1 东北大学江河建筑学院, 辽宁 沈阳 110819
2 东北大学资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819
3 中国黄金集团, 北京 100000
土壤是自然生态系统的重要组成部分, 是人类赖以生存和农业生产的重要物质基础。 随着社会经济高速发展, 高强度的工农业生产活动导致重金属等各种污染物通过大气沉降、 污水灌溉等途径进入土壤, 并在土壤中不断富集造成土壤盐渍化和土壤重金属污染, 两者是导致全球荒漠化和土壤退化的主要诱因。 然而中国的耕地非常有限, 粮食安全尤为重要。 因此, 如何快速、 准确地大面积反演盐碱地的重金属含量是保障粮食安全的重要研究课题。 针对上述关键问题, 以吉林省镇赉县盐碱地为研究对象, 建立了盐碱地重金属元素锰(Mn)、 钴(Co)和铁(Fe)含量与土壤可见光-近红外光谱数据的定量反演模型。 首先对原始光谱数据分别进行了Savitzky-Golay平滑、 多元散射校正、 连续统去除变换处理; 然后基于预处理后的光谱数据构建了比值(RI)、 差值(DI)和归一化(NDI)三种光谱指数, 通过光谱指数与重金属含量的相关性分析确定模型训练样本, 利用径向基神经网络算法进行建模并反演盐碱地重金属含量; 最后通过相关系数等梯度循环建模的精度分析方法确定了光谱指数与锰、 钴和铁含量相关性显著的敏感波段组合, 建立了基于径向基神经网络算法的盐碱地重金属含量最优反演模型。 研究结果表明, Mn选取相关系数r>0.70, Co选取相关系数r>0.80, Fe选取相关系数r>0.80, 并选取敏感指数组合分别为108组、 690组和31组, 基于上述显著敏感指数组合建立的Mn, Co和Fe最优反演模型R2分别为0.703 4, 0.897 6和0.848 4, 均方根误差RMSE分别为53.007 3, 1.059 2和0.363 4, 平均相对精度达到88.64%, 90.36% 和91.78%。 该研究对盐碱地重金属含量的准确、 快速分析提供了一种有效的方法, 对实现土壤重金属污染治理具有重要的现实意义。
苏打盐碱地 可见光-近红外光谱 光谱指数 重金属含量 反演模型 Soda saline-alkaline land Visible-near infrared spectra Spectral index Heavy metal content The inversion model 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1595
1 东北大学资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819
2 东北大学江河建筑学院, 辽宁 沈阳 110819
3 中国黄金集团, 北京 100000
铁矿资源是我国国民经济基础产业中的重要组成要素, 在我国经济发展中有举足轻重的地位。 铁矿品位的检定效率对铁矿石开采效率有重大影响。 目前, 铁矿石品位的化学分析检定法, 不仅存在成本较高, 化验周期长的问题, 更主要的是其无法实现铁矿品位原位测定, 相对配矿流程存在滞后效应, 无法有效降低矿石开采的损失贫化率; 基于可见光-近红外光谱分析的铁矿品位原位测定技术是解决这一问题的有效途径。 以225个红岭矽卡岩型铁矿测试样本的可见光-近红外光谱数据及化学分析数据为数据源, 首先对原始数据进行了平滑处理, 并分析了矽卡岩型铁矿可见光-近红外光谱特征, 然后利用倒数对数、 多元散射校正(MSC)两种预处理方法对平滑后的光谱数据进行处理, 再分别以主成分分析法(PCA)、 遗传算法(GA)两种降维算法对预处理前后的光谱数据进行了处理, 获取了六种不同预处理组合算法处理后的数据源。 其中以PCA降维算法所降维数分别为3维、 3维、 7维; 以GA降维算法所降维数分别为477维、 489维、 509维。 最后基于随机森林(RF)和极限学习机(ELM)建立了矽卡岩型矿石金属铁品位的定量反演模型, 以决定系数(R2)、 均方根误差(RMSE)和平均相对误差(MRE)三个指标分别对模型的稳定性、 精确度、 可信度进行评价。 结果表明, 经MSC处理及PCA降维后的数据基于ELM算法建立的定量反演模型效果最优, 其R2可达0.99、 RMSE为0.005 7、 MRE为2.0%, 该方法所建模型对红岭矽卡岩型铁矿品位反演精度有明显的提升。 对矽卡岩铁矿品位的实时、 快速分析提供了一种有效的方法, 对实现矽卡岩型铁矿的高效开采具有重要的现实意义。
可见光-近红外光谱 矽卡岩铁矿 降维算法 预处理组合算法 定量反演模型 Visible and near-infrared spectroscopy Skarn-type iron ore Dimensionality reduction algorithm Preprocessing combination algorithm Quantitative inversion model
1 湖北汽车工业学院数理与光电工程学院，湖北 十堰 442002
2 信息工程大学信息系统工程学院，河南 郑州 450001
针对目前钢珠类球形部件的直径和圆度测量系统较为复杂、测量仪器成本较高等问题，提出一种基于菲涅耳衍射测量钢珠直径和圆度误差的方法。利用圆点标定板校准圆球菲涅耳衍射的峰值点和投影边缘的关系，根据光强分布曲线测量钢珠直径及圆度误差。实验结果表明，在不考虑钢珠表面的漫反射及散射的情况下，对直径为毫米级别的钢珠进行测量时，其直径和圆度误差的测量不确定度分别在0.0031 mm（置信水平95%）和0.0046 mm（置信水平95%）以内。该测量系统的组成简单，无需额外的光学系统，且成本较低。
测量 菲涅耳衍射 梯度Hough变换 直径测量 圆度误差 激光与光电子学进展
2022, 59(1): 0126003
湖北汽车工业学院 理学院 光信息科学与技术系, 湖北 十堰 442002
利用光学传递矩阵和广义惠更斯-菲涅耳积分衍射公式, 研究了阵列艾里光束在梯度折射率介质中的演化规律。首先, 导出了傍轴近似下, 空间域内艾里和阵列艾里光束通过光学系统的传输方程。然后, 分析了入射阵列艾里光束的二维光强随指数截断因子和光波束腰半径的变化规律。在此基础上, 讨论了阵列艾里光束在梯度折射率介质部分横截面上的光强特征和光波传输的周期性特点, 并与单艾里光束的传输规律进行了对比。因为大气的随机抖动和渐变折射率光纤都可以抽象为梯度折射率模型, 所以相关结论对阵列光束的传输与通信有一定的理论意义。
有限能量阵列艾里光束 梯度折射率介质 广义惠更斯-菲涅耳积分公式 finite array Airy beam gradient refractive index medium generalized Huygens-Fresnel integral equation
湖北汽车工业学院 理学院, 湖北 十堰 442002
利用光学传输矩阵, 结合广义惠更斯-菲涅耳光学衍射公式, 研究了艾里高斯涡旋光束在正负折射率交替变化周期平板介质中传输时, 其输出横截面光强分布规律和侧面传输光强的演变图景。结论显示: 当右手材料折射率nr和双负材料折射率nl绝对值正好相等, 并且右手单元长度R: 双负单元长度L=1:1时, 可以实现输出面光强的完美还原; 当双负材料折射率绝对值abs(nl)≠nr, 但R=L时, 两类周期介质输出表面的光束质量都很差, 此时, 若要实现输出光强的完美还原, 较大的abs(nl)需要较长的双负单元长度L来进行补偿, 反之则反; 进一步探究了准周期平板介质中双负材料单元长度和负折射率的定量关系。期望相关结论可以对含特异材质周期和准周期结构中艾里高斯涡旋光束的调控和通信传输提供重要的参考价值。
激光光学 双负材料 艾里高斯涡旋光束 传输矩阵 laser optics double negative material Airy Gaussian vortex beam transfer matrix 红外与激光工程
2018, 47(10): 1006007
湖北汽车工业学院 理学院, 湖北 十堰 442002
基于光学传输矩阵, 结合柯林斯光学衍射公式, 研究了艾里高斯光束在无损和有损含负折射率平板介质中传输时, 其侧面光强分布图景演化特征。结果表明, 当右手材料和双负材料折射率值恰好相反, 并且左、右两侧右手单元长度之和等于双负单元长度时, 可以实现输出面光强的完美还原; 当双负材料折射率绝对值增大时, 实现光强还原所需中间双负单元长度也越长, 反之, 绝对值减小时, 长度越短; 对于有损介质, 电、磁振荡因子越小, 输出光波性能越良好。进一步探究了ζ因子和指数截断因子a对这类光波传输特性的影响, 其中, ζ因子不会影响艾里高斯光束的固有性质, 但ζ越小, 自弯曲特性越明显, 并且主、旁瓣的径向尺寸都随ζ的减小而成倍减小; a因子可以调控光波的传输轮廓, 使其在a＜0.2时为艾里光束, 而当a逐渐增大到0.7时, 光波的外形轮廓已和高斯光束无异。
激光光学 双负折射率材料 艾里高斯光束 传输矩阵 laser optics double negative material Airy Gaussian beam transfer matrix
根据军用车辆的体表温度，针对红外大气窗口，选用常见的Si和LiF为介质，并在考虑各自色散关系的基础上，设计了一具有光子晶体结构的复合涂层。利用传输矩阵法计算表明，当Si和LiF均取4层，且每层的几何厚度分别取0.800 μm和1.900 μm时，在8~14 μm之间存在一个严格的带隙，此带隙有以下特征：介质层数大于4时，带隙不再发生实质性的变化。增加两介质的几何厚度，带隙红移，宽度变宽，反之亦然。入射角增加，8~14 μm之间的带隙总是存在。以上结论可为该复合涂层的进一步研究提供有益的参考。
光子晶体 军用车辆 红外隐身涂层 传输矩阵 photonic crystal military vehicles infrared stealth coating transfer matrix 红外与激光工程
2015, 44(11): 3299
构造了由AsS、SiO2、PbTe和LiF四种介质组合而成的 (AB)m(CD)m-1A(DC)m-1(BA)m一维四元镜像对称结构光子晶体模型,利用传输矩阵法,研究了该结构的光学传输特性。结果表明:当m≥4,光线垂直入射时,在可见光全波段(400~760 nm)范围内恰好有一严格帯隙。四介质的几何厚度各自独立递增时,帯隙红移,宽度增加,反之亦然。随着入射角增加,帯隙将产生蓝移。对于TE波,该光子晶体具有较好的角度宽容度,可实现全角度在可见光大部分波段(400～705 nm)范围内的反射;对于TM波,仅能在可见光小部分波段(400～520 nm)实现全角度反射。
镜像对称 光子晶体 可见光波段 传输矩阵 mirror symmetry photonic crystals visible light band transfer matrix
湖北汽车工业学院 理学院, 湖北 十堰 442002
设计了一种由TiO2和SiO2两种介质构成的对称式光子晶体, 并在考虑色散关系的基础上, 利用传输矩阵法, 计算了该光子晶体的透射谱。结果表明: 当入射角θ≤30°时, 在0.8~1.2ν/ν0的频率范围内只有一个半宽度较窄、透射率为1的透射峰。入射角增加, 透射峰中心频率发生蓝移, 峰值保持不变, 半宽度变化很小。与之对应的光子晶体滤波器具有极好的透射性、良好的单色性和较好的角度宽容性, 特别适合小角度入射的情况。
光子晶体 传输矩阵 滤波器 滤波性能 photonic crystal transfer matrix filter filtering performance
1 湖北汽车工业学院 理学系, 湖北 十堰 442002
2 华中科技大学 物理系, 湖北 武汉 430074
利用传输矩阵法，讨论了由单负材料组成的对称型一维光子晶体的偏振特性。结果表明: 入射角较小时，TE、TM两波隧穿模的中心位置基本相同。入射角θ增加，两隧穿模均向短波方向移动，且其半峰全宽变窄。入射角θ>20°时，两隧穿模的蓝移量增加，且TM波的移动量大于TE的，入射角越大，这一变化越明显。周期数N 增加时，两隧穿模的位置保持不变，半峰全宽变窄; TM波隧穿模的透射率保持为1，而TE波的有所下降。介质的几何厚度增加时，两隧穿模均向长波方向移动，隧穿模的透射率保持不变。两介质几何厚度的变化量相同，两隧穿模的移动量也分别相同。
光子晶体 单负材料 隧穿模 偏振特性 photonic crystal single-negative materials tunneling modes polarization properties
