复脱氧, 降低空白, 获得了稳定的测量空白, 方法定量限达到0.1 mg·kg-1; 采用碳酸钠纯度标准物质对氧氮氢分析仪进行了校正, 校正系数为1.012, 同时氧的加标回收率在95%~105%之间, 验证了测量方法的可靠性并保证了测量结果的溯源性。 将高纯金制备成树脂靶件, 在二次离子质谱仪中以Cs+作为一次离子源, 光阑400 μm, 离子束强度为3 nA, 束斑大小约20 μm, 栅格扫描大小为10 μm, 二次离子光路光阑为400 μm, 质量分辨率约为2 400, 经过溅射和电离, 采集16O-和18O-离子流, 以SRM685高纯金标准物质作为测量标准, 通过标准、 样品的循环测量, 以标准和样品的离子强度对比计算含氧量。 采用两种方法的测量结果分别为(1.1±0.3)和(0.9±0.3) mg·kg-1, 两个结果在不确定度范围内一致, 对测量不确定度的评定表明其主要来源为测量重复性, 最终确定高纯金纯度标准物质中痕量氧含量为(1.0±0.4) mg·kg-1。 测量方法的建立实现了高纯金中痕量氧的准确测定, 为痕量氧测量和高纯金及其他高纯金属纯度标准物质的研制提供了有效的技术手段。
高纯金 氧 惰性气体熔融红外吸收法 二次离子质谱 High purity gold Oxygen Inert gas fusion infrared absorption spectrometry Secondary ion mass spectrometry
1 中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
4 上海科技大学信息科学与技术学院，上海 200020
基于压缩感知的光谱成像系统需要合适的算法解码采样数据才能得到最终的光谱成像数据，传统单稀疏域变换算法会带来光谱细节损失等问题。针对该问题，本文提出了利用双稀疏域联合求解的方法（JDSD），将信号分解为低频部分和高频部分，并针对不同频率信号特点分别进行稀疏恢复，进而解码求解以实现高精度恢复信号。在数据验证中，首先利用OMP算法在频域内对光谱信息轮廓进行恢复，利用IRLS算法在空间域内对光谱细节进行补偿，分析了不同稀疏变换对于参数设置的影响，测试了不同算法组合的JDSD对于测试数据的恢复结果。对于500种光谱数据仿真测试表明，双稀疏域联合求解可将光谱恢复保真度大大提升，20%采样率情况下，SAM和GSAM指标由传统方法的0.625和0.515分别提升为0.817和0.659，80%采样率情况下，SAM和GSAM指标由传统方法的0.863和0.808分别提升为0.940和0.897。JDSD算法可以使得光谱吸收峰等细节特征得到高精度保持，对于基于光谱的特征分析、物质识别等应用具有十分重要的意义。
光谱成像 光谱特征恢复 计算成像 压缩感知 spectral imaging spectral feature recovery computational imaging compressed sensing
1 中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院大学杭州高等研究院, 浙江 杭州 310024
4 上海科技大学信息科学与技术学院, 上海 201210
目前的光谱相似度评价方法主要基于光谱形状和幅值两种信息, 但这两种信息仅仅能体现出光谱的轮廓, 并不能很好的反应地物光谱的吸收峰等“指纹”特征, 为了更好的体现出光谱特征在评价中的作用, 提出了基于一阶梯度信息的光谱相似度评价方法。 首先对传统光谱角度匹配度评价方法SAM进行了改进, 提出MSAM评价方法, 进而提出了调整的梯度光谱角度匹配(MGSAM)法。 MGSAM比较了两条光谱曲线的梯度角匹配度, 光谱曲线的梯度信息可以突出光谱吸收峰等“指纹”特性的存在, 因此MGSAM可以充分体现出两条对比曲线的光谱特征相似度。 分析了偏置信息和光谱深度对于MSAM和MGSAM的影响, 指出MGSAM对于偏置信息具有更强的鲁棒性, 且可以客观地反映出光谱深度差异, 进而直观地反映出光电系统或相关算法的光谱特征保真能力。 将MGSAM作为评价方法应用到压缩感知光谱成像系统评价中, 仿真结果表明, 随着采样率的变化, MSAM的值在 0.998~1之间, 而MGSAM的值在0.72~1之间, 具有明显的变化并具有较大的差异性, 可以客观地反映出压缩感知系统对于光谱特征的保真能力, 并具有更强的差异化分辨力, 为该类系统提供了一个更客观的评价方法。 将MGSAM应用到了基于光谱相似度的地物分类中, 测试数据选择了Salinas, Pavia和Indian Pines三个公开数据, 结果显示基于MSAM的平均分类精度为0.86, 基于MGSAM的平均分类精度0.93, 由此说明MGSAM可以突出光谱特征在分类中的作用, 大大提高了分类精度。
光谱相似度 评价方法 压缩感知 地物分类 Hyperspectral image Compressed sensing Coded aperture LC optical shutter
Author Affiliations
Abstract
Shenzhen Key Laboratory of Communication and Information Processing, College of Information Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
We experimentally demonstrate a 10 Gb/s free-space optical wiretap channel based on a spatial-diversity scheme and optical code division multiple access. In weak and middle turbulence cases, the bit error rate of a legitimate user can be decreased, and physical layer security can be simultaneously enhanced.
060.2605 Free-space optical communication 060.4785 Optical security and encryption Chinese Optics Letters
2019, 17(8): 080604
1 华北理工大学矿业工程学院, 河北 唐山 063210
2 华北理工大学建筑工程学院, 河北 唐山 063210
3 华北理工大学材料科学与工程学院, 河北 唐山 063210
目前混凝土化学腐蚀损伤程度的检测主要是扫描电镜、 能谱、 XRD衍射等方法, 这些方法对于在役的混凝土结构来说, 易造成破坏, 检测时间长, 连续性差。 提出了一种基于高光谱的混凝土腐蚀产物无损检测新方法。 高光谱检测具有非接触、 方便快捷、 连续无损的优点, 但是受腐蚀混凝土实测光谱的解混模型和分析方法是实际应用的难点。 该研究根据混凝土遭受硫酸钠侵蚀生成产物的特点, 将硫酸钠侵蚀后混凝土的光谱划分成两个组分光谱的线性混合, 一个组分是水泥的水化产物光谱反射率, 另一个组分是硫酸钠侵蚀下生成主要产物钙矾石和石膏的光谱反射率。 在光谱比值导数模型的基础上, 建立混凝土腐蚀产物的光谱解混模型。 以在清水和10%Na2SO4溶液中连续浸泡的混凝土试块为研究对象, 按照15 d的采集周期, 在30～120 d连续测量两组混凝土的反射光谱。 数据经过平滑、 包络线去除后, 利用混凝土腐蚀产物的光谱解混模型进行处理。 数据一次解混后, 分析解混后光谱曲线光谱特征和变化规律, 与钙矾石和石膏混合物的标准光谱曲线进行SFF匹配拟合分析。 并结合扫描电镜和X射线衍射方法检测此次试验中钙矾石和石膏腐蚀产物的生成情况。 利用混凝土比值后的光谱曲线除以石膏光谱曲线, 完成了实测光谱的二次解混处理, 分析了钙矾石的生成量在30～120 d腐蚀过程中变化趋势。 试验结果表明, （1）试验中清水和10%Na2SO4溶液中不同龄期的两组混凝土, 反射光谱特征随着腐蚀时间的增加区分度明显。 两组试块均在1 445和1 945 nm附近有较强吸收特征, 但吸收深度不同, 10%Na2SO4溶液混凝土光谱曲线的吸收深度、 吸收面积明显大于清水中的混凝土; （2）实测光谱曲线经过混凝土光谱解混模型一次处理后的曲线, 在1 450和1 945 nm左右处有明显的吸收深谷, 与石膏和钙矾石混合物标准光谱的光谱特征一致, 两者光谱曲线的SFF匹配拟合数值达到了0.96; （3）利用比值后的光谱除以石膏光谱后的曲线很好的突出了腐蚀产物钙矾石的光谱特征。 发现随着腐蚀龄期的增长, 钙矾石在30～120 d生成量的丰度呈现先降后升趋势。 （4）根据混凝土试块腐蚀状态下的高光谱数据分析、 扫描电镜和X射线衍射的检测结果, 验证了混凝土光谱解混模型在混凝土检测中能够正确解算出腐蚀产物的类型和丰度, 为混凝土高光谱无损检测提供了理论基础。
混凝土 硫酸盐腐蚀 高光谱检测 比值导数法 光谱解混模型 Concrete Sulfate corrosion Hyper-spectral detection Ratio derivative method Spectral unmixing model 光谱学与光谱分析
2019, 39(6): 1724
西安交通大学 现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室, 陕西 西安 710049
航空发动机涡轮叶片叶尖间隙呈三维变化特点, 传统光纤式叶尖间隙检测系统的测量结果受维间耦合影响精度差, 信息源单一。本文利用一种沿直角等腰三角排布的三路双圈同轴式光纤传感基元组成的传感探头, 通过BP神经网络解耦方法, 实现了从传感器输出到叶尖端面径向间隙、轴向倾角和周向倾角三维参量的解耦。设计加工三维测量光纤传感器和后续调理电路并对检测系统进行了静、动态实验验证。实验结果表明: 该系统径向间隙静态测量的最大误差为47 μm, 标准差为10 μm, 轴向和周向倾角的静态测量最大误差分别为0.49°和2.32°, 标准差分别为0.13°和0.36°。系统具有良好的重复性和可靠性, 径向间隙的动态测量标准差小于18 μm, 轴向和周向倾角的动态测量标准差小0.2°和05°, 能够满足航空发动机涡轮叶片叶尖间隙三维参量快速实时检测的需求。
光纤传感 航空发动机 三维叶尖间隙 神经网络 检测系统 fiber-optic sensing aero-engine 3-D tip clearance neural network measurement system
1 中国科学技术大学近代物理系, 安徽 合肥 230026
2 科大国盾量子技术股份有限公司, 安徽 合肥 230088
3 国网电力信息通信有限公司, 北京 100761
4 北京国盾量子信息技术有限公司, 北京 100193
电力悬空光缆中光子偏振态易受外界快速无规则扰动影响,导致偏振编码量子密钥分发(QKD)系统成码率降低甚至无法成码,为对抗链路中偏振态的快速变化,设计了高速偏振反馈系统(FPF),介绍了该系统的工作原理。重点研究了系统中关键的偏振反馈算法,包括对偏振收敛程度评价函数及搜索算法的选取,偏振反馈周期与成码周期的监测条件的选取,以及监测阈值的自适应选取。整个系统在实际悬空光纤上进行了实测,测试结果表明该系统和算法能够解决中远距离悬空光缆中QKD成码难的问题。
光通信 量子通信 偏振反馈算法 爬山算法 电力悬空光缆
1 中国电子科技集团公司 第三十八研究所, 合肥 230088
2 中国科学院 高能物理研究所 东莞中子科学中心, 广东 东莞 523803
采用欠采样技术为中国散裂中子源(CSNS)直线加速器研制了全数字化束流相位测量电子学系统。介绍了该系统的测量原理、整体设计情况, 并进行了实验测试。测试采用324 MHz,100 mVpp的正弦信号,测试结果显示相位分辨率优于0.1°,通道间相位不一致性可控制在±0.2°以内,满足设计指标要求。
束流相位测量 欠采样 中国散裂中子源 beam phase measurement sub-sampling ADC ADC China Spallation Neutron Source(CSNS) 强激光与粒子束
2017, 29(6): 065106
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of In-fiber Integrated Optics of Ministry Education of China, Harbin Engineering University,Harbin 150001, China
2 National Engineering Laboratory for Fiber Optic Sensing Technology, Wuhan University of Technology,Wuhan 430074, China
We propose an ultra-simple dual-channel configuration for simultaneously evaluating two branches of a multifunctional integrated optic chip (MFIOC). In the configuration, the MFIOC is employed as a beam splitter to construct the demodulation interferometer together with a 2 × 2 fiber coupler. Interference happens between polarization modes traveling through different channels of the MFIOC. The cross-couplings of each channel are respectively characterized by the interference peaks which distribute on opposite sides of the central interference peak. Temperature responses of the MFIOC are experimentally measured from ?40°C to 80°C. Results show that the proposed configuration can achieve simultaneous dual-channel transient measurements with resolution of ?90 dB and dynamic range of 90 dB. In addition, the two channels of the configuration have consistent measuring performance, and the two branches of the MFIOC have different responses to temperature variation.
Interferometry Interferometry Ellipsometry and polarimetry Ellipsometry and polarimetry Metrological instrumentation Metrological instrumentation Photonics Research
2015, 3(4): 04000115
