1 河北工程大学信息与电气工程学院， 河北 邯郸 056038
2 河北省安防信息感知与处理重点实验室， 河北 邯郸 056038
提出一种新型光纤布拉格光栅（FBG）传感网络系统，根据监测区域的优先级灵活配置传感器数目，从而提高带宽的利用效率，增加重点区域的传感器数量。由于各通道的光谱重叠程度存在差异性，实现重叠光谱的快速分类和精准解调尤为重要。基于连续小波变换 （CWT）-粒子群优化（PSO）算法实现了FBG传感网络的重叠光谱分类及解调。首先利用CWT分割光谱信号，根据重叠光谱的特征完成重叠光谱分类；然后使用PSO解调多个FBG重叠的光谱。仿真结果表明，所提方法有效降低了解调时间，且解调误差最大不超过10 pm。该研究工作为实现大容量FBG传感网络重叠光谱的快速精准解调提供了新思路。
光纤光学与光通信 光纤布拉格光栅 重叠光谱分类 连续小波变换 粒子群优化算法 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2106002
新疆师范大学地理科学与旅游学院, 新疆 乌鲁木齐 830054
土壤有机质含量的高光谱估测可快速、 准确监测土壤肥力, 对现代化农业生产进行精准施肥提供科学依据。 以新疆渭干河-库车河三角洲绿洲耕层土壤为研究对象, 对采集的98个土壤样品的原始光谱反射率R分别进行传统倒数对数lg(1/R)、 一阶微分R'和倒数对数一阶微分[lg(1/R)]'数学变换, 以及基于小波母函数Bior1.3不同尺度分解的连续小波变换(CWT), 并与实测土壤有机质含量进行相关分析, 从而筛选出各类变换下与土壤有机质含量密切相关的特征波段和小波系数(p<0.01)。 分别以原始光谱反射率(R)以及不同变换处理下的特征波段反射率和敏感小波系数作为自变量, 土壤有机质含量作为因变量, 采用偏最小二乘回归和支持向量机回归方法构建土壤有机质含量的估测模型。 结果表明: (1)各类光谱变换方法有效提升光谱与土壤有机质含量之间的敏感性, 其中经CWT变换后的土壤光谱反射率与有机质含量的相关性得到显著提高, 相关系数由0.39提高到0.54(p<0.01)。 (2)传统的[lg(1/R)]'变换构建的支持向量机回归模型, 其决定系数(R2)高于lg(1/R)和R'变换构建的模型, 说明倒数对数一阶微分变换可有助于提高估测模型的精度, 且支持向量机回归模型的精度和稳定性高于偏最小二乘回归模型。 (3)经过CWT分解后, 以原始光谱反射率在不同尺度上的敏感小波系数作为自变量建立的模型, 估测精度和稳定性均有明显的提高, 构建的R-CWT-23-SVMR模型的决定系数(R2)为0.84, 均方根误差(RMSE)为1.48, 相对分析误差(RPD)等于2.11, 模型精度达到最高并拥有极好的预测能力。 高光谱数据经多种变换处理后可有效去除白噪声, 而连续小波变换处理比传统的数学变换方法更适合于挖掘土壤有效信息, 实现光谱信号的近似特征和细节特征的有效分离, 建立的反演模型可更加精准估测土壤有机质含量。
连续小波变换 分解尺度 高光谱估测 土壤有机质 渭干河-库车河三角洲绿洲 Continuous wavelet transformation Hyperspectral estimation Decomposition scale Soil organic matter The delta oasis of Weigan-Kuqa rivers 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1278
1 国家农业信息化工程技术研究中心,北京 100097
2 清远市智慧农业农村研究院,广东 清远 511500
3 农芯科技!广州"有限责任公司,广东 广州 510000
4 湖南农业大学,湖南 长沙 410125
5 江门市农业技术服务中心,广东 江门 5290000
茶是世界上最受欢迎的饮料之一, 而氮素(N)是影响茶叶品质的主要成分之一, 因此快速准确地估算N素含量至关重要。 由于测定N含量的化学方法繁琐耗时, 利用高光谱对茶鲜叶中N含量进行预测, 利用连续小波转换(CWT)提取的小波系数, 探究CWT不同分解层数对于N素含量的估测能力, 并讨论了不同波长选择算法所建模型的预测效果。 首先, 采集广东省英德市茶园的151个茶鲜叶样品高光谱数据, 将获得的原始光谱通过卷积平滑(SG)、 去趋势(Detrending)、 一阶导数(1st)、 多元散射校正(MSC)和标准正态变量变换(SNV)五种预处理方法进行预处理并作为参考。 其次, 采用连续小波对原始光谱进行初步处理生成多尺度小波系数, 并进行相关性分析, 分别利用连续投影算法(SPA)、 竞争性自适应加权采样法(CARS)和变量组合集群分析(VCPA)方法进一步优化CWT变换后光谱数据的变量空间, 最后, 以特征变量为输入使用PLSR建立了N素定量监测模型, 并对比不同尺度不同方法估算N素的效果。 结果表明, 连续小波分析方法可有效提升茶鲜叶光谱对N素含量的估测能力, 明显优于常规光谱处理方法。 经连续小波分解后, 对茶鲜叶N素的预测能力随分解尺度的增加整体呈逐步降低的趋势, 其中在1~6尺度连续小波变换后的光谱与茶鲜叶N素存在良好的相关性, 表明小尺度的连续小波分解可有效应用于茶鲜叶N含量的监测。 基于CWT(1)-VCPA方法建立的模型精度最高, 且变量数相比于全波段减少了99.34%, 其建模与预测R2达到0.95和0.90, 相比于传统光谱处理方法, 精度提升了11% , 证明CWT-VCPA可以有效降低光谱维度并大幅提升模型精度。 实现了茶叶N素含量的高效量化预测, 为评估茶叶的其他成分提供了可靠技术参考。
茶鲜叶 氮素 连续小波变换 高光谱 变量组合集群分析 Fresh tea leaves Nitrogen Continuous wavelet transform Hyperspectral Variable combination population analysis 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3253
1 昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093
2 云南省高校高原山区空间信息测绘技术应用工程研究中心，云南 昆明 650093
3 滇西应用技术大学，云南 大理 671000
为准确快速地预测土壤氧化铁含量信息，以禄丰恐龙谷南缘地表的土壤为研究对象，共采集135个样品，并在室内测得土壤光谱数据和氧化铁含量信息。首先，在对原始光谱进行Savitzky-Golay滤波平滑后，进行常规光谱变换和连续小波变换，并利用相关系数（CC）法对变换光谱与氧化铁含量进行相关性分析，筛选出每个尺度中通过0.01显著性检验的波长作为粗选的波长。然后，进一步利用竞争性自适应重加权（CARS）算法选择的波长作为特征波长。最后，通过遗传算法优化的支持向量机（SVR）进行建模。结果表明：连续小波变换可以提高土壤光谱反射率与氧化铁含量的相关性；通过CC-CARS波长选择方法可以有效地减少建模的自变量数目；第4尺度连续小波分解构建的模型 （L4-CC-CARS-SVR）效果最好，其建模集的决定系数R2为0.760，均方根误差ERMSE为5.236 g·kg-1，验证集的R2为0.663，ERMSE为7.798 g·kg-1，性能与四分位数间距比RPIQ达到了2.598，即模型具有很好的稳定性和预测能力。
光谱学 土壤 氧化铁 高光谱 连续小波变换 遗传算法 支持向量机 光学学报
2022, 42(22): 2230002
北京工业大学材料与制造学部北京市精密测控技术与仪器工程技术研究中心，北京 100124
测量分辨率和精度的不断提高是激光外差干涉测量的发展趋势，而抑制激光外差干涉测量精度进一步提升的主要因素是周期性非线性误差。提出了一种基于连续小波变换的激光外差干涉非线性误差补偿方法。对非线性误差函数进行Morlet小波变换，利用小波系数矩阵信息提取小波脊线，分析小波脊线上的特征信息，重构一次谐波非线性误差；利用最小二乘非线性拟合方法迭代拟合出二次谐波非线性误差。实验结果表明，将此方法应用于激光外差干涉测量系统中，非线性误差分量由5.97 nm减小到1.09 nm，非线性误差分量减小至原来的18%。该方法可有效抑制非线性误差的影响，并提高激光外差干涉测量的精度。
测量 激光外差干涉 非线性误差 连续小波变换 最小二乘非线性拟合 中国激光
2022, 49(21): 2104006
计算鬼成像由于具有分辨率高和抗干扰能力强等特点，近年来被广泛研究。区别于传统成像方案，由于成像机制，计算鬼成像对物体成像时需要进行大量的测量，因此提高它的成像效率一直是一个重要的研究内容。在此背景下，由于可以较好地对信号进行去相关，进而对信号进行大幅压缩，小波变换受到了广泛的关注。近年来，不少学者将Haar小波引入计算鬼成像系统中，成像效率得到了提高。然而，小波函数的种类有很多，性质各异，关于其他小波函数在计算鬼成像系统中的应用鲜有报道。大部分小波函数只能进行连续小波变换，直接应用于计算鬼成像系统中会面临许多问题，针对这个情况，提出了准连续小波变换架构，在实验上实现了基于Mexihat和Gauss小波的计算鬼成像。实验结果表明，这两种连续小波方案既能够进行正常成像，同时相比于Haar小波，它们也表现出了更强劲的抗干扰能力，更加适用于实际应用环境。
计算鬼成像 Gauss小波 Mexihat小波 连续小波变换 成像系统中的噪声 激光与光电子学进展
2022, 59(18): 1811002
1 东华理工大学测绘工程学院, 江西 南昌 330013
2 流域生态与地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室, 江西 南昌 330013
3 广东省遥感与地理信息系统应用重点实验室, 广东省地理空间信息技术与应用公共实验室, 广东省遥感大数据应用工程技术研究中心, 广州地理研究所, 广东 广州 510070
叶绿素a浓度是估算浮游植物生物量的重要指标,连续小波变换是一种重要的多尺度光谱分析方法。本文以粤西、珠江口为案例区,基于地面高光谱和实测叶绿素a的浓度数据,选取10种不同的母小波基函数对高光谱反射率数据进行连续小波变换。运用偏最小二乘回归(PLSR)方法构建叶绿素a浓度的反演模型,分析比较了不同小波变换系数对建模结果的影响。研究结果表明:采用经过多种小波变换后的小波系数与实测叶绿素a浓度进行相关性分析,相关性均高于原始光谱;基于不同的小波变换系数进行建模,反演精度差异较大,其中,基于sym6小波系数的偏最小二乘回归模型的精度最高(决定系数R2=0.732,均方根误差为6.457 μg/L,相对分析误差为2.600),相较于基于光谱特征的传统反演方法精度明显提升。本研究为今后进行二类水体叶绿素a浓度模型构建过程中的小波基优选提供了参考。
遥感 连续小波变换 高光谱 偏最小二乘回归 叶绿素a浓度 激光与光电子学进展
2021, 58(8): 0828002
1 海军工程大学电子工程学院, 湖北 武汉 430033
2 海军工程大学兵器工程学院, 湖北 武汉 430033
提出一种提取基于迈克耳孙干涉的弱反射光纤布拉格光栅(WFBG)时分复用系统中干涉信号的方法,以降低数据采集量并提高零差对称解调精度。对光强信号进行连续小波变换,寻找变换系数的极值,相邻的极小值和极大值用于界定激光干涉区间。针对不同宽度的激光脉冲工况,调整小波尺度因子,以寻找干涉区间,分别基于干涉区间内光强信号的最大值和平均值得到干涉信号,最后采用零差对称算法解调干涉信号的相位信号。将WFBG传感器放入振动液柱内,多次测量同一弱正弦信号,并对测量信号进行正弦曲线拟合。拟合结果显示采用连续小波变换提取短脉冲干涉区间并以平均值法计算干涉信号有助于提高该传感系统的零差对称解调精度。
传感器 光纤布拉格光栅 弱反射 干涉信号 连续小波变换 激光与光电子学进展
2020, 57(19): 190603
