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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。
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    敬告读者——《光谱学与光谱分析》已全文上网

    《光谱学与光谱分析》编辑部
    1378页

    大气湍流对LIF探测海面溢油影响的BRRDF仿真研究

    谢贝贝赵佳伟周炫宇张晓丹...
    1379-1385页
    查看更多>>摘要:及时定位海面溢油事故发生地并监测海面溢油信息对海洋污染治理和海洋生态环境保护有重要意义.激光诱导荧光(LIF)可搭载于无人机构建LIF雷达系统并应用于海洋环境监测.LIF雷达系统以大气为传输信道,大气湍流会导致信号衰落.双向反射再辐射分布函数(BRRDF)利用受激辐射荧光光子的权重、位置和方向描述物质的荧光特性,为LIF探测海面溢油提供理论指导.基于大气湍流理论和蒙特卡罗方法模拟海面溢油的受激辐射荧光过程,建立光子传输模型进行海面溢油BRRDF的仿真研究.仿真分析不同湍流强度下,光强闪烁、光束漂移、光束扩展效应对海面溢油BRRDF的影响.仿真结果表明,海面溢油受激辐射荧光信号具有各向同性,其强度与激发光的强度成正比.光束漂移效应对荧光漂移范围影响微弱,可以忽略;在弱大气湍流下(湍流强度参数σ2R<1),BRRDF所表征的荧光信号强度集中在2×10-5~5×10-5范围内,荧光光斑半径由1 mm扩展至5 mm,LIF雷达系统可以正常进行探测工作;大气湍流强度到达中等后(σ2R≈1),荧光信号强度在10-5~10-4范围内波动,荧光光斑半径扩展至15 mm,此时大气湍流的不利影响无法忽视,LIF雷达系统探测到的荧光信号不够稳定,最终导致光谱不理想.在实际探测中,可通过适当提高探测器性能参数来增强系统的抗湍流能力.强大气湍流下(σ2R=25),出现光斑破裂现象,荧光信号分散并衰落至某一阈值之下,LIF雷达系统无法探测到荧光信号.文中的分析与提出的可行的研究建议,为LIF探测海面溢油相关研究提供参考依据,对LIF雷达系统设计具有一定的参考价值.

    激光诱导荧光双向反射再辐射分布函数海面溢油探测大气湍流蒙特卡罗法

    基于红外光谱与聚类分析法的宁夏产地枸杞子品种鉴别研究

    徐荣敖冬梅徐鑫王占林...
    1386-1391页
    查看更多>>摘要:宁夏枸杞(Lycium barbarum L.)为宁夏传统道地中药材,因其良好的药食两用价值,已引种至甘肃、新疆、青海等省区.因长期引种和改良,宁夏枸杞品种繁多,是影响其质量的重要因素之一.本研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)对宁夏中宁产地的宁杞1号、4号、5号、7号、0909号、10号共6个品种的枸杞子进行测定,一维红外光谱及二阶导数光谱范围均为4 000~650 cm-1,得到图谱后进行图谱解析;采用谱带较密集的指纹区(1 800~650 cm-1)计算红外光谱图的相似系数;然后结合SMICA聚类分析法对不同品种枸杞子的红外指纹图谱进行聚类比较.结果表明,不同品种枸杞子样品的一维红外光谱图较为相似,峰的位置、峰高和峰形都较为接近,其共同吸收峰较多,仅在3 282~3 288、1 239~1 242和1 143~1 147 cm-1附近的吸收峰强度、峰位置、峰形状有所不同,说明不同品种枸杞子中多糖类、苷类、蛋白质类、脂类和黄酮类等成分的种类和含量有所差异.二阶导数光谱中,宁杞1号、4号、7号在2 880 cm-1处吸收峰不明显,0909号在969 cm-1处吸收峰不明显.不同品种枸杞子的相似度范围在0.948 9~0.992 8之间,说明不同品种枸杞子存在一定差异,其中,宁杞7号与其他品种的平均相似度系数最小,为0.964 0,说明其成分特异性最高.0909号与宁杞10号相似系数为0.992 8,相似度最高.采用Assure ID软件以各药材吸收波数为变量进行聚类分析,宁杞1号与其他品种的差异均较小,类间距在2.17~2.97范围内;0909号与其他品种间的差异最大,类间距在2.97~8.06范围内.聚类模型中,不同品种枸杞子的识别率均为100%,仅宁杞1号的拒绝率较低,为66%,易与其他品种枸杞子混淆,0909号的拒绝率和识别率均为100%,最易区分.类模型图中,0909号与宁杞5号、0909号与宁杞7号两两分开,可以明显鉴别出不同品种的样品.采用已知品种的枸杞子对聚类分析模型进行验证,其识别率和拒绝率与聚类分析模型相同.不同品种枸杞子类模型图与一维红外光谱、二阶导数图谱、相似度、类间距、识别率和拒绝率结果相互印证,佐证了宁杞1号为大多数宁杞系列品种的来源品种,而09系列品种0909号与其他品种有较大差异.因此,红外光谱与聚类分析法相结合可以快速、无损地鉴别不同品种枸杞子,对枸杞子药材生产和新品种选育具有一定的指导作用.

    红外光谱法聚类分析法枸杞子不同品种鉴别

    基于高光谱图像技术的高粱品种识别研究

    宋少忠刘园园周紫阳滕星...
    1392-1397页
    查看更多>>摘要:高粱是酿造白酒的重要原料,高粱内的成分对白酒中微量成分含量和品质十分重要,并且高粱品质影响着白酒的质量和风味,因此,无损快速鉴别高粱品种对于提高白酒质量是个迫切需要的重要问题.采用高光谱成像技术结合机器学习算法对高粱品种进行分类鉴别,通过高光谱成像技术,获取了 10个品种高粱的高光谱谱线以及图像纹理数据.采用多元散射校正(MSC)对光谱进行预处理,并用连续投影算法(SPA)筛选出62个特征波段,采用灰度共生矩阵提取高粱的4种纹理特征,分别以高光谱数据和光谱-图像数据融合,采用PLS-DA、SVM、ELM和RF等4种机器学习算法模型对10个高粱品种进行分类识别.结果表明,高光谱经MSC预处理后,用SPA降维提取的高光谱特征波段可以代表全光谱的数据信息,提高了PLS-DA模型识别高粱品种的稳定性.10个品种高梁的分类准确度从67.58%提高到93.85%,识别精度提升了 27%.高光谱数据与图像纹理特征数据融合后,PLS-DA基于模型全光谱和特征谱段的高粱品种分类识别精度分别提升到96.47%和97.16%,相比于单一的高光谱数据更适用于高粱品种分类识别.相比于SVM、ELM和RF三种分类机器学习算法模型结果,PLS-DA机器学习算法模型的高粱品种分类识别精度最好.研究证明了高光谱成像技术结合机器学习算法在高粱品种鉴别中的有效性,可实现快速精确的高粱品质检测.

    高粱高光谱成像机器学习算法品种识别

    油液光谱数据诊断综合传动装置异常磨损定位方法

    徐峰张倩倩季文龙贾然...
    1398-1404页
    查看更多>>摘要:磨损是影响综合传动装置工作可靠性及使用寿命的重要因素之一,当前相关研究中常用的聚类、主成分分析、加权融合等油液光谱数据分析方法,缺乏对特定元素浓度指标异常磨损情况下随时间增长的考虑.为分析综合传动装置不同零部件的磨损状态,提出一种基于油液光谱数据的零部件异常磨损定位分析方法.针对综合传动装置异常磨损过程中部分元素在特定阶段会出现快速增长的情况,提出基于时间窗相关距离的聚类方法,分离表征不同零部件磨损状态的元素;提出磨损元素的磨损趋势分级方法,以高磨损趋势元素为聚类中心,使聚类结果具备可解释性;通过分级系数确定零部件磨损元素权重,融合各零部件磨损元素,获取不同零部件磨损状态表征;通过异常磨损界限值识别异常磨损,实现零部件异常磨损定位.以综合传动装置润滑油液光谱数据为例,检测判断该装置异常磨损的零部件及时间段.检测结果表明:Fe、Cu、Pb三种元素的磨损趋势分级系数最高,携带大量磨损信息,能够有效表征装置的磨损状态;基于时间窗相关距离的有中心聚类方法,成功将油液光谱数据分为Fe、Cu、Pb三类,可用于有效表征整体、摩擦片、齿轮组的磨损状态;基于分级系数的加权融合方法可以有效对该装置的异常磨损部位和时间周期进行检测和判断,为后续的故障预防和维护提供技术指导.

    机械磨损油液光谱数据磨损趋势分级异常磨损定位

    基于太赫兹频谱的绝缘油中微量甲醇无损检测新方法

    何雨欣杨丽君俞华陈奇宇...
    1405-1411页
    查看更多>>摘要:甲醇是油纸绝缘中纤维素老化的特有标志物,目前采用的顶空气相色谱/质谱测试方法过程繁琐,无法实现无损快速检测.现有的拉曼光谱和红外光谱也难以实现低浓度甲醇(mg·L-1级)的感知.利用太赫兹检测技术对极性物质的敏感性,提出了一种实现绝缘油中微量甲醇的无损检测新方法.通过采用克拉玛依25#矿物绝缘油和色谱级别的甲醇配制浓度为99、59.4、19.8、9.9、4.95、2.48、1.24、0.62、0.31和0.15 mg·L-1的含甲醇的绝缘油混合溶液.检测含微量甲醇的绝缘油在太赫兹频段的吸收光谱,发现在1.7 THz左右存在特征峰,其与油中甲醇浓度有较好的定量相关关系,初步在实验室中实现了 0.15 mg·L-1的绝缘油中微量甲醇的测量.基于量子化学计算分析揭示了甲醇与绝缘油之间复杂的分子间力使油与甲醇分子协同振动,是太赫兹频段特征峰的机理.甲醇和绝缘油之间复杂的分子间作用力,使得两种分子在太赫兹频段产生协同振动.同时,随着甲醇浓度的增加,甲醇分子间会形成氢键,更易缔合,减少了甲醇分子与绝缘油分子缔合的比例,从而1.7 THz左右的特征峰增长速度变缓.因此,吸收峰的强度与甲醇浓度存在非线性关系.含微量甲醇的老化绝缘油的太赫兹频谱在1.7 THz左右同样出现了吸收峰,在同一甲醇浓度时,吸收峰的强度随着老化天数的增加而增加,增幅与老化程度存在非线性关系,这可能与不同时期的绝缘油裂解的产物含量有关.聚合物和绝缘油对太赫兹波的低吸收性,有机会实现变压器上绝缘油中低浓度甲醇的快速原位检测.未来将通过进一步增大光程、绝缘油老化产物与甲醇的协同振动机理分析以及自适应大数据信号提取算法来提高测试下限,并排除老化因素的影响,实现全周期绝缘油中甲醇含量的准确无损测量.

    甲醇太赫兹光谱绝缘油指纹识别

    基于激光吸收光谱的CO/CO2/H2S浓度同步在线测量研究

    张学军陈勤根杨展邓琴...
    1412-1416页
    查看更多>>摘要:CO、CO2、H2S是燃煤锅炉炉内气氛重要组成部分,其浓度不仅能够反映燃烧工况,还可作为水冷壁高温腐蚀程度判断依据,因此实现CO、CO2、H2S浓度的准确测量意义重大.首先采用波长调制-直接吸收(WM-DAS)方法结合约40 m长光程Herriott池,在室温低压下,开展不同CO/CO2浓度配比下三种气体吸收率同步测量实验,结果表明三种气体的吸收率测量值与理论计算值相近,相对误差在6.82%以内,测量结果可靠性较高;然后对不同浓度CO/CO2(0~2 000 μL·L-1)、H2S(0~20 μL·L-1)进行动态测量,结果表明,测量系统对三种组分浓度变化的响应具有较好的线性度.

    波长调制-直接吸收光谱CO浓度CO2浓度H2S浓度同步测量

    一种生成对抗网络半监督回归的废纺样品中羊毛含量的预测方法

    胡锦泉杨辉华赵国樑周瑞知...
    1417-1424页
    查看更多>>摘要:针对废旧纺织品回收在线分拣的需求,提出了一种基于生成对抗网络的半监督回归方法,使用少量标记样本和大量未标记样本来训练半监督回归器.半监督回归器由神经网络组成的生成器和由神经网络构成的判别器组成.生成器用于生成尽可能接近实际标记和未标记训练数据集内容的混合样本.鉴别器用于验证生成器生成的样本并预测这些样本的连续标记.生成的网络通过特征匹配损失进行训练,损失函数是鉴别器中间层真实样本的输出与生成样本之间的误差平均值.判别式有两个输出,一个用于预测序列标记,另一个用于确定生成的样本是真样本还是假样本的概率.通过使用传统的无监督生成对抗性网络损失函数和监督回归损失的组合来训练判别式.生成的网络通过特征匹配损失进行训练,损失函数是鉴别器中间层真实样本的输出与生成样本之间的误差平均值.先后收集了 400个不同羊毛含量的混纺样品和3 000个未知成分的混纺样品.70%的标记和未标记的混合样本被随机选择作为训练集,其余30%的标记样本被用作重复实验的测试集.开展了多个实验进行验证.第一个实验为混纺光谱生成实验,用于验证生成对抗网络能够根据内在规律有效生成混合样本光谱.第二个实验为半监督对抗网络定量分析性能对比实验,对羊毛成分分析模型训练与测试,并将本半监督对抗网络定量分析模型与其他定量模型进行性能对比.第三个实验为现场高羊毛含量混纺细分模型预测对比实验,用羊毛含量在80%到99%之间的混纺样品进行成分分析,并将本文的半监督对抗网络定量分析模型与其他定量模型进行性能对比.第四个实验为中高羊毛含量混纺细分综合模型现场预测实验,用羊毛含量在40%到99%之间的混纺样品训练半监督对抗网络定量分析模型并部署在分拣系统,由操作员进行现场测试数据进行准确率、分析时间等测试.实验结果表明,基于生成对抗网络的半监督回归方法优于PCR、PLSR、SVR、BPNN等模型,该模型的预测R2达到0.964.经过现场反复测试,该模型能快速提取出40%以上羊毛含量的混纺样品.

    生成对抗网络废纺回收近红外光谱羊毛含量

    三尺度分解和稀疏表示的红外和可见光图像融合

    冀鲸宇张玉华邢娜王长龙...
    1425-1438页
    查看更多>>摘要:为提高对含噪声源图像的处理效果,以及提高融合图像的对比度、结构信息等,提出一种基于三尺度分解和稀疏表示的红外和可见光图像融合算法.首先,为增强对噪声的去除效果,并且维持源图像的结构和边缘特性,利用滚动引导滤波器对源图像进行分解,将源图像分解为基础层和细节层;其次,为充分利用基础分量中的细节和能量,同时降低模型的复杂性,构造结构一纹理分解模型,将基础层再次分解为基础结构层和基础纹理层.然后分析三个分量的不同特点,使用不同的融合规则对三个分量分别进行融合,针对细节分量,其含有主要的噪声成分,但含噪声程度又不一样,因此根据图像含噪声的程度自适应确定稀疏融合去噪参数,从而同时实现对细节分量的融合和去噪,并且能够有效地提高计算效率;针对基础结构分量,其包含的细节特征较少,直接采用基于视觉显著图的加权平均技术进行预融合;针对基础纹理分量,由于其包含了视觉上重要的信息或图像特征,如边缘、直线和轮廓等活动信息,能够反映出原始基础图像的主要细节,因此采用主成分分析方法进行预融合,最终通过重构细节、基础结构和基础纹理层来得到融合图像.为验证所提方法的有效性,选取了多组红外和可见光图像进行试验,并与近期的五种方法CNN、FPDE、ResNet、IFEVIP、TIF进行了对比,采用主观和客观的形式对结果进行分析.实验结果表明,同其他图像融合算法进行对比分析,该方法能够兼顾含噪声和无噪声图像的融合,在有无噪声的情况下均能够将源图像的细节、亮度和结构保留到融合图像中,而且能有效地消除噪声.

    图像融合噪声图像融合滚动引导滤波三尺度分解稀疏表示

    敦煌戈壁地表反射率光谱的旋翼无人机测量及定标评估

    张勇徐寒列张立军李元...
    1439-1448页
    查看更多>>摘要:利用敦煌中国遥感卫星辐射校正场的星地同步观测试验,实现对我国在轨气象、海洋、陆地资源、环境减灾、测绘地震、高分、军事等系列卫星光学成像载荷太阳反射波段的绝对辐射定标,是目前的重要手段之一.然而,中国遥感卫星辐射校正场传统的地表反射率光谱星地同步测量方法是基于汽车跑场观测,不仅耗费较大的人力物力、容易造成场地破坏,而且获取的测量数据缺乏区域代表性.鉴于此,自2016年起,在敦煌星地同步观测试验中以旋翼无人机低空同步测量为主,跑场测量为辅,完成从航线设计、航高选择、仪器参数配置、采样策略、航空数据处理的全链路摸底测试.多次飞行试验表明,采用多旋翼无人机低空飞行来代替汽车跑场同步测量,不仅提高了地表反射特性测量的空间一致性和代表性,还提高了地表反射率光谱的测量效率,也对宝贵的中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区地表进行了有效保护,极大的节约了人力物力成本.通过传统跑场测量和航飞测量的地表反射率光谱数据对比分析,发现多次测量数据的均值一致性较好,并且航飞测量的数据标准差更小.利用TERRA MODIS的同步观测来对无人机测量数据开展辐射定标评估,结果表明航飞数据的相对偏差均在5%以内,可以代替跑场数据完成定标,精度满足要求.随着无人机性能的进一步优化和提高,在不久的将来必将得到更加广泛和深入的应用,在外场定标试验领域也将发挥更大更重要的作用.

    中国遥感卫星辐射校正场无人机地表反射率在轨绝对辐射定标星地同步观测敦煌戈壁