中山大学地球科学与工程学院, 广东 广州 510275
硒(Se)是人体必需的微量元素之一。 人主要通过食用农产品来获取硒, 而农产品中的硒主要来自土壤。 因此, 研究土壤中硒的含量和分布, 对人体健康和农作物生产具有重要的意义。 高光谱遥感技术的发展, 使得高效、 低成本、 大范围估测土壤中硒的含量和分布成为可能。 但是, 土壤中硒的含量对光谱的敏感性较弱, 严重影响了高光谱硒含量定量反演精度。 该研究以广东连州地区富硒土壤为研究对象, 系统采集研究区土壤样品50份, 分析土壤样本硒含量, 同步采集土壤反射光谱数据; 利用 Savitzky-Golay卷积平滑算法、 多元散射校正(MSC)、 对数一阶微分(lg(R)-FD)、 标准正态变量校正(SNV)、 多元散射校正一阶微分(MSC-FD)对原始光谱进行增强处理; 应用稳定竞争自适应重加权采样(sCARS)算法结合皮尔逊相关性分析(PCC)进行特征波段选择; 对比分析偏最小二乘(PLS)、 支持向量机(SVM)和粒子群优化支持向量(PSO-SVM)模型土壤硒含量高光谱定量反演效果。 结果表明： 将sCARS算法应用于光谱增强后的回归模型, 并结合皮尔逊相关性(PCC)选择与土壤硒含量敏感性较大的特征波段, 不仅可以降低土壤硒含量高光谱预测模型复杂度并有效避免大量有用信息的损失, 还能提高高光谱回归模型的反演效率; 对比不同回归模型训练集和预测集的决定系数R2和均方根误差RMSE, 发现支持向量(SVM)模型比偏最小二乘(PLSR)模型预测效果更好, 模型稳定性更高, 且非线性模型更适用于土壤硒含量的预测; 通过粒子群(PSO)算法优化SVM的核函数和正则化参数, SVM模型的反演精度和稳定性都有所提升; MSC-PSO-SVM模型(R2=0.53、 RMSE=0.34)和MSC-FD模型(R2=0.50、 RMSE=0.04)预测效果较为突出。 综上所述： 利用sCARS结合PSO-SVM算法建立土壤硒含量的高光谱定量反演模型, 能够为土壤硒含量的高光谱大面积估测提供新的途径。
高光谱 土壤Se含量 Hyperspectral Soil Se Content sCARS sCARS PSO-SVM PSO-SVM 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3599
中山大学地球科学与工程学院，广东 广州 510275
针对土壤硒含量光谱数据冗余、模型复杂度较高等问题，本研究系统采集含硒土壤若干份，并获取样本硒含量和光谱信息，对原始光谱进行平滑多元散射校正一阶微分（SG-MSC-FD）光谱增强处理，利用稳定性竞争自适应重加权采样（sCARS）等特征提取算法筛选特征波长，建立土壤硒含量的偏最小二乘（PLSR）、支持向量机（SVM）、随机森林（RF）、海鸥优化随机森林（SOA-RF）预测模型，通过对比不同特征筛选下模型的决定系数（R2）、均方根误差（RMSE）和相对分析误差（RPD），寻找最佳的组合模型。结果表明：不同特征筛选下的模型精度均有较大提升，其中变量组合集群分析法结合遗传算法（VCPA-GA）精度最高，sCARS算法提取的变量数最少，仅占全波段的0.49%；RF较SVM和PLSR模型有更好的鲁棒性，SOA-RF模型的参数最佳，极大地提升了模型的反演精度。综上，经VCPA-GA特征提取下的SOA-RF模型是最佳的预测模型（R2=0.92、RMSE为0.08、RPD为2.911），该模型能够实现对土壤硒含量快速、高效反演。
土壤硒 高光谱 特征筛选 海鸥优化算法 随机森林 激光与光电子学进展
2023, 60(17): 1730001
中国农业科学院北京畜牧兽医研究所/畜产品质量安全研究室, 北京 100193
熟度是指牛排烹煮到可食用的程度, 是影响牛排的适口性和消费者满意度的重要因素。 肌原纤维蛋白是肌肉中一类重要的盐溶性结构蛋白群, 其热凝胶特性与肉品品质密切相关。 加热是使生肉变熟的关键工艺, 近年来, 国内外在加热过程对肌原纤维蛋白凝胶特性及其结构变化影响方面开展了广泛的研究, 但在熟度对牛肉蛋白结构影响研究方面却鲜有报道。 为了探究熟度对肌原纤维蛋白结构影响及其变化机理, 在现代红外光谱分析的基础上, 将ATR-FTIR技术与二维相关光谱相结合, 利用红外光谱、 二阶导数光谱和二维相关光谱动态跟踪熟制过程蛋白结构变化规律, 说明蛋白在烹饪过程的主要变化, 为揭示熟度引起的蛋白构象变化机理和西餐牛排烹饪工艺优化提供理论依据。 结果表明, 在1 700~1 500 cm-1波数范围内, 熟度对肌原纤维蛋白特征吸收峰强度影响显著, 从特征峰强度变化趋势可见, 肌原纤维蛋白特征峰强度呈阶段性变化: 第一阶段, 从对照组到一分熟, 特征峰强度下降, 属于加热初期; 第二阶段, 从一分熟到五分熟, 特征峰强度无显著变化, 属于加热中期; 第三阶段, 从五分熟到过熟, 特征峰强度继续减弱, 属于加热后期; 同步谱分析结果表明, 在1 650, 1 640, 1 556和1 540 cm-1附近出现自相关峰, 且自相关峰两两之间的交叉峰均为正交叉峰, 说明这些自相关峰对于熟度变化较为敏感, 且峰强度与蛋白烹饪熟度之间呈正相关; 由自相关峰光谱强度顺序可以看出, 五分熟是蛋白温度敏感区变化的转折点, 在从对照组到五分熟的烹饪过程中, 肌原纤维蛋白的温度敏感重点区域位于酰胺Ⅱ带, 而在从五分熟到过熟的烹饪过程中, 蛋白的温度敏感重点区域位于酰胺Ⅰ带的α-螺旋结构。 得到的这些由熟度变化引起的肌原纤维蛋白分子结构动态变化的微观信息, 可为西餐牛排烹饪工艺过程控制和优化提供理论依据。
熟度 肌原纤维蛋白 衰减全反射傅里叶变换红外光谱 二维红外相关光谱 Degree of doneness Myofibrillar proteins Attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy Two-dimensional infrared correlation spectroscopy 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2082
李中宇 1,2,3,*章羚璇 1,2,3曾超 1,2,3杜书剑 1,2,3[ ... ]张文富 1,2,3
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院西安光学精密机械研究所 中英联合微纳光子学研究中心, 西安 710119
基于硅基光学相控阵, 提出一种结合了相位控制和不同周期光栅发射器的点阵扫描法, 以实现大范围的二维光束扫描.对光束扫描装置进行仿真计算, 结果表明, 仅使用单波长的光源即可实现120°×100°的扫描范围和超过16×400个可分辨点.此光束扫描装置在应用时, 同一时刻仅需要一部分有源器件工作, 降低了相调所需的电能耗.所提方法为实现大范围、低成本和低功耗的二维光束扫描装置提供了一种可能的解决方案, 尤其适用于低成本的固态激光雷达.
光电子学 光学相控阵 光栅 绝缘体上硅 光束扫描 激光雷达 Optoelectronics Optical phased array Grating Silicon-on-insulator Beam steering LiDAR 杜书剑 1,2,3,*章羚璇 1,2,3王国玺 1,2,3李中宇 1,2,3[ ... ]张文富 1,2,3
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 西安光学精密机械研究所 中英微纳光子学联合研究中心, 西安 710119
通过两级定向耦合器结构实现了光学相控阵天线阵列的二维排布, 并设计了特殊C形弯曲波导进行热调作为阵元的相位控制器.提出一种针对阵元数量不高的稀布片上光学相控阵远场高阶干涉栅瓣的压缩方法.将均匀的阵元间距通过爬坡算法优化成非均匀间距, 以破坏栅瓣产生所需的干涉相长条件, 实现对栅瓣的压缩作用.在1 310 nm波长, 通过时域有限差分法对基于微型光栅耦合器天线的稀布阵列进行计算分析, 结果表明优化的阵元间距能实现-6～-7dB的栅瓣抑制比.
硅光子学 相控阵 爬坡算法 光栅 栅瓣 干涉 Silicon photonics Phased array Hill climbing algorithm Gratings Side lobe Interference
本文采用可调谐二极管激光吸收光谱法 (TDLAS)的波长调制技术, 实现气体温度的测量。考虑到 H2O在大气中、工业生产中普遍存在, 我们选用了 H2O作为测量气体温度的载体, 利用 H2O在 1 397 nm附近谱线对, 通过分析二次谐波信号的峰-峰比值与不同温度的关系, 获得温度测量值, 并通过数值拟合, 分析了在 400～1 100℃温度范围内系统测量的温度误差 (<0.113%)。结合现场结构, 该设备能够用于工业生成过程中的温度监测, 设备性能远优于目前使用的仪器, 能够为燃烧锅炉等生产设备提供准确的温度监控数据。
可调谐二极管激光吸收光谱 波长调制光谱 温度测量 H2O谱线 TDLAS wavelength-modulation spectroscopy temperature measurement H2O absorption lines
