1 巢湖学院电子工程学院， 安徽 合肥238000
2 安徽省气象台，安徽 合肥230031
风场对于天气形势的演变和预报至关重要。基于风云四号A星干涉式大气垂直探测仪（GIIRS）中波通道资料和ERA5风场资料，采用LightGBM进行大气三维风场反演研究。首先，构建模型特征变量。GIIRS通道最优选择采用二步特征选择法：（1）建立GIIRS通道黑名单；（2）采用置换特征重要性（Permutation Feature Importance，PFI）方法选择特征变量，在形成通道最优子集的基础上，构建含有时空信息的特征变量。其次，构建基于LightGBM的三维风场反演方法。最后，基于台风“利奇马”期间的GIIRS加密资料开展了LightGBM超参数优化和相关反演试验。结果表明，相对于ERA5风场资料，测试集中风场U和V分量的均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）分别小于1 m/s和15 m/s。本文中的二步特征选择法能够实现GIIRS通道的动态最优选择。
大气风场反演 特征选择 台风“利奇马” FY-4A/GIIRS FY-4A/GIIRS atmospheric wind field retrieval feature selection LightGBM LightGBM Typhoon “Lekima”
同济大学 材料科学与工程学院, 上海 201804
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥因具有良好的力学性能、适宜的凝固时间和低毒性等优点而在骨科手术中作为可注射型人工骨修复材料受到广泛的应用。然而，其生物惰性可能导致假体长期植入后产生无菌性松动。本研究采用模板法制备了介孔硼硅酸盐生物玻璃微球(MBGS), 并用硅烷偶联剂γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(γ-MPS)对其进行改性, 制备了MBGSSI。再将硅烷化介孔硼硅酸盐生物玻璃微球(MBGSSI)与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥复合, 制备了一种具有良好生物活性和力学性能的复合骨水泥。实验结果表明, 由于γ-MPS与MBGS的结合主要发生在介孔微球的近表面, MBGSSI比MBGS具有更大的比表面积和更小的孔容积。与MBGS/PMMA复合骨水泥相比, γ-MPS可以改善复合材料中无机相和有机相之间的结合, 因此MBGSSI/PMMA复合骨水泥的力学性能得到了改善, 符合ISO 5833:2002对丙烯酸类骨水泥的力学性能要求。此外, 在SBF溶液中浸泡42 d后, MBGS/PMMA和MBGSSI/PMMA复合骨水泥的表面均生成了羟基磷灰石(HA), 证明复合骨水泥具有良好的生物活性。因此, MBGSSI/PMMA复合骨水泥是一种潜在的骨修复材料。
生物玻璃 硅烷化 PMMA骨水泥 生物活性 力学性能 bioglass silanization PMMA bone cement bioactivity mechanical property 光子学报
2023, 52(11): 1106004
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
3 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031
针对卫星上相机对高信噪比、抗辐照等特殊要求，提出一种基于长光辰芯公司的科学级CMOS探测器HR400的多光谱相机成像电子学系统设计，采用FPGA加SRAM缓存的系统架构，重点讨论了CMOS探测器的驱动设计和图像采集技术。首先，针对滤光片轮式多光谱相机曝光时间变化会导致成像偏振方位角差异的问题，提出一种能够根据曝光时间动态调整的延时成像方法，将通道通光中心作为成像的采集中心，保证不同曝光时间下采集的图像中心位置一致且处于最佳采样位置；然后，针对该延时成像方法的成像中心位置误差进行分析；最后，对相机成像性能和不同曝光时间的偏振方位角进行测试验证。测试结果表明：成像系统的时域暗噪声为71.6（等效电子数），当系统光强为饱和光强的80%时，信噪比为588.1，满足载荷成像要求；延时成像方法对由曝光时间导致的偏振方位角差异有明显改善。
成像系统 多光谱相机 CMOS 卫星成像 信噪比 光学学报
2023, 43(24): 2411001
1 同济大学 材料科学与工程学院, 上海 201804
2 中国科学院上海高等研究院, 绿色化学研究中心, 上海 201210
3 中国科学院深圳高等研究院, 人体组织与器官退行性研究中心, 广东 深圳 518055
硼硅酸盐生物活性玻璃因具有降解可控、可原位转化为羟基磷灰石、生物相容性好、与软硬组织键合良好、组织修复能力强等优点, 在生物医用领域具有良好的应用前景。本文综述了硼硅酸盐生物活性玻璃及其衍生材料开发应用的历史沿革、研究现状及发展趋势; 重点阐述了通过元素掺杂、有机-无机杂化复合、微/纳米结构构建等多功能的改性研究, 及其在组织修复、肿瘤治疗、药物递送等领域的最新成果, 最后探讨了硼硅酸盐生物活性玻璃的发展前景和面临的挑战。
硼硅酸盐 玻璃生物活性 功能化构建 多样组织修复 疾病诊疗一体化 borosilicate glass bioactive multifunction tissue regeneration therapies
1 桂林电子科技大学，广西 桂林 541004
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
3 广西光电信息处理重点实验室，广西 桂林 541004
为了减小在提取目标偏振信息时器件参数偏差引起的误差，需要对器件参数进行检测标定。提出了通过Savart棱镜的分光成像实验对Savart棱镜的参数进行了标定的方法。基于分振幅偏振相机进行仿真，使用计算结构相似度和最小二乘拟合法对解调效果进行定量分析。通过偏振成像实验对不同偏振状态下的解调图进行了对比。分析了参数误差对不同Stokes分量的影响并验证了参数标定方法的有效性。
成像系统 偏振成像 分光棱镜 参数标定 频域解调 光学学报
2022, 42(21): 2111001
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院, 广西 桂林 541004
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 广西光电信息处理重点实验室, 广西 桂林 541004
针对平流层载荷在对地观测应用中精确获取地表温度的需求,基于SeeBor大气廓线集和MODIS分裂窗通道的参数建立了平流层仿真数据集,分析了通用分裂窗算法在平流层高度获取地物温度的有效性;开展了反演精度对观测高度、发射率、水汽含量、噪声等效温差(NETD)和光谱响应漂移的敏感性分析。仿真结果表明,算法的理论误差为0.185 K,其中发射率和NETD对反演误差的贡献最大。最后分析了不同影响因素的偏差约束需求,结果表明在发射率不确定性优于1%、NETD优于0.4 K、光谱响应漂移在-3~3 nm的条件下,温度反演精度可以实现优于2 K的水平。
光学学报
2022, 42(12): 1201001
1 桂林电子科技大学, 广西 桂林 541004
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
空间外差拉曼光谱技术是近年兴起的一种超光谱探测技术, 它既具有拉曼光谱测量的非接触、 快速、 简单、 可重复、 无需样品准备等特点, 更具有空间外差的超光谱分辨率、 高通量、 无运动部件优点, 能在被测物质特征波长中心范围探测, 实现微弱拉曼光信号的直接测量。 由于被测信号微弱、 光学元件加工精度、 器件封装及仪器安装误差等原因, 会导致空间外差拉曼光谱仪(SHRS)接收到的干涉图存在光强分布不均匀、 干涉条纹倾斜或扭曲等现象, 从而使普通光谱恢复方法得到光谱信号准确度下降或无法识别。 根据SHRS探测到的干涉图所存在的误差特点, 将二维傅里叶变换应用于SHRS干涉图的光谱复原, 提出基于二维频域谱重采样的最强直线方向光谱提取方法, 以实现SHRS光谱的获取。 提取过程为: 将采集的目标干涉图进行二维傅里叶变换, 获得二维频谱图, 通过使用相同实验系统采集的单波长或多波长光源的二维频谱信号特征峰的位置信息, 拟合获取光信息强度最大方向直线方程。 然后根据该直线与目标二维频谱图各列交点坐标位置, 确定重采样贡献像元及权重。 对拟合直线方程经过的所有列像元进行重采样, 得到最终的光谱信号。 将该方法应用于自行搭建实验系统采集的三叶草干涉图数据, 同时与其他方法光谱复原结果进行对比。 结果表明: 与一维行平均光谱法比较, 该方法获取的光谱在探测波段中心区域信号强度更加明显, 同时消除了探测器热噪声的影响; 与二维频谱中心行直接提取法比较, 该方法是该方法的改进版本, 两者结果比较接近。 但是由于考虑到干涉条纹y分量的影响, 沿二维频谱信号最强方向重采样得到的最终光谱, 其主峰半峰宽更窄、 边频噪声强度更小, 且随着y分量的增加, 光谱复原效果及优势将越发明显。 该方法是空间外差拉曼光谱技术数据处理的一种有益补充与尝试。
光谱学 空间外差拉曼 干涉图 二维频谱图 Spectroscopy Spatial Heterodyne Raman Interferogram 2D Spectrogram
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004
2 广西光电信息处理重点实验室，广西 桂林 541004
二氧化碳（CO2）是造成温室效应的气体之一，其浓度的空间分布对气候预测和人类生产、生活的影响不可忽视，实现CO2浓度的准确反演有利于掌控全球CO2时空分布。但是在近红外波段，地表反射率的不确定对CO2浓度反演存在影响。引入比值法对卫星对地辐射光谱进行处理，验证吸收波段辐亮度比值与CO2浓度之间存在某种关系，该关系反演CO2浓度具有可行性。以MODTRAN4仿真的辐亮度光谱为数据源，选取4个特征吸收峰的光谱辐亮度比值与CO2浓度进行分析。结果显示，光谱辐亮度比值与CO2浓度存在近似线性关系，而且在6310 cm-1处的线性关系更为明显，误差仅有1.15%。然后通过设置不同的大气模式和气溶胶模式，进一步对辐亮度比值与浓度之比进行剖析，结果表明，在0.1~0.9反射率区间，两者呈高度相关，相关系数高达0.98，平均误差不超过2%。最后对实测数据进行相同处理，与仿真数据进行了对比。在4个波段的拟合中，6334 cm-1处拟合效果最好，线性关系达到了0.99，从另一方面说明了光谱辐亮度比值与CO2浓度存在线性关系，这种关系可以很好地应用于CO2浓度的反演，近似消除地表反射率影响。
激光与光电子学进展
2022, 59(1): 0101001
塑料产品除了在自然环境中可降解为微塑料污染环境之外, 还会产生挥发性有机物, 同样对环境造成巨大的污染和危害, 因此对塑料挥发物的测量就显得尤为重要。 目前传统挥发物的测量方法, 如环境质谱法和色谱法等, 存在测量过程复杂, 成本高, 无法实时测量等缺点, 因而需要一种快速有效的针对塑料挥发物的测量方法。 采用傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer, FTIR Spectrometer)结合怀特池对塑料挥发物进行测量, 但是由于抽取式傅里叶变换红外光谱仪本身灵敏度有限, 很难实现微量的塑料挥发物的测量, 所以针对这一问题, 尝试通过长光程气体池提高常规傅里叶变换红外光谱仪的灵敏度从而实现不同种类塑料挥发物的测量。 选取了5种塑料产品, 分别是低密度聚乙烯(LDPE), 高密度聚乙烯(HDPE), 聚乙烯(PE), 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET), 聚丙烯(PP), 利用光程长为20 m的怀特池结合傅里叶变换红外光谱仪实现了其中一些挥发物的光谱特征观测, 实验观察到所有种类的塑料在2个光谱波数段具有明显的光谱特征, 分别为800~850和1 050~1 150 cm-1。 除聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)外, 其余4种塑料挥发物在2 800~3 000 cm-1还存在明显的光谱吸收波段。 进一步又研究了不同温度条件下塑料产生的挥发物, 通过分析不同温度条件下的塑料产生的挥发物的红外光谱, 发现除低密度聚乙烯(LDPE)在两种温度条件下光谱差异较大外, 其他种类的塑料挥发物红外光谱差异较小。 该研究提出了一种新型的基于长光程FTIR的塑料挥发物的测量方法, 证实了其在塑料挥发物测量方面的有效性, 这种方法具有测量成本低, 可连续观测, 实时在线等优点, 为实现连续在线的塑料挥发物排放通量监测奠定了基础。
中红外 长光程气体池 塑料挥发物 快速检测 Mid-infraredspectroscopy Long optical path gas cell Plastic volatiles Fast measurement 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3039
