1 四川农业大学机电学院, 四川 雅安 625014
2 四川农业大学信息工程学院, 四川 雅安 625014
猕猴桃糖度是重要的猕猴桃内部品质衡量指标。 传统的糖度检测耗时且有损样品, 有效无损检测猕猴桃糖度含量对于其品质分级、 储藏销售具有重大意义。 基于高光谱成像技术的常见果蔬品质无损检测方法多数是采用竞争性自适应重加权算法(CARS)、 连续投影算法(SPA)、 主成分分析(PCA)、 迭代保留信息变量法(IRIV)等算法中的某个单一算法提取特征光谱变量, 而这些算法单独使用易导致预测结果的稳定性不足。 对此, 开展了基于高光谱成像技术的猕猴桃糖度的无损检测方法研究。 以四川省雅安市“红阳”猕猴桃为研究对象, 依次对猕猴桃样本编号并采集其在400~1 000 nm波长范围内的高光谱图像, 计算感兴趣区域的平均光谱作为样本的有效光谱信息; 分别采用多元散射校正(MSC)、 标准正态变量变换(SNV)、 直接正交信号校正(DOSC)等3种光谱数据预处理方法分析对预测模型精度的影响, 对比结果显示DOSC的预处理效果最好; 对预处理后的光谱分别采用一次降维(CARS, SPA, IRIV)、 一次组合降维(CARS+SPA, CARS+IRIV)算法和二次组合降维算法((CARS+SPA)-SPA, (CARS+IRIV)-SPA))等7种算法提取特征光谱变量, 并分别构建了预测猕猴桃糖度的3种模型, 即支持向量回归机(SVR)、 最小二乘支持向量机(LSSVM)和极限学习机(ELM)模型; 最后对比了基于不同特征提取方法的3种模型的预测精度。 研究结果表明: ELM模型具有最好的预测性能, 而SVR模型的预测性能最差; (CARS+IRIV)-SPA所选特征光谱变量输入LSSVM、 ELM模型, 其获得的预测结果均优于其他算法所选特征光谱变量输入对应模型所得的预测结果, 证明了(CARS+IRIV)-SPA算法在提高猕猴桃糖度含量检测精度方面的有效性。 对比不同方法的预测结果可知, (CARS+IRIV)-SPA-ELM对猕猴桃糖度的预测性能最优, 其相关系数Rc=0.945 1, Rp=0.839 0, 均方根误差RMSEC=0.450 3, RMSEP=0.598 3, 预测相对分析误差RPD=2.535 1, 该方法为猕猴桃糖度的检测无损化、 精准化、 智能化发展提供了可靠的理论依据和技术支撑。
猕猴桃 高光谱成像 糖度 特征光谱变量 极限学习机 Kiwi Hyperspectral imaging Sugar content Characteristic wavelength Extreme learning machine 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2188
1 西昌卫星发射中心, 四川 西昌 615000
2 中国科学院 西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710000
高速电视测量仪主要用于完成导弹和运载火箭发射试验任务中点火、起飞、飞离塔架过程中横向漂移量测量以及初始段高精度弹道测量、高帧频实况景象记录任务。为适应航天靶场测控任务的需要, 持续提升我国航天靶场的光学测控水平, 设计了一套焦距为25～350 mm的连续变焦光学系统。该系统可以根据不同的任务需要和布站条件, 改变镜头焦距, 调整摄像机的视场, 确保目标在视场中成像占一定比例。另外, 该系统增加了高速电视测量仪的跟踪测量距离, 并有效解决了定焦光学系统相机成像时容易出现倒影、重影以及存储图像上有干扰条纹现象等问题。
高速电视 光学系统 航天靶场 high speed TV measuring instrument optical system space range
1 中山大学理工学院 光电材料与技术国家重点实验室,广东 广州510000
2 中国科学院 深圳先进技术研究院,广东 深圳518055
3 西昌卫星发射中心,四川 西昌615000
4 香港科技大学 物理系,香港999077
利用MgO和低温ZnO的缓冲层技术，在c面蓝宝石衬底上用等离子体辅助分子束外延（P-MBE）的方法生长了高质量的ZnO单晶薄膜。通过XRD测试，ZnO薄膜样品具有c轴方向的择优取向，其（002）方向摇摆曲线的半高宽（FWHM）仅为68.4 arcsec，（102）方向摇摆曲线的半高宽（FWHM）为1 150 arcsec，显示了外延薄膜极高的晶体质量。另外从扫描电子显微测试结果和原子力显微测试结果来看，ZnO薄膜具有极为平整的表面，3 μm×3 μm面积内的均方根粗糙度仅为0.842 nm，接近原子级的平整。拉曼光谱（Raman）和荧光光谱（PL）测试结果显示，ZnO薄膜样品内部的应力基本释放，而且具有极低的点缺陷密度。高质量ZnO单晶薄膜的实现为ZnO基的光电器件的制备提供了坚实的基础。
缓冲层 应力 缺陷 高质量薄膜 buffer stress defects ZnO ZnO high quality thin film
1 西昌卫星发射中心,四川 西昌 615000
2 中山大学理工学院 光电材料与技术国家重点实验室,广东 广州 510000
3 中国科学院 深圳先进技术研究院,广东 深圳 518055
4 香港科技大学 物理系,香港 999077
用分子束外延(MBE)的方法在c面蓝宝石衬底上生长出了高质量的ZnO单晶薄膜和BexZn1-xO合金薄膜。X射线光电子能谱(XPS)测试结果表明,合金材料中Be元素的摩尔分数分别为1.8%、4.9%、8.0%和15.3%。在此基础上制备了ZnO基和BexZn1-xO基的金属-半导体-金属(MSM)结构紫外探测器。ZnO单晶探测器的响应波长为375 nm,在1 V电压下,350 nm处的光响应度高达43 A/W,光电流和暗电流之比达到105量级。在BexZn1-xO基紫外探测器中,其截止响应波长随着合金中Be含量的增加逐渐蓝移,其中Be0.153-Zn0.847O合金探测器的截止响应波长为366 nm,紫外波段和可见波段的光电流之比达到2～3个数量级,具有良好的信噪比。此外,提出了氧气等离子体表面处理降低探测器暗电流的方法,并使ZnO单晶探测器的暗电流降低了4个数量级。
ZnO单晶 BexZn1-xO合金 紫外探测器 表面处理 分子束外延 ZnO single crystal BexZn1-xO alloy ultraviolet detector surface treatment MBE
1 中山大学理工学院 光电材料国家重点实验室, 广东 广州510000
2 中国科学院 深圳先进技术研究院, 广东 深圳518055
3 香港科技大学 物理系, 香港,清水湾 九龙
采用分子束外延设备在不同晶面蓝宝石衬底上(c面, a面, r面)生长BeZnO薄膜。使用复合缓冲层生长得到了高质量的BeZnO薄膜, X射线衍射半高宽达到600 arcsec。在c面与a面蓝宝石衬底上生长得到了极性BeZnO薄膜, 在r面蓝宝石上生长得到了非极性BeZnO薄膜。共振拉曼光谱测试结果表明薄膜中的Be含量在同一水平。相对于c面与a面蓝宝石上的极性BeZnO薄膜, 生长在r面蓝宝石衬底上的非极性BeZnO薄膜具有较大的表面粗糙度以及较大的半高宽, 但是其光致发光谱中的紫外发光峰远远强于极性BeZnO薄膜, 并且黄绿光发光峰弱于极性BeZnO薄膜。
蓝宝石 晶体取向 分子束外延 光致发光 BeZnO BeZnO sapphire crystal orientation molecular beam epitaxy photoluminescence
1 中山大学理工学院 光电材料国家重点实验室, 广东 广州510000
2 香港科技大学 物理系, 香港
用分子束外延设备在c面蓝宝石衬底上生长得到高质量MgxZn1-xO薄膜。X射线衍射显示, 当Mg摩尔分数在0～32.7%范围内时, 薄膜保持六方结构, (002)衍射峰半高宽为0.08°～0.12°, 薄膜结晶质量与现有报道的最高水平相当。随着薄膜中Mg含量的增加,紫外发光峰由378 nm蓝移至303 nm。对Mg0.108Zn0.892O薄膜变温光致发光光谱的研究发现, 束缚激子发光随温度变化存在两个不同的猝灭过程。对不同Mg含量薄膜共振拉曼光谱的研究发现, A1(LO)声子模频移与Mg含量在一定范围内呈线性关系, 这为确定MgxZn1-xO薄膜中的Mg含量提供了一种简单高效的方法。通过拉曼光谱与X射线衍射对比研究发现, 拉曼光谱在确定MgZnO材料相变时具有更高的灵敏度。最后, 研究了Mg0.057Zn0.943O薄膜的变温共振拉曼光谱, 对A1(LO)和A1(2LO)声子模随温度而变化的现象给出了一定的理论解释。
分子束外延 X射线衍射 光致发光 共振拉曼光谱 MgxZn1-xO MgxZn1-xO P-MBE X-ray diffraction photoluminescence resonance Raman spectroscopy
1 中山大学理工学院 光电材料国家重点实验室, 广东 广州510275
2 香港科技大学 物理系, 香港
用分子束外延设备插入缓冲层在c面蓝宝石上生长得到高质量ZnO和BeZnO薄膜。XRD测试显示薄膜具有六方结构和c轴取向, 并具有良好的晶体质量, 其中ZnO薄膜的半高宽仅为108 arcsec, BexZn1-xO薄膜的半高宽小于600 arcsec。对ZnO和BeZnO薄膜的拉曼光谱进行对比研究发现, 随着Be元素的掺入, A1(LO)、A1(2LO)声子模频率往大波数方向移动, 并且首次发现了与Be元素掺杂有关的局域振动模。利用变温光致发光光谱研究了薄膜的发光性质, 结果显示ZnO薄膜室温光致发光只出现一个紫外发发光峰（378 nm）, 而低温光谱（80 K）则出现了很强的自由激子发光峰。随着温度的升高, 束缚激子发光逐渐湮灭向自由激子发光转变, 并且峰值位置红移。相对于ZnO薄膜, BeZnO薄膜的紫外发光主峰位置蓝移, 并且由于Be元素的掺入导致薄膜晶体质量下降, 在低温（80 K）光致发光光谱中没有出现强的自由激子发光峰。另外, 在低温光致发光及拉曼光谱中, 主峰位置在100～200 K之间有局部最大值, 推测为由于合金晶格热膨胀系数失配而引起的应力效应。
分子束外延 光致发光 拉曼光谱 molecular beam epitaxy ZnO ZnO BeZnO BeZnO photoluminescence Raman spectrum
