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期刊信息/Journal information
光谱学与光谱分析
光谱学与光谱分析

高松

月刊

1000-0593

chngpxygpfx@vip.sina.com

010-62181070

100081

北京市海淀区学院南路76号钢铁研究总院

光谱学与光谱分析/Journal Spectroscopy and Spectral AnalysisCSCD北大核心CSTPCDEISCI
查看更多>>本刊系中国光学学会会刊，由钢铁研究总院、中国科学院物理研究所、北京大学、清华大学联合承办的学术性刊物。刊登主要内容：激光光谱测量、红外、拉曼、紫外、可见光谱、发射光谱、吸收光谱、X-射线荧光光谱、激光显微光谱、光谱化学分析、国内外光谱化学分析最新进展、开创性研究论文、学科发展前沿和最新进展、综合评述、研究简报、问题讨论、书刊评述。本刊适用于冶金、地质、机械、环境保护、国防、天文、医药、农林、化学化工、进出口商检等各领域的科学研究单位、高等院校、光谱仪器制造厂家、从事光谱学与光谱分析的研究人员、高等院校有关专业教师和研究生、有关专业管理干部。《光谱学与光谱分析》为我国首批自然科学核心期刊，中国科协优秀科技期刊，中国科协择优支持基础性、高科技学术期刊，是中国科技论文、中国科学引文数据库、中物理文摘、中国学术期刊文摘的统计源刊，被国外的SCI，AA，CA，EI，MEDLINE，AJ等文献结构收录。
正式出版
收录年代

    灰霉病早期胁迫下花椰菜多酚氧化酶活性的高光谱研究

    王凯薛建新李尧迪张明月...
    534-541页
    查看更多>>摘要：利用高光谱技术实现灰霉病早期胁迫下花椰菜多酚氧化酶(PPO)活性的快速无损检测.为了使预测效果更好,在900～1 700 nm光谱范围内采集253个健康花椰菜样本及257个染病花椰菜样本的光谱信息,并使用分光光度计法对样本中多酚氧化酶活性进行测定.对健康及染病花椰菜样本PPO活性均值进行分析,发现健康花椰菜PPO活性均值(10.257 U·g-1)小于染病花椰菜PPO活性均值(12.324 U·g-1).利用光谱—理化值共生距离(SPXY)算法对样本进行校正集(健康样本193个,染病样本197个)和预测集(健康样本60个,染病样本60个)的划分,对划分后的样本集进行六种单一预处理(卷积平滑算法SG、去趋势算法DT、中值滤波MF、归一化处理NOR、标准正态变量变换SNV、基线校正Baseline).利用相关系数(R)和均方根误差(RMSE)作为模型评价指标,发现预处理能够有效提高模型的精度和稳定性,其中健康样本经NOR预处理后的预测集建模效果最好;染病样本经DT预处理后的预测集建模效果最好.采用连续投影算法(SPA)与回归系数法(RC)提取特征波长,建立PPO活性值的偏最小二乘回归(PLSR)、最小二乘支持向量机(LS-SVM)及BP神经网络三种预测模型,探究不同特征波长提取方法对模型精度的影响,比较不同建模方式对花椰菜PPO活性预测的准确度.结果说明提取特征波长可以优化光谱信息,SPA和RC对两种样本提取的波长个数分别为9,12,7和11,其中SPA优化后的光谱数据对健康样本PPO活性预测效果较好,RC优化后的光谱数据对染病样本PPO活性预测效果较好.对比分析模型效果,发现LS-SVM模型对两种样本和其对应的酶活性产生了很好的拟合效果.最终发现,SPA-LS-SVM模型对于健康花椰菜PPO活性预测效果较好,其预测相关系数(Rp)为0.832,预测均方根误差(RMSEP)为1.676;RC-LS-SVM模型对于染病花椰菜PPO活性预测效果较好,其Rp为0.848,RMSEP为1.156.研究结果表明高光谱技术可以实现灰霉病早期胁迫下花椰菜多酚氧化酶活性的测定,为快速检测花椰菜多酚氧化酶活性及便携式仪器开发提供了科学依据.

    花椰菜灰霉病多酚氧化酶高光谱无损检测

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    本刊声明

    《光谱学与光谱分析》期刊社
    541页
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    拉曼光谱结合WGANGP-ResNet算法鉴别病原菌种类

    孟星志刘亚秋刘丽娜
    542-547页
    查看更多>>摘要：快速准确识别病原菌在防止传染病的传播、帮助对抗抗菌素耐药性和改善病人预后方面起着关键作用.拉曼光谱结合机器学习算法能够简单快捷地对病原菌进行无标记检测.然而,病原菌种类和表型繁多,并且深度学习需要依赖大量样本训练,而收集大批量病原菌拉曼光谱劳神费力,且易受荧光等因素影响.针对上述问题,提出一种基于WGAN-GP数据增强方法和ResNet结合的病原菌拉曼光谱检测模型.采用五种常见眼科病原菌的拉曼光谱.将采集到的原始数据归一化作为ResNet和传统卷积神经网络(1D-CNN)的输入,将经过SG滤波、airPLS基线校正、PCA降维等预处理后的数据作为K近邻(KNN)的输入,对比分析发现ResNet模型效果最优,其分类精度可达96％;搭建Wasserstein生成式对抗网络加梯度惩罚模型(WGAN-GP),生成大量与真实数据相似的高分辨率光谱数据.同时与偏移法、深度卷积生成式对抗神经网络(DCGAN)2种数据增强方法进行比对,证明WGAN-GP的可靠性;为验证生成数据可以丰富数据多样性,进而提高分类精度,将扩充后的数据集重新放入ResNet进行训练,最终WGAN-GP结合ResNet的分类准确率提高到99.3％.结果表明:基于ResNet的分类模型无需复杂数据预处理,在开发效率和分类精度上均有提高;改进的WGAN-GP模型适用于拉曼光谱数据增强,解决了传统数据增强方法生成光谱的有效性与类别准确性不匹配的问题,相比于GAN提高了训练过程的速度和稳定性;利用表面增强拉曼光谱技术(SERS)结合WGANGP-ResNet模型对病原菌拉曼光谱分类,减少了对大量训练数据的需求,有利于快速学习和分析低信噪比的拉曼光谱,并将光谱采集时间缩减到1/10.在临床快速、免培养鉴别病原菌方面具有重要研究意义与应用价值.

    WGAN-GP拉曼光谱病原菌鉴别一维残差网络卷积神经网络

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    第23届全国分子光谱学学术会议和第五届光谱年会暨黄本立院士百岁华诞学术研讨会(第一轮通知)

    中国光学学会中国化学会中国光学会光谱专业委员会厦门大学...
    547,579,600页
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    UAV高光谱影像联合SULOV_XGBoost算法的柑橘果树精细分类方法

    肖斌何宏昌窦世卿范冬林...
    548-557页
    查看更多>>摘要：精准、动态监测经济作物种植信息是农业精细化管理面临的迫切需求.为实现不同果树品种的精细分类,以桂林市六塘默科特柑橘试验基地为研究区,获取机载高光谱影像数据,深度挖掘不同柑橘果树品种的光谱信息,构建多维数据集,提出一种利用SULOV结合极端梯度提升(eXtreme gradient boosting,XG-Boost)算法进行优选特征,并采用XGBoost分类算法进行柑橘果树品种精细分类的方法,最后,与随机森林(random forest,RF)和支持向量机(support vector machine,SVM)的分类结果的精度进行对比分析.结果发现:(1)所提的SULOV结合XGBoost算法(SULOV_XGBoost)柑橘果树精细分类算法能够有效进行特征差距较小场景的果树作物不同品种间的精细分类,算法整体分类效果优于传统的常用机器学习方法(RF与SVM);(2)一阶微分拐点处值与原始波段值的融合特征对提升精细分类精度具有极大作用;另外加入不同波长范围波段组合也能够显著提高柑橘果树精细分类结果;(3)SVM在地物可辨性较高的条件下其分类性能更佳,且抗干扰能力强.研究成果可为同一物种不同品种作物的精细分类提供新的思路和方法,亦可为作物种植信息精准普查、精细化管理以及农业产业结构布局、调整和动态监测等提供参考.

    柑橘果树无人机高光谱SULOV_XGBoost精细分类

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    基于孪生网络模型的岩石光谱自动分类方法

    肖志强贺金鑫陈德博战晔...
    558-562页
    查看更多>>摘要：岩石光谱是岩石物理化学性质、成分和结构的综合体现,如今已经被广泛应用于岩石分类研究中.岩石光谱数据具有高维的特征数量,在样本数量有限的情况下训练时,往往会产生维数灾难现象.由于岩石光谱的数据收集困难,这在产生极大的人力成本的同时也导致收集到的岩石光谱数据往往十分有限.因此如何能够在样本数量较少时,对岩石光谱数据取得较为准确的分类效果成为了如今热门的研究课题.利用辽宁兴城地区的典型岩石光谱数据,基于Python编程语言在训练样本较少的情况下构建了孪生网络分类模型,并以Triplet Loss作为损失函数,实现了 3-way-1-shot分类模型,在测试集上取得了 97.8％的分类准确率.同时使用了决策树、随机森林、支持向量机和K-近邻四种传统机器学习方法在相同训练样本下建立分类模型与之对比,通过绘制学习曲线,验证了这四种传统机器学习方法在小样本的情况下不具备良好的分类功能.由于将原始光谱数据转化为图片数据之后并不会影响孪生网络模型的分类效果,因此可以将岩石光谱分类问题转化为图像分类的问题,进而使用图像分类的方法和手段.实验结果表明,孪生网络模型在岩石光谱样本数量较少的情况下仍然能够取得优秀的分类效果,有效弥补了传统机器学习模型在小样本情况下的不足之处,并且由于其数据的输入是成对的,可以有效减小因训练样本过少而导致的过拟合问题.

    岩石光谱辽宁兴城监督分类小样本学习孪生网络

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    基于非负矩阵分解的中红外地表特性光谱重建方法

    李殷娜李正强郑杨侯伟真...
    563-570页
    查看更多>>摘要：摘 要 在中红外遥感领域,高光谱地表反射率/发射率等地表特性具有极高的应用价值和应用需求,但利用卫星遥感手段难以获取吸收波段的高光谱地表反射/发射特性,且通过光谱重建获取全波段的地表特性方法仍存在很多问题.为解决中红外全波段地表特性光谱重建所面临的难题,基于约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University,JHU)地物波谱库和中分辨率成像光谱仪(MODIS)短波红外和中红外地表多光谱卫星产品,提出了一种利用非负矩阵分解(NMF)重建高光谱地表反射率的方法,对2.5～5.0μm中红外光谱范围内的地表反射/发射率进行光谱重建,重建后的光谱分辨率可达10 nm.首先基于JHU地物波谱库选取4种典型地物类型(土壤、植被、人造材料和岩石),建立地物光谱库样本信息,再利用MODIS传感器光谱响应函数,根据等效计算公式将2.0～5.0μm波段范围反射率结果重采样到10 nm光谱间隔、共301个波段,得到JHU地表反射率光谱数据集.对光谱数据集进行非负矩阵分解处理,提取4条端元向量光谱曲线,结合MODIS短波红外和中红外4个波段(2.13、3.75、3.96和4.05 μm)的全球月均地表反射率/发射率产品,可计算每个像元对应的权重系数向量,从而进行任意波段的光谱重建,得到全球范围内陆地5 km×5 km分辨率的月均地表反射率重建结果.同时为综合评价该光谱重建方法,从光谱数据集中提取MODIS短波红外和中红外4个波段(2.13、3.75、3.96和4.05μm)的子数据集,计算对应的权重系数向量,进行2.0～5.0μm光谱范围内的全波段的反射率光谱重建.重建结果对应的平均绝对误差优于0.01,平均相对误差优于10％,在只有MODIS卫星4个波段数据可用的低秩病态的情况下,可较好地满足光谱重建的精度要求.并且为满足重建结果可视化需求,基于网络地理信息系统(WebGIS)技术,利用Cesium框架,采用浏览器/服务器架构,搭建了二三维一体化可视化系统,将卫星底图、地形数据与光谱重建结果等集成展示,从而进行直观的多因素分析,为卫星产品的展示与验证提供支撑.

    高光谱非负矩阵分解地表反射率光谱重建MODISWebGIS

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    热键合、凹端面及晶体棒直径对Er∶YSGG中红外激光性能的影响

    程毛杰董昆鹏胡伦珍张会丽...
    571-579页
    查看更多>>摘要：对热键合、凹端面及不同直径Er:YSGG晶体棒的中红外激光性能进行了系统对比研究.晶体经高温退火、定向切割、端面精密抛光后,测量得到其平面度和表面粗糙度分别小于0.1 λ@633 nm和0.5 nm.通过精密加工实现了 YSGG与Er∶YSGG室温光胶,然后进行了高温热键合,透过谱表明键合界面基本无损耗,达到了一体化.热焦距结果表明,热键合、凹端面能够有效改善和补偿高功率泵浦条件下晶体的热透镜效应,有利于提高晶体的激光性能.对比未键合、热键合及凹面热键合Er∶YSGG晶体在968 nm LD侧面泵浦条件下的激光性能发现,低频150 Hz以下,键合与凹面并未表现出优势,三种棒的最大输出功率和斜效率分别均在24 W和28％附近;但随重频增加,热效应逐渐加重,键合晶体良好散热能力和凹面热补偿效应使激光性能得到提高.在重频300 Hz下,未键合、热键合及凹面热键合三种棒的最大输出功率分别为15.54,17.85和18.33 W、斜效率分别为16.6％,18.3％和18.4％;重频600 Hz条件下,三种棒的最大输出功率分别为9.4,13.32和13.18 W、斜效率分别为6.7％,8.6％和9％.此外,对比研究了不同直径Er∶YSGG晶体的激光性能,在低于100 Hz的低频下,三种晶体的激光性能接近.但相比于3和4 mm键合凹面棒,直径2 mm棒有大的比表面积,拥有更好的热管理能力,使其在高重频条件下具有更好的激光性能.如在150 Hz条件下,2 mm凹面键合Er∶YSGG晶体棒获得了功率23.82 W、斜效率27.7％的中红外激光输出,大大高于直径3和4 mm棒的18 W和23％.在600 Hz,直径2 mm键合凹面棒中实现了功率13.18 W,斜效率9％的激光输出,相比于直径3和4 mm键合凹面棒的9 W,7％具有较大的改善.测量得到2 mm凹面键合Er∶YSGG晶体棒在150 Hz,200μs条件下的光束质量因子Mx2/My2=6.28/6.30,表明该激光具有良好的光束质量.综上,选择合适晶体棒直径,并将键合与凹面相结合是实现高性能2.79 μm激光的有效方法.

    热键合Er∶YSGG激光晶体凹端面LD侧面泵浦2.79μm中红外激光斜效率光束质量因子

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    基于多标记深度森林算法的冷鲜羊肉新鲜度无损检测方法

    徐子洋姜新华白洁张文婧...
    580-587页
    查看更多>>摘要：羊肉新鲜程度受多种因素影响,其检测一般要从感官性状、分解的理化产物和微生物繁殖程度等方面进行.然而基于单一指标的羊肉新鲜度检测局限性大,适用性低,很难综合评价羊肉新鲜程度,而且传统检测方法操作复杂,效率低,不能满足日常实际需求.高光谱成像技术作为一种快速、无损、高效的检测技术,可以有效地获取冷鲜羊肉腐败过程中表面、内部组成和理化变化信息.提出一种基于改进深度森林算法的冷鲜羊肉新鲜度评价模型,增加特征筛选挖掘与多个评价指标相关的光谱信息,同时增加层增长控制有效防止模型过拟合.采集了 0～14天4 ℃贮藏环境中羊肉样本的400～1 000 nm高光谱数据,采用实验室方法测定了样本的挥发性盐基氮(TVB-N)、pH值、菌落总数(TAC)和大肠菌群近似数(ANC)指标值.选择感兴趣区域提取光谱数据,通过S-G平滑滤波法和多元散射校正法对原始光谱数据进行预处理,利用连续投影法提取了 18个特征波段.将数据集按照3:1划分为训练集和测试集;利用本文提出的改进深度森林算法建立新鲜度等级分类模型.结果表明,新鲜度等级分类总体精度为0.985 7,并利用hamming loss、one-error、ranking loss和marco-AUC四种多标记度量指标评价模型性能,分别为0.025 7、0.014 3、0.014 2和0.998 6,均优于传统多标记分类算法也表明,该多指标新鲜度评价模型可用于羊肉新鲜度的快速无损检测,改善了单一新鲜度检测指标模型分类的局限性,为后续高光谱成像技术的多指标无损检测提供了方法.

    高光谱冷鲜羊肉新鲜度多标记分类深度森林

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    滩羊肉TEAC含量的高光谱快速检测技术

    袁江涛郭佳俊孙有瑞刘贵珊...
    588-593页
    查看更多>>摘要：生育酚当量抗氧化能力(TEAC)是评估肌肉内源抗氧化程度的指标之一,可用于评估亲水化合物的抗氧化活性及清除自由基的能力.为探究快速检测滩羊肉中TEAC的可行性,采用可见近红外(Vis/NIR)高光谱成像技术,建立基于光谱信息融合图像纹理特征(TFS)的TEAC定量预测模型.将不同部位样本集根据3:1的比例随机划分成校正集和预测集,在400～1 000 nm范围内采集反射光谱图像,提取每个样本图像的感兴趣区域(ROI)以获取原始光谱数据;采用中值滤波(MF)、基线校准(Baseline)、卷积平滑(S-G)和多元散射校正(MSC)四种算法对原始光谱中散射及干扰信息进行校正,并建立偏最小二乘回归(PLSR)模型,将光谱数据与TEAC值进行关联.采用间隔随机蛙跳(IRF)、变量组合集群分析(VCPA)、竞争性自适应加权抽样(CARS)和迭代变量子集优化(IVSO)算法提取TEAC浓度的特征波长.采用灰度共生矩阵(GLCM)算法对肉样的主要TFS依次进行提取.基于特征光谱及图谱融合信息建立反向传播人工神经网络(BP-ANN)和最小二乘支持向量机(LSSVM)模型,对滩羊肉中TEAC含量预测并进行对比分析.结果表明,(1)最优预处理为Baseline建立的PLSR模型,其Rc为0.912 1,RMSEC为0.963 5,Rp为0.868 3,RM-SEP为1.277 0;(2)采用IRF、VCPA、CARS和IVSO分别提取出了 71、9、22和39个特征波长,占全光谱的56.8％、7.2％、17.6％和31.2％;(3)基于多元特征提取算法建立的BP-ANN和LSSVM模型,对TEAC含量进行预测时 Baseline-IVSO-LSSVM(Rc=0.913 2,RMSEC=0.962 0,Rp=0.864 6,RMSEP=1.288 3)具有最优预测性能;(4)相比于单一的光谱信息模型,TEAC相关的TFS图谱融合模型IVSO-TF1-BP-ANN显示出更好的效果,其Rp为0.8916,较特征波长数据建模提高了 0.028 6.

    滩羊肉高光谱成像生育酚当量抗氧化能力图谱融合

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