1 西北农林科技大学， 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室， 陕西 杨凌 712100
2 贵州大学生命科学学院， 贵州 贵阳 550025
3 西北农林科技大学草业与草原学院， 陕西 杨凌 712100
4 绍妍
5 西北农林科技大学， 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室， 陕西 杨凌 712100中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100
探讨草地群落光谱特征与养分含量的关系， 可为采用高光谱技术诊断草地群落营养状况， 对推进快速无损检测技术应用于草地施肥管理具有重要意义。 以黄土丘陵区典型草地群落， 白羊草（Bothriochloa ischaemum）群落为研究对象， 设置4个氮添加（0、 25、 50和100 kg N·ha-1·yr-1）和4个磷添加(0、 20、 40和80 kg P2O5·ha-1·yr-1)处理。 基于群落冠层光谱和群落氮磷养分含量测定， 结合红边区域内一阶导数处理， 在植被指数、 特征波段和红边参数组成的18个光谱特征参数中， 采用逐步回归方法（SWR）筛选出对白羊草群落氮磷含量及氮磷比敏感的光谱特征参数， 并建立反演模型对草地群落地上部分全氮含量和地上部分全磷含量及其比值进行估测。 结果表明: 白羊草群落氮磷含量随施氮量增加而增加， 氮磷比随施磷量增加而减少; 氮磷添加下光谱反射率在可见光波段与施肥量成反比， 近红外波段与施肥量成正比， 红边区域内一阶导数的“双峰现象”受氮磷添加影响显著; 一些对草地群落氮磷含量较敏感的光谱特征对氮磷含量及氮磷比估测起重要作用， 其中三波段光谱指数(TBSI), R910和红边幅值(AMP)对氮含量的估测模型有极大贡献（R2=0.87, F=18.8***）， 而磷含量估测中差值植被指数(DVI), 修正红边简比率指数(mSR705), R430, R660和AMP对模型贡献明显（R2=0.91, F=20.51***）， Slope725对氮磷比的估测模型贡献最大（R2=0.54, F=5.14***）。 该研究运用高光谱技术实现对白羊草群落养分含量的快速精准估测， 在氮磷含量及其比值与光谱特征参数存在显著相关性的基础上， 成功筛选出建立模型精度最高的参数组合， 为大面积监测氮磷添加后草地养分含量方法和参数选择奠定了基础。
一阶导数 红边参数 植被指数 逐步回归 氮磷添加 First derivative Red edge parameters Vegetation index Stepwise regression N and P addition 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1612
东北师范大学量子科学中心 吉林 长春 130024
量子Fisher信息作为精密测量领域中的重要概念, 其倒数给出被测参数可达精度的上限。本文利用右对数导数给出开放量子系统量子Fisher信息流的表达式, 并将其应用于与非马尔可夫环境相互作用的二能级系统, 讨论了利用右对数导数给出的量子Fisher信息流的正负性与非马尔可夫过程之间的关系。此外, 系统在演化的过程中, 量子Fisher信息流存在奇异性, 该奇异性与量子Fisher信息的奇异性同时出现, 它们均来源于密度矩阵某一趋于零的本征值。
参数估计 量子Fisher信息 右对数导数 开放量子系统 非马尔可夫 parameter estimation quantum Fisher information flow right logarithmic derivative open quantum system non-Markovian 量子光学学报
2023, 29(1): 010301
山西中医药大学中药与食品工程学院, 山西 晋中 030619
分析远志不同生长年份特征化学成分的药效物质累积规律。 采用傅里叶变换红外光谱法对山西汾阳、 新绛12批不同生长年份的远志药材进行红外光谱扫描分析, 建立远志的红外指纹图谱, 并进行共有峰率和变异峰率双指标序列分析。 远志药材特征吸收峰在3 130, 2 920, 1 650, 1 540, 1 400, 1 260和1 050 cm-1存在明显的共有峰, 醇提物特征吸收峰位于3 150~3 000, 2 950~2 920, 2 850, 1 740~1 710, 1 670~1 630, 1 540~1 520, 1 450~1 400, 1 100~1 050, 990和530 cm-1范围内； 远志吸收峰数目随年限增长呈增加趋势, 同一年份远志药材在3 380, 1 315, 1 060和990 cm-1附近, 醇提物在3 360和1 315 cm-1附近吸收峰的数目、 形状和强度存在差异, 秋采远志在此范围内无特征吸收。 药效物质累积量: 汾阳产远志、 新绛产远志在春季采收药效物质累积量较大； 远志有效成分: 前者细叶远志皂苷、 3,6’-二芥子酰基蔗糖、 远志口山酮Ⅲ药效物质累积量随远志生长年限的增长累积增加； 后者3,6’-二芥子酰基蔗糖的累积量呈先上升后下降的趋势, 远志口山酮Ⅲ和部分皂苷类物质随生长年限的延长呈下降趋势。 远志药材共有峰率在66.7%~100%, 变异峰率在0~63.6%, 醇提物共有峰率在66.7%~94.7%, 变异峰率在0~30.0%； 同一年限远志样品共有峰率较高, 春采之间、 秋采之间共有峰率较高； 同一产地远志共有峰率较高, 药效物质累积量随年限增长较为相似, 无明显差异； 其中变异峰率最高的药材序列是(春采)S-2-3: S-2-5(秋采)为63.6%, 二者为不同年限不同季节采收, 药效物质累积量相差较大。 基于红外光谱法和二阶导数结合双指标序列分析法可以分析探究远志不同生长年份有效化学成分的特征峰变化规律和药效物质累积规律, 为远志的种植采收时间、 质量控制和评价提供参考。
远志 红外光谱 二阶导数 双指标序列分析 药效物质累积 Polygala Infrared spectrum Second derivative Dual-index sequence analysis Accumulation of active substances 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1103
红外与激光工程
2022, 51(12): 20220156
内蒙古科技大学材料与冶金学院, 白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室, 内蒙古 包头 014010
高能球磨法是材料制备过程中常用的方法, 通过物料在高速运转的过程中进行磨合而产生晶体空位缺陷, 实现元素的掺杂, 进而发生化学吸附或化学反应, 合成产生新的物相, 对于后续合成材料的性能有很大影响。 钡铁氧体具有良好的磁性能, 被用于功能材料制备的诸多领域。 采用高能球磨法制备钡铁氧体前驱体, 利用XRD, SEM和FTIR检测方法考察不同高能球磨时间下钡铁氧体前驱体物相、 微观形貌及官能团的变化规律, 并通过红外二阶导数光谱、 拟合平滑光谱计算法, 定量分析高能球磨过程中物相的变化规律。 XRD及SEM检测结果表明, 随球磨时间增加, 钡铁氧体前驱体各物相的衍射峰宽度变宽, 粉末细化, 晶格逐渐发生畸变, 产生晶体空位缺陷, 从而使Ba溶入Fe2O3晶格中生成BaxFe2-xO3的固溶体, 且产生吸附“团聚”现象; 当球磨时间大于40 h时, 发生“纳米尺寸效应”, 生成有磁性的Fe3O4及BaxFe3-xO4固溶体。 红外光谱分析结果显示, 随着球磨时间的增加, BaCO3和α-Fe2O3的特征峰均存在峰强减小、 峰位发生明显移动的规律, 表明随着球磨时间增加, BaCO3和α-Fe2O3颗粒粒度变小, 且发生化学吸附。 通过红外光谱的平滑拟合光谱和二阶导数光谱计算可知, 随球磨时间的增加, 各吸收峰面积均明显减小。 相对于球磨0 h, 在球磨10, 20和40 h后, 波数473 cm-1的Fe—O键振动吸收峰的峰面积分别减少48.84%, 65.97%和93.54%; 而在波数540 cm-1处的Fe—O键吸收峰的峰面积则分别减少37.11%, 51.76%和82.85%; 同理, 在波数856 cm-1处的O—C—O键的面内弯曲振动吸收峰的峰面积分别减少30.62%, 44.71%和67.10%; 在波数1 446 cm-1处的C—O键不对称伸缩振动峰的峰面积则分别减少0.03%, 27.63%和57.90%。 从定量分析的角度考察了钡铁氧体前驱体高能球磨过程中物相的变化规律并精准确定反应产物含量变化的百分比, 对于后续材料的合成与性能随钡铁氧体前驱体物相不同而发生变化的研究有重要的指导意义。
钡铁氧体前驱体 高能球磨 光谱拟合 二阶导数光谱 Barium ferrite precursors High energy ball milling Spectral fitting Second derivative spectrum 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1634
从信号处理角度考察 Lubich系数，分析了 Lubich系数的频域特性。设计了一种基于快速傅里叶逆变换(IFFT)的 Lubich系数的快速算法。IFFT算法直接求解的 Lubich系数不准确，在甚低阶运算时频域存在吉布斯效应，新算法利用零频赋值可有效减弱该效应。数值仿真结果表明，与 Lubich准确系数相比，在一定真分数运算阶范围内，新算法求得的 Lubich近似系数构建数字分数微分器有更好的效果，且新算法计算复杂度低，运算效率高。
分数阶导数 滤波函数 高阶逼近 频域特性 计算复杂度 fractional derivative filter function high-order approximation frequency characteristics computational complexity 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(6): 608
北京市园林科学研究院, 园林绿地生态功能评价与调控技术北京市重点实验室, 北京 100102
北京持续推进增彩延绿科技示范工程, 彩叶植物在城市园林建设和人居环境改善方面发挥着越来越重要的作用。 如果能够利用高光谱技术实现快速、 无损地观测城市彩叶植物区域分布特点及其生长特征变化, 可为进一步优化城市彩叶植物布局, 加快城市彩叶植物系统建设提供重要理论依据和数据支撑。 高光谱遥感技术的快速发展, 不仅提供了大量地被植物光谱信息, 而且也提高了光谱分辨率及其响应范围。 植物光谱具有一系列特征吸收谱带, 能够指示不同树种间的差异, 是高光谱进行树种识别的基础。 以北京城市常见不同色系彩叶植物15种为研究对象, 运用SR-3501便携式地物光谱仪分析了不同色系植物叶片秋季高光谱反射曲线特征; 通过对原始光谱数据进行微分变换和特征参数提取, 进一步研究了不同色系植物反射特征波段及特征参数差异性和变化规律。 结果表明: 大叶黄杨具备典型绿色植被光谱曲线特征, 即呈“峰”和“谷”的变化特征, 紫色系植物表现为同绿色系植物近似的光谱反射特征, 红色系植物与黄色系植物光谱反射特征相似; 从光谱吸收特征参数角度分析, 不同色系植物绿峰/红峰位置表现为红色系植物>紫色系植物>黄色系植物>绿色系植物, 而绿峰/红峰反射率、 红谷位置和红谷反射率均表现为黄色系植物>红色系植物>紫色系植物>绿色系植物; 不同色系植物叶片光谱三边特征参数具有一定的规律性, 三边参数可以作为区分不同彩色叶植物与绿色系植物的特征参数, 其中红边幅值与红边面积、 黄边幅值与黄边面积、 蓝边幅值与蓝边面积可分别作为紫色系植物、 红色系植物与黄色系植物区别于其他色系植物的重要光谱特征参数。
彩叶植物 高光谱特征 一阶导数 吸收特征参数 三边特征参数 Colorful plants Hyperspectral characteristic First derivative Absorption characteristic parameters Trilateral characteristic parameters 
1 中国农业大学工学院, 北京 100083
2 山东农业工程学院, 山东 济南 250100
高丹草中粗蛋白质以及碳水化合物的含量丰富, 适合青贮处理。 优质的高丹草种子是发展畜牧业十分重要的前提, 发芽率是检验种子质量最常规的指标之一, 播前种子发芽率检测与筛选十分必要。 现阶段采用发芽试验法进行种子发芽率的检测, 周期长、 成本高。 基于此, 提出利用近红外光谱对高丹草种子进行发芽率的快速、 无损检测。 选择适量的高丹草种子样品, 采集近红外漫反射光谱, 进行一阶导和二阶导预处理以及对比分析$R^{2}_{c},R^{2}_{p}$, RESEC和RMSEP。 采用支持向量机(SVM)建模, 使用MATLAB中调用的LIBSVM软件包来实现SVM训练和检测过程, 以检测不同发芽率的高丹草种子。 对来自不同省份的100组高丹草种子先剔除种子内的杂物、 破损以及不能满足试验条件的种子后, 用人工气候培养箱进行种子发芽试验, 获得100组种子样本的发芽率, 其发芽率分布在41%~64%的范围。 采用美国Unity Scientific 2600XT近红外光谱仪对样本进行光谱扫描。 随机分成校正集70份和检验集30份。 分别采用一阶导和二阶导进行了高丹草种子光谱的预处理, 将预处理之后的数据采用支持向量机的方法建模, 并对其参数进行了分析和讨论。 结果表明, 近红外光谱预测模型训练集相关系数($R^{2}_{c}$)和测试集相关系数($R^{2}_{p}$)分别为0.94和0.92, 校正均方根误差(RMSEC)、 预测均方根误差(RMSEP)分别为0.21和0.25, 两个产地的高丹草种子数据采用一阶导预处理时模型最优。 支持向量机的方法建模采用Rbf核函数, 当支持向量机惩罚因子c=2 896.309 4和核函数g=0.5时, 测试集种子发芽率的检测准确率为96.666 7%(29/30)。 该模型预测种子发芽率是可行的, 可以作为初步检测高丹草种子发芽率快速无损检测的手段之一, 能够有效的促进种子生产。
近红外光谱 高丹草种子 发芽率 导数法 支持向量机 Near infrared spectroscopy Sorghum-sudan grass seed Germination rate Derivative method Support vector machine
1 湖南警察学院刑事科学技术系，湖南 长沙 410138
2 湖南省长沙市公安局岳麓分局物证鉴定室，湖南 长沙 410006
镇静类药物的无损快速检验分析在法庭科学理化检验中具有重要意义。为了实现对苯二氮卓类镇静药物种类的准确区分，本实验室对8类共计81份样本进行了检验；借助衰减全反射-表面增强红外光谱（ATR-SEIRAS）分析技术获取各样本的光谱数据，基于原始光谱数据集、一阶导数光谱数据集、光谱融合数据集分别构建Fisher判别分析（FDA）和多层感知器神经网络（MLPNN）分类模型。结果表明：不同样本的理化信息存在一定差异，ATR-SEIRAS谱图可以将这些差异反映出来，从而为实现不同苯二氮卓类镇静药物的有效分类奠定基础；基于光谱融合数据集构建的FDA模型的识别准确率最高，为100%，基于一阶导数光谱数据集和原始光谱数据集构建的FDA模型的识别准确率分别为96.3%和92.6%；基于上述三种数据集构建的MLPNN模型的识别准确率分别为97.5%、96.3%和88.9%。ATR-SEIRAS分析技术结合Fisher判别分析和多层感知器神经网络可以实现8类苯二氮卓类镇静药物的无损准确识别。
光谱学 光谱融合 导数光谱 苯二氮卓类镇静药物 无损分类 激光与光电子学进展
2022, 59(2): 0230001
内蒙古科技大学, 内蒙古自治区白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室, 内蒙古 包头 014010
目前浮选提高重晶石品位的方法通常采用新型浮选药剂从低品位重晶石矿中进行分选, 采用微波加热预处理矿物可提高浮选回收率, 但微波对浮选药剂与矿物的作用机理还不清楚。 微波加热技术近年来用于矿物加工、 冶金与材料制备等领域, 具有反应速度快、 产品指标高等优点。 以油酸钠为捕收剂, 对微波预处理后的重晶石纯矿物进行浮选, 并对不同微波作用时间下的重晶石浮选样品进行红外光谱检测, 通过红外拟合平滑光谱和二阶导数光谱计算分析, 研究微波对重晶石浮选的影响机理。 浮选试验结果表明, 未经微波预处理的重晶石, 在油酸钠用量为55 mg·L-1、 pH值为8.0的条件下, 浮选指标最佳, 回收率为91.41%; 而对比之下, 经微波作用后的重晶石进行浮选, 随着微波处理时间的增加浮选指标逐渐提高, 且在微波作用60s时的回收率最高, 达95.27%。 基于浮选试验的红外光谱分析表明, 重晶石未经微波预处理进行浮选, 与油酸钠作用, 在波数为3 004 cm-1处—CH2—的对称伸缩振动峰、 2 953 cm-1处—CH3的反对称伸缩振动峰、 1 119和1 077 cm-1处$SO^{2}_{4}$的非对称伸缩振动峰均发生了红移, 说明油酸钠在重晶石表面发生化学吸附; 而经微波预处理后的重晶石浮选时, 在波数为2 853 cm-1处—CH2—对称伸缩振动峰、 2 923 cm-1处—CH2—反对称伸缩振动峰、 2 958 cm-1处—CH3反对称伸缩振动峰、 1 181, 1 122和1 086 cm-1处$SO^{2}_{4}$非对称伸缩振动峰、 982 cm-1处$SO^{2}_{4}$对称伸缩振动峰、 635和610 cm-1处$SO^{2}_{4}$弯曲振动峰, 其峰位并未发生红移, 但峰强随着微波作用时间的增加明显加强, 且微波作用60 s时其峰强增加最明显; 对微波处理后的红外光谱进行拟合平滑光谱和二阶导数光谱计算发现, 在波数为2 958, 2 923, 2 853, 1 181, 1 122, 1 086, 982, 635和610 cm-1处峰面积均有不同程度的增加, 且在微波作用60s时峰面积分别增加了1.84%, 259.12%, 761.15%, 235.72%, 145.61%, 198.50%, 641.16%, 549.67%和744.97%, 表明微波预处理并未诱发重晶石表面发生化学反应, 但强化了捕收剂油酸钠与重晶石矿之间的化学吸附, 使其与重晶石表面的化学吸附更加致密, 吸附量增加, 因此重晶石回收率增加, 浮选指标提高。
傅里叶变换红外光谱 微波 重晶石 拟合平滑光谱 二阶导数光谱 FTIR Microwave Barite Fit smooth spectrum Second derivative spectrum 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3083
