基于低空成像高光谱系统探测植被日光诱导叶绿素荧光

植被叶绿素荧光与光合作用关系密切,被认为是光合作用的有效探针。该研究利用成像高光谱传感器和无人飞艇构建了一套适用于低空叶绿素荧光探测的系统。针对低空叶绿素荧光探测中,太阳下行辐射光谱难以获取的情况,基于已有的aFLD方法,提出一种新的叶绿素荧光提取方法a3FLD,该方法利用了非荧光发射体,且考虑植被反射率在夫琅和费线附近的变化。通过模拟数据以及实测数据对两种提取结果进行了比较。模拟数据分析结果显示：当地物的反射率在夫琅和费线附近存在一定的变化时,a3FLD计算得到的荧光值误差小于aFLD,地物反射率变化越大,a3FLD的改进越明显。对低空高光谱影像数据的分析显示：aFLD和a3FLD提取不同植被的日光诱导叶绿素荧光相对大小关系相一致,与作物所处的生长阶段吻合。但aFLD荧光提取值比a3FLD高15%左右。aFLD的结果中有部分非荧光发射体得到较强荧光,a3FLD能改进此问题。结果显示,利用该系统和方法能够成功地提取到植被叶绿素荧光,且所提出a3FLD方法提取的结果优于aFLD方法。     

基于近地面高光谱影像的冬小麦日光诱导叶绿素荧光提取与分析

结合FluorMOD模型模拟数据与利用光谱分辨率3.3 nm、光谱采样间隔为0.71~0.74 nm近地面成像高光谱系统获取的抽穗期小麦高光谱影像比较3种基于夫琅和费线暗线的提取方法(FLD,3FLD和iFLD)的精确性和稳定性。结果表明当光谱分辨率为3.3 nm时,在760 nm附近的O₂-A波段可以有效提取日光诱导叶绿素荧光,而在687 nm附近的O₂-B波段不适合。当存在噪声时,FLD和3FLD的稳定性高于iFLD,FLD倾向于高估荧光值。     

日光诱导叶绿素荧光与反射率光谱数据监测小麦条锈病严重度的对比分析

小麦条锈病是影响我国小麦产量的主要病害之一,在小麦受到条锈病菌侵染初期探测到病害信息,对小麦条锈病的防控以及产量和品质的提高具有更为重要的意义。反射率光谱主要反映植被生化组分的浓度信息,而日光诱导叶绿素荧光则对植物光合生理变化响应灵敏。为了更好地实现小麦条锈病病情严重度的遥感探测,尤其是条锈病的早期探测,对日光诱导叶绿素荧光和反射率光谱数据监测小麦条锈病病情严重度的敏感性进行了对比分析。首先利用地物光谱仪测定了不同病情严重度的小麦冠层光谱数据,基于夫琅和费暗线原理利用3FLD(three-band Fraunhofer Line Discrimination)方法提取了小麦条锈病不同病情严重度下的日光诱导叶绿素荧光数据,然后分别利用反射率光谱数据和日光诱导叶绿素荧光数据构建小麦条锈病不同发病状态下的遥感探测模型,并通过保留样本交叉检验方式对预测模型精度进行了评价。结果表明：（1）当小麦条锈病病情指数低于20%时,日光诱导叶绿素荧光对小麦条锈病病害信息的响应比反射率光谱数据更为敏感,以日光诱导叶绿素荧光为自变量构建的小麦条锈病病情严重度预测模型达到了极显著性水平,能够在植被叶绿素含量或叶面积指数发生变化之前探测到植物的胁迫状态,实现作物病害的早期诊断,而反射率光谱数据则难以探测到条锈病病害信息;（2）在小麦条锈病病情严重度处于中度发病(20%＜DI≤45%)状态时,虽然日光诱导叶绿素荧光和反射率光谱数据均能实现小麦条锈病病情严重度的遥感探测,但利用日光诱导叶绿素荧光数据构建的预测模型优于反射率光谱数据;（3）当小麦条锈病病情严重度达到重度水平(DI＞45%)时,利用反射率光谱数据和日光诱导叶绿素荧光数据构建的小麦条锈病病情严重度预测模型均达到了极显著性水平,两种数据均能够较好地实现小麦条锈病病情严重度的遥感探测。该研究结果对提高小麦条锈病的遥感探测精度具有重要的意义,为利用TanSat等卫星的荧光数据进行小麦条锈病的早期探测提供了参考依据。     

小麦叶片胁迫状态下的高光谱图像特征分析研究

作物在遭受各种胁迫下的长势及健康诊断是精细农业操作的重要环节.高光谱成像技术具有图谱合一的优势,已成为近年来国内外研究的热点.本文以叶片尺度的小麦为研究对象,利用自主研发的成像光谱仪,采集遭受养分、病虫害胁迫的小麦叶片高光谱图像,利用逐像素平均法增强光谱特征,根据反射率差异进行分析研究.结果表明,提取的高光谱能够反映不...     

新型铜胁迫植被指数NCSVI探索铜污染下玉米叶片光谱敏感区间

目前我国土壤重金属污染日趋严重,高光谱遥感因具有光谱分辨率高、图谱合一等特点成为农作物重金属污染研究的热点.农作物受重金属污染后其光谱会发生细微的改变,如何探寻叶片光谱中对重金属污染敏感的波段是目前的一种研究方向.提出了一种新型铜胁迫植被指数(NCSVI)来探索铜胁迫下玉米光谱敏感区间.通过设计不同梯度下的玉米铜胁迫实...     

重金属铅离子胁迫下玉米叶片光谱弱差信息的DSAT甄别模型

光谱间微弱信息测度是当今高光谱遥感研究难点之一,传统光谱测度方法难以区分光谱信息的微弱差异。研究设计了不同浓度的铅(Pb)污染实验,并测量了不同浓度铅离子(Pb2+)胁迫下玉米叶片的高光谱反射率、叶绿素含量及Pb2+含量,但是从所测结果得出,不同浓度Pb2+胁迫下的光谱相似性相关系数均达到0.999,难以区分不同浓度Pb2+胁迫引发的光谱间微弱信息差异和污染程度。针对这一情况,基于光谱微分处理、正切函数增强、光谱角量度与波谱分段检测等,提出了一种新型的相似光谱测度方法,即微分光谱角正切(derivative spectral angle tangent,DSAT)法。为了验证DSAT在区分相关系数达0.99以上相似光谱的可行性和有效性,将DSAT用于不同浓度Pb2+胁迫玉米叶片的整体波形与光谱区间子波形的信息差异性度量与检测。实验结果得到,波形差异信息与玉米叶片中叶绿素相对浓度与Pb2+含量显著相关。进而也证明DSAT法在甄别较高相似性光谱间差异上具有更好的实用性和优越性。     

叶绿体不同浓度下光诱导延迟荧光光谱研究

针对《光子学报》文献［1］中实验结果与已有报道相关光谱特征的显著差异,利用多种光谱学手段对不同浓度下叶绿体延迟荧光行进了研究.实验结果表明：PSⅠ反应中心叶绿素P700对PSⅡ所发685 nm成份的吸收随叶绿体浓度的增加而增强,从而导致PSⅠ发出的730 nm成份增强,而使得延迟荧光光谱中730 nm成为主峰,甚至685 nm成份的消失.该研究结果表明：叶绿体延迟荧光光谱中730 nm成份,是由PSⅠ作用中心叶绿素P700对PSⅡ中所发685 nm成份延迟荧光的重吸收,产生激发态所发出的荧光.该结论有助于延迟荧光光谱中各成份产生机理的进一步研究.     

鲜牛奶变质过程的激光诱导荧光光谱研究

本文用激光诱导荧光（LIF）方法对鲜牛奶和酸牛奶变质过程进行了荧光光谱研究,介绍了所用测试系统的组成及测试方法,给出了变质过程荧光谱,并对测试结果进行了分析,研究表明,变质过程与荧光光谱之间存在密切联系。     

铜铅胁迫下玉米叶片弱光谱信息的LD-CR-SIDSCAtan探测模型

农作物在受到重金属污染以后,会破坏本身的组织细胞结构和叶绿素含量,从而影响农作物的新陈代谢和健康状况。人和动物如果食用了污染的农作物以后,会有致命的伤害。高光谱遥感目前被广泛应用于监测农作物受重金属污染的程度。重金属污染下的农作物叶片的光谱变化很微小,传统的监测方法和常规的光谱特征参数很难将光谱之间的微弱差异区别开,目前高光谱遥感应用是研究的重点和难点。通过设置不同浓度的Cu2+和Pb2+胁迫下玉米盆栽实验,采集玉米叶片的光谱数据、叶绿素的相对含量以及重金属Cu2+和Pb2+的相对含量。提出了包络线去除(CR)、光谱相关角(SCA)、光谱信息散度(SID)以及正切函数(Tan)和兰氏距离(LD)相结合的LD-CR-SIDSCA_tan模型,将其与传统的光谱测度方法,如光谱相关系数(SCC)、光谱角(SA)、光谱角正切(DSA)、光谱信息散度-光谱相关角正切(SIDSAM_tan)、光谱信息散度-光谱梯度角正切(SIDSGA_tan)和常规的光谱特征参数,如红边最大值(MR)、绿峰高度(GH)、红边一阶微分包围面积(FAR)、红边一阶微分曲线陡峭度(FCDR)、蓝边(DB)、红谷吸收深度(RD)相比较,验证了该模型的优越性和可行性。并且将LD-CR-SIDSCA_tan模型应用于不同浓度下Cu2+和Pb2+胁迫的玉米叶片的整体波形和子波段的光谱差异信息的测度上。结果表明,LD-CR-SIDSCA_tan模型实现了重金属Cu2+和Pb2+污染的定性分析,能够测度光谱相关系数达到0.99以上的相似光谱之间的差异信息,波形差异信息与叶片测得的叶绿素相对含量和重金属Cu2+和Pb2+相对含量显著相关,也分别找到了重金属Cu2+和Pb2+胁迫下的光谱响应波段。在测度光谱数据的整个波段区间范围,模型值为负值时的光谱差异要比模型值为正值更加明显;在模型值为正值时,如果数值越大,光谱的差异性也越大。因此,随着重金属Cu2+和Pb2+浓度的增加,光谱的差异增大,意味着重金属Cu2+和Pb2+污染程度更为严重;玉米植株受到重金属Cu2+胁迫污染,在测度光谱数据的局部子波段区间范围时,“蓝边”、“红边”、“近谷”、“近峰B”处对重金属Cu2+胁迫污染响应特别的敏感,可以作为监测重金属Cu2+污染程度的有效波段;当玉米植株受到重金属Pb2+胁迫污染时,在“紫谷”、“蓝边”、“黄边”、“红谷”、“红边”、“近峰A” 处对重金属Pb2+胁迫污染响应特别的敏感,可以作为监测重金属Pb2+污染程度的有效波段。最后通过LD-CR-SIDSCA_tan模型的应用结果与玉米叶片中Cu2+和Pb2+含量进行线性拟合分析,从而反演和预测了重金属Cu2+和Pb2+对玉米植株的污染程度。     

水体痕量重金属Ni的激光诱导击穿光谱测量研究

以1 064nm波长Nd∶YAG脉冲激光为激发光源,采用高分辨率、宽光谱段的中阶梯光栅光谱仪和ICCD为谱线分离与探测器件,实验研究了水体中痕量镍元素的激光诱导等离子体光谱发射特性和检测限;为了延长水体中金属元素的激光等离子体光谱发射时间、提高光谱检测灵敏度并减小ns激光作用下水滴溅射的影响,实验中以固体圆饼状石墨块为样品基体进行元素富集,通过在基体表面固定区域滴定固定量的已知不同浓度的硝酸镍溶液,烘干并制备待测样品。研究表明,镍的最佳探测延迟时间在700ns左右,元素谱线强度随着样品浓度的增加而增大并在较低浓度下呈现良好的线性关系,计算得到水体中Ni元素的痕量检测限为0.28,研究结果为进一步开展水体痕量重金属的激光诱导击穿光谱测量提供了方法。     

A review on the methods for correcting the fluorescence inner-filter effect of fluorescence spectrum

Fluorescence spectroscopy is frequently used to analyze the concentration of fluorescent materials in solution. However, in conventional fluorescence spectroscopy, the response between the fluorescence intensity and fluorophore concentration is nonlinear at high concentrations due to uncompensated inner-filter effects (IFE). Many methods to resolve this problem have been developed in recent decades. This review introduces the methods used to correct the IFE, including direct correction and parameter correction. Relevant detection parameters, including the materials, matrices, detection limits, detection instruments and relative standard deviations, are tabulated. The advantages and limitations of these correction techniques are also discussed. Finally, the methods used to correct for the IFE are summarized, and future research directions are discussed.     

像增强器的荧光屏亮度均匀性测试的校正法研究

像增强器荧光屏亮度均匀性参数是判断其性能好坏的一个重要技术指标。设计了一种测试系统来测试它的亮度均匀性参数。该系统利用标定过的具有均匀亮度的荧光屏(裸屏),以标准像增强器的图像作为标准来校正面源电子枪。由于校正后的面源电子枪仍然存在误差,所以具有均匀亮度的荧光屏(裸屏)的图像不可能是完全均匀的,呈现边缘暗中间亮。分析其图像的亮度曲线,建立校正函数,改变校正函数中的调节系数,直到计算机上显示出图像均匀为止,这时可得出系数确定的校正函数。首先利用校正后的电子枪轰击待测荧光屏,采集其图像,以确定的校正函数对其进行修正,然后观察由计算机显示出的图像是否均匀,从而判断待测荧光屏的均匀性。     

A robust method for automated background subtraction of tissue fluorescence

This paper introduces a new robust method for the removal of background tissue fluorescence from Raman spectra. Raman spectra consist of noise, fluorescence and Raman scattering. In order to extract the Raman scattering, both noise and background fluorescence must be removed, ideally without human intervention and preserving the original data. We describe the rationale behind our robust background subtraction method, determine the parameters of the method and validate it using a Raman phantom against other methods currently used. We also statistically compare the methods using the residual mean square (RMS) with a fluorescence‐to‐signal (F/S) ratio ranging from 0.1 to 1000. The method, ‘adaptive minmax’, chooses the subtraction method based on the F/S ratio. It uses multiple fits of different orders to maximize each polynomial fit. The results show that the adaptive minmax method was significantly better than any single polynomial fit across all F/S ratios. This method can be implemented as part of a modular automated real‐time diagnostic in vivo Raman system. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

三维荧光光谱及平行因子分析在石油类污染物检测分析中的应用

以三维荧光光谱技术结合平行因子分析算法研究了石油类污染物识别与浓度测量方法,重点分析了两种以上成品油共存时对测量的影响。以0#柴油、97#汽油与煤油的CCl4溶液为测量样本,通过两种或三种油不同配比的混合溶液来模拟多种石油类污染物共存的状态,研究平行因子分析方法在复杂混合物共存体系成分分析时的特点。实验分别针对汽柴油混合溶液、柴煤油混合溶液以及存在少量煤油干扰成分的汽柴油溶液,分解得到各溶质的激发与发射特征光谱,实现了各混合样品中主要成分含量的同时测量,计算了平均回收率。结果表明,该方法能够实现石油类污染物中共存成分的识别与浓度测量。     

A shifted‐excitation Raman difference spectroscopy (SERDS) evaluation strategy for the efficient isolation of Raman spectra from extreme fluorescence interference

A biochemical characterization of pathologies in biological tissue can be provided by Raman spectroscopy. Often, the raw spectrum is severely affected by fluorescence interference. We report and compare various spectra‐processing approaches required for the purification of Raman spectra from heavily fluorescence‐interfered raw spectra according to the shifted‐excitation Raman difference spectroscopy method. These approaches cover the entire spectra‐processing chain from the raw spectra to the purified Raman spectra. In detail, we compared (1) area normalization versus z‐score normalization, (2) direct reconstruction of the difference spectra versus reconstruction of zero‐centered difference spectra and (3) collective baseline correction of the reconstructed spectra versus piecewise baseline correction of the reconstructed spectra and, finally, (4) analyzed the influence of the shift of the excitation wavelength on the quality of the reconstructed spectra. Statistical analysis of the spectra showed that – in our experiments – the best results were obtained for the z‐score normalization before subtraction of the normalized spectra, followed by zero‐centering of the difference spectra before reconstruction and a piecewise baseline correction of the pure Raman spectra. With our equipment, a wavelength shift from 784 to 785 nm provided reconstructed spectra of best quality. The analyzed specimens were different tissue types of pigs, tissue from the oral cavity of humans and a model solution of dye dissolved in ethanol. © 2015 The Authors. Journal of Raman Spectroscopy published by John Wiley & Sons Ltd.     

A novel method for extracting oscillator strength of select rare-earth ion optical transitions in nanostructured dielectric materials

A new technique to obtain the oscillator strength of select rare-earth optical transitions in nanostructured dielectric materials (nanophosphors) is presented. It is based on the experimentally observed nanophosphor lifetime dependence on the embedding medium. A constant oscillator strength and parity-allowed electric dipole transitions of the RE ion emission are assumed. The oscillator strength is obtained from the slope of the 1/τ_ij vs. n(n²+2)² plot, where τ_ij is the radiative lifetime of transition between states i and j, and n is the index of refraction of the embedding medium. The use of the technique is illustrated for the Y ₂SiO₅:Ce nanophosphor.     

三维荧光光谱-小波变换-粒子群算法联用快速识别测定浮游藻群落组成方法的研究

利用三维荧光光谱(EEMs)技术测定了实验室培养的分属5个门13个属的17种中国近海常见赤潮藻的荧光性质,通过db7二维小波变换提取赤潮藻三维荧光光谱的特征参量,采用系统聚类法构建荧光特征标准谱库,并利用多元线性回归辅以粒子群算法进行参数估计建立识别技术,实现了赤潮藻在门、属水平上的识别测定。测定样品中:赤潮藻纯种培养体在门、属水平上的平均识别正确率分别为96.1%和73.6%;对于优势度分别为60%,75%,80%,90%的赤潮藻模拟混合样品,优势藻在门水平上的平均识别正确率分别为86.7%,96.9%,98.7%,99.4%,识别相对含量分别为62.6%,72.7%,76.0%,81.6%;优势藻在属水平上的平均识别正确率分别为51.0%,68.9%,72.0%,78.8%;对于优势度达75%的赤潮藻实际混合样品,优势藻在门、属水平上的平均识别正确率分别为99.4%和75.9%。将所建技术用于围隔实验水样和现场调查采集水样进行分析,有效实现了浮游藻群落组成的识别测定,尤其是硅藻和甲藻的分类识别。     

水体中铬、镉和铅的X射线荧光光谱同时快速分析方法研究

以氢氧化钠和硫化钠为沉淀剂采用共沉淀法同时富集水体中的Cr,Cd和Pb,通过对Cr(OH)₃,Cd(OH)₂和PbS沉淀均匀悬浮液抽滤以制成Cr,Cd和Pb均匀分布的薄膜样品并进行能量色散XRF光谱测量,以实现水体中Cr,Cd和Pb的同时快速分析与检测。研究了富集过程中的反应时间和反应物摩尔比对薄膜样品XRF光谱强度的影响,确定了富集过程的最佳反应条件为沉淀反应时间为5 min,OH-与Cr3+的最佳摩尔比为5.0,OH-与Cd2+的最佳摩尔比为5.0,S2-与Pb2+的最佳摩尔比为2;对富集后不同浓度的薄膜样品进行了均匀性检验,富集区域6个不同位置荧光强度的相对标准偏差均小于4.8%,说明富集后的薄膜样品具有较好的均匀性;将不同浓度薄膜样品的理论浓度值与ICP-MS方法测得的浓度值进行对比分析,验证了该富集方法对水样中Cr,Cd和Pb的富集率均能达到90%以上;根据薄膜样品的荧光强度与ICP-MS测得的浓度值,建立了基于该富集方法的水体中Cr,Cd和Pb的X射线荧光光谱定量分析方法,Cr,Cd和Pb校准曲线的线性相关系数分别为0.997 3,0.995 0和0.999 8,当实际采集水样体积为50 mL时,Cr,Cd和Pb的检出限分别为7.4,29.6和8.5 μg·L-1,均低于《污水综合排放标准 GB 8978-1996》中Cr,Cd和Pb的最高允许排放浓度,因此该方法能够实现工业生产及生活排放污水中Cr,Cd和Pb的同时快速分析与检测。该研究为基于X射线荧光光谱法的水体多种重金属同时快速在线监测提供依据。     

一种新颖的温度补偿光纤光栅应力传感测量技术

分析了光纤Bragg光栅的应变响应原理,通过实验观察光纤光栅粘贴在厚度不均的悬臂梁上产生的双峰响应,证明悬臂梁结构的不均匀会使整个光纤光栅受到不同的应力而产生两个反射峰,并且两个反射峰之间的距离随着应力的增加呈线性变化。实验中,当载荷为200g时,两个反射峰之间距离达到0.16nm,而温度变化不会引起两个反射峰之间的变化。利用这种结构的封装,可以克服光纤光栅对温度和应力交叉敏感的问题,消除温度变化引起的应力测量误差,实现一个光纤光栅对应力单参量的测量。