1 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
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
为满足海洋水色卫星遥感器在轨定标与真实性检验需求，研制了一套三通道同色散光路、同系统定标、同步观测的水体表观光学特性测量系统（WAOPAS）。WAOPAS的光谱范围覆盖350~900 nm，光谱分辨率优于3 nm，具备自动调节观测几何、自动增益积分时间、数据远程传输和自动预处理功能，可实现全天候无人值守观测。3台传感器采用相同的色散采集单元设计，使WAOPAS具有相同的光谱范围和采样间隔，分辨率最大差异为0.26 nm，保证了光谱测量匹配性。海面辐亮度、天空辐亮度及海面入射辐照度的快速同步多次采集，最小化了天空光变化和海面波动对测量精度的影响。辐亮度与辐照度采用同一定标系统、近同步定标方案，遥感反射比测量不确定度同步降低了0.34%~0.83%（比例系数K=1）。开展了与国际主流测量仪器的户外比对试验，结果验证了所研制系统的测量可行性。
海洋光学 表面之上法 遥感反射比 传感器
耐高温陶瓷作为高熔点材料，具有优异的高温抗烧蚀性能，有可能满足未来抗激光防护的需求。为摸清ZrB2陶瓷涂层抗激光防护性能，采用高功率固体激光器作为测试光源，搭建了激光烧蚀实验平台和激光耦合特性测量系统，重点对ZrB2陶瓷涂层开展了激光烧蚀实验和涂层反射率测试。实验研究了不同激光参数条件下ZrB2涂层抗激光烧蚀性能，以及掺杂相（SiC、MoSi2）的影响。结果表明，相比于未掺杂ZrB2涂层，掺杂后ZrB2涂层抗激光烧蚀能力明显下降。分析认为掺杂相可提高ZrB2涂层抗氧化性能，但不利于发挥氧化生成物ZrO2的高反射和隔热作用，致使抗激光损伤阈值降低。激光损伤前后涂层反射率的测试结果，也证实了ZrO2的高反射率是增强ZrB2涂层抗激光损伤阈值的关键。同时，利用有限元软件建立了连续激光烧蚀下ZrB2陶瓷涂层温度计算模型，并以基底发生熔化为判据，仿真得到了陶瓷涂层典型的抗激光烧蚀阈值参数。
陶瓷涂层 硼化锆 掺杂相 激光烧蚀 反射率 温度 ceramic coating ZrB2 doped phase laser ablation reflectance temperature
1 华南理工大学材料科学与工程学院，广州 510640
2 北方民族大学材料科学与工程学院，银川 750021
采用固相法合成了高近红外(NIR)反射金红石型钛镍黄色料，并以SiO2气凝胶为基体，制备一种网络状NIR反射金红石型钛镍黄/硅气凝胶复合色料，测定了其结构特征和呈色性能，并分析其NIR反射效应和隔热性能。结果表明，添加1% (质量分数)助烧剂NaF所固相合成的金红石型钛镍黄色料呈色性能(b*=54.24)和NIR反射性能优异；所制备的网络状金红石型钛镍黄/硅气凝胶复合色料具有良好呈色性能、低透过率、高NIR反射率(96.60%)和低导热系数[0.068 54 W/(m·K)]，表明其具有优异的隔热性能。此外，还探讨了该复合色料的制备机制和隔热机理。
色料 近红外反射 气凝胶 隔热 pigment near infrared reflectance silica aerogel thermal insulation
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
在基于近红外光谱法的无创血糖测量领域, 受人体皮肤状态波动的影响, 血糖预测模型无法长时间使用, 极大地限制了该方法在临床上的应用。 皮肤血流灌注是与人体生理状态密切相关的参数, 直接影响着皮肤中水分的流动, 它还难以像温度、 压力那样借助外部手段进行控制。 在皮肤光谱的测量中, 血流灌注会通过水分的迁移间接影响真皮层的厚度, 并使得光谱产生较大变化。 借助蒙特卡洛模拟方法仿真了在1 000~1 700 nm波段真皮层厚度变化±30 μm时三层皮肤的漫反射光强、 光子穿透深度与平均光程, 研究了真皮层厚度变化后的光谱变化规律。 对两个光源-探测器距离下的衰减度进行差分, 用于消除真皮层厚度变化的影响, 对1 000~1 700 nm的波长均给出了适宜的差分测量距离。 发现1 200 nm波长附近, 当真皮层厚度变化时, 漫反射衰减度在每个测量距离下的变化都非常小, 因此是较适宜的测量波长。 而对于水的吸收峰1 450 nm附近的波长而言, 漫反射衰减度随着光源-探测器距离的增加而变大, 且在一定范围内急剧变化; 因此, 应避免选择这些光源-探测器距离。 对于常用的血糖测量波长1 200、 1 300及1 600 nm波长而言, 光源-探测器距离可选在小于0.1 cm或大于0.4 cm的范围, 此处漫反射衰减度变化随着光源-探测器距离变化较缓慢, 采用差分处理可较好地消除真皮层厚度变化对光谱的影响。 考虑到不同光源-探测器距离下对应的真皮层光子百分比不同, 可选择主要对应于真皮层的光源-探测器距离, 该工作采取80 %真皮光子百分比为界限。 综上, 综合现有仪器能达到的测量精度水平, 对于1 200、 1 300和1 600 nm波长, 可选择0.03~0.1 cm范围内的两个光源-探测器距离进行差分测量, 可以较好地抑制真皮层厚度变化的影响, 从而有效减小皮肤血流灌注变动的影响。
近红外漫反射光谱法 无创血糖测量 蒙特卡洛模拟 皮肤血流灌注 三层皮肤模型 真皮层厚度 差分测量 Near-infrared diffuse reflectance spectroscopy Non-invasive blood glucose measurement Monte Carlo simulation Cutaneous blood perfusion Three-layered skin model Dermal thickness Differential measurement 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2699
华南农业大学数学与信息学院, 广东 广州 510642
获取物体的光谱反射率是准确再现物体在各种光照条件下真实颜色的关键保证, 这对纺织服装、 出版印刷、 网络电商、 远程医疗等对颜色有较高要求的行业有重要作用。 光谱反射率重建的目的是利用训练样本建立数码相机等通用设备所获取的RGB三色值和光谱反射率高维向量间的映射关系, 从而避免使用分光光度计等专业设备所带来的成本高、 操作复杂、 分辨率低等问题。 训练样本的选择是影响光谱反射率重建算法效果的重要因素。 从物理角度看, 光谱反射率是一条关于波长的光滑曲线, 光谱反射率向量最大的相关性特征就是其光滑性, 因此, 训练样本的选择应同时考虑空间距离和形状的相似性。 针对局部学习方法中局部样本选择问题, 提出一种能同时考虑光谱反射率向量形状相似和空间距离相近的更加有效的训练样本选取方法, 以提高光谱反射率重建的精度。 该方法利用待测样本与训练样本之间的加权欧氏距离与向量夹角距离结合后赋予不同权重作为相似性度量, 根据样本容量动态地选出相似度较高的样本。 实验以孟赛尔半光泽数据集(munsell matte)为样本集, 基于伪逆法进行光谱反射率重建, 以光谱均方根误差和色差为评价指标, 与加权欧氏距离方法从样本选择的有效性和重构精度两方面进行比较。 实验结果表明, 基于改进加权欧氏距离的样本选择, 能够在保证均方误差最小的条件下, 显著降低色度误差, 同时添加不同噪声水平后, 文中方法的均方根误差和平均色差依旧保持最小, 该方法能够更好地利用局部样本的信息, 而且具有较好的抗干扰能力, 可以有效地提高光谱反射率重建的实际应用效果, 进而为颜色的真实再现提供保障。
光谱反射率重建 样本选择 改进加权欧氏距离 Spectral reflectance reconstruction Sample selection Improved weighted Euclidean distance 光谱学与光谱分析
2023, 43(12): 3924
安徽科技学院生命与健康科学学院, 安徽 凤阳 233100安徽科技学院农学院, 安徽 凤阳 233100
品质性状的化学测定操作繁琐且存在破坏性和耗时较长等不足的问题, 光谱测定具有高效、 快速、 成本低等优点, 但测定准确度受到不同仪器以及不同机型的影响。 为了建立和优化快速测定苜蓿样品的粗蛋白（CP）、 粗脂肪（EE）、 酸性洗涤纤维（ADF）和中性洗涤纤维（NDF）近红外漫反射光谱的模型, 更好的测定苜蓿品质性状。 选取了25份苜蓿材料147份试验样品, 采用傅里叶变换近红外光谱技术（NIRS）扫描, 获得扫描光谱范围4 000~10 000 cm-1的光谱值, 软件TQ Analyst v9选用偏最小二乘法（PLS）和OPUS7.0选用定量2方法建立定量模型并优化, 并进一步交叉验证和外部检验评估模型效果。 结果表明利用2种软件建立的模型都能很好的预测CP的含量, 建模决定系数（R2cal）分别达到0.999 9和0.984 8, 交叉验证的均方根误差（RMSECV）分别为2.121和0.471, 外部验证决定系数（R2）都大于0.97, 残留预测偏差（RPD）值大于6.0。 EE应用TQ Analyst v9所建立的模型效果更好, R2cal为0.999 7, RMSECV为1.502, 外部验证的R2为0.9293, RPD值为3.89; ADF和NDF利用OPUS7.0建立的模型效果更好, R2cal分别为0.944 1和0.978 8, RMSECV分别为1.040和0.514, 外部验证的R2依次为0.914 5和0.911 8, RPD值分别为3.66和3.43。 4种品质性状建模效果表明, 相对分子结构相对简单的蛋白质和脂肪, 利用TQ Analyst v9更准确, 而对于分子结构更复杂的纤维素, OPUS7.0的预测效果更好。
苜蓿 近红外反射光谱 营养品质 含量 Alfalfa Near-infrared reflectance spectroscopy Nutrition quality Content 光谱学与光谱分析
2023, 43(12): 3753
1 浙江方圆检测集团股份有限公司, 浙江 杭州 310013
2 浙江科技学院信息与电子工程学院, 浙江 杭州 310023
应用紫外-可见(UV-Vis)漫反射、 拉曼(Raman)与光致发光(PL)光谱就当前市售的大小各异、 金色饱和度深浅不一的珍珠其致色属性予以对比分析。 结果表明: 基于珍珠UV-Vis漫反射光谱特征的差异将金黄色珍珠初分为两种类型: Ⅰ型珍珠其谱图在(360±5) nm处存在吸收带、 在(420±10) nm处存在较弱的吸收峰或肩, 该类珍珠为当前珍珠销售市场较为常见的自身致色珍珠; 除Ⅰ型珍珠外, 将其他金黄色系珍珠归属为Ⅱ型, 其对应的UV-Vis反射光谱主吸收峰可位于340～430 nm区间, 部分Ⅱ型样品在280～600 nm无明显吸收或仅存在较弱的吸收肩。 进一步就Ⅱ型珍珠予以Raman光谱检测, 在激发强度较低时经处理的Ⅱ型黄色珍珠在150～1 000 cm-1区间可产生较强的荧光峰, 且荧光峰的强度明显高于文石约1 086 cm-1处的特征峰。 同时, 上述经处理的Ⅱ型珍珠对应的PL光谱同样表明在500～600 nm区间的荧光强度显著增大。 此外, 部分经处理的珍珠其Raman 或PL光谱中可见与珍珠组成成分无关的特征峰位。 上述珍珠的Raman与PL光谱中出现的异常荧光与外来特征峰可作为珍珠经处理的佐证依据。 课题工作为当前金黄色珍珠颜色的形成属性及仿珍珠的鉴定提供理论与技术支撑, 同时对于Raman光谱在其他类宝玉石、 特别是有机宝石的检测鉴定中具有重要的借鉴意义。
黄色珍珠 天然色 处理色 紫外-可见漫反射光谱 拉曼光谱 光致发光光谱 Yellow pearl Natural-color Treated-color UV-Vis diffuse reflectance spectrum Raman spectroscopy Photoluminescence spectroscopy 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1703
1 中国科学院空天信息创新研究院， 遥感科学国家重点实验室， 北京 100101中国科学院大学， 北京 100049
2 中国科学院大学， 北京 100049
3 中国科学院空天信息创新研究院， 遥感科学国家重点实验室， 北京 100101
不同于传统被动光学传感器， 高光谱激光雷达发射主动式全波段高斯脉冲激光， 和植被叶片表面相互作用后， 不同波段后向散射强度返回至接收器并被记录下来。 以往的高光谱激光雷达植被叶片反射特性研究只聚焦于零度角入射的情况， 对多入射角方向反射光谱特性以及方向反射特性对叶片叶绿素含量估算带来的误差尚未进行过深入研究。 利用实验室研发的32波段高光谱激光雷达获取了不同入射角下的植被叶片反射光谱， 对高信噪比波段下植被叶片的复杂方向反射特性进行了深入分析， 随后选择光谱指数研究了高光谱激光雷达测量条件下植被方向反射特性对叶绿素含量反演的影响。 结果表明， (1)高光谱激光雷达植被叶片回波强度随入射角增大逐渐降低， 但二向反射率因子并不逐渐减小， 在可见光和近红外波段， 二向反射率因子随入射角增大分别呈现出两种不同形状特征， 可见光波段反射率因子最大值出现在0°~10°， 近红外波段最大值出现在60°， 反射率因子最小值均出现在45°处， 最大和最小反射率因子间可差0.1左右， 可见光和近红外波段10°~60°内二向反射率因子均呈现先减小后增大的趋势; (2)通过对不同入射角下光谱指数与叶绿素含量的回归分析发现， 方向反射特性对反演精度有非常大的影响， R2和RMSE并不随着入射角增大统一呈现同步增大或同步减小的趋势， 具体地， R2随入射角的变化趋势是先减小， 再增大， 再减小， 50°左右时最小， 增大发生在60°， RMSE则反之。 对于不同光谱指数， R2随入射角增大变化可达4倍， 波动范围为0.14~0.63， RMSE最大变化为1.5倍左右， 在0.5~0.8 mg·g-1内波动。 R2和RMSE的重大变化揭示了高光谱激光雷达植被叶片方向反射特性对叶绿素含量反演的重要影响。
高光谱激光雷达 后向散射强度 方向反射 二向反射率因子 叶绿素 Hyperspectral LiDAR Backscattered intensity Bi-directional reflection Bi-directional reflectance factor (BRF) Chlorophyll 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1598
Author Affiliations
Abstract
1 Université Paris-Saclay, Institut d’Optique Graduate School, CNRS, Laboratoire Charles Fabry, Palaiseau 91127, France
2 DAMAE Medical, Paris 75013, France
Line-field Confocal Optical Coherence Tomography (LC-OCT) is an imaging modality based on a combination of time-domain optical coherence tomography and reflectance confocal microscopy. LC-OCT provides three-dimensional images of semi-transparent samples with a spatial resolution of ∼1 μm. The technique is primarily applied to in vivo skin imaging. The image contrast in LC-OCT arises from the backscattering of incident light by the sample microstructures, which is determined by the optical scattering properties of the sample, characterized by the scattering coefficient μs and the scattering anisotropy factor g. In biological tissues, the scattering properties are determined by the organization, structure and refractive indexes of the sample. The measurement of these properties using LC-OCT would therefore allow a quantitative characterization of tissues in vivo. We present a method for extracting the two scattering properties μs and g of tissue-mimicking phantoms from 3D LC-OCT images. The method provides the mean values of μs and g over a lateral field of view of 1.2 mm × 0.5 mm (x × y). It can be applied to monolayered and bilayered samples, where it allows extraction of μs and g of each layer. Our approach is based on a calibration using a phantom with known optical scattering properties and on the application of a theoretical model to the intensity depth profiles acquired by LC-OCT. It was experimentally tested against integrating spheres and collimated transmission measurements for a set of monolayered and bilayered scattering phantoms.
Line-field confocal optical coherence tomography Optical coherence tomography Reflectance confocal microscopy Optical properties Scattering Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2023, 19(2): 2023037
