1 中国农业大学信息与电气工程学院, 北京 100083
2 农业农村部智慧养殖技术重点实验室, 北京 100083
3 北京联合大学智慧城市学院, 北京 100101
番茄是一种营养丰富且深受人们喜爱的果蔬, 在全球都得到了广泛的种植, 而我国番茄产销量稳居全球首位。 番茄不仅在人们的生活中扮演了一个重要的角色, 在工业生产中也占据了举足轻重的位置, 我国番茄的出口也在不断增加。 番茄的糖分、 酸度、 维生素C及可溶性固形物含量是反映番茄内部品质的重要评价指标, 而可溶性固形物含量是这些内部品质的总和, 能够较好地表征番茄的内部品质。 因此, 实现对番茄可溶性固形物含量的快速检测对番茄的工业生产和日常生活有着巨大的帮助。 基于化学原理的传统检测方法会对番茄样品产生不可逆的破坏, 且耗时耗力, 难以应对我国现代工业生产的需要。 因此, 寻求番茄内部品质的快速无损检测技术成为了亟待解决的问题。 近年来, 近红外光谱分析在多个领域得到了广泛的应用； 基于近红外光谱检测方法对反映番茄甜度的可溶性固形物含量进行了相关性建模和预测研究。 实验搭建了近红外光谱检测平台, 选择了255个不同成熟度和品种的番茄样本, 每个样本采集了光谱数据和可溶性固形物含量值。 研究对比了SNV, MSC, NOR和SG等光谱数据预处理方法, 并采用K-S算法划分建模校正集和验证集。 同时, 为提高检测可靠度和建模效率, 研究对比了CARS, RF, SPA和UVE等算法来进行数据降维。 结果表明, 采用SNV加二阶15点SG平滑组合的预处理与CARS波段选择相结合, 利用选出的54个波段建立的模型效果较好, 校正、 验证和交互验证相关系数R2分别达到了0.90, 0.89和0.91, 均方根误差RMSE分别为0.14, 0.15和0.14°Brix。 利用自行搭建的近红外光谱检测平台可较好地实现了番茄糖分的快速检测。
番茄 糖分 近红外光谱 偏最小二乘 Tomato Sugar Near-infrared Spectroscopy Partial least squares 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1218
由于氰胺类化合物在有机合成领域的重要应用, 对各种氰胺类化合物的设计和机理研究成为国内外的研究热点。 结构是功能材料设计的基础, 为了更深入的探索一种典型的氰胺类化合物-双氰胺的结构稳定性, 研究了24 GPa压强下双氰胺的高压拉曼光谱。 在压强作用下, 绝大多数的拉曼谱线向高波数方向移动, 表明双氰胺的官能团折合键长被压缩, 并且有四个特征拉曼带的强度发生了很大的变化(502,524, 934和2 157 cm-1), 它们分别归属为N—H, N—C≡N, C=N—C以及C≡N键的振动。 同时在光谱上有新拉曼峰的出现, 原有拉曼峰的消失或者某些拉曼峰的劈裂, 这都表明了在压强作用下双氰胺出现了新的结构, 并且电子云密度发生了重构。 通过双氰胺的拉曼频移-压强关系曲线, 观察到绝大多数曲线的斜率在5 GPa下存在突变, 得出其可能在5 GPa附近发生一阶结构相变。 在结构相变前后, 观察到C=N和C≡N的频移-压强关系曲线斜率无显著变化, 表明这两种官能团在相变前后对压强的响应不变。 与此相反, N—H键的弯曲振动的曲线斜率变化显著, 表明这种官能团对压强存在复杂的响应, 这归因于双氰胺分子中存在复杂的氢键作用。 N—H键的伸缩振动谱线强度随着压强的增加而逐渐减弱, 并且拉曼频率出现了反常的蓝移, 这表明在新的相结构中N—H键长随压强增加而变长, 双氰胺分子间的氢键作用增强。 常规情况下, 双氰胺具有亚氨式和氨式两种互变异构体, 亚氨式的特征峰为2 157 cm-1, 氨式的特征峰为2 203 cm-1。 根据两种异构体的特征拉曼谱线强度随压强的演变规律, 发现随着压强的增加双氰胺的氨式结构比例逐渐减少, 最终在11 GPa下全部变成亚氨式结构。 研究表明高压拉曼光谱方法是研究氰胺类化合物结构相变和异构体调控的有效手段, 为功能材料的设计和合成提供一定的研究基础。
拉曼 高压 双氰胺 相变 Raman High-pressure Dicyandiamide Phase transition 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3046
山东理工大学电气与电子工程学院,山东 淄博 255049
本文模拟了偏振激光雷达探测绝热水云微物理特性时由多次散射引起的退偏振问题,绝热水云的数密度在垂直方向上为定值,液态水含量和云滴有效半径随高度非线性增长,其变化规律由云层的大气压、温度以及绝热水云形成的热力学过程共同决定。激光雷达波长取0.355 μm,分别计算了云底高度为1 km和2 km的绝热水云退偏振比随穿透深度的变化,计算结果表明,绝热水云的退偏振比随穿透深度的增加而增大,随观测视场角的增大而增大,且其变化规律与均匀各向同性云层差距很大。另外,云层高度为2 km的云层有效半径比云底高度为1 km的更小,在同样数密度和观测条件下,退偏振比也更小。
激光雷达 绝热水云 退偏振比 蒙特卡罗方法 Lidar adiabatic water clouds depolarization ratio Monte Carlo method
山东理工大学电气与电子工程学院, 山东 淄博 255049
激光雷达探测水云时, 多次散射会使雷达回波产生退偏振效应, 云层对激光的退偏振比与云层微物理特性信息含有特定的关系, 利用这种关系可以反演云层的微物理特性, 但是这种关系需要利用理论模拟进行研究和探索, 理论模拟激光雷达退偏振效应的方法主要是蒙特卡罗方法。给出了两种不同思路的蒙特卡罗模拟方法：一是通过跟踪光子在每一次散射后, 由光子方向矢量和Z轴构成的子午面来模拟, 光子相对于子午面的偏振状态由斯托克斯参量表示; 二是将光子的偏振状态用一个三元单位矢量组来表示, 每次散射后, 根据统计抽样得到的散射角和方位角对其进行旋转, 从而跟踪光子偏振态的变化。给出了详细的模拟过程, 并利用两种方法分别计算了水云的退偏振比, 模拟结果显示这两种方法得出的结果完全一致。
大气光学 激光雷达 水云 偏振 蒙特卡罗方法 多次散射
山东理工大学 电气与电子工程学院, 山东 淄博 255049
利用激光雷达探测水云微物理特性时, 雷达回波信号中会出现退偏振信息, 这是由激光与云层的多次散射造成的, 利用这些退偏振信息可以反演云层特性。利用半解析蒙特卡罗方法研究了波长为0.532 ?滋m激光雷达后向散射退偏振比对云底高度、云滴大小以及消光系数的敏感性。计算结果表明, 对于相同的接收视场角, 激光雷达与云层的距离越远, 退偏振比越高; 消光系数越大, 退偏振比越大; 雷达接收视场角越大, 被接收器捕获的多次散射信息越多, 因此退偏振比越大。当穿透深度较小时, 云滴尺寸较小的云层退偏比更高, 随着穿透深度的增加, 云滴尺寸更大的云层退偏振比更大。
激光雷达 退偏振比 多次散射 蒙特卡罗 lidar depolarization multiple scattering Monte Carlo method 红外与激光工程
2016, 45(9): 0906001
山东理工大学电气与电子工程学院, 山东 淄博 255049
基于矢量辐射传输理论，利用矩阵算法研究了海洋-大气耦合系统中，海雾气溶胶对太阳光的偏振散射特性。整个大气层垂直方向分为若干平面平行层，考虑了大气分子、云层以及气溶胶的垂直分布；海洋表面按照风驱随机粗糙海面进行了分析，考虑了海洋波斜率分布和遮蔽效应；海洋体也由若干平面平行层构成，考虑了海水以及叶绿素的吸收和散射影响。大气和海洋体每层的反射矩阵和透射矩阵以及源函数由离散坐标方法计算，整个海-气系统的散射特性由矩阵方法通过耦合层与层之间相互辐射得到。研究了整个海-气系统反射的太阳辐射以及偏振度对太阳光的波长、入射天顶角、观测角度、海洋表面风速、云和气溶胶的光学厚度，以及气体吸收等的敏感性。计算结果表明，多波长多角度偏振度信息随海洋表面和大气环境变化敏感，可以结合辐射强度和偏振度对海洋背景下气溶胶特性进行遥感反演。
海洋光学 矢量辐射传输 偏振 海洋气溶胶 粗糙海面 激光与光电子学进展
2016, 53(4): 040101
山东理工大学电气与电子工程学院, 山东 淄博 255049
利用激光雷达探测水云的光学和微物理特性时，水云的多次散射会在雷达回波中产生去极化信号，给出了半解析蒙特卡罗方法模拟偏振激光雷达后向散射去极化率的详细过程，给出了0.532 μm 激光作为光源入射时，典型水云的后向散射Muller矩阵二维分布图，以及水平线偏振、垂直线偏振、+45°线偏振和右旋圆偏振光入射时，后向散射的Stokes矢量的二维分布图，最后给出了去极化率和极化率随激光雷达接收视场角以及穿透深度的变化。从数据结果可以看出，接收视场角越大，多次散射的影响越大。给出的蒙特卡罗模拟方法对利用激光雷达遥感反演水云和球形气溶胶的特性具有重要的应用价值。
大气光学 激光雷达 水云 蒙特卡罗方法 多次散射 中国激光
2015, 42(11): 1113005
山东理工大学 电气与电子工程学院,淄博 255049
利用蒙特卡罗方法研究了二氧化硅粉尘层对无限窄准直光束的反射和透射特性，根据Mie理论计算了单次散射相函数,并利用其对光子散射方向进行了抽样，分析了消光系数和粒子尺寸对粉尘层反射和透射特性的影响，对于浓度较大的粉尘层，激光在传输过程中，其光斑的大小和形状将对散射特性产生影响，将无限窄准直光束入射情况下的散射函数作为脉冲响应，与有形激光光束进行卷积，得到有形激光束入射情况下的多次散射特性，研究了高斯形和圆盘形两种激光光束入射时，光斑形状和大小对散射特性的影响。
散射 激光 粉尘 蒙特卡罗 scattering laser dust Monte Carlo
山东理工大学电气与电子工程学院,淄博 255049
利用T矩阵方法研究了表面吸附有随机分布小颗粒的光学微球腔的光学特性,通过计算其散射效率和不对称因子分析了吸附小颗粒的数量、尺寸对微球腔形貌共振(Morphology-Dependent Resonances,MDR)廓线的影响;利用分离变量法研究了具有均匀吸附膜(同心双层球)微球腔的光学特性,分析了吸附膜的厚度对谐振廓线的影响。结果表明,附着于微球腔表面的小颗粒以及均匀吸附层,都将对整个微球腔的形貌共振产生影响,并使光学微球腔的品质因数降低,甚至不产生回音壁模。
光散射 形貌共振 微球腔 小尺寸表面粗糙 scattering morphology-dependent resonances micro-sphere cavity small-scale surface roughness
山东理工大学电气与电子工程学院, 山东 淄博 255049
利用蒙特卡罗方法模拟了多层离散随机介质对激光的偏振多次散射，结合激光雷达的特点，给出了半解析蒙特卡罗模拟方法的具体模拟步骤，考虑了光子在随机游走时，跨越分界层时引起的自由程调整，根据Mie 散射相函数对不同介质层进行了散射方向抽样，利用该方法计算了双层和三层水云的雷达多次散射去极化率随穿透深度的变化。从计算结果可以看出，随着穿透深度的增加，雷达去极化率增强，激光在从一种介质入射到另一种介质时，其去极化率增加的速度不同，分析了粒子有效半径、单次散射相函数以及消光系数对雷达去极化率的影响。该方法可以应用于偏振激光雷达对非各向同性云层或气溶胶微物理和光学特性的遥感反演。
大气光学 激光雷达 多层介质 蒙特卡罗方法 多次散射 偏振 中国激光
2015, 42(12): 1213001
