1 华东交通大学电气与自动化工程学院, 江西 南昌 330013
2 鲁南技师学院, 山东 临沂 276000
3 华东交通大学土木建筑学院, 江西 南昌 330013
人们对鱼类的品质追求越来越高, 因此对于开发水产养殖中鱼类重要参数脂肪含量的检测显得愈发的重要, 传统的检测方法虽然经过许多研究人员的修改和改进, 但仍然存在费时费力, 需要专业的人员培训存在一些问题。 光谱技术也存在仅使用整条鱼片作为预测样本, 缺乏普遍性, 整个鱼片的成分分布不均匀, 采样时间过长等导致图像质量不高等问题, 该研究通过MCR-ALS算法重建后的数据和图像的增益效果, 评估了采用近红外高光谱成像技术预测并实现鲑鱼片重要参数（脂肪）可视化的可行性。 首先将购买的新鲜三文鱼按照背面和腹部切块分割, 每条三文鱼制作成20个样本, 共100个样本, 其中75个样本用于校正集, 25个样本用于预测集。 用高光谱成像系统采集三文鱼样本的光谱数据, 再通过索氏提取器测定三文鱼脂肪的含量, 并建立其理化值样本, 然后通过MCR-ALS对光谱数据进行重构, 发现重构后的光谱有效信息随着组分推荐评分上升, 通过连续投影算法（SPA）选择特征波长, 并建立最小二乘支持向量机（LS-SVM）模型评估两种预测效果（原始和重建数据）。 MCR-ALS-SPA-LS-SVM的预测精度最高, Rp=0.955 5, RMESP=1.650 5, RPD=3.389 9; 采用MCR-ALS和未处理的模型对鱼片脂肪进行视觉图像预测, 大大减少了噪音的输入, 有效还原了鱼片的轮廓, 并且令鱼的脂肪条纹更加的清晰, 图像质量更优。 进一步分析聚类图像, 通过不同成分的主成分贡献和相同成分的主成分贡献比, 发现类别为20种时, 样品与背景簇存在干扰, 然而采用少量的簇类分析发现, 仅5和10个种类即可完整描绘出整个样品的轮廓, 对于光谱强反应物质存在很好的聚类效果, 具有简化模型的可能。 无论是数据还是图像, 令人满意的预测结果证实了近红外高光谱成像用于鲑鱼脂肪定量和视觉图像预测的可行性, 并且算法的优化大大缩短了检测时间, 为实时在线检测创造了更好的条件。
多元曲线分辨-交替最小二乘 鲑鱼 可视化 高光谱 脂肪 图像分析 MCR-ALS Salmon Visualization Hyperspectral Fat Image analysis 光谱学与光谱分析
2023, 43(8): 2601
1 华东交通大学基础实验与工程实践中心, 江西 南昌 330013
2 华东交通大学电气与自动化工程学院, 江西 南昌 330013
3 鲁南技师学院交通工程系, 山东 临沂 276000
4 华东交通大学土木建筑学院, 江西 南昌 330013
土壤肥力通常由有机质、 总氮、 速效磷、 速效钾等含量决定。 这些物质的含量通常采用可见/长波近红外光谱(visible/near-infrared spectroscopy, Vis/NIRS: 350～2 500 nm)进行研究, 可见/短波近红外区域(visible/shortwave near-infrared spectroscopy, Vis/NIRS: 325～1 075 nm)的研究却非常罕见, 将可见/短波近红外光谱结合机器学习算法来测量土壤养分具有巨大潜力。 选取了南昌市新建区和吉安市安福县的四个村庄作为样品获取地点, 通过2×2网格法选取对角区的10～30 cm深度的土壤样本, 其中水稻土120份(水稻土1和水稻土2), 棕壤60份、 红壤60份。 样品经过研磨、 风干等处理后用四分法均匀划分为两份, 用于测定样品光谱信息和理化信息。 将获取的光谱数据去除325～349和1 073～1 075 nm的噪声波段, 然后采用S-G卷积平滑结合一阶导数进行预处理。 将预处理后的光谱数据进行主成分分析(PCA), 根据主成分分析得到的得分图(PC1: 98.44%, PC2: 3.5%, PC3: 0.14%)显示出样品存在明显聚类现象且在二维空间内相互可分, 样品存在明显聚类现象, PCA可以在一定程度上合理解释不同土壤样品的光谱特征差异。 将预处理后的光谱数据建立全波段主成分回归(PCR)和偏最小二乘回归(PLSR)模型, 通过PCA和PLSR对光谱数据降维, 提取出3个主成分因子(PCs)和9个潜在变量(LVs), 建立非线性反向传播神经网络(BPNN)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)模型。 通过比较PCR、 PLSR、 BPNN和LS-SVM方法对Vis/SW-NIRS及对OM、 TN、 P、 K的预测精度, 得出以下结论： (1)LS-SVM-LVs模型在所有土壤性能方面都优于PCR、 PLSR、 BPNN-PCs、 BPNN-LVs和LS-SVM-PCs模型; (2)LS-SVM-LVs模型对OM和N的预测精度最高, 这是在NIR区域具有光谱响应的特性; (3)采用Vis/SW-NIRS测定土壤矿质养分P和钾, 具有不同的准确性, 这是由于光谱活性成分的共变。 根据本研究取得的结果, 建议采用LS-SVM-LVs分析作为预测土壤性质(OM、 TN、 P和K)的最佳模型方法。 然而, 还需要进一步的研究来深入解释在近红外区域不具有直接光谱响应的土壤特性的测量。 该研究成果可以为当地的精细农业的发展提供理论与技术参考。
可见/短波近红外光谱 土壤 主成分分析 最小二乘支持向量机 反向传播神经网络 Visible/shortwave near-infrared spectroscopy Soil Principal component analysis Least squares-support vector machine Back propagation neural network 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3535
红外与激光工程
2022, 51(7): 20210784
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Aerospace Science and Technology, Space Engineering University, Beijing 101416, China
2 Laboratory of Quantum Detection & Awareness, Space Engineering University, Beijing 101416, China
3 Basic Ministry, Space Engineering University, Beijing 101416, China
4 State Key Laboratory of Laser Propulsion & Its Application, Space Engineering University, Beijing 101416, China
5 63729 Troops of Chinese People’s Liberation Army, Taiyuan 030027, China
6 School of Space Information, Space Engineering University, Beijing 101416, China
The resolution of the spatial light modulator (SLM) screen and the encoding algorithm of the computer-generated hologram are the primary limiting factors in the generation of large topological charge vortex beams. This paper attempts to solve these problems by improving both the hardware and the algorithm. Theoretically, to overcome the limitations of beam waist radius, the amplitude profile function of large topological charge Laguerre–Gaussian (LG) beam is properly improved. Then, an experimental system employing a 4K phase-only SLM is set up, and the LG beams with topological charge up to 1200 are successfully generated. Furthermore, we discuss the effect of different beam waist radii on the generation of LG beams. Additionally, the function of the LG beam is further improved to generate an LG beam with a topological charge as high as 1400. Our results set a new benchmark for generating large topological charge vortex beams, which can be widely used in precise measurement, sensing, and communication.
spatial light modulator Laguerre–Gaussian beam computer-generated hologram large topological charge Chinese Optics Letters
2022, 20(12): 120501
1 航天工程大学宇航科学与技术系，北京 101416
2 航天工程大学基础部，北京 101416
涡旋半波片（VHP）是一种快轴取向在空间分布上呈特定角向变化规律的偏振光学元件。通过级联两个或多个低阶VHP可以产生任意高阶柱矢量光束（CVB）。基于单个VHP的琼斯矩阵，推导了VHP级联后的等效琼斯矩阵，从理论上解释了VHP级联后等效阶数的变化规律。实验上，利用和的两个VHP级联产生1阶和3阶径向偏振和角向偏振CVB，计算斯托克斯参数并绘制矢量光束偏振态分布图，并与的单个VHP直接生成的CVB进行比较，证明了级联方法的可靠性。在级联VHP产生相同高阶CVB时，VHP的不同级联顺序能够影响由于中心错位而造成的光束畸变程度。经实验对比分析，得到了级联应用中能够稳定产生高质量、高阶CVB的方法，并通过级联多个VHP产生了100阶以内任意CVB。
物理光学 柱矢量光束 涡旋半波片 琼斯矩阵 斯托克斯参数 偏振检测 光学学报
2022, 42(13): 1326001
红外与激光工程
2022, 51(4): 20220004
1 航天工程大学宇航科学与技术系, 北京 101416
2 航天工程大学基础部, 北京 101416
当前,较为常用的光场复振幅调制方法主要是通过衍射效应来实现的,这造成了能量利用效率普遍较低,为此基于纯相位空间光调制器(SLM)和棋盘相格法在衍射零级实现了高阶贝塞尔涡旋光束的制备。首先,介绍了奈奎斯特光栅和棋盘相格法的基本原理,推导了在衍射零级制备贝塞尔涡旋光束的复振幅调制方法并编码了相应的全息图,分别模拟了通过该方法生成的低阶和高阶贝塞尔涡旋光束的光场分布。其次,基于纯相位SLM搭建了相应的实验光路,分别制备了低阶和高阶贝塞尔涡旋光束。最后,讨论了本文方法的优点和不足。实验结果表明,本文方法制备的高阶贝塞尔涡旋光束的模式纯度虽然不及衍射一级,但却可以将衍射效率提升约4.5倍。
衍射 纯相位空间光调制器 棋盘相格法 贝塞尔涡旋光束 全息图 大拓扑荷数 光学学报
2022, 42(10): 1005001
红外与激光工程
2021, 50(9): 20200463
1 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
2 电子科技大学光电科学与工程学院，四川 成都 611731
3 中国科学院大学，北京 100049
4 中国科学院光束控制重点实验室，四川 成都 610209
5 航天系统部装备部军代局成都室，四川 成都 610041
6 广西科技大学电气与信息工程学院，广西 柳州 545006
由于红外弱小目标尺度小、能量弱，所以抑制背景以增强目标使后期检测跟踪性能得到保障是关键的目标检测技术环节。为了提高梯度倒数滤波算法对杂波纹理的抑制能力，减少差分图像中残留纹理对目标的干扰，本文提出了自适应梯度倒数滤波算法(AGRF)。AGRF 算法通过分析背景区域、杂波边缘纹理、目标的分布特性和统计数字特征来确定邻域像素间相关性的自适应联合判定阈值和自适应相关度系数函数，然后联合相关度系数函数和梯度倒数系数来确定自适应梯度倒数滤波器的元素值。实验结果表明，在具有相同目标增强性能的前提下，AGRF 算法相比传统梯度倒数滤波算法对杂波边缘纹理的敏感度明显降低。相比九种对比算法，AGRF 算法能够在背景抑制和目标增强这两者之间取得更好的性能平衡。
红外弱小目标 背景抑制 梯度倒数滤波 边缘纹理 infrared dim small target background suppression gradient reciprocal filtering clutter texture
