1 中国地质大学 机械与电子信息学院，武汉 430074
2 中国信息通信科技集团有限公司 光纤通信技术和网络全国重点实验室，武汉 430074
【目的】高速无源光接入网络中存在光纤色散、非线性损伤和带宽限制等问题，导致传统强度调制和直接检测技术的功率预算损失较高，难以满足高速无源光接入网络的要求。
【方法】为了更好地提升强度调制和直接检测光接入系统的速率和性能，文章在Volterra判决反馈均衡器（VDFE）的基础上，研究了基于递推最小二乘估计（RLS）算法的VDFE-RLS信道均衡方法。该均衡器采用RLS算法对其中的抽头系数进行更新。该均衡器包含了一、二、三阶Volterra级数，其中一阶Volterra级数对线性损伤进行补偿，二阶和三阶Volterra级数能够对非线性损伤进行补偿。文章将该均衡器应用于经过20 km传输后的单波长为200 Gbit/s的O波段强度调制和直接检测技术的下行光接入系统中。
【结果】实验结果表明，RLS算法相比传统的最小均方（LMS）算法在均衡器中表现出来的性能更好。此外，VDFE-RLS可以实现>29 dB的功率预算。VDFE-RLS相比于传统的基于Volterra的前馈均衡器（VFFE），当VDFE-RLS和VFFE-RLS均衡器长度相同时，可以实现2.2 dB功率预算的提升。当VDFE-RLS的均衡器长度为VFFE-RLS的一半时，前者相比后者仍可以提升0.5 dB的功率预算。
【结论】文章所述系统相比其他传统系统在能够缩短均衡器长度的同时，能提高系统的功率预算，还能最终恢复出准确度较高的信号。
Volterra判决反馈均衡器 递推最小二乘估计 Volterra级数 自适应滤波算法 VDFE RLS Volterra series adaptive filtering algorithms 光通信研究
2024, 50(1): 23013601
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
1 中国科学技术大学国家同步辐射实验室，安徽 合肥 230029
2 武汉大学测绘学院，湖北 武汉 430079
3 深圳综合粒子设施研究院，广东 深圳 518107
激光跟踪仪的转站误差直接影响数据质量。最小二乘（LS）方法只考虑观测向量误差，加权总体最小二乘（WTLS）方法忽略转站模型的特点，两种算法均存在一些不足。针对激光跟踪仪坐标转换模型的特点，提出了结构约束总体最小二乘（SCTLS）方法。该方法能够顾及坐标观测值的相关性，提取误差矩阵的特殊结构，从而保证相同元素的改正数是一致的。同时对待估参数附加限制条件，保证旋转矩阵具有正交性。使用拉格朗日乘数法严密推导算法的求解步骤，给出了精度评定的公式。仿真结果显示SCTLS法的估计参数偏差小于WTLS法，准确性更高；采用合肥光源控制网中的实测数据计算，验证SCTLS法的精度更高。与LS和WTLS算法相比，所提算法更加严密，能够有效减小转站中的误差积累。
测量 激光跟踪仪 结构约束总体最小二乘 迭代算法 转站精度
1 东华理工大学 江西省核地学数据科学与系统工程技术研究中心南昌 330013
2 东华理工大学 核科学与工程学院南昌 330013
为解决嫦娥二号γ射线谱仪（Chang'E-2 gamma-ray spectrometer，CE2-GRS）数据中氢（H）特征γ射线（2H@2.223 MeV）微弱信息提取困难的问题，提出了衰变分支比剥谱与非线性最小二乘拟合高斯函数结合的方法，并基于全月幅铝（Al）丰度的研究结果，构建了剥离Al-H合峰中Al计数的特征函数，实现了对2.1~2.5 MeV能窗内干扰核素（214Bi@2.204 MeV、27Al@2.210 MeV、49Ca@2.371 MeV）的特征γ射线的剥离，最终获取了全月幅氢元素特征γ射线的3 s计数空间分布。对全月14个典型月海地区内氢元素特征γ射线计数进行分析，结果表明：月球背面的艾肯盆地、智海与月球正面的雨海、风暴洋表现出高值特征，其计数达到平均值的2.6倍。将月表氢元素分布特征与月球勘探者（Lunar Prospector，LP）超热中子数据对比发现：二者在月球正面的雨海、风暴洋地区以及月球背面艾肯盆地的分布特征呈高度负相关。月表氢元素分布特征进一步预测了智海、雨海、风暴洋区域可能大量存在结构水，实现了对轨道γ能谱数据的深入挖掘和科学应用。
CE2-GRS 衰变分支比 非线性最小二乘拟合 氢元素分布 CE2-GRS Decay branching ratio Nonlinear least-square fitting Distribution of hydrogen
云南师范大学物理与电子信息学院, 云南 昆明 650500
阴影形状、偏转测量和光度立体法等多种手段都能得到场景的法线场, 需要进一步重建才能获得高度场, 因此由法线场重建场景的深度信息值得研究。提出一种由离散法向量恢复高度场函数的方法。首先, 基于离散几何的原理, 逐行估计场景的行高度值; 然后计算少量列高度; 最后根据列高度值, 逐行调整各行的高度平均值, 得出整个场景的高度分布, 其中在估计行高度值与列高度值的过程都运用了最小二乘法。该方法由于减少了优化的数据量, 不需要大型的矩阵运算和运算内存, 并且对于物体表面连续并且光滑的曲面会有较好的效果。实验表明, 该方法对曲面连续突变较少的场景的深度恢复较好, 但对于突变较多的场景, 所恢复出的高度会有横条纹。
法线图 高度图 表面重建 最小二乘 深度恢复 normal map height map surface reconstruction the least squares depth recovery
河南科技大学食品与生物工程学院, 河南 洛阳 471023
为了监测黄瓜采摘后贮藏期间品质的变化, 借助不同贮藏日期贮藏室气氛的3D荧光数据, 提出了一种特征荧光信息(特征激发与特征发射波长)提取方法, 实现了黄瓜贮藏期间品质的监测。 首先, 对3D荧光数据进行去除瑞利散射和多项式Savitzky-Golar(SG)平滑降噪预处理, 有效消除了散射和噪声信号的影响。 其次, 对预处理后的3D荧光数据进行主成分分析(PCA)得到主成分矩阵, 并运用各主成分变量构造Wilks统计量, 选取了最小值对应的主成分(第11主成分, PC11); 根据构造该主成分的各原始变量(激发波长)的组合系数大小提取了8个特征激发波长。 然后, 采用10 nm的间隔对发射光谱进行了波段划分, 运用小波包分解(WPD)对每个波段进行了3尺度分解, 计算了各波段分解后的小波包能量, 综合8天试验结果选择能量最高的发射波段作为初选发射波段。 采用偏最小二乘回归(PLS)结合黄瓜理化指标(硬度、 叶绿素含量和失重率)对初选的发射波段进行了分析, 依据回归系数精选了7个特征发射波长, 简化了计算。 同时, 根据黄瓜硬度数据初步找到了其变化趋势的转折点; 根据黄瓜叶绿素含量变化曲线及一阶导数, 发现了叶绿素下降趋势最显著的点, 并结合试验过程中的感官观察结果, 确定第5个贮藏日为黄瓜品质突变日, 并选择第5个贮藏日为监测基准日。 最后, 采用提取的特征荧光信息计算不同贮藏天数与监测基准日之间的马氏距离(MD), 构建MD监测模型。 结果表明, 随着贮藏时间越来越接近监测基准日, MD值则逐渐减小到0, 与黄瓜贮藏过程中品质变化进程相符。 上述多变量统计分析融合小波包能量的特征波长提取方法和应用特征荧光信息构建的MD监测模型有望成为黄瓜贮藏过程中品质监测的一种可行方法。
黄瓜 3D荧光 Wilks Λ统计量 小波包分解 偏最小二乘回归 品质监测 Cucumber The 3D fluorescence Wilks Λ statistic Wavelet packet decomposition Partial least squares regression Quality monitoring 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2967
1 中国农业科学院农产品加工研究所/农业农村部农产品加工综合性重点实验室, 北京 100193韶关学院生物与农业学院, 广东 韶关 512005
2 中国农业科学院农产品加工研究所/农业农村部农产品加工综合性重点实验室, 北京 100193
面粉吸水率是评价面粉质量和预测面制品加工特性的重要品质性状。 面粉吸水率的测定主要参照国际或国家标准利用粉质仪进行, 其测定方法费时费力。 基于此, 提出利用可见近红外光谱分析技术结合多元统计分析进行面粉吸水率快速、 无损检测。 参照国标法测定150份小麦面粉样品的吸水率, 面粉吸水率变幅为53.10%~74.50%。 利用可见近红外分析仪采集面粉样品的光谱信息, 有效光谱范围为570~1 100 nm。 采用偏最小二乘回归(PLSR)、 主成分回归(PCR)和支持向量机回归(SVR)将光谱信息和面粉吸水率进行关联, 分别建立面粉吸水率的定量分析预测模型, 筛选最优的建模方法。 在优选的建模方法的基础上, 采用竞争性自适应重加权(CARS)、 区间随机蛙跳(iRF)、 迭代保留信息变量(IRIV)和连续投影(SPA)算法提取特征波长, 筛选最优的特征波长提取算法。 基于最优的建模方法和最优的特征波长提取算法提取的特征波长, 采用标准化(NL)、 一阶求导(1st Der)、 基线校正(BL)、 标准正态变换(SNV)和去趋势化(DT)5种光谱预处理方法对特征波长的光谱进行预处理, 筛选最优的光谱预处理方法。 结果表明, 采用NL光谱预处理方法对CARS算法提取的24个特征波长(仅占原始波长的2.26%)的光谱进行预处理后建立的PLSR模型性能最佳, 预测集相关系数(R2p)、 预测集均方根误差(RMSEP)和预测相对分析误差(RPD)分别为0.889 4、 1.458 5和2.641 3。 采用CARS算法提取的特征波长所建的模型不仅能提高模型的性能, 还很大程度提高模型运算效率、 降低仪器制造成本和光谱仪微型化的难度, 从而为面粉吸水率可见近红外无损、 快速检测研究奠定了基础。
可见近红外光谱 面粉吸水率 偏最小二乘回归 竞争性自适应重加权算法 Vis-NIR spectroscopy Water absorption of flour Partial least squares regression Competitive adaptive re-weighting algorithm 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2825
1 南京林业大学林学院, 南方现代林业协同创新中心, 江苏 南京 210037
2 江西省林业科学院林业有害生物防治研究所, 江西 南昌 330013
3 南京林业大学理学院, 江苏 南京 210037
松材线虫病对我国松林资源造成严重破坏, 早期精准诊断该病害对精准防控及保障国家森林生态安全具有重要意义。 该病目前的诊断技术包括林间症状诊断法、 病原线虫鉴定法、 流胶法等, 这些方法受到条件或技术的限制而不完善, 也无法有效地对松树针叶变色前或极少数针叶变色的阶段进行诊断。 为此提出一种基于光谱分析的马尾松松材线虫病针叶电阻率检测方法。 对野外8~9年生马尾松接种松材线虫后, 在不同时间对针叶进行数据测量。 使用美国Ocean Insight公司生产的Ocean Optics USB2000+对马尾松针叶反射光谱数据进行采集, 取冠层上、 中、 下3个位置光谱反射率平均值作为该植株的光谱反射率； 将针叶横截面近似看成半椭圆形, 剪取针叶中部4 cm, 测量针叶的宽度和厚度, 使用M4070 LCR测试仪测其电阻值, 从而计算出其电阻率； 取冠层上、 中、 下3个位置电阻率平均值作为该植株的针叶电阻率。 对原始光谱（OR）进行光谱变换, 主要方法为一阶导数（FD）、 二阶导数（SD）、 对数变换（LOG）、 倒数变换（1/R）和连续统去除法（CR）； 使用随机森林算法对原始光谱和各个变换的光谱数据提取特征波段以反演针叶电阻率, 采用最小二乘支持向量机（LSSVM）算法对筛选出的特征波段与针叶电阻率的建模效果进行分析, 确定最佳马尾松针叶电阻率预测模型。 结果表明, 在该病害出现极少数针叶变色后的早期阶段, 马尾松接虫株与对照株针叶电阻率达到极显著差异（p<0.01）。 LSSVM建模效果表明, 二阶导数变换后的光谱数据综合表现最好, 选择特征波段为594.986、 646.107、 646.451、 782.896、 784.841、 839.164、 863.890、 902.021、 947.901和962.315 nm； 建模集和验证集的平均R2为0.848, RMSE和MAE分别为32.331和7.067。 相较于原始数据（OR）建立的模型, R2提升4%, RMSE和MAE分别降低2.5%和18.9%。 研究结果表明, 使用针叶反射光谱反演针叶电阻率是可行的, 且SD-RF-LSSVM建立的预测模型精度最高, 可用于针叶电阻率的快速估测, 为实现基于遥感的松材线虫病早期诊断与监测提供了思路与方法。
松材线虫病 早期诊断 针叶电阻率 高光谱数据 随机森林 最小二乘支持向量机 Pine wilt disease Early monitoring Needle resistivity Hyperspectral data Random Forest Least squares support vector machine 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3280
1 江南大学机械工程学院, 江苏 无锡 214122江苏省食品先进制造装备技术重点实验室, 江苏 无锡 214122
2 布勒中国创新中心, 江苏 无锡 214111
3 江南大学机械工程学院, 江苏 无锡 214122
小麦粉的粉质特性决定了小麦粉的品质以及最终用途, 粉质特性受到小麦的品种, 产地, 以及加工工艺等多个因素的影响, 重要的粉质参数包括4个: 吸水率、 形成时间、 稳定时间、 弱化度。 近红外光谱广泛应用于小麦粉成分参数的检测, 如水分、 蛋白质、 灰分和湿面筋含量, 其中大多直接应用线性回归算法建立模型, 预测的精确度较低, 且检测粉质特性的研究较少, 研究结果也受到样本丰富度不足的影响。 该研究收集了968份来自不同国家和地区的小麦粉粉质特性数据及近红外光谱, 通过分类模型和回归模型的结合来提高粉质特性预测的精确度。 采用包括标准正态变换（SNV）、 线性去趋势（Detrend)、 多元散射矫正（MSC）和Savitzky-Golay一阶求导的方法对光谱数据进行预处理, 并通过交叉验证选择最佳预处理方法。 在建模方法上, 首先尝试了经典的线性回归方法, 即偏最小二乘回归（PLSR) 和主成分回归（PCR)。 发现两种方法的精确度大致相当, PCA模型的校正均方根误差（RMSEC）分别为2.186、 1.838、 4.037、 21.693, PLSR模型为2.039、 1.837、 3.968、 21.252, PLSR模型比PCR所需的因子更少。 其次, 使用该文提出的二阶段回归模型, 即先用高斯过程回归（GPR)的结果作为分类器对样本进行分类, 在不同类别的样本簇中分别建立PLSR模型进行粉质特性的预测, 再使用Sigmoid函数对PLSR模型进行融合。 这种建模方法对粉质特性预测的精确度有较大提高, 在不同粉质特性指标上的RMSEC分别为1.876、 1.160、 2.459、 14.449。
粉质特性 近红外光谱 预处理 偏最小二乘回归 主成分分析 高斯过程回归 Farinograph characteristics Near-infrared spectroscopy Preprocessing Partial least square regression Principal component analysis Gaussian process regression 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3089
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
