1 天津津普利环保科技股份有限公司, 天津 300457
2 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
在港口运输领域, 船舶燃油中硫含量检测一直是海事部门的监管重点。 随着我国港口贸易飞速发展, 一种简单高效的船舶燃油硫含量检测手段对我国海洋环保事业具有重要意义。 现有的检测方法普遍存在时效性差, 应用范围窄等问题, 难以实现船舶尾气的大范围快速遥测。 利用高光谱成像技术实现船舶尾气中CO2和SO2的遥测, 充分发挥高光谱成像技术信息丰富、 检测距离远、 检测范围广等优势, 发展傅里叶变换干涉型高光谱成像技术与高光谱成像三维低秩优化技术, 解决了开放光路下的低浓度检测问题和复杂环境干扰问题, 成功计算出船舶燃油中的硫含量, 为我国船舶燃油中硫含量监测提供有效工具。 研究主要包括: 在天津港东疆码头开展昼、 夜时段固定船舶硫含量检测试验以及随机船舶硫含量检测试验, 采集大量船舶尾气高光谱图像, 建立船舶尾气数据库; 发展针对复杂开放光路气体远距离检测的傅里叶变换干涉型高光谱成像技术, 具有高通量、 高光谱分辨率、 高信噪比等优点, 可以将检测距离扩增至1 200 m, 单次检测用时小于3 s; 设计基于高光谱成像三维低秩优化技术对高光谱数据进行预处理, 以低秩作为约束对高光谱图像进行三维重建, 去除复杂环境对高光谱图像的干扰, 实现高光谱图像信噪比的进一步提升; 利用偏最小二乘法化学计量技术实现SO2和CO2气体浓度的准确解析, 并依据真实大气辐射情况, 建立辐射传输模型, 从而实现对昼、 夜环境下加注高硫油的固定船舶以及随机船舶中的准确识别, 并在高光谱图像中SO2气体浓度过高的部分进行主动标识。 所述技术已在天津港进行了实地应用, 成功检测出Xinchunshun号排放尾气中SO2气体浓度超标, 检测结果与海事部门掌握的数据相符, 验证了基于高光谱成像技术的远程被动测量船舶尾气及燃油中硫含量检测的可行性。
船舶燃油 硫含量检测 远程检测 高光谱成像 Vessel fuel Sulfur content detection Remote sensing Hyperspectral imaging technology 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1697
1 北京农业信息技术研究中心, 北京 100097
2 广东工业大学信息工程学院, 广东 广州 510006
基于可见光谱的农作物病害自动化识别和诊断是一个具有挑战性的研究领域, 但现有基于卷积神经网络进行病害识别的研究往往利用深层网络牺牲模型参数量来提高对单一农作物病害识别的准确率, 从而造成硬件资源的浪费。 为提高农作物病害识别的准确率且避免深层网络的使用, 该研究将注意力机制引入农作物病害识别领域, 提出了一种基于可见光谱和改进注意力机制的浅层农作物病害识别模型, 设计了新的注意力模块SMLP和农作物病害识别模型SMLP_ResNet。 利用卷积层代替全连接层设计参数量较少的残差网络(ResNet), 然后利用SMLP、 归一化结构(Batch Normalization)和残差模块(Res_block)得到改进的残差模块单元(SMLP_Res), 其中SMLP由全局池化和多层感知机组成, 建立各通道间依赖关系。 多层感知机使用三层网络结构, 将全局特征的通道维度提升至两倍, 然后对其通道维度进行两次降维, 恢复至原始维度, 减少了全局特征损失。 SMLP_Res可对通道中的病害特征重校准, 减少对识别任务无效的冗余信息, 最后构建农作物病害识别模型SMLP_ResNet, 在减少模型层数同时提高其识别率。 使用两个不同难度的多种植物和病害混合的公开数据集AI Challenger 2018 和Plant Village验证本文模型。 实验结果表明, SMLP_ResNet模型在18、 50和101层时达到了较高的识别率, 其中SMLP_ResNet18模型效果最佳, 在两个数据集中的病害识别率分别为86.93%和99.32%。 SMLP_ResNet18的准确率不仅高于改进前的ResNet18和SENet18网络, 还高于其他研究者提出的模型的准确率, 且模型权重大小为48.6 MB, 仅约为AlexNet网络权重的五分之一, 能够在模型参数量较小的情况下实现较高的病害识别率。 从Grad-CAM生成的热力图中可看出SMLP_ResNet18相比于其他模型更关注于叶片病害部位的特征, 其背景信息以及叶片健康部位的权值较小。 该研究所提出的SMLP_ResNet18模型实现了浅层网络下的高精度识别, 提高了对叶片病害区域的辨识度, 减少了背景等冗余特征的影响, 适用于面向多种农作物不同病害下的高精度识别。
病害识别 图像分类 注意力机制 残差网络 Disease recognition Image classification Attention Mechanism ResNet 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1572
红外与激光工程
2020, 49(4): 0403009
1 廊坊师范学院物理与电子信息学院, 河北 廊坊 065000
2 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
3 贵州大学物理学院, 贵州 贵阳 550025
对二甲苯(PX)是一种重要的化工原料, 广泛地用于合成聚脂纤维树脂, 是医药和农药用聚合单体, 因此了解对二甲苯分子结构和光谱的外场效应具有十分重要的意义。 为研究外电场对PX分子结构和红外(IR)光谱产生的影响, 本文采用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法在6-311++G(d, p)基组水平上优化了不同外电场(0～0.030 a.u., 0～1.542×1010 V·m-1)作用下PX分子的基态几何结构, 在此基础上利用同样的方法计算了PX分子在不同电场下的振动频率, 得到了分子的IR光谱, 最后对PX的分子结构和IR光谱受外电场作用的的影响规律进行了研究。 结果表明: 频率497 cm-1的吸收峰为苯环上的C1-H7和C2-H8的面外摇摆振动, 812 cm-1的吸收峰是苯环上的C4-H9和C5-H10的面外摇摆振动, 1 547 cm-1为苯环上的C1-H7和C2-H8的面内弯曲振动, 3 017 cm-1为甲基上的C11-H14和C15-H17的伸缩振动所产生, 3 164 cm-1为苯环上的C4-H9和C5-H10的伸缩振动所产生; 外电场与分子内电场的叠加效应使得R(4, 9), R(5, 10), R(11, 14)和R(15, 17)等的键长随着外电场的增强急剧增长, 而R(1, 7), R(2, 8), R(11, 12) 和R(15, 16)等随着外电场的增强变化不明显; 随着R(4, 9)和R(5, 10)的增加, 吸收峰Ⅱ和Ⅴ出现了明显的红移, 它们的频率分别减少了133和140 cm-1, 峰Ⅳ在外电场较弱时频率增加, 而当外电场较强时频率又开始减小, 峰Ⅰ和Ⅲ的频率变化不明显。 总之, 在外电场的作用下, 分子结构变化剧烈, 红外光谱吸收峰出现了红移或蓝移, 伴随着吸收峰的移动, 分子的摩尔收系数ε也进行了重新分配, 分子的振动斯塔克效应(VSE)明显。
红外光谱 外电场 振动斯塔克效应 Para-xylene para-xylene Infrared spectra Density functional theory External electric field 光谱学与光谱分析
2018, 38(12): 3659
天津大学 精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
细胞是生命体的基本单位和功能单位, 对活细胞内部结构及其功能的研究是了解掌握生命本质的基础之一, 因此活细胞的实时观测对生命科学的发展具有重要意义。传统的光学显微技术受衍射极限的限制, 无法观测200 nm以下的生物结构细节。近20年来, 随着超衍射极限光学理论、技术、器件和荧光探针等方面的快速发展, 超分辨显微成像技术已成为应用于生命科学研究的重要手段。然而, 大多数超分辨显微方法或测量耗时长, 或易引起荧光蛋白漂白/细胞损伤, 在活细胞研究中受到极大限制, 已成为超分辨显微领域重点攻关的方向之一。为此, 文中结合作者在快速超分辨显微技术研究的基础上, 介绍了基于单分子成像的光激活定位显微技术和随机光学重构显微技术、基于荧光非线性可饱和光转换的受激发射显微技术以及基于结构光照明的超分辨显微技术, 并探讨了在活细胞成像中的发展应用。最后, 文中展望了超分辨显微成像技术在活细胞成像中的未来发展趋势。
超分辨显微技术 单分子定位显微技术 受激发射损耗显微技术 结构光照明显微技术 super-resolution microscopy single molecule localization microscopy stimulated emission depletion microscopy structured illumination microscopy 红外与激光工程
2017, 46(11): 1103002
中国工程物理研究院 应用电子学研究所，绵阳 621900
为了研究Yb∶YAG薄片激光器的性能，采用16通抽运耦合、微通道冷却的方法，对薄片的优化厚度、热力学特性和激光性能等进行了理论分析，利用直径10mm、厚度为250μm、掺杂原子数分数为0.1的Yb∶YAG薄片进行了实验验证，抽运耦合系统实现了对薄片的16通抽运，在抽运功率为81.9W时，获得了平均功率为24.4W的激光输出，光光转换效率达到了29.8％。结果表明，多通抽运微通道冷却Yb∶YAG激光器可以获得较高的光光转换效率。
激光器 薄片参量优化 微通道冷却器 性能估算 lasers thin disk parameter optimization micro-channel cooler performance evaluation
