神经网络模型在LED便携式近红外整粒小麦成分测量仪上的建立

采用三层反向传播人工神经网络,在LED便携式近红外整粒小麦成分测量仪上,建立了测定整粒小麦中粗蛋白含量的定量分析模型。给出了LED便携式近红外整粒小麦成分测量仪的结构框图、光路结构图及所采集的整粒小麦样品光谱图。简介了人工神经网络的原理并给出了建模的结果。用人工神经网络建立模型,得到校准集和预测集的相关系数分别为0.90和0.96,相对标准偏差分别为3.77%和4.46%。在所使用的有限个分立波长的测定仪上,由于仪器光路、电路及整粒样品状态的影响,存在着一定的非线性。采用人工神经网络建立的模型,其结果优于线性模型的结果。     

光纤气体传感的双光路相位保持方法

在波长调制法的光谱吸收型气体传感器设计中,通常采用二次谐波检测技术.然而含有气体体积分数信息的被测信号和二倍频参考信号的相位差变化严重影响了二次谐波信号测量结果.采用双光路相位保持设计来解决这一问题,设计包括移相电路和双光路两部分,移相电路由数字电路组成.调整方便,用来消除电路本身固有延时;光路部分通过增加一路不经气室吸收的参考光路,同检测光路组成双光路,保证无论光纤长度如何变化,被测信号和参考信号相位始终相同.在波长调制的基础卜引入双光路相位保持设计后,随被测信号相位0～90.变化,测量结果误差值低于士10%.这种设计提高了系统检测结果的稳定性,实现了恶劣环境中,任意距离任何位置的气体体积分数检测.     

CCD多功能实验仪的设计与应用

介绍了CCD多功能实验仪的设计及其在大学物理实验中的应用．该实验仪主要由光路、硬件电路和软件3 部分组成．光路将待测物理量转化成相应的光信号,再经过硬件电路和软件的一系列处理转换成离散的电压信号,并在计算机上以图形方式显示结果．该测量系统可以完成多个与CCD光电技术相关的实验．     

普朗克常量测定仪的改进

对普朗克常量测定仪的电路部分进行了改造,采用由三端可调稳压器LM317和LM337组成的正负双电源电路,用运算放大器OPA128LM作为电流-电压转换器,电流测量范围可达10-8~10-14A,并总结了在实际电路设计和制作中,提高仪器精度和稳定性的方法.     

电调制非分光红外瓦斯传感系统设计

基于气体红外光谱吸收原理,设计了一款电调制非分光技术的红外瓦斯传感器系统.该系统采用单光路双波长技术,以红外LED光源IRL715、防尘防水的吸收气室和热释电探测器件LIM-262组成光学探头,利用有源滤波和差分放大电路实现信号调理,采用二项式拟合瓦斯浓度-电压关系曲线,实现了对瓦斯浓度的精确探测.实验表明,该传感器能...     

基于光谱技术的土壤有机质快速测定仪的开发

在理论分析的基础上设计开发了一套基于光谱技术的土壤有机质测定仪。测定仪由光学部分和电路部分组成。光学部分包括光源、传导光纤、检测室、样品盒、滤光片以及光电传感器等元器件,主要作用是：把光源的光导入土样表面、收集土壤表面的反射光、滤光、将光信号转换为电信号;电路部分包括放大电路,AD转换电路,液晶显示电路和U盘存储电路。选取三种滤光片对仪器进行了标定实验,三种滤光片的中心波长分别是530 , 765和850 nm,被测土样有烘干土样和风干土样。试验结果表明：当滤光片中心波长为850 nm时烘干土样获得最高测量精度(r2=0.930),在此条件下风干土样预测模型的决定系数为r2=0.711,虽然受水分的影响精度有所降低,但仍可满足田间快速测试的要求。     

光学仪器 光学分析仪器

TH744.412006032749神经网络模型在LED便携式近红外整粒小麦成分测量仪上的建立=Building artificial neural network model onportable NIRintegrity wheat component measuring appara-tus[刊,中]/吉海彦(中国农业大学信息与电气工程学院.北京(100094)),闻明…∥光谱学与光谱分析.—2006,26(1).—57-59采用三层反向传播人工神经网络,在LED便携式近红外整粒小麦成分测量仪上,建立了测定整粒小麦中粗蛋白含量的定量分析模型。给出了LED便携式近红外整粒小麦成分测量仪的结构框图、光路结构图及所采集的整粒小麦样品光谱图。简介了人工…     

45kHz,2kV电光调制电路的设计与应用

根据差分相移量子密钥分发实验对高速电光调制电路的需求,利用固体开关技术和变压器隔离技术,设计出了重复频率为45kHz、输出脉冲电压达到2kV的电光调制电路,该电光调制电路由两部分组成,正负1kV高压脉冲产生电路,其中正1kV高压脉冲的上升沿为50.44ns,下降沿为44.6ns,负1kV高压脉冲下降沿为52.29ns,上升沿为50.44ns。普克尔盒调制电路与光路进行联调,光路的消光比达到23dB,完全满足了消光比为20dB的实验需求。     

基于近红外漫反射测量的便携式土壤有机质测定仪的开发

开发了一款基于近红外漫反射测量的便携式土壤有机质测定仪。测定仪主要由光学单元和电路单元组成。光学单元包括光源、入射和反射光信号传导光纤、光电转换器件等。电路单元包括光源驱动电路,放大电路、A/D转换电路、液晶显示和U盘存储电路等。工作时探头部分插入土壤形成密闭空间,光源发出的光通过入射光纤传送到探头的顶端,并照射顶端周围的土壤;来自土壤的漫反射光沿反射光纤被传送到光电转换器件,产生的电流再被送至电路单元进行放大、滤波、A/D转换、显示和存储。分别针对自然土样和烘干土样的性能试验结果表明,反射率和SOM含量之间具有很高的相关性,在土壤有机质实际含量大于2%时,平均相对误差率低于5%。开发的仪器能够满足农业生产需要。     

Nd:GGG晶体荧光寿命的测试

针对Nd:GGG激光器,介绍了荧光寿命测试原理,设计了低频窄脉宽荧光寿命测试系统.该系统由光源、光路系统、驱动电路和探测系统等几部分组成.利用脉冲取样技术测试了Nd:GGG晶体的荧光寿命约为250μs左右.     

基于叶片及冠层叶绿素参数的冬小麦籽粒蛋白质含量预测研究

小麦籽粒蛋白质含量是衡量小麦营养品质的重要指标,实现小麦品质快速的预测预报对于粮食收购部门和加工企业具有重要意义。研究基于作物叶绿素/氮素速测仪SPAD及Multiplex 3,获取冬小麦不同生育期叶片及冠层叶绿素参数,从小麦个体及群体参量两方面进行冬小麦收获期籽粒蛋白质含量及蛋白产量的预测研究。试验于2012年4—6月在国家精准农业研究示范基地开展,研究结果表明,冬小麦返青至灌浆初期,小麦冠层氮素密度与籽粒蛋白质含量的相关性优于叶片氮素含量与蛋白质含量的相关性,灌浆中期两者与籽粒蛋白质含量相关性差别不大;小麦叶片SPAD值与叶片氮素含量相关性总体优于其与冠层氮素密度的相关性,而叶绿素荧光参数SFR_G, SFR_R与冠层氮素密度的相关性优于其与叶片氮素含量的相关性;叶片SPAD与籽粒蛋白质含量的相关性在拔节期最弱,在灌浆中期最强,小麦冠层叶绿素荧光参数SFR_G, SFR_R与籽粒蛋白质含量相关性在返青至拔节期不显著,但孕穗期开始显著相关,在灌浆中期相关性最强且明显优于同期叶片SPAD与籽粒蛋白质含量的相关性;冬小麦籽粒蛋白产量与叶片SPAD值在小麦孕穗期至灌浆期显著相关,与SFR_G和SFR_R在小麦灌浆期显著相关;研究基于灌浆中期SPAD值及SFR_R值,构建了冬小麦籽粒蛋白质含量及籽粒蛋白产量的预测模型,其中,籽粒蛋白质含量预测模型复相关指数分别为0.426和0.497,模型标准误差分别为0.060%和0.055%,籽粒蛋白产量预测模型复相关指数分别为0.366和0.386,模型标准误差分别为125.367和123.454 kg·ha-1。研究表明,利用叶片SPAD值及冠层叶绿素荧光信息,在小麦收获前进行品质的快速预测是可行的。     

透射式能见度仪LED光源表面特征对能见度测量的影响

从透射仪的光学测量系统出发,理论分析了光学测量系统光源对透射仪探测光束远场光斑特性的影响。结合LED光源的发光原理,研究了LED光源的表面特征,分析了LED光源表面特征与透射仪能见度测量的关系。通过仿真实验证实了光源表面特征对透射仪探测光束准直和能见度测量稳定性产生影响。研究结果表明,LED光源表面特征会影响探测光束远场光斑能量分布,在50 m基线下,使得透射仪探测光束准直中心发生位置偏移25 mm,接收光强最大变化20%,从而影响透射仪发射端对准和能见度测量。通过加扩散片和光阑限制可以明显改善远场光斑特性,远场光斑中心能量分布趋于均匀,在中心区域内接收光强变化在1%以内。     

不同地类春小麦拔节期冠层光谱与叶绿素差异研究

为实现对不同地类春小麦叶绿素含量的无损估测,通过分析春小麦冠层光谱与叶绿素含量的相关性,以及对其红边拐点位置与叶绿素含量做回归分析,分别建立了水浇地和旱地春小麦叶绿素含量估测模型并检验了模型精度。结果表明: (1) 拔节期水浇地和旱地春小麦叶绿素含量差异较大,且前者明显大于后者。虽然各地类春小麦光谱反射率与叶绿素含量均有很好的相关性,但旱地春小麦的相关性在可见光和近红外波段均低于水浇地。(2)在可见光范围,旱地春小麦冠层光谱反射率高于水浇地,而在近红外区则相反。阴坡地由于土壤水分高,春小麦长势较好,冠层光谱特点与水浇地差异不大。(3)建立的不同地类春小麦反射光谱红边拐点位置与叶绿素含量的监测模型表明,水浇地春小麦叶绿素含量的监测可用线性模型,预测精度达94.06%。而旱地则宜用二项式模型,预测精度为97.15%,比其线性模型高10.48%。     

纳米集成光路中的光源、光波导和光增强

使用近场光学显微术(scanning near-field optical microscopy, SNOM)研究了ZnO亚微米线端面出射性质，不同空间形貌Ⅱ-Ⅵ族半导体荧光器件光波导特性，二维光子晶体、准晶光子晶体对LED的出射增强作用以及表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)与半导体纳米荧光器件的相互作用，对纳米集成光路中的光源、光波导、光增强三个重要问题做了实验和理论上的分析.研究发现半导体微纳米线端面出射光束的质量与样品的直径有密切关系.通过合理地设计其直径和     

纳米集成光路中的光源、光波导和光增强

使用近场光学显微术(scanning near-field optical microscopy, SNOM)研究了ZnO亚微米线端面出射性质,不同空间形貌Ⅱ-Ⅵ族半导体荧光器件光波导特性,二维光子晶体、准晶光子晶体对LED的出射增强作用以及表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)与半导体纳米荧光器件的相互作用,对纳米集成光路中的光源、光波导、光增强三个重要问题做了实验和理论上的分析.研究发现半导体微纳米线端面出射光束的质量与样品的直径有密切关系.通过合理地设计其直径和 关键词： 纳米集成光路 扫描近场光学显微术 光波导 光增强     

盐浴复合热处理技术氮化盐研究与测定

盐浴复合热处理技术是一种新型表面处理技术,能增强工件的耐磨性、耐腐蚀性和耐疲劳性,在金属表面处理中得到广泛的应用。氮化盐中氰酸根、氰化物和铁离子的含量对该热处理技术的质量控制十分重要,因此需要准确测定该三成分的含量以保证金属表面处理的质量。针对目前业内所采用的化学滴定法难以满足自动化分析的技术要求,基于分光光度法,采用510,620和697 nm三个不同波长的单色LED光源、耦合光纤、光电二极管搭建了一台半自动氮化盐三参数分析实验装置,实现氰酸根、氰化物和铁离子的快速准确测试。该半自动实验装置除了光路系统外,还有搅拌控制系统、恒温控制系统、数据采集电路系统。氰酸盐检测采用间接检测方法,先通过化学方法把氰酸根转变为铵根,再根据标准GB 7481-1987水质铵的测定-水杨酸分光光度法,通过对铵离子的测定（检测波长697 nm）间接测量氰酸根。氰化物检测依据标准HJ484-2009水质氰化物的测定-异烟酸-巴比妥酸分光光度法（检测波长620 nm）。铁离子含量的检测依据标准HJ345-2007水质铁的测定-邻菲啰啉分光光度法,光谱检测特征波长为510 nm。对LED光源光强稳定性进行了测试,LED光源一开始工作光强即达到稳定值;测试了耦合光纤对LED光源的光谱影响,单色光源通过耦合光纤和单光纤的光谱没有发生变化,只是通过耦合光纤后光强值有所降低;测试了搅拌对LED光源光强稳定性影响,搅拌系统对光学系统没有影响。利用实验装置测量出不同浓度氰酸根标准样品氰酸钾、氰根标准样品氰化钾、铁离子标准样品硫酸亚铁的吸光度,基于朗伯比尔定律,建立氰酸根、氰化物和铁离子标样的拟合曲线,其线性相关度R2分别为0.990 7,0.999 6和0.998 1,线性度高;氰酸根、氰根和铁离子的预测样品均值最大相对误差和最大相对标准偏差RSD分别为4.53%和1.04%,2.29%和0.79%,4.2%和0.7%,说明三样品测试结果准确性高、重复性好;氰酸根、氰根和铁离子的最低检出限LOD分别为0.017,0.009和0.005 mg·L-1。比较了用设计的氮化盐三成分半自动检测装置与传统化学滴定法测得的氮化盐样品中的氰酸根、氰化物和铁离子含量,设计的检测系统测试结果优于传统的化学滴定法,其中测试的氮化盐样品的氰酸根、氰化物和铁离子均值相对误差和相对标准方差RSD分别为4.17%和0.69%,1%和0.58%,4%和0.29%。各项测试结果均达到设计要求,为盐浴复合热处理技术氮化盐三成分半自动分析仪提供了理论和技术支持。论文搭建的氮化盐三成分半自动检测装置的光路系统采用单色LED光源、多进一出耦合光纤对光源分光,实现多参数的快速准确检测,整套光学检测系统无任何活动部件,大大降低了光学检测系统带来的系统误差,保证了测试的准确度和重复性。     

基于 PROSPECT模型的蔬菜叶片叶绿素含量和SPAD值反演

叶绿素含量是衡量植物营养和病虫害发生情况的重要指标。传统的分光光度法对植物叶片破坏性较大且无法实时、快速、无损地获取叶绿素含量。新兴的利用叶绿素仪测量叶绿素相对含量（以下简称SPAD值）的方法不能定量获取实际含量。光学辐射传输模型PROSPECT从生物物理、化学的角度以及能量传输的过程出发,定量描述了叶片色素、水分、结构参数等对叶片反射光谱的影响。因此,提出利用PROSPECT模型同时反演蔬菜叶片叶绿素含量和SPAD值,实时、快速、无损、定量获取植物叶片叶绿素的含量。第一,多次测量三种蔬菜叶片的反射光谱,并用叶绿素仪测量SPAD值。然后,预处理光谱数据,获得平均反射率光谱。第二,以欧式距离为评价函数,利用PROSPECT模型对实测反射率光谱进行拟合。拟合过程中三种蔬菜欧式距离最大为0.008 9,最小为0.006 4,平均为0.007 5,表明该模型能够很好地拟合蔬菜叶片的反射率光谱。第三,根据拟合结果,反演叶绿素含量和透射率光谱,再根据透射率光谱获取叶片在940和650 nm波长处的光透过率,计算叶片的反演SPAD值。第四,建立反演叶绿素含量、反演SPAD值与实测SPAD值的关系模型。结果表明: (1)利用该模型反演得到的叶绿素含量值与实测SPAD值有较好的线性关系, 其关系模型为：y=1.463 3x+16.374 3,两者相关系数为0.927 1,模型的决定系数为0.862,均方根误差为2.11;(2)利用该模型反演得到的SPAD值与实测SPAD值之间线性关系较好,其关系模型为：y=0.986 9x-0.668 3,两者相关系数为0.845 1, 模型的决定系数为0.714 3,均方根误差为3.380 2。研究表明,通过测量植物叶片的反射率光谱,利用PROSPECT模型可以无损、定量地获取蔬菜叶片的叶绿素含量和SPAD值。该方法可推广至其他植物的叶绿素测量和实时监测,为变量施肥、精准种植提供可靠的数据支持。研究结果对蔬菜生长态势的无损监测具有重要的意义。     

应用数码相机进行水稻氮营养诊断

传统的水稻氮营养诊断需要大量的破坏性取样和实验室分析,SPAD叶绿素仪虽然具有较高的精度,但只能测定叶片的很小一部分,需要进行多点的测试,在大面积应用费时费力,时效性和便捷性不足.该文利用田间不同氮水平试验,使用数码相机获取了水稻冠层图像并进行色彩分析,研究了利用可见光遥感技术手段进行水稻冠层的氮营养诊断的可行性,并对表征水稻氮营养状况的可见光光谱诊断指标进行了探索.研究结果表明,数字图像红光值(R)、绿光值(G)和红光标准化值(NRI)与水稻氮营养状况常规诊断指标植株全氮含量、生物量和地上部吸氮量等都旱显著的线性反相关关系,而绿光标准化值则与上述指标呈显著正相关关系.红光标准化值与叶绿素仪SPAD读数相比能更好地表征水稻幼穗期的氮素营养状况,与常规测试指标的相关系数介于0.541～0.780之间.数字图像色彩分析技术具有发展成为新一代作物氮营养诊断手段的潜力.     

基于无人机高光谱遥感的冬小麦全氮含量反演

氮素是作物生长发育必需的营养元素之一,作物的全氮含量是表征其氮素状况的主要指标。田块尺度的冬小麦全氮含量空间分布监测可以辅助其精准定量追肥,减少环境污染。无人机高光谱遥感具有分辨率高、时效性高、成本低等优势,可为作物长势信息反演提供重要数据源。XGBoost（extreme gradient boosting）作为一种新兴集成学习算法,运行效率高,泛化能力强,可以有效的应用于构建冬小麦全氮含量遥感反演模型,预测田块尺度冬小麦全氮含量空间分布。以农业部蒙城砂姜黑土生态环境站内拔节期冬小麦为研究对象,开展以下工作: （1）以低空无人机搭载高光谱成像仪获取冬小麦拔节期冠层成像光谱影像,结合地面采样数据,获取126个样点全氮含量数据;（2）分析拔节期冬小麦冠层光谱特征,并根据Person相关系数分析176个波段的光谱反射率与全氮含量之间的相关性;（3）构建基于XGBoost算法的不同土壤肥力条件下拔节期冬小麦全氮含量无人机高光谱反演模型。结果表明: （1）176个波段（400~1 000 nm）的光谱反射率与冬小麦全氮含量之间具有较强的相关性,除了735.5 nm外其他波段光谱反射率与全氮含量之间的相关系数均大于0.5;（2）基于XGBoost算法构建的拔节期冬小麦全氮含量无人机高光谱遥感反演模型具有较高的反演精度（R2=0.76,RMSE=2.68）;（3）基于XGBoost算法的冬小麦全氮含量反演模型可以获取不同土壤肥力条件下田块尺度的全氮含量空间分布图,总体上呈现较为显著的空间差异。该研究可为冬小麦精准定量追肥提供一定的科学依据,也为发展无人机高光谱遥感的精准农业应用提供了参考。     

基于光谱技术的植物叶绿素浓度无损检测仪器的研制

开发了一种便携式植物叶绿素无损检测仪器,该仪器可实现对叶绿素浓度的实时、快速、无损检测。仪器主要包括4个部分：叶片夹具,光源驱动电路,光电检测及信号调理电路和微控制系统。提出了一种电流可调节的光源恒流驱动电路方案,在实现恒流驱动的同时还可以对驱动电流进行程控。同时提出了一种一体化叶片夹具设计方案,不仅简化了仪器的光学结构,而且提高了仪器稳定性。在仪器的标定实验中,用SPAD-502叶绿素测量仪测定的叶片叶绿素含量SPAD值作为标准值,建立了多元线性标定模型,对仪器的性能进行了评价,叶绿素预测值与标准值的相关系数为0.97,预测均方根误差为1.3 SPAD,仪器重复性的均方根误差为0.1 SPAD。标定实验结果表明,该仪器测量精度高、性能稳定。