硝酸盐浓度是海洋生态系统研究的重要指标。 光学法硝酸盐原位传感器具有测量速度快、 无需化学试剂的优点, 在长时间连续监测方面, 优于镉柱还原法等实验室化学方法。 在计算模型方面目前国内外硝酸盐光学传感器多使用偏最小二乘法(PLS)对紫外吸收光谱进行光谱分析建模, 模型优化难度较大且泛化能力较低, 而神经网络模型理论上能够以任意精度逼近任何非线性连续函数, 样本充足的情况下精度较高, 泛化能力强。 利用自主研制的海水硝酸盐原位传感器, 研究了硝酸盐浓度范围为30~750 μg·L-1的人工海水的紫外吸收光谱, 建立神经网络模型, 定量计算水中的硝酸盐浓度。 对比研究了单隐藏层和双隐藏层神经网络模型对硝酸盐浓度测量的性能, 确定采用双隐藏层结构, 模型的输入层为200~275 nm波段的吸收光谱数据, 输出层为硝酸盐浓度测量值, 使用sigmoid函数作为激活函数。 采用梯度下降法更新每一层神经网络的权值参数, 学习率为0.26, 迭代55 000次进行网络训练。 通过8组随机验证数据进行模型盲测验证, 得到的双隐层神经网络模型的硝酸盐浓度预测值和实际值的线性相关度较高(R2=0.997), 均方根误差为10.864, 平均绝对误差为8.442 μg·L-1, 平均相对误差为2.8%, 模型的精度较高, 比单隐层神经网络模型的平均相对误差降低了4.92%, 而利用同样的光谱数据建立的偏最小二乘算法的均方根误差为11.470, 平均相对误差为4.58%, 说明神经网络模型在一定条件下优于PLS模型的精度, 验证了神经网络模型应用于紫外吸收光谱法硝酸盐浓度测量的优越性。 搭载自然资源部“环监01”监测船环渤海航次进行了实际应用测试, 在11个站位与实验室方法进行了比对测试, 两种方法测量结果基本一致, 进一步证明了该方法的可靠性和实用性。
紫外吸收光谱 海水 硝酸盐 神经网络 光谱分析 原位传感器 Ultraviolet Absorption spectroscopy Seawater Nitrate Neural network Spectral analysis 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3211
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院环境光学重点实验室,合肥 230031
2 安徽省环境光学重点实验室,合肥 230031
为了表征不同涂层表面的偏振光学散射特性,在基于微面元理论的偏振双向反射分布函数模型的基础上,针对不同涂层样品提出了一种适用范围更广的多参量偏振双向反射分布函数模型.采用遗传算法对实验数据进行模型参量拟和.实验结果表明,对几种不同的涂层样品,这种多参量模型的模拟计算结果与测量结果均能较好吻合,可以为后续的目标偏振特征提取与识别工作提供参考.
偏振 双向反射分布函数模型 遗传算法 Polarization Bidirectional Reflectance Distribution Function (B Model Genetic algorithm
中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
用微脉冲激光雷达(MPL)研究了机动车限行措施对城市大气污染影响。2007年8月北京市车辆限行期间, 对近地面层气溶胶的光学特性进行连续立体监测, 在对激光雷达系统及其数据处理方法讨论的基础上, 反演了近地面层气溶胶消光系数、大气边界层高度以及颗粒物质量浓度的时空变化, 通过和未限车期间近似气象条件下观测数据的分析比较, 发现限车期间颗粒物质量浓度呈现下降趋势, 监测区域上空大气污染层厚度减小, 证明车辆限行减排是一项减轻城市大气污染的有效措施, 为我国城市空气污染治理提供了科学依据和参考。
激光雷达 气溶胶 大气边界层 气溶胶质量浓度
中国科学院安徽光学精密机械研究所 环境光学与技术重点实验室,合肥 230031
针对激光雷达回波信号较弱易于被各种噪声污染的特点,本文提出利用经验模态来模态分解(EMD)这一非线性、非平稳信号处理方法,对Mie散射激光雷达信号进行多尺度分解。该方法是利用信号内部时间尺度的变化做能量与频率的解析,采用这种方法能够将噪声污染的激光雷达信号分解成若干个线性、稳态的本征函数(IMF),通过对本征函数的重构,去除包含高频噪声的IMFs,从而达到去噪目的。实验结果表明,这种方法的去噪能力强,并且具有自适应的特点,从而说明了这种方法在信号去噪中的优势。
经验模态分解 激光雷达信号 本征函数 去噪 empirical mode decomposition lidar signal intrinsic mode function de-noise
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 安徽省环境光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
为了表征复杂涂层表面的光学散射特性,基于微面元理论的偏振双向反射分布函数模型,利用遗传算法从实验数据中反演出模型的关键参量。采用C＋＋语言对偏振双向反射分布函数模型进行了数值模拟,分析了模型参量对偏振双向反射分布函数的影响。数值模拟结果与实验数据的对比表明,该模型算法有较高的模拟精度,可以为后续的目标特征提取与识别工作提供参考。
散射 偏振 双向反射分布函数(BRDF) 遗传算法 数值模拟
中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室,安徽,合肥,230031
利用自行研制的空气动力学粒谱仪和颗粒物质量监测器振荡天平,于2006年2月在北京测量了大气气溶胶的粒子数密度与质量浓度.在对二者进行相关性分析的基础上,运用多元回归方法,得出了利用粒子数密度谱获取颗粒物(PMl0)质量浓度谱的经验公式,并对公式进行了实验验证.同时分析了北京市初春气溶胶的有关特征,以期对北京市大气污染总量控制方案及对策提供科学依据.
数密度 质量浓度 数密度谱 质量浓度谱 空气动力学粒径 PM10
1 烟台大学 光电信息科学技术学院，烟台 264005
2 中国科学院 安徽光学精密机械研究所，合肥 230031
为了提高激光多普勒调制器调制频率的稳定度，通过从光学、机械、电子学等方面的优化，对影响多普勒调制器的各种因素进行了深入的研究。实验结果表明，经过优化后的多普勒调制器的输出调制信号频率的相对标准误差达到了1%左右，能够满足锁相放大器对输入参考信号频率稳定度的要求。
激光技术 多普勒调制器 频率稳定度 优化 laser technique Doppler modulator stabilization of frequency improvement
烟台大学,光电信息科学技术学院,山东,烟台,264005
在传统的斩波器调制技术中,被测对象"被动"地接受外来调制光的照射,由于这种照射一般要经过一定的光学系统来完成,因此,调制照射发生在每一个光束经过的光学元件上,这些元件必定会存在某些加工缺陷,从而产生与调制照射同频率、固定位相差的杂散信号,只要这些信号在探测器的视场里,就会形成背景干扰,从而降低信噪比.利用Michelson-Morley动态干涉技术,建立了一套基于Doppler频移原理的调制器.与传统的调制技术相比,多普勒调制技术是将被测目标自身运动产生的多普勒频移在干涉仪光路中造成的干涉场的交替变化作为调制频率来实现光的调制,可以有效地消除目标以外一切背景因光调制而产生的噪声影响,极大地改善微弱信号探测的信噪比.实验结果表明:调制信号频率稳定度(相对标准差)可达到±1%左右,能满足锁相放大器参考信号的需要.
动态干涉 多普勒频移 多普勒调制器 Dynamic interference technology Doppler shift Doppler modulator
