1 西北大学物理学院，陕西 西安 710127
2 陕西省油气资源光纤探测工程技术研究中心，陕西 西安 710065
提出了一种基于光纤超声传感技术的岩石含水率检测新方法。在实验中，以压电换能器（PZT）发出的1 MHz超声波作为声源，采用超声波透射法，通过刻写在细芯光纤中的一对光纤光栅检测岩石的超声波信息（包括时域以及频域的结果），并与相同条件下的PZT接收结果进行比较。随着岩石含水率的增加，光纤传感器表现出与PZT相似的响应趋势，且测得的含水率绝对偏差较小，充分证明了光纤探测岩石含水信息的可行性和优越性。
光纤光学 红砂岩 含水率 超声波 光纤检测
华东交通大学 智能机电装备创新研究院 水果智能光电检测技术与设备国家与地方联合工程研究中心, 南昌330013
本文旨在探索涌泉蜜桔糖度的最优检测位置和最佳预测模型，以便为蜜桔糖度检测分级提供理论依据。本文利用波长为390.2～981.3 nm的高光谱成像系统对涌泉蜜桔糖度最佳检测位置进行研究，将涌泉蜜桔的花萼、果茎、赤道和全局的光谱信息与其对应部位的糖度结合，建立其预测模型。使用标准正态变量变换（SNV）、多元散射校正（MSC）、基线校准（Baseline）和SG平滑（Savitzkv-Golay）4种预处理方法对不同部位的原始光谱进行预处理，用预处理后的光谱数据建立偏最小二乘回归（PLSR）和最小二乘支持向量机（LSSVM）模型。找出蜜桔不同部位的最佳预处理方式，对经过最佳预处理后的光谱数据采用竞争性自适应重加权算法（CARS）和无信息变量消除法（UVE）进行特征波长筛选。最后，用筛选后的光谱数据建立PLSR和LSSVM模型并进行分析比较。研究结果表明，全局的MSC-CARS-LSSVM模型预测效果最佳，其预测集相关系数Rp=0.955，均方根误差RMSEP=0.395，其次是蜜桔赤道部位的SNV-PLSR模型，其预测集相关系数Rp=0.936，均方根误差RMSEP=0.37。两者预测集相关系数相近，因此可将赤道位置作为蜜桔糖度的最优检测位置。本研究表明根据蜜桔不同部位建立的糖度预测模型的预测效果有所差异，研究最优检测位置和最佳预测模型可以为蜜桔进行糖度检测分级提供理论依据。
涌泉蜜桔 高光谱 糖度 偏最小二乘回归 最小二乘支持向量机 Yongquan honey orange hyperspectral sugar content partial least-squares regression least-squares support vector machine
江苏大学物理与电子工程学院，江苏 镇江 212013
果蔬品质检测在其生长、储存各环节都具有重要意义，同时也是栽培、保存方案制订的依据。针对果蔬种植过程中对样本全域生理信息定量实时获取的需求以及现有检测技术的不足，本文从宏观生长的微观物质基础和相位成像机理出发，以番茄果实糖度检测为例，提出了一种果蔬生理信息的相位检测方法，基于细胞相位图像提取两个相位参量并联合宏观糖度值构建数据立方体对番茄糖度分布进行了表征。该方法可根据需要对任意局部区域进行采样检测，无须对细胞样本进行预处理，只需要采集任意角度下的一幅相位图即可，具有数据量小、计算简便的优势，整个分析过程只需要0.5 s左右。与现有成熟检测方法的对照实验表明，细胞相位参量与糖度值表现出了明显的正相关性，且对局部糖度差异敏感。所提方法与高光谱成像检测结果具有良好的一致性。该相位检测表征方法操作简便，运算速度快，可为番茄糖度乃至其他果蔬的多种生理特性快速检测提供参考。
生物光学 番茄果实 糖度 品质检测 相位成像 相位参量
中国计量大学 光学与电子科技学院，杭州 310018
以柠檬酸和尿素为前驱体通过水热法制备得到绿色荧光碳点，通过透射电子显微镜、紫外可见吸收光谱、荧光光谱以及时间分辨荧光光谱对碳点进行表征和分析。碳点的粒径为6.5 nm，在252 nm、273 nm和410 nm处存在吸收峰，最佳激发和发射波长分别为400 nm和517 nm，根据已有研究推测碳点的荧光主要来源于4-羟基-1H-吡咯并［3，4-c］吡啶-1，3，6（2H，5H）-三酮。发现不同溶剂中的碳点具有不同的发光特性，包括荧光强度、发射峰位和荧光寿命，因此将碳点作为荧光探针检测质子溶剂乙醇和非质子溶剂二甲基甲酰胺中的水含量。实验结果表明随着水含量的增加，混合溶液中碳点的荧光强度下降，发射峰位红移，发射峰轻微加宽，荧光寿命缩短。碳点的荧光强度、发射峰位以及荧光寿命三者与水含量之间均存在线性响应关系，检测范围宽至0~100%。本方法同样适用于甲醇和乙二醇，具有普适性，该碳点有望成为快速灵敏检测有机溶剂中水含量的潜在探针。
碳点 荧光光谱 荧光寿命 含水量 有机溶剂 Carbon dots Fluorescence spectroscopy Fluorescence lifetime Water content Organic solvent 光子学报
2023, 52(12): 1216001
石家庄铁道大学材料科学与工程学院, 河北 石家庄 050043
采用超声波辅助激光熔化沉积法制备SiCp/AlSi30复合材料, 研究SiC质量分数对铝基复合材料相组成、微观组织及力学性能的影响规律。当SiC的质量分数小于10%时, 液态铝合金与SiC颗粒之间未发生界面反应, 陶瓷颗粒保持原始的形态。当SiC的质量分数达到15%时, 部分SiC颗粒与熔融的铝合金反应形成了针状的Al4SiC4。SiC增强相的加入促进了硅相的非均匀形核, 导致初生硅尺寸的细化。由于高硬度增强相的加入和晶粒细化的共同作用, 质量分数10%碳化硅颗粒增强AlSi30复合材料的力学性能得到提高, 其显微硬度与未增强的AlSi30合金相比提高了25.3%。此外, 质量分数10% SiCp/AlSi30的摩擦因数和磨损率与超声波辅助激光熔化沉积法制备的纯AlSi30合金相比分别降低了19%和25%, 复合材料磨损性能得到提高。
激光熔化沉积 铝基复合材料 超声振动 碳化硅质量分数 laser metal deposition aluminum matrix composite ultrasonic vibration silicon corbide content
1 中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北 石家庄 050061福建省水循环与生态地质过程重点实验室, 福建 厦门 361000
2 北华航天工业学院, 河北 廊坊 065000北京市农林科学院信息技术研究中心, 北京 100097河北省航天遥感信息处理与应用协同创新中心, 河北 廊坊 065000
3 廊坊师范学院, 河北 廊坊 065000
4 北华航天工业学院, 河北 廊坊 065000
5 北京市农林科学院信息技术研究中心, 北京 100097
受大田环境的影响, 田间采集的冬小麦冠层光谱内含有大量与目标信息无关的噪声, 这制约了高光谱数据对冬小麦植株信息的估测能力。 为制约噪声信息对光谱信息的影响, 探寻提升光谱对冬小麦植株水分供给信息估测能力的方法, 通过野外地面实验获取大田冬小麦高光谱数据及其叶片含水量信息, 采用离散小波算法处理分析高光谱数据, 结合相关性分析算法、 偏最小二乘算珐, 定量分析5类小波基对离散小波算法分离光谱信息的影响规律, 离散小波算法在分离可用光谱信息与噪声中的普适规律及小波基对信息分离的影响进行探讨, 从而为田间光谱数据的处理与分析提供理论与方法支撑。 结果表明: (1)与冬小麦含水量敏感的波段多分布于D1-D5尺度, 且敏感波段在各小波基内的分布区间相对一致, 但波段位置与相关强度均存在一定差异, 这表明小波基的选择能影响高频信息与冬小麦叶片含水量的相关强度与波段位置。 (2)可用的光谱信息与噪声信息均随分解尺度的增加而呈先升后降的规律, 噪声信息对高频信息估测能力的干扰强度随尺度的增加而降低, 高频信息对冬小麦叶片含水量的估测能力随尺度的增加而降低。 (3)模型的精度与稳定性是可用光谱信息与噪声信息综合作用的结果, 其中基于meyer小波基的D5尺度构建的估测模型为最优模型, 其建模精度的R2=0.625、 RMSE=1.562, 验证精度的R2=0.767、 RMSE=1.828。 本研究的结论可为基于离散小波算法的光谱处理与分析提供指导, 并为受噪声影响较重的光谱信息的处理与分析提供一定参考, 同时也可为我国西南、 南部等全年水汽含量较高区域内或北方夏季作物叶片含水量的检测提供基础支撑。
冬小麦 叶片含水量 离散小波 噪声信息 高光谱 Winter wheat Leaf water content Discrete wavelet Noise information Hyperspectral 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2902
1 广西大学机械工程学院, 广西 南宁 530004
2 广西大学农学院, 广西 南宁 530004广西大学广西甘蔗生物学重点实验室, 广西 南宁 530004
叶绿素含量是甘蔗在生长监测中非常重要的评估内容, 尤其是在甘蔗受到病害侵染的情况下, 准确估计叶绿素含量有利于病害的早期检测与防治, 在实际生产中具有重要意义。 为了构建花叶病胁迫下甘蔗叶片叶绿素含量估计模型, 于2021年7月到11月通过人工接种病菌, 使甘蔗叶片感染花叶病。 对这些感染了花叶病的叶片重复测量高光谱数据。 并通过化学方法测量叶片的叶绿素含量, 以此建立花叶病胁迫下的甘蔗叶片高光谱数据集。 首先使用Savitzky-Golay卷积平滑(SG)、 多元散射校正(MSC)、 变量标准化(SNV)、 一阶导数(1st D)、 二阶导数(2nd D)5种高光谱数据预处理方法建立偏最小二乘回归(PLSR)检测模型, 从而构建高光谱数据最优预处理模型。 利用最优预处理结果, 分别采用相关系数、 连续投影算法(SPA)和随机森林算法(RF)筛选特征波段。 将筛选出的波段分别和BP神经网络(BPNN)、 支持向量回归(SVR)、 K最邻近法(KNN)等机器学习模型结合建立叶绿素含量预测模型。 结果表明, 基于SG处理后建立的PLSR模型精度最高R2p=0.9952, RMSEp=0.235 3 mg·cm-2。 用RF筛选出的特征波段与BPNN学习模型结合的SG-RF-BPNN模型为花叶病胁迫下甘蔗叶片叶绿素含量的最优预测模型, R2p=0.996 4, RMSEp=0.205 8 mg·cm-2。 提出的基于高光谱信息的花叶病胁迫下的叶绿素含量预测模型具有较高的精度和预测能力, 可为大面积种植的甘蔗精准、 无损伤的病害胁迫检测提供科学依据。
甘蔗 花叶病胁迫 叶绿素含量预测 高光谱分析 特征波段提取 Sugarcane Mosaic disease: Chlorophyll content: Hyperspectral 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2885
1 江苏大学食品与生物工程学院, 江苏 镇江 212013 江苏省智能农业与农产品加工国际合作联合实验室, 江苏 镇江 212013
2 江苏大学食品与生物工程学院, 江苏 镇江 212013
3 江苏大学食品与生物工程学院, 江苏 镇江 212013 现代农业装备与技术教育部重点实验室(江苏大学), 江苏 镇江 212013
为实现柑橘可溶性固形物含量(SSC)快速无损检测, 基于可见/近红外技术开发了低功耗手持式柑橘可溶性固形物含量无损检测系统。 以宽谱LED光源结合特征窄带微型光谱仪为核心, 设计了手持式柑橘可溶性固形物含量无损检测终端。 开发了基于物联网技术的水果光谱仪云端数据系统, 该系统主要包括用户库、 设备库、 检测数据库和模型库, 通过通讯模块与手持式无损检测终端相连接, 可以实现光谱采集参数修改、 云端数据上传与下载、 云模型的调用等功能。 利用该检测系统获取的光谱数据, 建立一维卷积神经网络(1D-CNN)模型用于预测柑橘的可溶性固形物含量。 该网络包含输入层、 卷积层、 池化层、 全连接层和输出层等7层结构。 主机采集柑橘的光谱数据并建立1D-CNN柑橘可溶性固形物含量预测模型, 并用该模型与多种传统回归方法进行对比。 1D-CNN模型的预测相关系数和预测均方根误差分别为0.812, 0.488, 优于偏最小二乘法(PLS), 人工神经网络(ANN)和支持向量机(SVM)。 采用基于模型的迁移学习方法, 基于主机的1D-CNN模型对从机进行模型传递, 研究了从机标准样本数量对模型传递的影响。 发现使用少量从机光谱样本即可取得较好的效果, 从机预测集均方根误差为0.531。 研究结果表明, 研发的柑橘SSC云模型的手持式可见近红外无损检测系统具有检测快速、 低成本、 操作简便等优点, 基于该检测系统的1D-CNN网络可以有效提取柑橘光谱的有效特征并进行回归分析。 借助迁移学习算法, 可以实现1D-CNN模型在不同装置间的有效传递, 满足柑橘可溶性固形物含量无损检测的需求。 为手持式水果内部品质无损检测系统的开发与应用提供了借鉴和参考。
无损检测 柑橘 可见/近红外光谱 可溶性固形物含量 一维卷积神经网络 迁移学习 模型传递 Nondestructive detection Mandarin Visible/near infrared spectroscopy Soluble solid content One-dimensional convolutional neural network Transfer learning Model transfer 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2792
1 北京建筑大学测绘与城市空间信息学院, 北京 102616 建筑遗产精细重构与健康监测北京市重点实验室, 北京 102616
2 北京建筑大学测绘与城市空间信息学院, 北京 102616
壁画酥碱与盐霜主要由其所含的可溶性盐造成, 具有不可逆性, 严重影响壁画的健康状态, 利用非接触式的高光谱技术对壁画所含可溶性盐进行定量反演具有重要意义。 针对壁画盐分检测成本高、 时效低、 需要实地取样等问题, 提出一种基于高光谱盐分指数的壁画盐含量反演模型。 用黄沙土、 麦秸、 细麻与无水Na2SO4等在室内配制成不同盐含量梯度（盐土比例: 0～1%）的模拟壁画样本, 采用ASD-FieldSpec4HI-RES地物波谱仪进行光谱采集, 将断点校正与平均后的数据建立样本光谱集, 以7∶3的比例将样本集划分用于建模与预测。 对原始反射率（R）进行一阶微分（R＋1D）、 去包络线后一阶微分（CR＋1D）、 倒数的对数后一阶微分（LR＋1D）、 Savitzky-Golay平滑后一阶微分（SG＋1D）4种增强处理, 将原始反射率与增强处理后的光谱数据与盐浓度进行相关分析, 提取贡献度高的前三强相关波段。 用最强相关波段分别进行线性拟合与抛物线拟合建立单波段回归模型。 利用前三相关波段构造一种适用于壁画盐分的高光谱指数（MSI）, 并与归一化盐分指数（NDSI）、 三种盐分指数（SI1 SI2 SI3）、 亮度指数（BI）进行精度评估, 评价指标为决定系数（R2）、 均方根误差（RMSE）、 散点拟合线的斜率与截距。 结果表明: （1）随着盐浓度增加, 反射光谱曲线整体先降低后升高, 盐浓度在0.3%～0.6%范围内壁画样本的反射率最低。 （2）壁画中Na2SO4敏感波段对应为1 420、 1 940与2 210 nm, 在可见光范围也存在光谱响应。 （3）一阶导变换后光谱与盐浓度相关性最强, R2最高提升0.646。 （4）R-1D-MSI反演模型精度最高, R2C与RMSEC分别为0.857与0.116。 该研究可为壁画盐含量的快速、 无损检测提供新的技术手段。
壁画酥碱 高光谱 拟合回归 光谱指数 盐分含量 反演 Mural disruption Hyperspectral Fitted regression Spectral index Salt content Inversion 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3272
1 东北林业大学机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150040
2 东北林业大学机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150040信阳农林学院, 河南 信阳 464000
3 亚联机械股份有限公司, 吉林 敦化 133700
厚度为0.8 mm的超薄纤维板是目前纤维板品类中的试验创新产品, 树皮含量对其生产设备参数的设定以及静曲强度、 耐水性等质量指标影响较大, 精确测定超薄纤维板木纤维中树皮含量极为重要。 目前树皮含量的精确测定较为困难, 本试验通过高光谱近红外成像系统结合相关算法建立了纤维树皮含量检测模型, 创新了纤维树皮含量的检测方法。 利用高光谱成像仪分别测定了含有杨木树皮为0%、 3%、 5%、 7%、 10%、 12%、 15%、 20%、 25%、 30%和100%的杨木纤维样本的光谱图像。 分析了采用均值中心化（MC）、 多元散射校正（MSC）、 标准正态变量变换（SNV）以及一阶（1-Der）导数四种预处理的对比结果, 从而选择最优预处理方法为MSC。 对MSC预处理后的光谱数据采用SPA及CARS进行特征波长提取, 得到与树皮含量相关性最高的波段组合, 并与全波段模型进行对比分析, 建立偏最小二乘回归（PLSR）模型。 从实验数据可以看出: MC, MSC, SNV 和1-Der四种预处理建立的偏最小二乘回归（PLSR）模型预测性能存在差异, 其中全波段MSC-PLSR模型的性能最好, 其校正决定系数R2C为0.994, 预测决定系数R2P为0.985, 校正均方根误差RMSEC为0.831%, 预测均方根误差RMSEP为1.336%。 通过SPA和CARS分别提取了37个和49个特征波段, 其中CARS模型更好, 其R2C值为0.991, R2P值为0.979, RMSEC值为0.885%, RMSEP值为1.335%。 实验结果表明: 高光谱成像系统结合相应算法可以实现对纤维树皮含量的检测, 该研究结果为超薄纤维板生产中树皮含量的检测提供了技术支持和理论参考, 可以有效实现纤维中树皮含量的定量检测, 创新建立了一种能够测定纤维板树皮含量的模型方法。
超薄纤维板 树皮含量 高光谱 特征波长 Ultra-thin fiberboard Bark content Hyperspectral Characteristic wavelength 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3266
