1 中国计量大学光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018
2 青岛理工大学信息与控制工程学院，山东 青岛 266520
谱图还原算法是中阶梯光栅光谱仪高分辨的保障，其精度和速度的优化是推动仪器发展的关键。提出一种基于全像面拟合的谱图还原算法，将光谱标定融入到建模过程中的方式同时解决了环境改变和仪器扰动对模型精度的影响问题。首先建立初始模型，利用光线追迹结果进行全像面拟合，获得标准模型。再利用Hg-Ar灯的特征谱线对标准模型进行二次拟合以修正偏差，从而完成光谱标定。最后采用多种元素灯的特征谱线对所提建模方法的精度进行验证。实验结果表明，所建立的谱图还原模型的全像面误差在2 pixel内，全波段波长平均提取误差为0.01 nm。所提方法将建模过程与标定技术相结合，使标定常态化，简化了建模流程，为中阶梯光栅光谱仪的应用推广提供了算法基础。
光谱学 中阶梯光栅光谱仪 谱图还原算法 全像面拟合 光谱标定
中国计量大学光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018
中阶梯光栅光谱仪凭借高光谱分辨率在各领域应用日益广泛，已经成为主要的光谱分析仪器之一。谱图还原技术是中阶梯光栅光谱仪数据处理的核心，通过建立波长和成像位置间的对应关系实现二维图像到一维谱图的快速还原。谱图还原的精度直接决定了中阶梯光栅光谱仪的性能，是仪器开发的重点和难点。鉴于此，本文综述谱图还原技术的发展，将其演变过程归纳为光线追迹、模型化和标定法等3个阶段，重点介绍各阶段谱图还原算法的核心思路与代表方法的原理。最后针对中阶梯光栅光谱仪谱图还原技术，归纳其发展历程、预测其发展趋势、展望其发展方向。
中阶梯光栅光谱仪 谱图信息处理 谱图还原算法 光线追迹 光谱标定 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0330003
中国农业大学工学院, 农业部土壤-机器-植物系统技术重点实验室, 北京 100083
针对传统玉米品种抗倒性鉴别方法费时费力、 时效滞后的问题, 采用高光谱成像数据结合机器学习方法对9叶期的玉米品种抗倒性进行鉴别, 并给出适于进行玉米品种抗倒性鉴别的种植密度和建模方法。 试验设置了5 000, 7 000和9 000株·亩-13个种植密度和6个典型的抗倒/不抗倒玉米品种, 采集9叶期玉米顶叶的高光谱图像, 使用目标区域分割的方式自动进行光谱图像反射率校正和目标光谱曲线提取。 对采集的样本数据使用Kennard Stone算法划分样本训练集和测试集, 用主成分分析法(PCA)和连续投影算法(SPA)提取光谱特征, 建立了基于高斯核函数的支持向量机(SVM)模型并进行参数训练和优化。 通过对不同种植密度下各特征提取方法的效果和各模型训练效果及其预测结果的对比, 找到进行玉米抗倒性鉴别的最佳种植密度和建模方法。 试验结果表明: 在各种植密度下PCA方法对光谱特征的降维效果最为显著, 而SPA算法选择的特征波长分布比较均匀、 抗倒性分类特征比较明显; 种植密度的增加对于玉米品种抗倒性的鉴别是有益的, 在种植密度为7 000株·亩-1时, 使用SPA-SVM方法建立的模型训练效果和预测结果最佳, 此时模型对训练集数据的10折交叉验证正确率为97.40%, 对测试集数据的预测正确率为98.33%。
玉米抗倒 高光谱成像 主成分分析 连续投影 支持向量机 Maize lodging resistance Hyperspectral imaging PCA SPA SVM 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1229
1 中国计量科学研究院 医学计量中心，北京 100029
2 山东省计量科学研究院，山东 济南 250013
3 中国计量大学 信息工程学院，浙江 杭州 310018
为了评估眼科光学相干断层成像（OCT）设备的分辨率、视场角、图像匹配度、深度测量准确性等多个关键参数，确保设备输出量值的准确性与有效性，设计并研制了一种模拟真实人眼结构且参数可溯源的模拟眼，包含角膜和晶状体等人眼主要屈光结构。设计并依托3D打印技术加工了用于横向与轴向分辨率检测的三维分辨率板；设计加工了用于视场角检测的阶梯状同心圆环结构；同时设计加工了用于图像匹配度检测的交叉光纤组件和用于深度测量准确性参数检测的平行玻璃板组件，可适配于模拟眼眼底凹槽内。使用共焦拉曼显微镜对三维分辨率板尺寸溯源，横向和轴向最小可检测分辨率分别为9.7 μm和5.7 μm；使用尼康投影仪对同心圆环尺寸及光纤直径溯源，最大可检测视场角109.03°以及最小62.5 μm的图像匹配度检测；使用尼康高度计对平行玻璃板中心厚度溯源，其测量不确定度小于5 μm。经过对商用眼科OCT设备测试表明，结合微纳3D打印技术的计量校准用模拟眼具有精度高、集成度高、适用范围广、稳定性强等优点，适用于眼科OCT设备的计量校准。
眼科OCT 模拟眼 计量校准 3D打印技术 ophthalmic OCT model eye metrology and calibration 3D printing technology 红外与激光工程
2022, 51(8): 20210789
中国空间技术研究院西安分院空间微波技术重点实验室, 陕西西安 710100
空间信息网络中时间敏感业务的实时性、确定性和可靠性要求对基于存储转发方式的传统以太网交换提出巨大挑战。提出一种基于门控制的星载时间敏感网络调度算法, 设计星载时间敏感网络交换方案; 针对卫星业务突发的特点, 提出一种基于时分复用的门控制列表生成方法, 对该调度算法在不同业务流量特征背景下的确定性时延及时延抖动性能进行仿真分析。仿真结果表明, 所提算法的最小时延减小至 10 μs量级, 最小时延抖动为 0, 满足空间时间时敏业务的确定性传输要求, 提高了空间信息网络业务传输的确定性、可靠性、灵活性。
门控制 时间敏感 以太网 调度 确定性 gate control time-sensitive ethernet scheduling deterministic 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(11): 1150
土壤有机质(SOM)是影响播量的土壤关键参数, 根据SOM信息对播量进行实时调控, 投入最优化的种子量, 充分利用地力资源挖掘产量潜力, 节约良种, 实现种植收益最大化, 是目前播种领域最前沿的研究方向。 以玉米主产区之一的华北平原为研究区域, 对该区域砂壤潮土进行了可见-近红外(300~2 500 nm)光谱采集。 采用蒙特卡罗交叉验证剔除了异常样本, 结合Savitzky-Golay卷积平滑法对光谱数据进行平滑去噪处理。 分别通过竞争性自适应重加权算法(CARS)、 连续投影算法(SPA)、 竞争性自适应重加权-连续投影(CARS-SPA)、 无信息变量消除(UVE)及变量组合集群分析法(VCPA)等波长筛选方法提取有效变量, 并结合偏最小二乘回归(PLSR)分别建立了全波长和特征波长的SOM含量预测模型。 结果表明, 不同方法筛选的波长数目及波长位置存在显著差异, CARS和SPA算法选择的光谱特征在整个光谱范围都有分布, UVE和VCPA筛选的波段较为集中, 且基于CARS-SPA方法可以进一步优选特征变量, 其特征波长仅为全波长数量的15%。 通过对比不同模型的建模及预测效果, 除UVE和VCPA算法外, 其余算法构建的模型均能实现SOM含量的有效预测, 其RPD值均大于2.0。 基于CARS-SPA构建的PLSR模型效果最好, 其和RPD分别0.901和3.188, 均高于其他方法, 不仅降低了无效信息对预测效果的干扰, 且模型的运算效率得到了明显的提高, 可以很好地实现该地区SOM含量的可靠预测。 该研究可以为SOM含量快速预测及仪器设计提供方法参考。
土壤有机质 播种 可见-近红外 砂壤潮土 竞争性自适应重加权-连续投影算法 Soil organic matter Seeding Visible-near infrared Sandy fluvo-aquic soil CARS-SPA 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2924
强激光与粒子束
2022, 34(8): 084003
