1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 国网安徽省电力有限公司, 电力科学研究院, 安徽 合肥 230000
传统变压器绝缘油品质荧光分析检测方法是利用荧光分光光度计采集油样本全谱段荧光光谱, 根据不同老化程度绝缘油的全谱荧光特征变化建立变压器运行状态诊断模型。 针对传统荧光方法中光度计体积大、 价格昂贵以及因光谱采集时间长无法实现实时监测等问题, 提出一种基于荧光双色比例的变压器绝缘油品质检测方法, 提取荧光特征双波段信息并建立变压器运行故障诊断模型, 可通过定制滤光片和可见光电探测器等硬件取代传统荧光分光光度计, 实现双色荧光信息快速采集及处理, 满足在线实时监测的同时降低硬件成本。 对放电击穿故障造成的变压器绝缘油老化进行荧光分析, 试验模拟了不同放电击穿工况, 制备了不同放电击穿时间(10, 30, 50, 70, 90和120 min)下的尼纳斯油样本作为荧光检测目标; 使用荧光分光光度计采集了各样本在不同激发波长下的荧光发射光谱, 确定最优固定激发波长为280 nm; 使用3点移动均值平滑法对样本荧光光谱平滑去噪, 通过分析不同放电击穿时间下油样荧光特征峰的变化规律, 选取380~388和399~407 nm作为双色信息提取波段, 利用最小二乘曲线拟合建立了荧光双色比例变压器绝缘油放电击穿故障诊断模型。 研究结果初步证明了荧光双色比例法在变压器绝缘油放电击穿故障诊断上的有效性, 为一种体积小、 成本低、 快速有效在线监测系统的建立提供了一定的理论与实践基础。
变压器绝缘油 荧光光谱 双色比例探测 故障诊断模型 Transformer insulated oil Fluorescence spectra Double-color ratio detection Fault diagnosis model 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1134
1 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院, 安徽 合肥 230022
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
非共振光声光谱技术可用于在线检测变压器油中溶解气体, 保障变压器安全运行。然而在室外环境下, 背景信号易受到环境温度、湿度的影响, 必须对这些因素进行校正, 以提高仪器在线检测的稳定性和可靠性。背景信号的温度和湿度校正因子一般通过实验室测量得到, 但测量过程中由于外部环境干扰, 采集样本会出现较大波动, 因此需要具有一定鲁棒性的回归算法计算校正因子。研究了基于支持向量回归的背景信号的温度和湿度校正方法, 选择乙炔作为研究对象, 在实验室内利用湿度发生器产生不同浓度水汽, 同时利用温度传感器测量光声池温度, 回归乙炔背景信号校正因子, 并采用体积分数分别为 0、5×10-6 和 2×10-5 的乙炔和空气混合气体进行了验证。研究结果表明, 对于体积分数为 5×10-6 和 2×10-5 的乙炔混合气体, 所提方法和最小二乘法校正结果趋势相同, 但最小二乘法校正信号存在趋势性偏离, 而所提方法对背景信号校正具有更好的重复性和稳定性, 优于最小二乘法。
光谱学 光声光谱 支持向量回归 温度湿度校正 溶解气体分析 spectroscopy photoacoustic spectroscopy support vector regression temperature and humidity correction dissolved gas analysis
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院, 广西 桂林 541004
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 广西光电信息处理重点实验室, 广西 桂林 541004
针对平流层载荷在对地观测应用中精确获取地表温度的需求,基于SeeBor大气廓线集和MODIS分裂窗通道的参数建立了平流层仿真数据集,分析了通用分裂窗算法在平流层高度获取地物温度的有效性;开展了反演精度对观测高度、发射率、水汽含量、噪声等效温差(NETD)和光谱响应漂移的敏感性分析。仿真结果表明,算法的理论误差为0.185 K,其中发射率和NETD对反演误差的贡献最大。最后分析了不同影响因素的偏差约束需求,结果表明在发射率不确定性优于1%、NETD优于0.4 K、光谱响应漂移在-3~3 nm的条件下,温度反演精度可以实现优于2 K的水平。
光学学报
2022, 42(12): 1201001
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院, 安徽 合肥 230022
被动FTIR红外遥测技术可应用于气体泄漏检测, 气体检测下限与仪器信噪比密切相关。 仪器信噪比与测量参数有关, 如光谱分辨率、 采样频率、 积分时间、 平均次数等, 如何结合实际应用优化参数组合以实现最佳信噪比, 目前还缺少系统分析。 针对这一问题, 从理论上分析了这些参数与信噪比关系, 并归类为三个方面: （1）光谱分辨率, 引用了Roland Harig给出的结论, 当光谱分辨率低于特征峰半高全宽时, 信噪比不变, 但为了避免背景气体的交叉干扰, 分辨率不宜设置过低, 需要结合实际应用综合考虑; （2）降低采样频率能够减少计算量, 缩小光谱范围, 但采样频率和光谱范围与信噪比无关; （3）在积分时间和光谱平均次数方面, 同样时间条件下, 多次干涉图采集会引入零光程差的采样误差, 使得噪声大于理论计算值, 因而长积分时间获得信噪比优于多次平均。 开展了六氟化硫（SF6）泄漏检测实验, 根据SF6特征峰宽度选择4 cm-1分辨率, 20 kHz采样频率兼顾了信噪比和检测时间, 并利用FTIR巡检系统发现变电站泄漏点, 证明了方法的有效性。
傅里叶变换红外光谱 被动遥测 信噪比 六氟化硫 FTIR Passive remote sensing Signal-to-noise ratio SF6 光谱学与光谱分析
2021, 41(5): 1436
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 国民核生化灾害防护国家重点实验室, 北京 102205
被动红外气体遥测系统具有成本低、体积小、便于扩展等优点。利用窄带滤光片进行被动红外气体探测时,为抑制信号漂移和背景噪声干扰,需要对信号进行调制、滤波和锁相处理。系统接收的测量信号受斩光器辐射的影响较大,需要对测量过程进行辐射建模分析。本文研究了基于锁相放大的被动红外探测辐射模型,提出了在锁相放大算法后添加相位判断的信号处理方法;设计并搭建了被动式气体多光谱探测系统,在实验室对系统进行定标,并开展了不同温度黑体的测量实验。结果表明:实际测量的各通道辐射值与所建模型的结果比较吻合。本研究为基于锁相放大的被动红外信号提供了模型基础和实验验证,并为便携式近距离气体遥测系统的研制提供了参考。
测量 被动红外 辐射模型 锁相放大 相位判断
中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
针对爆炸恐怖事件预防和打击领域内的大范围开放空间下制爆运爆可疑人员衣物表面沾染爆炸物粉末检测问题, 研究基于近红外光谱的爆炸物粉末表面沾染遥测方法。 研制了一套近红外成像光谱数据采集系统, 采集了多种爆炸物粉末和沾染基底的近红外反射光谱, 制备了多个爆炸物粉末表面沾染样本。 针对表面沾染检测应用中爆炸物粉末与沾染基底近红外反射特征混叠问题, 利用近红外光谱数据处理技术构建近红外光谱解混校正模型, 去除了沾染基底信号对爆炸物粉末目标识别的干扰。 针对遥测应用中光源照射不均匀问题造成的干扰(如强光反射造成的光谱信号饱和, 光线遮挡造成阴影引起的信号微弱, 引起光谱反射率测量异常问题), 对目标校正得分图进行有效过滤避免误识别问题。 此外, 针对背景噪声较大时出现光谱预处理过度造成的误识别问题, 利用目标原始光谱反射率均值和得分图综合判别加以校正解决。 通过实验验证, 提出的方法成功解决了表面沾染特征混叠问题、 去除了遥测中光照及其他噪声因素的干扰影响, 避免了误分类, 在典型背景材质棉麻、 化纤布料基底上成功识别分类AP(高氯酸铵)、 CL-20(六硝基六氮杂异伍兹烷)、 NQ(硝基胍)、 RDX(黑索金)、 TATB(三氨基三硝基苯)、 硝娣(工业炸药)、 烟花爆竹等爆炸物粉末单质及混合物, 验证了系统及方法的有效性和可行性, 首次在实验室环境下实现了爆炸物粉末表面沾染遥测成像报警, 有效距离可达数十米, 具备一定应用价值与发展潜力。
近红外光谱 爆炸物粉末 表面沾染 识别分类 NIR Spectra Explosive powder Surface contamination Classification
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 军事科学院系统工程研究院, 北京 100082
传统拉曼光谱分析技术在对容器内未知样品进行检测时极易受到容器壁的荧光和拉曼散射干扰, 其商业应用往往仅限于透明塑料或玻璃包装的情况。 由于光子在介质内部的迁移方向具有随机性, 与表层相比内部深层处产生的拉曼散射光子在扩散过程中更易于横向迁移, 因此偏离激光入射点不同距离的拉曼光谱包含了不同深度层的拉曼光谱信息。 空间偏移拉曼光谱技术通过将拉曼光收集点偏离激光入射点, 能够抑制容器壁的荧光和拉曼散射干扰, 从而实现对有色、 不透明包装内样品的有效检测。 通过设计搭建了空间偏移拉曼光谱实验装置, 实现-1.0~10.0 mm偏移距离的可调节。 使用青色、 不透明的1 mm厚PMMA平板来模拟容器壁, 使用碳酸钙（CaCO3）粉末作为内部待测样品。 分别采用传统方式（零偏移）和空间偏移方式对容器内样品进行测量。 对采集的原始光谱首先进行平均和7阶多项式拟合去除基线（荧光）, 然后以3个最大特征峰的平均值作为光谱强度的评价指标, 对空间偏移拉曼光谱信号随偏移距离的变化规律进行分析, 发现： 随着空间偏移距离的增大, 容器壁的拉曼散射强度快速下降, 而内部样品的拉曼散射强度先上升后缓慢下降； 对于均匀厚度、 各向同性的样品, 变化趋势关于零偏移两侧对称, 此外光束的斜入射会引起轻微的不对称； 在某个偏移距离处样品与容器壁的光谱强度比值达到最大值, 存在最优探测偏移距离, 对于此次样品其最优偏移距离为1.2 mm。 在容器和样品材质未知的情况下, 采用比例相减的方法仍可以得到各层干净的拉曼光谱, 通过对零偏移和最优偏移处的光谱进行计算, 分别得到容器壁和内部样品干净的拉曼光谱, 实现对内部样品的有效检测。 研究结果在一定程度上证明了空间偏移拉曼光谱技术在不透明、 有色容器内样品的检测方面的潜力, 为进一步研究空间偏移拉曼光谱技术及数据处理方法提供基础。
空间偏移拉曼光谱技术 穿透容器检测 光谱解混 无损检测 Spatially offset Raman spectroscopy Penetrating container detection Spectral unmixing Nondestructive testing
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 昆明物理研究所, 云南 昆明 650032
3 国民核生化灾害防护国家重点实验室, 北京 102205
被动遥测红外信号的精确解译, 对远距离、 非接触获取污染云团信息具有重要意义。 然而, 测量过程中的光谱畸变阻碍了这一目的的达成。 针对遥测信号中的谱线畸变问题, 提出了一种利用线形函数模型自适应补偿傅里叶变换红外光谱仪光谱线形函数的方法。 通过对傅里叶变换光谱仪线形函数的成因分析, 结合实际仪器设计参数, 从理想线形函数、 固有线形函数和相位误差三个方面构建线形函数模型; 在此基础上, 以实测畸变光谱与理论仿真光谱的均方误差作为代价函数, 利用迭代优化方法实现了对实际线形函数关键参数进行估算的算法流程; 将重构得到的线形函数应用于理论光谱补偿, 显著减少了理论仿真光谱与实测光谱之间的差异。 分析结果表明, 理想线形函数主要影响谱线展宽及旁瓣幅值; 固有线形函数造成向低频方向的非对称展宽; 而相位误差则会造成谱峰非对称。 必须在理论仿真光谱中综合考虑三种来源线形函数的贡献, 才能有效建立测量光谱和待反演云团参数之间的联系。 实际线形函数畸变参数的获取和补偿应用, 有助于提高红外遥测信号的定量解译水平。
傅里叶变换 线形函数 遥感 红外光谱 Fourier transform ILS Remote sensing Infrared spectrum 光谱学与光谱分析
2019, 39(11): 3321
中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
在开放光路条件下,污染气体与大气成分的光谱特征相互混叠,难以直接对污染气体进行识别。提出了一种自适应特征提取算法,预先生成各种大气条件下的光谱特征,利用Lasso算法进行快速特征优选,选择最优目标/背景组合重构背景光谱,提取目标特征。为了验证所提算法的有效性,开展了不同背景下的甲烷遥测实验、不同相对湿度条件下的氨气遥测实验,以及室内近距离乙烯探测实验。将所提算法与Harig算法进行对比,结果表明:所提算法能更好地扣除背景,具有较强的实用性。
遥感 自适应 Lasso算法 亮温光谱
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230026
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室,安徽 合肥 230031
为研究地物背景的偏振反射特性,综合考虑了镜面反射、体散射和后向散射,建立了一种六参量偏振双向反射分布函数(pBRDF)模型。该模型利用Kubelka-Munk(KM)理论模拟体散射分量,并引入呈高斯分布的后向散射分量,改进了传统的偏振BRDF模型。建立的六参量偏振BRDF模型更加符合地物背景的偏振反射特性。基于多角度偏振测量原理,获得草地和土壤在不同观测几何下的偏振光谱,分析了偏振反射分布特征,并从实测数据中反演了模型参量,将测量值与仿真值进行了对比。结果表明:所建立的六参量偏振BRDF模型的仿真结果与实测数据之间具有很好的吻合性,证实了该模型的准确性与有效性
