1 长春理工大学物理学院, 吉林 长春 130022 白城师范学院, 吉林 白城 137000
2 长春理工大学物理学院, 吉林 长春 130022
3 宇航动力学国家重点实验室, 陕西 西安 710043
4 中国科学院天文台长春人造卫星观测站, 吉林 长春 130117
5 光电对抗测试评估技术重点实验室, 河南 洛阳 471000
空间目标由于距地相对较远, 且散射光信号受到大气介质的强散射, 在地基测量中很难获取到目标的准确信息。 近年来光谱观测技术蓬勃发展, 由此为空间目标测量提供了新的方案, 但在采集的目标光谱信息中, 由于目标轨道高度、 材料组成等大多相近, 很难直接从光谱曲线中分辨出目标。 为此基于双向反射分布函数（BRDF）散射理论, 建立了空间目标散射光谱成像模型, 并由1.2 m口径地基观测平台与光谱视频成像系统实验测量了一组高轨道同步卫星（GEO）目标, 光谱范围为400～720 nm, 光谱分辨率为2 nm。 采用径向基神经网络算法对光谱数据中的BRDF进行解混, 实验测量了六种空间目标典型材料的BRDF。 由于目标相对较远, 已经超出探测系统的衍射极限, 因此目标可视为点目标, 但在地基测量中大气层是阻隔在探测系统和目标之间的重要屏障, 目标光信号穿过大气层时会受到大气介质的强烈散射, 这种散射虽然很大程度上削弱了光信号, 但同时光信号也被按原结构放大。 依据光学记忆效应, 目标光信号穿过均匀大气介质后其结构仍保持不变。 基于以上分析, 目标光斑图像应该保留有目标投影结构的信息。 为此采用针对目标光斑图像纹理区域分割反演的方法, 将目标光斑划分为10个纹理区域, 并提取对应光谱数据。 通过探测系统传递函数标定以及减噪处理, 获得了观测时段在轨目标空间几何角度下的光谱曲线。 再利用建立的典型材料光谱数据库进行拟合反演。 结果表明: 在2号、 5号、 10号纹理区域反演出了区别于其他区域不同的材料类型。 同时, 反演的各纹理区的材料面积比也有较大不同。 为进一步评估拟合结果, 采用非奇异矩阵对拟合效果进行评价, 分析了扰动方程, 拟合准确率最高为85.283 3, 最低为76.982 7。 这说明拟合结果是相对真实的, 目标散斑图像中含有可分辨的目标投影结构信息。 此研究为揭开点目标成像探测和散斑图像结构识别提供了新的方向。
空间目标 散射光谱成像 光谱反演 Space object Scattering spectral imaging Spectral inversi 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3023
1 航天工程大学研究生院, 北京 101416
2 航天工程大学宇航科学与技术系, 北京 101416
3 航天工程大学航天指挥学院, 北京 101416
太阳能电池作为一种高效的光电转化器, 被广泛地应用于光伏发电系统中。 激光作为一种高亮度光源辐照电池时, 会导致其出现损伤, 可利用电池的表面散射光谱特性, 对其损伤程度进行判别。 通过目标表面散射光谱测量系统, 对激光辐照后的三结砷化镓电池散射光谱进行测量, 并计算双向反射分布函数（BRDF）。 其中测量系统主要由FX 2000和NIR 17型光纤光谱仪组成, 针对电池表面的强镜反射特性, 在实验中采用了入射角和反射角为30°的测量几何模型。 原始三结砷化镓太阳能电池的结构主要包括减反射膜DAR层、 顶电池GaInP层、 中电池GaAs层和底电池Ge层, 其散射光谱特征包括可见光谱段(500~900 nm)的吸收特性及近红外谱段(900~1 200 nm)的类周期振荡特性, 在对连续激光辐照损伤后电池的光谱特性进行实验测量后, 得到了损伤电池光谱BRDF的变化, 并结合基于薄膜干涉理论的电池散射光谱模型, 对各膜层损伤后的特征进行了分析。 结果表明: DAR层的主要作用是降低光谱反射能量, 对光谱曲线的特性影响较小; Ge层对光谱曲线形状基本无影响; 电池散射光谱吸收和干涉等特征主要由GaInP层和GaAs层所引起, 其中, GaInP层主要影响可见光谱段的吸收特性, 并对近红外谱段内的干涉特性起到调制作用, 而GaAs层主要影响近红外谱段的干涉特性, 当其损伤到一定程度后, 会导致可见光谱段内出现干涉特性。 最后, 在实验结果分析的基础上, 通过模型研究了电池各层对散射光谱特性的影响, 并讨论了基于散射光谱特性的电池损伤程度判别, 研究结果可为电池激光损伤判别提供参考。
激光辐照 三结砷化镓电池 散射光谱 表面形貌 损伤特性 Laser irradiation Triple junction gallium arsenide battery Scattered spectrum Surface appearance Damage characteristics 光谱学与光谱分析
2023, 43(12): 3674
北京理工大学颜色科学与工程国家专业实验室, 北京 100081
金属漆颜料制品的光谱双向反射分布函数（BRDF）与其组成成分有关, 快速准确重建出成分相近的金属漆颜料制品的光谱BRDF数据, 对指导金属漆颜料制品的光谱BRDF建模, 减少其光谱BRDF数据采集的人力物力成本具有重要意义。 基于散射光谱加和性原理, 提出了一种使用少数金属漆颜料制品的光谱BRDF数据重建出具有不同成分比例金属漆颜料制品的光谱BRDF数据的方法。 该方法将金属漆颜料制品的光谱BRDF视为其各组成部分光谱BRDF的线性组合, 通过求解线性方程组得出各组成部分的光谱BRDF, 然后通过赋予各组成部分光谱BRDF不同的权重, 采用加权求和方法重构出成分比例不同的金属漆颜料制品的光谱BRDF数据。 实验中, 以潘通金属色系列色卡中亮黄色系列的6个不同组成比例色卡为研究对象, 使用比较测量方法测量得到了其在45°入射角度下, 380~760 nm波长范围的半球反射空间的光谱双向反射分布函数（BRDF）值。 然后选择其中两个色卡求解出该系色卡的基础成分的光谱BRDF数据, 再通过赋予其基础成分的光谱BRDF数据不同的权重, 重建出其他四个成分比例不同的色卡的光谱BRDF数据。 实验结果表明, 在45°入射角度和半球反射空间范围的几何条件下, 重建出的四个色卡的光谱BRDF数据与实际测量的四个色卡的光谱BRDF数据具有较好的一致性, 最小均方根误差可达0.057%, 最大适应度系数可达99.998%。 实验结果表明, 所提出的方法具有精度较高, 计算简单易实现的特点, 可用于金属漆类颜料制品的光谱BRDF数据重建。
金属漆颜料制品 散射光谱加和性 光谱BRDF重建 Metallic coatings Additivity of scattering spectrum Reconstruction of BRDF 光谱学与光谱分析
2023, 43(7): 2043
1 南京邮电大学电子与光学工程学院，柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 210023
2 东南大学电子科学与工程学院，江苏 南京 210096
提出一种外泌体检测新方法，通过将表面增强拉曼散射（SERS）纳米探针固定在核酸适体（DNA）功能化水凝胶中，实现对肿瘤源性外泌体的高灵敏度光学检测。SERS纳米探针被用于识别肿瘤源性外泌体并产生指纹光学信号。SERS活性DNA功能化水凝胶（简称“SD水凝胶”）作为传感器，不仅提供了用于生物识别的三维反应位点，而且可放大SERS纳米探针的光学信号。选择性地与靶外泌体结合后，SERS纳米探针脱离SD水凝胶，导致SERS信号减弱，从而实现光学检测。通过SERS信号变化，SD水凝胶可以定量、灵敏地检测肿瘤源性外泌体，浓度检测限（LOD）约为22 μL-1。该SD水凝胶将为临床癌症诊断提供一种新的技术手段。
生物光学 表面增强拉曼散射光谱技术 光学检测 外泌体 纳米探针 水凝胶 光学学报
2023, 43(21): 2117001
强激光与粒子束
2021, 33(10): 102001
红外与激光工程
2021, 50(6): 20211036
1 湖南农业大学食品科学技术学院湖南省发酵食品工程技术研究中心, 湖南 长沙 410128
2 中国农业大学食品科学与营养工程学院教育部功能乳品实验室, 北京 100083
“奶油感”是最受消费者喜好的发酵乳感官属性, 反映令人愉悦的特征。 为开发无添加但“奶油感”增强型的发酵乳, 首先必须明确具备高“奶油感”发酵乳的质构特征。 目前关于发酵乳“奶油感”的定义和评价标准尚未统一, 关键质构特征尚不清晰。 前人研究表明, 发酵乳的凝胶网络形成过程及强度、 稳定性和表观黏度可能是影响发酵乳感官感知的主要因素。 该研究采用多种光谱学手段, 解析具有不同强度“奶油感”发酵乳的关键质构特征。 以经描述型感官评价得到的五种具备不同“奶油感”强度的发酵乳为研究对象, 通过多散斑扩散光谱技术测定发酵乳凝胶网络的形成过程及凝胶强度, 通过多重光散射技术来研究发酵乳的稳定性, 再辅以流变学分析发酵乳的表观黏度。 首先采用多散斑扩散波光谱技术研究具有不同强度“奶油感”发酵乳凝胶过程粒子均方位移的变化, 结果显示凝胶的弹性指数突变时间按“奶油感”由弱到强分别为108, 115, 106, 132和143 min, 表明发酵乳形成凝胶的时间基本呈逐渐增加趋势; 凝胶时间的增加可能是因为酪蛋白充分重排聚集形成了更均匀的凝胶网络, 从而增强了“奶油感”的感知; 弹性指数的终点值代表发酵乳的凝胶强度, 结果显示凝胶强度处于适中水平的发酵乳“奶油感”较强。 接着利用多重光散射技术评价了发酵乳的稳定性, “奶油感”由弱到强的发酵乳稳定性动力学指数分别为2.2, 2.1, 1.9, 2.0和1.4, 表明发酵乳稳定性与发酵乳“奶油感”的感知强度呈正相关。 最后利用流变学方法测定了发酵乳的表观黏度, “奶油感”由弱到强的发酵乳表观黏度分别为(0.362±0.016), (0.271±0.013), (0.251±0.021), (0.479±0.031)和(0.343±0.024) Pa·s, 表明发酵乳的表观黏度和“奶油感”感知强度不存在相关性。 发酵乳的凝胶时间及凝胶稳定性与“奶油感”的感知密切相关。 研究为明确发酵乳“奶油感”的关键质构、 开发“奶油感”增强型的发酵乳制品提供理论依据。
发酵乳 奶油感 多散斑扩散波光谱 多重光散射光谱 质构特征 Fermented milk Creaminess Diffusing wave spectroscopy Multiple light scattering spectrum Textural characteristics 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1194
非相干激光汤姆逊散射诊断只需要假设电子速度满足Maxwell分布, 测量得到的等离子体电子温度与电子密度的数据准确可靠, 是托卡马克和其他磁约束核聚变研究装置上重要的诊断工具, 并朝着高可靠性、 高空间分辨和高重复测量频率的方向发展, 其中高可靠性是前提。 电子的汤姆逊散射截面很小, 其总截面为σT=6.65×10-25 cm2, 通常使用电光调Q的 Nd∶YAG激光器作为散射光源, 激光脉冲宽度约10 ns、 脉冲能量约3 J, 用5~8通道的光谱仪对散射光谱进行测量与分析。 如何对光电探测模块输出的散射脉冲进行数据采集, 是激光散射诊断的关键问题之一。 以前使用电流积分式的数据采集器(Q-ADCs, 如CMC080模块), 在一个确定的时间宽度(如50 ns)将散射脉冲信号积分在采样电容器上, 从而得到散射信号的强度值, 这种方法很难排除电路噪声和外来干扰。 该研究通过使用高速数据采集器(纵向分辨率≥10 bits、 采样频率f≥1 GS·s-1, 如V1742B模块)在包含散射信号在内的时间段(如300~500 ns)进行采集, 获得散射脉冲信号、 等离子体发光的扰动与背景噪声等叠加在一起的数据序列。 利用最小二乘法, 用高斯函数对散射脉冲的波形进行拟合, 然后在50 ns时间宽度对散射波形脉冲进行数值积分, 就得到散射信号的强度值。 结果表明, 高速同步采集技术的使用, 能够用数字滤波技术排除大部分的干扰, 从而提高信噪比, 其幅度可以达到10倍左右。 提取到更加准确可靠的光谱数据后, 以置信水平95%、 误差权重的最小二乘法开展数据处理, 用A.C. Selden散射谱表达式对电子温度进行参数估计, 得到了电子温度的测量值, 其统计误差为3%左右, 优于以前的10%左右。
汤姆逊散射 高温等离子体 Nd∶YAG激光器 散射光谱 电子温度 Thomson Scattering High-temperature plasma Nd∶YAG laser HL-2A tokamak Electron temperature
提出了利用光源-探测器小距离散射光谱进行疼痛测量的一种新方法。 首先, 基于修正的Beer-Lambert定律, 建立氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度变化与光源-探测器小距离探头所采集的散射光谱强度变化的关系式, 通过悬乳液血液混合液体模型实验, 将公式计算结果与组织血氧仪测量结果进行对比。 其次, 分别对7只大鼠的后肢注射福尔马林溶液以制造疼痛刺激, 用光源-探测器小距离光谱系统采集注射前、 后大鼠前扣带回的散射光谱, 同时, 用生物电信号采集系统获取注射前、 后大鼠前扣带回的局部放电信号。 最后, 计算氧合血红蛋白浓度、 脱氧血红蛋白浓度和总血红蛋白浓度的变化, 获取β波频段(13~30 Hz)每10 s的功率强度, 分析这些参数在注射前、 后的变化。 实验结果表明, 氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度变化的公式计算值与仪器测量值在液体模型实验中吻合较好, 其相对误差平均值与标准偏差为14%±5%, 因此, 利用光源-探测器小距离散射光谱进行氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度变化分析的准确度高。 在大鼠疼痛刺激实验中, 前扣带回的氧合血红蛋白浓度在注射后的5 min内出现短期增大, 随后单调减少。 反之, 脱氧血红蛋白浓度在注射后的5 min内出现短期减小, 随后单调增大。 总血红蛋白浓度在注射后没有显著性变化。 前扣带回局部电信号功率在注射后逐渐增大, 约20 min到峰值, 之后保持在峰值附近, 与注射前有显著性差异, 可以确认氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的变化是与前扣带回功能激活高度相关的。 由此可见, 基于光源-探测器小距离探头的散射光谱系统可以有效地用于标记与疼痛处理相关的核团的功能激活和分析核团的神经-血管耦合机制, 为利用小动物模型增进对疼痛相关的脑血管功能的了解和疼痛测量提供了一种有效的新方式。
散射光谱 疼痛 血流动力学参数 光源-探测器小距离 Scattering spectrum Pain Hemodynamic parameters Small source-detector separation 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3743
三阶砷化镓电池具有较高的光电转换效率, 是卫星帆板的主要材料。 利用卫星帆板的散射光谱特性, 可以辅助判断帆板姿态以及卫星工作状态, 对空间目标识别具有重要意义。 搭建了空间目标表面材料散射光谱测量系统, 对太阳能电池样片散射光谱进行测量。 测量系统主要由REFLET 180S 和FieldSpec@4 光纤光谱仪组成。 REFLET 180S能提供暗背景、 稳定光源和高精度转台, 光源光谱范围400~1 800 nm, 转台角分辨率为0.01°。 FieldSpec@4光谱仪具有高的光谱分辨率(3 nm@700 nm, 10 nm@1 400/2 100 nm)。 针对电池样片强镜反特性, 选择标准平面反射镜作为定标体, 测量入射角为5°, 15°, 30°, 45°和60°, 反射角为镜反射方向±2°, 角度间隔为0.1°。 测量结果发现三阶砷化镓电池在可见光波段(600~900 nm)散射光谱存在三个明显吸收峰, 并且随着入射角的增加, 吸收峰出现向左“迁移”特性; 在近红外波段(900~1 800 nm)散射光谱出现类周期性震荡特性, 而硅电池散射光谱并没有这些特性。 三阶砷化镓电池结构复杂, 将其物理结构简化为DAR层和三个半导体吸收膜层: 顶电池GaInP层、 中电池GaAs层和衬底Ge层。 基于薄膜干涉理论, 利用等效光学导纳法, 对三阶砷化镓电池散射光谱进行建模。 仿真光谱基本拟合出可见光波段的吸收特性以及近红外波段的周期性震荡特性, 说明利用薄膜干涉理论建立反射率模型的正确性。 利用光谱仿真模型, 分析不同膜层对三阶砷化镓散射光谱的影响。 结果表明: DAR层主要作用是降低光谱反射率, 对光谱形状影响不大; Ge层对散射光谱没有影响, 主要作用是增加光的透射率和吸收效率; GaInP层和GaAs层对散射光谱形状起主要作用, GaAs层是造成近红外波段干涉特性的主要原因; GaInP层是引起可见光波段吸收特性的主要原因, 同时对近红外波段干涉曲线的振幅和频率起调制作用。 研究结果可为卫星太阳能帆板和电池碎片识别提供数据支撑。
卫星 三阶砷化镓电池 散射光谱 吸收峰 震荡特性 薄膜干涉 Satellite GaAs-based triple-junction solar cell Scattering Spectrum Absorption peak Oscillation characteristic Thin-film interference 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3092
