1 武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079
2 深圳大学 自然资源部大湾区地理环境监测重点实验室，广东 深圳 518060
全波形激光雷达测距精度，又称测距重复精度或测距标准差，受激光器出光稳定性、激光脉宽、探测器响应时间抖动、电路噪声、波形形态、波形采样频率和波形处理算法等因素影响。理论分析了不同采样频率和不同脉宽对全波形激光雷达测距精度的影响，并采集不同的采样频率(1.25、2.5、5 GHz)和不同脉宽(1、2、3、···、10 ns)条件下的波形数据，经滤波、插值、波形提取等预处理后，利用线性高斯拟合、加权线性高斯拟合、迭代加权线性高斯拟合、期望最大化算法、和Levenberg Marquardt算法共5种算法计算测距值并统计测距精度。实验结果表明，EM算法获得的测距精度相比其他4种算法受到波形畸变的影响最小；加权线性高斯拟合算法获得的测距精度受采样频率变化的影响最小；相同波形幅值条件下，实际脉宽增加2.47倍，利用EM算法获得的测距精度从0.97 mm下降至1.18 mm，因此增加脉宽会降低测距精度；在光脉宽为4 ns的情况下，5 GHz采样频率数据在EM算法获得的测距精度分别为2.5 GHz、1.25 GHz采样频率数据的测距精度的1.71倍和3.07倍，而当2.5 GHz和1.25 GHz采样频率数据分别插值2倍和4倍至5 GHz后，仅为1.17倍和1.29倍，因此提高采样频率能够提高测距精度，而对低采样频率数据进行插值能够获得接近高采样频率数据的测距精度。
全波形激光雷达 采样频率 距离测量 高斯拟合算法 full-waveform LiDAR sampling frequency distance measurement Gauss fitting algorithm 红外与激光工程
2022, 51(4): 20210363
已有的椭圆拟合算法利用李萨如图形解决了非理想3×3耦合器带来的解调结果误差问题,但是当信号变弱时,所对应的李萨如图形将偏离椭圆,造成解调困难。针对相位变化量极小的弱信号,基于同一系统中李萨如图形唯一的特点,提出利用参考信号确定椭圆参数并精准实现弱信号解调的改进椭圆拟合算法。实验结果显示,相较于常规椭圆拟合算法,改进的算法可以准确地解调弱振动信号,使探测分辨率提高400倍,且解调的相位与应变存在良好的线性关系。研究结果表明改进的算法可以很好地解决常规椭圆拟合算法无法解调弱信号的问题,提高了系统的测量分辨率。
测量 相位解调 非理想3×3耦合器; 椭圆拟合算法 弱信号探测 振动传感 光学学报
2021, 41(24): 2412001
1 中国海洋大学信息科学与工程学院, 海洋遥感研究所, 山东 青岛 266100
2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室, 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室, 山东 青岛 266237
3 青岛镭测创芯科技有限公司, 山东 青岛 266101
当气流经过风电机组的扫风平面时, 风电机组下风处产生的尾流效应会对风电机组的发电效率、疲劳载荷产生不同程度的影响。基于相干多普勒测风激光雷达在江苏某海上风电场开展了全天候风场观测实验。由于紧邻风电机组的尾流垂直截面上风速呈双高斯分布规律, 利用传统单高斯拟合算法存在计算误差较大, 无法反映真实流场风速变化规律, 提出了一种单-双高斯模型拟合改进算法, 分析了目标风电机组尾流的尾流宽度、风速损失率和尾流长度等参数特征, 研究结果验证了单-双高斯拟合算法对尾流横向风速拟合的可行性和准确性。
多普勒测风激光雷达 风电机组 尾流效应 高斯模型拟合算法 Doppler wind lidar wind turbine wake effect Gaussian model fitting algorithm
1 兰州交通大学测绘与地理信息学院, 甘肃 兰州 730070
2 自然资源部国土卫星遥感应用中心, 北京 100048
3 地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心, 甘肃 兰州 730070
4 甘肃省地理国情监测工程实验室, 甘肃 兰州 730070
激光足印光斑质心的精确提取,对于提升国产卫星激光测高平面精度具有重要的实际意义。本文比较了灰度重心法、高斯拟合法和椭圆拟合法三种传统光斑质心提取算法,综合分析后提出了一种利用高斯拟合法和Canny边缘检测设置灰度阈值和距离阈值,并最终使用灰度重心法进行光斑质心提取的算法。对100组仿真光斑进行测试后的结果表明,本文算法提取的质心偏移量的标准差小于0.05 pixel,精度较其他三种算法高。使用本文提出的算法对高分七号卫星获取的某一段连续激光数据进行光斑质心提取,结果显示,高分七号卫星两束激光足印光斑在地面抖动的范围均在0.55 cm以内。本文算法和结论可为后续高分七号卫星激光测高数据的使用和研究提供一定参考。
遥感 传感器 质心提取 高斯拟合法 灰度重心法 高分七号卫星激光足印光斑 光学学报
2021, 41(10): 1012001
表面等离子体共振(SPR)传感技术因其灵敏度高、 无需标记、 可原位实时监测的特点, 被广泛应用在生物医学、 化学检测、 食品安全、 环境监测等领域。 对于波长调制型SPR传感器, 由于光谱测量系统各部件对不同波长响应度不同, 从而对光谱共振波长的实际位置产生干扰, 影响到实验检测结果。 为消除这种影响, 提出了一种基于辐射度空间的SPR相对反射率校正方法, 并使用阶数自适应拟合算法对共振波长进行精确测定。 通过标定光谱测量系统的仪器响应曲线, 将光谱仪得到的原始光谱转换成辐射光谱, 进而计算出不依赖于光谱仪系统中任何部件的SPR相对反射率。 相比于传统的反射率校正方式(以共振光谱除以非共振光谱的结果作为反射率光谱), 此方法校正后的光谱在光谱形状上具备半峰宽更窄和共振峰更对称的优势, 从而为精确确定共振波长提供了可靠的保障。 随后基于拟合误差最小化的目标, 对共振区域采用阶数自适应多项式拟合算法确定共振波长。 实验测量了不同入射角度下的SPR共振光谱, 使用此方法校正得到反射率光谱的半峰全宽保持在(100±10) nm, 表明此方法的光谱峰形优势具备普适性; 连续采集了4 000组光谱并计算共振波长, 其相对标准偏差为0.007 8%, 处理速度为每个光谱12 ms, 表明此方法具备良好的抗噪声波动鲁棒性和光谱数据处理的实时性; 测量了不同浓度下NaCl溶液的SPR共振光谱, 其共振波长与溶液折射率线性相关系数为0.998 5, 品质因数为传统校正方式的3倍, 表明此方法具备良好的可靠性, 并且从光谱的处理算法层面提高了传感性能, 相比于从工艺制备上提高品质因数的传统方式, 处理简便, 效果更突出。 结果表明, 基于辐射度空间的相对反射率矫正与阶数自适应拟合相结合的SPR共振波长检测方法具备可靠性好、 运算速度快、 分辨率高、 抗噪声、 品质因数高等特点, 能够有效提高SPR传感器的数据处理与传感性能。
SPR传感 基于辐射度的光谱校正 自适应拟合 共振波长 SPR sensing Radiation-based spectral correction Self-adaptive fitting algorithm Resonance wavelength determination
北京航天易联科技发展有限公司, 北京 100176
气体浓度检测一直是十分重要的工作, 它与人类生活、 环境变化和工业生产都息息相关, 尤其是有毒有害气体的检测。 随着光谱学的大力发展, 可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)已被广泛应用于工业生产、 环保监测、 气象探空等领域, 它具有灵敏度高、 响应速度快、 实时监测以及优秀的便携性等优点, 成为了气体检测的重要技术之一。 众所周知, 传感器在出厂前需要标定, 标定的好坏关系到传感器的测量精度, 影响传感器的实际测量。 对基于TDLAS技术的直接光谱标定算法进行了研究, 推导了适用于大量程范围下的气体浓度与透射率对数的关系并进行了简化处理, 提出了1/c拟合标定算法, 它是用气体浓度倒数与透射率对数倒数的关系来进行拟合标定的算法, 再通过拟合标定曲线反推气体浓度与透射率对数的关系。 搭建了TDLAS水汽检测平台, 以Vaisala HMT377在线湿度检测仪的水汽浓度值为标准值, 对0.7%~50%VOL的水汽浓度进行了标定, 比较了直接拟合算法和1/c拟合算法的结果和相对误差。 实验结果表明: 采用直接拟合算法对气体浓度与透射率对数曲线拟合, 一次函数、 二次函数和五次函数拟合相关系数为0.946 8, 0.996 7和0.999 9, 均方根误差为0.031 2, 0.007 8和0.001 6, 最大相对误差超过100%, 存在严重误差; 采用1/c拟合标定算法, 气体浓度倒数与透射率对数倒数的拟合曲线呈一次函数线型, 与理论相符, 相关系数为0.999 6, 均方根误差为0.490 1, 对拟合曲线进行反推得到气体浓度与透射率对数拟合曲线, 其相关系数为0.999 9, 均方根误差为0.0015, 整个浓度范围内最大相对误差不超过4%, 说明1/c拟合算法的有效性, 提高了测量精度, 扩大了标定量程范围。
大量程 标定 拟合算法 TDLAS Large range Calibration Fitting algorithm TDLAS 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3665
1 北京工商大学计算机与信息工程学院, 北京 102488
2 中国计量科学研究院, 北京 100029
针对光腔衰荡光谱(CRDS)的吸收光谱曲线,利用MATLAB工具软件和最小二乘算法对常用的6种气体吸收光谱拟合算法(VP、GP、AVP、AGP、SDVP、SDAVP算法)进行编程,并设计了参数设置、拟合结果显示等界面化窗口;通过CRDS采集已知浓度CO2气体的吸收光谱;采用6种算法对吸收光谱进行拟合实验,比较6种不同线型算法的拟合误差。拟合结果显示:拟合曲线和测量点几乎完全重合;AVP算法拟合的平均残差最大,为3.1748×10 -3, GP及AGP算法的平均残差最小,为1.3212×10 -3,由此验证了6种线型算法在气体吸收光谱曲线拟合中的可行性;AVP算法的运算时间最短,为1.7516 s,SDAVP的运算时间最长,为389.682 s,GP算法的运算时间小于AGP算法。综合考虑残差与运算时间后认为,GP算法最适用于CRDS光谱线型的拟合。
光谱学 气体光谱 吸收线型 拟合算法 光腔衰荡光谱法 激光与光电子学进展
2019, 56(19): 193004
1 中国科学院光电研究院, 北京 100094
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
腔衰荡光谱技术(CRDS)作为一种具有高灵敏度高光谱分辨率的检测方法已被广泛用于痕量气体检测。 而目前基于CRDS痕量气体检测多针对单一气体进行测量或通过多个激光器产生的多光束进行多种组分气体浓度测量。 利用DFB激光器波长可调谐特性, 通过强弱吸收峰结合, 使用单光束实现了多种温室气体的腔衰荡光谱技术同步检测。 由于大气中水汽和二氧化碳浓度较高, 为实现同一衰荡系统对三种温室气体的同步测量, 在平衡吸收损耗的基础上, 选取1 653~1 654 nm内甲烷的强吸收峰与水汽、 二氧化碳的弱吸收峰进行测量。 通过光谱叠加反演矩阵, 分别得到甲烷、 水汽、 二氧化碳的浓度。 在计算测量灵敏度过程中发现, 通过去除衰荡过程初期的部分数据点(过滤区间), 会对噪声等效吸收系数产生影响。 多数情况下, 在测量灵敏度计算方面, 列文伯格-马夸尔特算法(L-M)会优于离散傅里叶变换法(DFT); 但当衰荡曲线的单指数性下降时, 上述结论不一定成立。 搭建了一个低精细度(F≈6×103)衰荡腔对上述结论进行了实验验证。 相较于用于测量温室气体浓度的高精细度衰荡腔(F≈1×105), 低精细度衰荡腔的衰荡速率较快, 衰荡曲线的单指数性明显低于高精细度衰荡腔。 实验表明, 在过滤区间长度较短时, 采用DFT算法计算得到的噪声等效吸收系数会小于L-M算法得到的结果。 当过滤区间长度增加时, L-M算法得到的结果优于DFT算法。 在受过滤区间长度影响方面, DFT算法的波动性要明显小于L-M算法。 根据Allan方差分析, 在512次采样平均(约8 s)下的最小噪声等效吸收系数进行计算, 该CRDS装置测量灵敏度为2.4×10-10 cm-1。 在25 ℃标准大气压下, 对应甲烷、 水汽、 二氧化碳的测量灵敏度分别为0.64 ppbv, 3.5 ppmv和4.0 ppmv。 基于该CRDS装置, 通过单光束多波长测量方法, 利用光谱叠加反演矩阵, 测得大气中甲烷、 水汽、 二氧化碳浓度分别为2.018, 3 654和526 ppmv; 而采用经典CRDS单波长测量得到的甲烷、 水汽、 二氧化碳浓度分别为2.037, 3 898和630 ppmv。 通过与温控调节波长, 逐点扫描得到的光谱吸收曲线进行对比, 采用多波长测量得到气体浓度进行复合拟合的光谱曲线残差小于单波长测量得到气体浓度进行简单拟合的光谱曲线残差。
腔衰荡光谱技术 温室气体 痕气检测 拟合算法 Cavity ring down spectroscopy Greenhouse gas Trace gas detection Fitting algorithm 光谱学与光谱分析
2019, 39(7): 2046
1 西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
2 陕西省组合与智能导航重点实验室, 陕西 西安 710068
建立了一种短腔长复合式光纤法布里-珀罗压力传感器反射光谱的模型,提出了一种双参数椭圆拟合腔长解调算法,并对腔长为26~30 μm的复合式法布里-珀罗腔的解调进行了仿真。结果表明,采用双参数椭圆拟合算法进行腔长解调的最大误差仅为0.05 μm。搭建了光纤法布里-珀罗传感器解调系统,在加压条件下对复合式光纤法布里-珀罗压力传感器进行了解调实验,实现了20 kHz的解调速率,验证了所提算法在解调短腔长复合式光纤法布里-珀罗压力传感器方面的可行性与实时性。
光纤光学 光纤传感器 复合腔 反射光谱 6个参数的椭圆拟合算法 双参数椭圆拟合算法
