1 中国科学院遥感与数字地球研究所, 北京 100101
2 中国科学院大学, 北京 100049
有机污染物是水体污染的主要来源, 水体有机污染程度可通过化学需氧量(COD)指标综合表示。 与传统复杂专业的化学检测手段相比, 遥感技术因具有快速、 实时、 非接触、 大面积等独特优势而广泛用于水体水质监测, 包括叶绿素、 悬浮物和黄色物质等生色参数的定量反演。 然而目前对于水体COD这一重要水质参数的遥感反演报道不足, 这主要是因为影响COD浓度的有机污染物复杂多变、 光谱响应机理尚不明晰。 通过测量实验室配比的不同浓度COD标准液及野外实际水体的可见-短波红外反射光谱（350～2 500 nm）, 分析了水体COD的光谱响应特性。 研究发现, 随着COD浓度增加, 水体反射光谱在可见-短波红外范围内整体逐步上升, 但在540～580和1 000～1 060 nm波段范围内光谱响应快速增强, 表现出—OH伸缩振动的三级倍频和—CH伸缩振动与变形振动的合频吸收特征。 利用上述敏感谱段与全谱段分别对实验室COD标准液和野外实际水体建立偏最小二乘（PLS）回归模型, 其中, COD标准液模型反演精度: (1）敏感谱段, R2=0.972, RMSE=39.629 mg·L-1; (2）全谱段, R2=0.961, RMSE=46.639 mg·L-1; 实际水体模型反演精度: (1）敏感谱段, R2=0.798, RMSE=32.037 mg·L-1; (2）全谱段, R2=0.658, RMSE=48.332 mg·L-1。 结果表明, 不管是COD标准液还是实际水体, 基于敏感谱段的COD反演模型精度均优于基于全谱段的反演模型。 研究可为水体COD遥感反演提供重要的理论与技术支撑。
光谱特征分析 高光谱遥感 遥感建模 COD COD Spectral characteristics analysis Hyperspectral remote sensing Remote sensing modeling
1 中国科学院遥感与数字地球研究所, 北京 100101
2 福州大学空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室, 福建 福州 350000
3 湖南师范大学资源与环境科学学院, 湖南 长沙 410081
4 中国科学院大学, 北京 100049
猪肉是我国居民最主要的消费畜肉产品, 其在储藏、 运输、 加工等环节易受酶、 微生物等作用腐败变质, 导致新鲜度下降。 冷鲜猪肉的新鲜度关系着消费者的食肉口感与安全, 是消费者购买猪肉最为关心的指标之一。 及时、 快速、 准确检测冷鲜猪肉的新鲜程度是确保消费者“舌尖上的安全”的重要举措。 相比于传统的理化检验方法, 可见-近红外光谱分析技术具有快速、 高效、 无损、 非接触等独特优势, 适合于食品安全的快速检测, 光谱快检技术已成为冷鲜猪肉品质无损检测的研究热点。 然而目前研究大都基于统计方法进行光谱建模, 模型缺乏物理意义, 适用性差, 阻碍了该技术的应用推广。 通过分析不同新鲜程度猪肉的可见-近红外光谱特征, 利用反映猪肉新鲜度的肌红蛋白在760 nm处稳定的吸收特性, 构建了猪肉新鲜度光谱特征指数(FI); 通过模拟不同光谱分辨率与信噪比水平, 进一步探索了FI指数对光谱检测设备性能的敏感性。 研究表明, FI指数构建简单, 物理意义明确, 能够较好指示猪肉的新鲜程度; 且该指数对光谱仪的性能要求并不严苛: 只要在760 nm及附近波段, 光谱分辨率优于10 nm, 信噪比不低于45, 即可较好反映猪肉新鲜水平。 研究结果可为低成本、 手持式简易的猪肉新鲜度光谱检测设备的设计与研发提供科学依据, 有望在食品安全快速检测领域得到推广应用。
光谱分析技术 光谱特征指数 无损检测 猪肉新鲜度 肌红蛋白 Spectral analysis technology Spectral feature index Non-destructive detection Pork freshness Myoglobin
1 四川大学 电子信息学院， 成都 610064
2 宜宾学院 计算物理重点实验室， 四川 宜宾 644007
3 中国民航飞行学院 物理教研室, 四川 广汉 618307
基于广义惠更斯-菲涅耳原理和Wigner分布函数二阶矩的定义，推导出直角坐标系下大气湍流中部分相干光的M2因子传输公式。以厄米-高斯(H-G)光束为例，给出了H-G光束通过大气湍流传输后M2因子的解析表达式，并采用Tatarskii谱，详细讨论了M2因子的主要影响因素。结果表明，M2因子主要由光束的束腰宽度、波长、光束阶数、大气湍流的折射率起伏结构常数和在湍流中传输距离决定。随着光束阶数、折射率起伏结构常数及传输距离的增大，M2因子明显增大，光束阶数越高，湍流对M2因子变化的影响越小。对于给定的传输距离，存在最佳初始束宽，使M2因子最小。
厄米-高斯光束 大气湍流 Wigner分布函数 二阶矩 M2因子 Hermite-Gaussian beam atmospheric turbulence Wigner distribution function second-order moments M2-factor
1 四川大学电子信息学院, 四川 成都 610064
2 中国民航飞行学院物理教研室, 四川 广汉 618307
基于广义惠更斯菲涅耳原理, 利用Rytov近似理论, 推导出环状光束在湍流大气介质中光强分布的解析表达式。在此基础上, 根据强度二阶矩定义, 推导出环状光束在大气湍流中传输的M2因子的表达式。最后, 详细讨论了环状光束在湍流介质中的传输变换特性及其光束质量变化。研究结果表明, 环状光束在湍流介质中传输时, 湍流的强弱直接影响着环状光束传输变换的程度和快慢。由于湍流的影响, 环状光束在传输过程中由完全相干光变成部分相干光。环状光束在湍流中传输的M2因子与光束遮拦比、湍流强度、光束波长以及传输距离有关。选择合适的光束遮拦比和波长等光束参数, 可以有效地控制激光束在湍流介质中传输的光束质量。
大气光学 环状光束 大气湍流 传输特性 光束质量 M2因子
1 四川大学 电子信息学院,四川 成都 610064
2 中国民航飞行学院 物理教研室,四川 广汉 618307
采用广义惠更斯菲涅耳衍射积分方法和Wigner分布函数的二阶矩定义,推导出在直角坐标系下激光光束经大气湍流传输的远场发散角、束宽以及M2因子的解析表达式,并以复宗量厄米高斯(EHG)光束为例,定量分析了EHG光束在大气湍流中的传输特性。研究表明,光束在大气湍流中传输后的M2因子与入射面上的M2因子、入射面的二阶矩、传输距离、波数以及湍流的影响因子有关;随着在大气湍流中传输距离的增加,EHG光束的远场发散角、束宽和M2因子均会逐渐增大;大气湍流对高阶EHG光束的远场发散角、束宽和M2因子的影响更小;EHG光束在大气湍流中的M2因子与传输距离、湍流的折射率结构参数、光束波长、光束阶数以及基模高斯光束的束腰宽度密切相关。
大气光学 传输特性 二阶矩 M2因子 复宗量厄米高斯光束
