梁龙 1,2,3,4,5吴珽 1,2,3,4,6沈葵忠 1,2,3,4,7熊智新 8[ ... ]房桂干 1,2,3,4,7
1 中国林业科学研究院林产化学工业研究所
2 江苏省生物质能源与材料重点实验室
3 江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心
4 国家林业和草原局林产化学工程重点实验室
5 林木生物质低碳高效利用国家工程研究中心, 江苏 南京 210042北京林业大学材料科学与技术学院, 林木生物质化学北京市重点实验室, 北京 100083中国林业科学研究院生态保护与修复研究所, 北京 100091广西民族大学林产化学与工程国家民委重点实验室, 广西林产化学与工程重点实验室, 广西 南宁 530006
6 林木生物质低碳高效利用国家工程研究中心, 江苏 南京 210042广西民族大学林产化学与工程国家民委重点实验室, 广西林产化学与工程重点实验室, 广西 南宁 530006
7 林木生物质低碳高效利用国家工程研究中心, 江苏 南京 210042
8 南京林业大学轻工与食品学院, 江苏 南京 210037
9 北京林业大学材料科学与技术学院, 林木生物质化学北京市重点实验室, 北京 100083
基本密度是评估木材制浆造纸性能的重要指标。 采用近红外光谱技术检测造纸木片基本密度, 实时掌握原料材性变化, 能够为制定和优化制浆生产工艺提供基础理论数据。 但在实际生产中, 原料来源的复杂性造成木片水分含量波动较大, 光谱中的水分干扰信息严重影响模型预测效果, 成为制约近红外技术实际应用的主要因素。 以杨木片为研究对象, 通过对木片失水过程的近红外光谱动态监测, 结合主成分分析明确光谱中水分吸收信息的特征响应, 揭示了木片水分中结合水和自由水的变化规律。 分别采用不同水分条件下的木片光谱建立偏最小二乘回归(PLS)模型预测木片基本密度, 通过对比分析模型预测性能, 探究木片水分变化对近红外预测木片密度的影响, 并采用外部参数正交化算法(EPO)消除光谱中水分的干扰, 提高模型对水分变化的抗干扰能力。 研究结果表明, 基于饱水木片光谱的模型具有最好的预测精度, 模型的建立主要依靠近红外光谱对木片纤维结构特征信息的获取。 而光谱中大量的水分吸收信息对建模是冗余无用的, 并且会导致模型对样品水分高度敏感, 当测试集水分含量变化时, 模型预测出现严重偏差。 通过EPO算法对木片失水过程动态光谱的解析, 提取水分校正因子, 能够有效消除水分变化引起的光谱差异。 基于水分校正的基本密度预测模型对不同水分条件下的测试集均表现出稳定的预测性能, 均方根误差、 决定系数和预测相对标准偏差分别为12.23 kg·m-3、 0.883 4和2.93。 该研究将EPO算法引入对木材材性的近红外光谱分析, 构建了抗水分干扰的稳健型基本密度预测模型, 较好地解决了水分含量波动对原料材性快速检测的影响, 为近红外光谱技术在制浆造纸领域的推广应用提供了依据。
造纸木片 近红外光谱 基本密度 外部参数正交化算法 Wood chips for the pulp Near-infrared spectroscopy Basic density External parameter orthogonalization algorithm 光谱学与光谱分析
2023, 43(8): 2476
阜阳师范大学信息工程学院, 安徽 阜阳 236037
为克服随机散斑图照射下统计噪声对计算鬼成像成像质量的影响, 提出了随机散斑图正交优化计算鬼成像方法。首先在计算鬼成像的基础上分析随机散斑图对目标物体重构质量的影响; 然后结合实对称矩阵性质, 通过空间映射矩阵, 将原有随机散斑图正交化; 再利用重构的正交散斑图对未知物体进行照射并由桶探测器测量, 测得的一系列桶探测器值与计算机存储的重构散斑图通过二阶关联运算对目标物体进行重构; 最后参考重构散斑图的协方差矩阵特征, 对重构结果进行补偿, 进一步提升物体重构质量。该方法不仅能有效提升随机散斑图计算鬼成像的成像质量, 同时还具有算法结构简单的特点。仿真实验结果表明: 相比于传统的随机散斑图照射下的计算鬼成像, 该方法能有效地对目标物体进行重建, 并表现出良好的性能。
图像与信息处理 成像系统 计算鬼成像 随机散斑图 二阶关联 正交化 image and information processing imaging system computational ghost imaging random speckle patterns second-order correlation orthogonalization
1 塔里木大学植物科学学院, 新疆 阿拉尔 843300
2 中国农业大学土地资源管理学院, 北京 100083
田间原位可见-近红外光谱(VIS-NIR)能够有效的提高土壤属性的检测效率, 但由于原位土壤中水分因素的影响, 土壤属性的预测精度很难达到预期。 如何有效去除土壤中的水分对土壤其他属性光谱预测的影响, 是利用田间原位光谱高精度预测土壤属性所面临的难题, 也是土壤光谱技术由室内转向田间的突破口。 该问题的有效解决, 可减除土壤样品的采集与室内预处理等过程, 实现土壤属性的田间原位光谱测定。 以新疆南部地区阿拉尔垦区十二团棉田为研究区, 采用网格采样法共采集了116个0~20 cm深度的表层土壤样品, 剔除1个异常值样品, 得到115个有用样品, 利用SR-3500型便携式地物光谱仪采集了231个样点的田间原位光谱数据, 土样经风干、 研磨和过筛等处理后测定其室内光谱和有机质含量。 利用Kennard-Stone算法将115个土样分为69个转换子集及46个预测集, 采用外部参数正交化法(EPO)、 光谱直接转换法(DS)及光谱间接转换法(PDS)三种去除水分算法结合原位光谱反射率(R)、 反射率一阶微分(R')、 反射率对数(LOG(R))以及反射率倒数(1/R)四种数学变换方式, 运用随机森林(RF)模型进行不同组合模型的构建及精度评价。 结果表明: (1)土壤有机质含量越高, 土壤光谱反射率越低。 土壤田间原位光谱反射率低于土壤室内光谱反射率; (2)室内光谱反射率与土壤有机质含量之间的相关性大于田间原位光谱, 室内光谱经一阶微分变换后与土壤有机质含量之间的相关性显著提升。 (3)土壤室内光谱反射率模型预测精度(R2=0.86, RPD=2.08, RMSE=1.55 g·kg-1, MAPE= 0.14)高于田间原位光谱反射率模型(R2=0.71, RPD=1.49, RMSE=2.17 g·kg-1, MAPE=0.20)。 在去除水分算法模型中, 以EPO一阶微分模型去除水分效果最好, 决定系数R2由0.71提高到0.83, RPD由1.49提高到2.04, RMSE由2.17 g·kg-1降低至1.58 g·kg-1, MAPE由0.20降低至0.14。 本研究实现了去除土壤水分因素的影响, 提高了田间原位光谱预测土壤有机质的精度, 为南疆棉田大尺度土壤有机质的预测及土壤肥力的评价提供了重要的参考。
土壤有机质 外参数正交化(EPO) 光谱直接转换法(DS) 光谱间接转换法(PDS) 随机森林(RF) Soil organic matter External parameter orthogonalization (EPO) Direct standardization (DS) Segmented direct standardization (PDS) Random forest (RF)
1 吉首大学物理与机电工程学院，湖南 吉首416000
2 吉首大学信息科学与工程学院，湖南 吉首416000
3 长沙理工大学近地空间电磁环境监测与建模实验室，湖南 长沙 410015
采用相干态正交化展开方法，对三量子比特的纠缠度影响因素进行了分析研究，并运用数值计算，结合解析解，在光场初态为真空态的相互作用过程中，对三量子比特的纠缠情况进行了研究。分析了三个全同的量子比特纠缠度随光场频率的变化规律以及光场量子比特耦合强度对三量子比特纠缠度的影响。研究结果表明，三量子比特的本征能量和共生纠缠度随光场频率、时间的演化与耦合强度有关，而三量子比特的本征能量和共生纠缠度随时间gt的演化与耦合强度无关。
量子光学 量子纠缠 相干态正交化 真空态 GHZ模型 激光与光电子学进展
2021, 58(21): 2127001
1 上海大学特种光纤与光接入网重点实验室, 上海 200444
2 中兴通讯公司, 上海 201203
提出了一种简化的相干检测系统,通过在时域上交替探测信号的同向(I)及正交(Q)信息分量,实现了基于单个平衡光电探测器(BPD)的相位分集接收。仿真结果表明,25 Gbit/s的非归零信号经过25 km标准单模光纤传输时,在10 -3误码率门限下,其接收灵敏度为-39.97 dBm。用Gram-Schmidt正交化过程算法对信号光与本振(LO)光之间频率偏移引起的I、Q分量失配角进行补偿,当频率偏移小于符号速率的1/5(±5 GHz)时,灵敏度代价约为3.2 dB。此外,当LO光功率较高时,用单PD取代BPD的灵敏度损失约为3 dB。本方案为实现低成本的相干检测提供了一种解决方法。
光通信 相干检测 相位调制 频率偏移 正交化算法 光学学报
2021, 41(20): 2006001
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
近红外人体血糖浓度无创检测所面临的主要问题之一是人体温度变化干扰测量光谱。 为此, 提出使用基于外部参数正交化(EPO)的光谱预处理方法, 对测量部位体温改变时的光谱进行温度校正。 该方法仅需预先采集人体体温变化时的漫射光谱, 即可获得消除温度干扰的滤波矩阵, 利用该矩阵可以将不同体温下的光谱校正至基准温度水平。 预先对外部干扰变量单独建立模型, 与血糖浓度预测模型的建立分离。 EPO原理提出组成光谱空间的干扰信号空间与有用信号空间正交, 即温度光谱响应与葡萄糖浓度光谱响应之间彼此正交, 而在实际测量中, 仪器系统漂移, 人体出汗等共模干扰常导致有用信号和干扰信号存在偶然相关, 影响了消除温度干扰的效果。 因此在进行温度校正之前, 首先对原始光谱进行位置差分处理, 经验证位置差分方法能够消除仪器系统漂移带来的共模干扰, 获得的吸光度光谱中温度响应部分和浓度响应部分彼此正交。 使用蒙特卡洛模拟人体三层皮肤模型获得血糖光谱数据, 模拟样品参数均根据实际人体实验中的参数水平设置。 对受温度干扰的光谱进行位置差分处理后使用EPO进行温度校正, 然后利用校正后的光谱数据建立偏最小二乘回归(PLSR)模型。 与校正前光谱建模结果比较, 校正后的模型均方根误差(RMSEC和RMSECV)明显降低, 相关系数得到一定的提高, 同时主成分数减少, 验证了该温度校正方法的有效性。
近红外光谱 无创血糖检测 体温校正 外部参数正交化 位置差分 蒙特卡洛模拟 Near infrared spectroscopy Non-invasive measurement Temperature correction External parameters orthogonalization(EPO) Differential correction method Monte Carlo simulation 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1483
西安理工大学 自动化与信息工程学院, 西安 710048
为了使相干接收机输出的两路信号相位正交, 正确地解调信号, 采用施密特正交化算法对两路信号进行了理论分析和实验验证, 经正交失衡算法补偿后, 星座图的性能得到改善; 通过松尾环实现载频的跟踪、捕获以达到载波恢复, 实现了基带信号正确解调。结果表明, 经施密特正交化算法补偿后, 旋转的星座图得到了修正, 星座点间的欧几里德距离不相等问题得到修正, 基带信号畸变得到了改善; 当频偏在-300kHz~300kHz范围内, 松尾环可以实现载频的跟踪、捕获, 基带信号实现正确解调。该方案实现复杂度低, 切实可行, 适用于相干光通信系统的研究。
光通信 相干光通信 施密特正交化 松尾环 optical communication coherent optical communication Schmidt orthogonalization loose tail loop
1 浙江大学 现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
2 华中科技大学 光电学院, 湖北 武汉 430074
3 中国航天科工集团 第九总体设计部, 湖北 武汉 430000
为了解决长条形镜面面形拟合中各项不正交, 无法在调整中利用像差指导计算机辅助装调的问题, 本文建立了一套合理的拟合模型。该模型以矩阵求解正交化Zernike多项式系数为基础, 将离散的数据点作为定义域, 对已选取的Zernike项进行定义域内正交化计算, 并以获得的各正交项为基底, 实现对长条形镜面及其他异形光学镜面的正交化多项式拟合求解。进而确定在干涉检测中加工误差与装调误差的分离, 为光学镜面的最终面形收敛提供保障。根据本文实验结果, 对一口径600 mm×260 mm, PV与RMS值分别为5889λ及1002λ的长条形光学镜面进行拟合, 利用Metropro去像散后, 面形未得到收敛, PV与RMS值分别变为7448λ及1725λ。而采用本文算法处理后, 其PV与RMS值分别收敛为4666λ及0679λ, 验证了本文方法对于长条形镜面拟合的正确性。
干涉测量 面形拟合 长条形反射镜 正交化 interferometry surface fitting rectangular mirror orthogonalization
1 北京交通大学海滨学院, 河北 黄骅 061199
2 西南科技大学理学院, 四川 绵阳 621010
在非旋波近似下,对双模相干态光场与Λ 型三能级原子相互作用系统的量子纠缠进行了精确求解,讨论了平均光子数及失谐量对量子 纠缠演化的影响。数值计算结果表明:量子纠缠的周期随平均光子数的增大而增大;量子纠缠最大值 随失谐的增大逐渐降低,且达到最大值所需时间逐渐增加;当失谐较大时,量子纠缠在较短时间内具 有较好的周期性;随着平均光子数及失谐的增大,虚光子效应使量子纠缠演化曲线小锯齿状的振荡逐渐增强。
量子光学 量子纠缠 相干态正交化展开 三能级原子 非旋波近似 quantum optics quantum entanglement coherent-state orthogonalization expansion three-level atom without rotating wave approximation
