针对计算鬼成像采样过程中由于外界影响而出现的物体信息缺失问题，将小波分析应用于计算鬼成像系统中，同时在此系统中引入图像融合方法，构建一种基于图像融合的计算鬼成像系统，对此问题进行了仿真模拟与实验研究。并对结果进行了分析，结果显示此系统可以有效恢复待测物体信息、提高成像质量，相较于传统的计算鬼成像系统更加适用于实际应用环境。
鬼成像 小波分析 信息恢复 图像融合 成像系统 激光与光电子学进展
2023, 60(20): 2011001
1 安徽理工大学电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001
2 安徽大学互联网学院, 安徽 合肥 230039
3 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, 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
利用大气本底站监测数据验证了大气红外探测仪 (AIRS) 反演数据 (2003年3月―2021年2月)，在此基础上基于AIRS数据分析了南极臭氧柱总量时空分布以及变化特性，并进而利用线性回归、相关性分析、小波分析等方法，结合平流层温度和海冰数据，分析了南极臭氧柱总量变化特征的影响因素。结果表明：AIRS反演数据与大气本底站监测数据的相关系数均在0.945以上，具有较高的准确度和平稳性。南极臭氧柱总量的时间变化具有很强的周期性，谷值与谷值交替约为12个月。通过小波时-频结合分析发现，南极臭氧柱总量明显存在时间尺度为2、4、6、8～10、13年的周期，其中震荡最剧烈的第一主周期13年又以10年为周期变化，第二主周期6年又以4年为周期变化，2003―2021年内第一主周期经历了2次高-低变化期，第二主周期经历了4次高-低变化期。臭氧柱总量随季节变化明显，春季是南极臭氧柱总量最高的季节，冬季、夏季、秋季依次次之。南极臭氧的空间分布特征差异较大，总体来看纬度越高，臭氧柱总量越低，并在85° S附近达到最低值。南极洲大部分区域平流层温度与臭氧柱总量呈显著正相关，统计结果显示当平流层温度小于189 K时会出现臭氧洞；南极海冰范围与南极臭氧柱总量变化基本一致，两者皆存在2、6～8、12～14年的变化周期，但海冰范围变化要早一个月。
南极 臭氧柱总量 小波分析 平流层温度 海冰范围 Antarctic total ozone column wavelet analysis stratospheric temperature sea ice extent 大气与环境光学学报
2023, 18(3): 201
1 吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130026
2 吉林建筑科技学院 电气信息工程学院，吉林 长春 130114
3 北京智芯微电子科技有限公司，北京 102200
4 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
5 吉林工程技术师范学院 量子信息技术交叉学科研究院，吉林 长春 130052
为了准确测量地震断裂带溢出的痕量CO2气体浓度，文中采用可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术，选取波数4978.202 cm−1作为CO2检测系统的吸收谱线，采用有效光程为40 m的多通池，以STM32作为主控和数据处理核心器件，研制了高精度CO2检测系统。针对系统中的探测器噪声与光学干涉条纹噪声，利用卡尔曼-小波分析算法滤波提升系统性能。实验表明，与滤波前相比，系统在50 ppmv CO2浓度下的二次谐波信噪比提升了2.06倍。在不同CO2浓度下(50、300、1 000、4 000、8 000 ppmv)，系统误差为2.57%~2.66%。系统测量4 000 ppmv浓度下的CO2时检测精密度达到20.9 ppmv。利用Allan方差分析得出，积分时间在约61 s时对应的最低探测下限(MDL)为5.2 ppmv，实现了对CO2气体的高精度测量。结果表明，所设计的高精度CO2系统可以在气体检测领域为预测地震前兆提供良好前景。
痕量CO2 高精度 TDLAS技术 卡尔曼-小波分析 二次谐波 trace amounts of CO2 high precision TDLAS technology Kalman-wavelet analysis second harmonic 红外与激光工程
2023, 52(3): 20210828
针对多普勒测风激光雷达探测大气回波信号微弱和噪声干扰大的问题, 提出了基于小波变换的半软阈值算法。首先, 对基于小波变换的半软阈值算法原理进行分析, 搭建了以马赫-曾德干涉仪作为鉴频器的非相干多普勒测风激光雷达系统; 然后, 采取硬阈值、软阈值和半软阈值3种算法对激光雷达探测回波信号进行实验。实验结果表明: 与其它阈值法相比, 半软阈值的信噪比(SNR)为4.933 5 dB, 均方根差(RMSE)为0.676 2, 去噪效果更优良, 有效地提高了大气风速探测精度。
激光雷达 多普勒测风 小波分析 小波阈值去噪 lidar Doppler wind wavelet analysis wavelet threshold denoising
桂林理工大学环境科学与工程学院, 广西 桂林 541004
低碳化学品火灾事故风险高、 危害极大, 探究低碳化学品火焰光谱特性对探测识别该类火灾危害污染意义重大, 但目前国内外对大型低碳化学品火灾事故产生有毒、 有害的硫化物(SOX)和氮化物(NOX)气体等相关研究较少。 通过搭建1.2~12 μm红外波段火焰光谱测试实验平台, 对二硫化碳、 92#汽油和酒精进行5, 14和20 cm三种不同燃烧尺度火焰光谱测试, 探究火焰燃烧尺度对高温火焰分子辐射光谱的影响。 随着燃烧尺度的增大, 火焰辐射强度增强和特征波段出现增宽现象。 分析5 cm 燃烧尺度下四种典型化学品中液化天然气(LNG)、 丙烯腈、 乙腈和95#汽油不同的火焰光谱特征。 通过用傅里叶变换红外光谱仪测量高温黑体炉的不同温度, 对火焰光谱信号进行辐射定标, 得出准确的辐射定标系数, 从而得到高温火焰分子发射的辐射亮度值。 并且与HITRAN数据库模拟大气压1 atm、 温度1 300 K单一的SO2, H2O, CO2和NO2分子辐射光谱进行对比分析。 其中高温火焰分子光谱主要有7.3~7.6, 8.7和4.0 μm SO2波段、 1.8~2.1和6.4 μm H2O波段和4.2~4.6 μm CO2波段, 以及2.5~2.9 μm H2O和CO2共同波段。 高温NO2气体未达到红外光谱仪的检测限, 通过HITRAN数据库模拟可知6.0~6.4, 3.4和2.4 μm NO2波段。 为了进一步区分各种化学品火焰光谱, 对定标后的火焰光谱信号进行归一化处理, 用db2小波基函数进行6层分解得到高频部分近似系数和低频部分的细节系数, 通过对比不同化学品高温火焰光谱的近似和细节系数的差异。 结果表明, 二硫化碳火焰光谱特征和小波分析的化学品火焰光谱特征, 可作为区分低碳化学品与油料重要依据, 并为后续遥感探测低碳化学品特征污染物、 组分浓度反演以及识别评估其污染危害奠定重要基础。
低碳化学品 红外光谱 辐射特性 辐射定标 小波分析 Low-carbon chemicals Infrared spectrum Radiation characteristics Radiometric calibration Wavelet analysis 
1 哈尔滨工业大学（威海）山东 威海 264200
2 中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室（烟台海岸带研究所），山东 烟台 254003
3 中国科学院海洋大科学研究中心，山东 青岛 266071
4 中国科学院大学，北京 100049
近年来由于塑料的大量使用和排放, 这些塑料经环境作用破碎变成微塑料大量汇聚到海洋中, 导致海洋中聚集大量微塑料。 微塑料形状较小, 难以识别其来源与种类。 激光拉曼探测技术具有快速、 无损、 且各物质指纹峰明显易被精确识别等优点, 近年来被广泛应用。 本文基于拉曼光谱探测技术, 提出了一种结合小波处理、 随机森林算法实现海水中微塑料快速识别的智能分类方法。 针对六种典型的海水微塑料标准样品(丙烯腈(A)-丁二烯(B)-苯乙烯(S)的三元共聚物(ABS)、 聚酰胺(PA)、 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、 聚丙烯(PP)、 聚苯乙烯(PS)、 聚氯乙烯(PVC)), 采用激光拉曼探测技术进行光谱数据收集, 对获取的拉曼光谱采用小波基为DB7、 分解次数为3的小波, 标准差归一化进行了拉曼光谱预处理。 为了提高识别速度, 同时还需要对光谱数据进行数据压缩预处理, 分别进行了数据压缩点为64, 128, 256, 512和1 024点的数据压缩比较, 它们的决策树算法识别精度分别为91.51%, 91.67%, 92.35%, 93.17%和93.21%, 随机森林算法识别精度分别为93.12%, 93.92%, 94.83%, 96.81%和96.81%, 实验结果表明, 微塑料的拉曼光谱压缩为512点时为效率和精度的最佳压缩点, 可以为实际工程应用中微塑料拉曼数据压缩提供参考。 分别采用决策树、 随机森林两种算法进行微塑料拉曼光谱识别研究。 研究结果表明, 基于拉曼光谱数据, 随机森林算法的识别微塑料交叉验证精度高于决策树算法。 为进一步提高识别精度, 进行了模型参数(折次k)优化研究, 采用经过优化后的模型参数(k=20), 随机森林算法识别微塑料的交叉验证精度可以达到97.24%。 可以为实际海水中微塑料的快速识别提供技术参考。
微塑料 激光拉曼 小波分析 决策树 随机森林 Microplastics Laser Raman Wavelet analysis Decision tree Random forest 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2469
1 中国海洋大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
针对海面溢油厚度的探测需求,通过模拟海面环境,采用快照式高光谱相机对不同厚度油膜的反射光谱进行探测;首先根据快照式高光谱相机获得的高光谱图像,计算得到了不同厚度油膜的反射光谱;然后采用小波变换对反射光谱进行分析,再利用Coif5小波基进行离散小波变换得到第9层重构信号的细节系数,用其反映油膜厚度的差异。油膜厚度和细节系数具有良好的线性关系,据此可准确识别大范围溢油事故中不同位置油膜的厚度。快照式高光谱探测方式极大地提高了溢油分析的效率,对溢油灾害的快速发现和实时监测具有参考价值。
光谱学 快照式高光谱相机 溢油探测 小波分析 细节系数 光学学报
2020, 40(17): 1730001
1 新疆大学资源与环境科学学院智慧城市与环境建模自治区普通高校重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830046
2 新疆大学绿洲生态教育部重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830046
3 中亚地理信息开发利用国家测绘地理信息局工程技术研究中心, 新疆 乌鲁木齐 830002
新疆盐渍土地分布广、 面积大, 在这些盐渍土地上生长着多种类型的盐生植物, 它们对改良盐渍土地、 维护生态稳定、 促进生态平衡具有重要的现实意义。 有关研究表明, 许多盐土植物大量吸收钠, 钠与钾都能增加细胞渗透压, 以适应高盐环境, 产生膨压而促进细胞的伸长, 因而对其生长是有益的, 能部分代替钾的功能。 因此掌握盐生植物的钠特征, 有助于了解盐生植物对生态环境的长期适应和响应, 使用高光谱技术实现有效诊断叶片钠特征。 首先, 对实测冠层高光谱数据, 采用离散小波变换（DWT）和db5小波对原始光谱进行9层小波分解, 求取最佳分解层数为5层。 其次, 对光谱数据进行5层db5小波分解, 对分解后的高频分量和低频分量建立了小波植被指数, 筛选出可敏感表征钠离子含量的小波植被指数。 最后, 利用SVR, LS-SVR, PSO-SVR和PSO-LS-SVR模型建立盐生植被钠离子含量的估算模型, 并与由原始光谱构建的光谱植被指数建立的估算模型进行比较。 此外, 引入偏最小二乘回归模型PLSR作为对比, 评价参数优化的支持向量机方法在高光谱技术估测盐生植被叶片钠离子含量的优势。 结果表明： （1）5种模型预测结果表明, PSO能有效优化SVR和LS-SVR模型参数（c, g）, 提高模型精度和预测能力, 优化后的模型具有预测精度高、 泛化能力强以及稳健性能好等特点。 （2）综合小波指数构建的模型是综合多尺度、 多分辨率数据的反演模型, 其能从不同侧面反映植被的信息, 因而综合小波指数构建的4种模型优于单一小波指数构建的模型。 （3）对比两种类型的植被指数反演结果, 单一小波植被指数构建Na+含量的预测模型可取得较好的预测效果, 单一光谱指数估测Na+含量效果不佳, 这是因为小波变换可以减少原始光谱的噪声, 凸显光谱的细节信息, 增强其反演Na+含量的精度； 综合小波植被指数构建的模型精度和预测效果优于综合光谱指数构建的模型, 原始光谱经小波变换后, 可凸显更多的细节信息, 提高高光谱反演叶片Na+含量的能力。
盐生植被 钠离子 高光谱 小波变换 支持向量机 Halophyte Sodium ion HyperSpectral Wavelet analysis Support vector machine
光纤陀螺 (FOG)温度漂移数据常常淹没在各种噪声背景中，直接补偿建模漂移信号十分困难，为了更好地消除混杂在光纤陀螺温漂数据中的噪声，提出了一种经验模态分解(EMD)和提升小波变换(LWT)相结合的 EMD-LWT滤波方法对光纤陀螺输出信号进行预处理。首先对光纤陀螺含噪信号进行 EMD分解，根据信息熵值判断本征模态函数(IMF)的噪声项和混合模态项，然后对噪声项进行 LWT去噪，混合模态项进行小波分析去噪。对某干涉型 FOG进行静态测试获得陀螺漂移数据，本文提出方法与小波变换和提升小波变换滤波方法进行了对比分析。实测数据计算结果表明，本文提出的 EMD-LWT滤波算法具有最好的滤波效果，经处理后重构信号的均方根误差 (RMSE)下降了 63%，有效地滤除了 FOG输出中的噪声。
光纤陀螺 小波分析 滤波 fiber optic gyroscope wavelet analysis EMD-LWT EMD-LWT filtering
