近红外高光谱的活体玉米叶片水分成像研究

无损检测植物叶片水分对植物生理生化研究及灌溉管理和旱情监测等均具有重要意义。利用Gaia Sorter近红外高光谱仪(900～1 700 nm),以不同生育期的60个鲜活玉米叶片为试验材料,对叶肉不同区域的平均光谱及烘干称重法得到的水分含量分别用偏最小二乘法(PLS)及逐步多元线性回归(SMLR)进行建模分析。结果表明,验证集决定系数/标准偏差分别为0.975/1.18和0.980/1.02,均取得较好的预测效果,可实现单个玉米叶片平均含水量的测定;SMLR优选的特征波长(1 406和1 692 nm)建模预测结果表明,利用高通量近红外相机结合滤光片方法实现玉米叶片冠层或高空遥感测量的可行性。同时,进行了叶片不同区域水分含量的成像分析,结果表明,验证集中6个叶片的叶肉与主叶脉区域水分含量的参考均值和预测均值的相关系数均达到0.85以上,预测结果与实际情况相符合。     

可见/近红外光谱检测冷鲜猪肉中的脂肪、蛋白质和水分含量

采用可见/近红外光谱分析方法对冷鲜猪肉中的脂肪、蛋白质和水分含量进行了研究。光谱数据经多元散射校正(MSC)处理后,分别建立0～4 ℃和20 ℃下的原始光谱、一阶导数和二阶导数的偏最小二乘(PLS)定量分析模型,比较其相关系数(r)、校正标准差(RMSEC)和预测标准差(RMSEP),得到一阶导数处理后的模型最好,并且0～4 ℃下的模型优于20 ℃下的模型。0～4 ℃和20 ℃下脂肪的相关系数(r)分别为0.950和0.924,蛋白质为0.713和0.455,水分为0.944和0.914;脂肪的预测标准差(RMSEP)分别为2.41和2.95,蛋白质为5.44和4.25,水分为2.37和2.38。由此可见,可见/近红外光谱分析方法能够很好的检测冷鲜猪肉中的脂肪和水分,蛋白质的检测结果较差是由冷鲜肉加工工艺引起的。另外,两种温度下光谱曲线在770 nm附近产生了波长漂移,漂移量约10 nm。     

胡杨叶片水分含量的近红外光谱检测

胡杨叶片水分含量是评价胡杨健康状况的重要指标。光谱检测法是一种常用的手段,但在近红外光谱的测量过程中,在一定程度上必然受到仪器噪声、摆放形态差异和环境的干扰,为避免噪声、散射对近红外光谱的影响,减少数据维数,采用多元散射校正(MSC)算法对原始光谱数据进行预处理,去除散射和基线漂移的影响,增加了光谱数据的信噪比,使有效光谱信息较为明显,谱带特征得到加强,有利于特征波长的选择。为降低模型的复杂度,防止过拟合现象,减小共线性影响,利用连续投影算法(SPA)进行特征变量选择,并通过多元线性回归模型,分析各个波长模拟的残差平方,评价各个波长的贡献,剔除贡献较小的波长,最终获得用于建模的特征波长,改善建模条件。最后使用偏最小二乘回归算法建立胡杨叶片水分含量检测模型。实验表明,直接使用原始光谱,利用SPA算法筛选变量个数为6个,模型预测精度为90.144%,相关系数r=0.674 24,RMSE=0.021 434,MSC处理后,利用SPA算法选定最终变量数为5个,预测精度为97.734%,相关系数r=0.781 63,RMSE=0.016 776。MSC和SPA算法有效的消除了散射噪声、减小了共线性干扰,模型的预测精度和相关性增加,误差减小,可用于胡杨叶片水分的快速无损检测,而且对其他作物叶片水分检测也具有一定的借鉴意义。     

近红外光谱仪器中滤光片波长组合的优选

如何快速、准确地进行滤光片波长组合的优选,是滤光片型近红外光谱仪器研究的一个关键技术.利用组合生成算法与多元线性回归分析相结合,并运用计算机编程语言分析了掺假山茶油的近红外光谱吸光度矩阵,优选出不同组合数下滤光片波长组合.该方法可在全光谱波长范围内快速的实现滤光片的优选,且建立的定量分析模型简单、精度高、稳定.     

0.2 nm带宽滤光片的制备以及退火温度对其形貌和性能的影响

近红外波长为1.064 μm的激光是激光测距、自由空间光通信和空间光学遥感等应用中的主要激光光源之一.窄带滤光片是抑制背景光干扰的关键元件之一,目前大部分滤光片的半峰全宽为几纳米.本文研制了中心波长为(1064±0.05) nm、半峰全宽为0.19 nm、峰值透过率可达70.2％的带通滤光片,并考察了不同温度(100,200,300℃)退火处理后滤光片的表面形貌和光谱特性的变化.实验结果表明:滤光片的表面光滑,受退火温度的影响很小;滤光片的透射光谱随着退火温度的升高向长波方向移动,在100℃退火处理3h的滤光片的光谱漂移量为0.03 nm,说明该滤光片可在温控条件有限的空间光学系统中使用.     

发动机油中水分的近红外光谱分析

发动机油是发动机的核心部件,发动机油中极易混入水分,水分容易加速发动机油的劣化和变质,进而危害发动机的安全运行。对发动机油中水分进行检测是保障发动机油质量的重要指标。因而采用近红外光谱结合偏最小二乘法(PLS)回归方法对不同含水量的发动机油进行了检测。首先根据含水发动机油的近红外光谱的特征,分析了931,1195～1212和1391～1430nm波长的较强吸收峰的机制;采用正交信号校正(OSC)和几种其他的光谱预处理方法构建了PLS回归模型,根据回归系数进行了特征波长的选择。结果表明,OSC预处理后的PLS模型具有较好的预测能力,而多元散射校正(MSC)和标准正态变量变换(SNV)预处理降低了模型的校正性能。选择了166个特征波长,占全谱的32.42%。采用所建的近红外全谱PLS模型和特征波长选择的PLS模型分别对预测集14个油样进行预测,两个模型都能实现较好地预测,预测标准差分别为0.0007和0.0006;而特征波长选择对含水发动机油的预测最稳健,性能指标最好(■为0.9930,■为0.9887,且RMSE_CV和RMSE_P值分别为3.14...     

非接触式可见光-近红外光谱法快速预测天然高分子材料表面粗糙度的研究

利用触针式轮廓法测量了天然高分子材料木材的表面粗糙度,并对可见光-近红外光谱与实测表面粗糙度参数之间的相关性进行研究,探讨了非接触式光谱法快速预测天然高分子材料表面粗糙度的可行性。结果表明：（1）样品三个切面的可见光-近红外光谱（400～2 500 nm）均可预测样品表面粗糙度,实测值与预测值相关系数可达0.92,其中利用样品横切面光谱所建的模型效果最好;（2）在分段光谱400～780 nm,780～1 100 nm,1 100～2 500 nm,780～2 500 nm,400～2 500 nm范围内,所建模型表面粗糙度参数的实测值与预测值相关系数可达0.80以上,显著相关,其中400～2 500 nm区域所建模型效果最好;（3）光谱预处理并不能提高模型预测效果,建议利用可见光-近红外光谱预测天然高分子材料表面粗糙度时采用原始光谱数据。     

基于温度修正模型的柴油凝点快速检测方法

便携式近红外光谱仪现场快速检测是近红外光谱分析领域的一个重要的发展趋势。为了实现快速检测,便携式近红外光谱仪一般不配备温控装置,因此环境温度的变化会带来较大的测量误差。如何降低环境温度对检测结果带来的误差,是便携式近红外光谱仪在现场快速检测领域大规模推广所需要解决的一个重要问题。柴油的凝点值是评价柴油品质和适用范围的一个重要指标,对柴油凝点进行快速检测有重要的经济意义。通过便携式光谱仪采集了50种具有不同凝点的柴油样品在近红外波段（950～1 650 nm）的吸收光谱,研究了环境温度变化下的基于近红外光谱分析的柴油凝点快速检测方法。此光谱仪为基于数字微镜设计的便携式光谱仪,针对现场快检而研发,未配备温控样品池。在环境温度T₀=25 ℃时基于偏最小二乘法建立了柴油凝点的预测模型,并分别将不同环境温度（T_E=-10,0,10,20,30,40和50 ℃）条件下测量的近红外光谱带入上述凝点预测模型,分析预测偏差随环境温度相对参考值变化(T_E-T₀)的依赖关系。通过一次函数对预测误差随环境温度的变化关系进行拟合,发现凝点预测偏差的平均值随环境温度的变化关系为Δｃ＝-0.019 8(T_E-T₀)。将环境温度的修正因子带入25 ℃条件下预测模型,建立了针对环境温度变化的温度修正模型。在温度修正以后,10 ℃条件下预测凝点的均方根误差由原来的14.6降为8.8,相关系数由原来的0.4提升为0.7。研究表明,本温度修正模型可以有效降低环境温度对预测结果带来的误差。基于此温度修正模型,可以显著降低近红外光谱分析建模过程的工作量,在某一特定温度条件下建立预测模型后将此温度修正项带入模型即可用于在其他环境温度条件下进行柴油凝点值的预测,而不需要在其他多个温度条件下分别建立预测模型,可显著提高建模效率和便携式近红外光谱快速检测的温度适应性。     

基于连续投影算法的土壤总氮近红外特征波长的选取

讨论了如何利用连续投影算法提取土壤总氮的近红外特征波长.使用连续投影算法对光谱数据进行初步压缩,将优选出的波长按其对总氮贡献值的大小进一步筛选,剔除不敏感的波长,降低模型的复杂度.分析85份土壤样品的近红外光谱,使用连续投影算法得到了总氮的12个波长,贡献值筛选后,波长数量减少到6个,所建模型的预测相关系数(Rp)为0.913,预测均方根误差(RMSEP)为0.011%,模型的预测精度与贡献值筛选前相当,且优于全谱偏最小二乘回归结果.结果表明结合贡献值筛选的连续投影算法能够有效选取待测成分的特征波长,文章所优选的土壤总氮的6个特征波长可以作为小型滤光片式近红外光谱仪波长选择的参考依据.     

烤烟的近红外光谱检测模型

对杀青烟叶蛋白质和水溶性总糖含量的光谱检测,发现近红外光谱（1100-2500nm）的检测模型优于可见-近红外光谱（350-2526nm）,烟粉检测模型优于片状烟叶的检测模型.通过对烟叶全部光谱数据不同的预处理来探究其蛋白质和水溶性总糖的近红外光谱的检测模型,并利用近红外有效波长对施木克值的含量进行预测.利用偏最小二乘法（PLS）通过训练集的交叉验证建立回归模型,结果表明：（1）对原始光谱进行二阶导数变换后,得到蛋白质含量预测模型的预测集r=0.9768、RMSE=0.6843;（2）对原始光谱每隔51个点进行移动平滑处理及主成分数为8时,水溶性总糖含量预测模型的预测集r=0.9495、RMSE=0.9049;（3）基于82个波长对施木克值的预测模型的预测集r=0.9356、RMSE=0.1060.     

激发波长和带宽对Ce/Tb/Eu共掺发光玻璃发光性质的影响

采用双高斯函数拟合不同中心波长和带宽的LED芯片光谱,并根据荧光分光光度计的测量结果推算不同LED芯片激发下的Ce/Tb/Eu共掺发光玻璃的发射光谱和色温。结果表明,当芯片带宽不变,中心波长从370 nm右移到378 nm时,Ce/Tb/Eu共掺发光玻璃色温逐渐下降。当芯片中心波长不变,带宽从10 nm增加到25 nm时,Ce/Tb/Eu共掺发光玻璃的色温变化与中心波长有关。在芯片发光稳定的前提下,带宽变化对Ce/Tb/Eu共掺发光玻璃色温的影响小于中心波长改变的影响,故当Ce/Tb/Eu共掺发光玻璃应用于LED发光时,需优先选择芯片的中心波长。     

相位调制边带失衡问题研究

 高功率激光系统中一般利用相位调制器对单纵模激光进行频谱展宽以避免受激布里渊散射，当后继系统中的滤波器存在中心波长偏差时，则会导致相位调制产生的边带失衡，使光信号出现较为严重的高频起伏。基于前端系统模拟平台对此问题进行了数值模拟研究，结果表明滤波后的高频起伏随滤波器带宽变窄和中心波长偏差增大而加剧。分析表明0.2 nm带宽的滤波器出现0.05 nm左右的波长偏差时，将引起24.3%左右的顶部起伏。实验中根据分析将滤波器带宽从0.2 nm加大到0.4 nm，成功将脉冲顶部起伏从25.2%减小到了4.4%，对前端系统的研制起到了很好的指导作用。     

非均匀反射体全息窄带带阻滤光片

在实验基础上,利用非均匀耦合波理论得出了介质折射率调制度和空频变化的非均匀模型,利用此模型分析了窄带宽和高光学密度滤光片所应具有的非均匀分布特性,指出了实验工艺上应努力的方向,实验上用重铬酸明胶（DCG）实现了性能优良的高光学密度窄带宽的全息带阻滤光片,峰值波长光学密度为4－5,半宽度小于20nm.     

Near-infrared Raman spectroscopy using hollow-core photonic bandgap fibers

We report a NIR Raman spectroscopy system incorporating hollow-core photonic bandgap fibers (HC-PBFs) in both the excitation and collection paths. Raman excitation was achieved at NIR laser wavelength of 785 nm. We demonstrate that using HC-PBFs, Raman spectroscopy can be performed without the use of an additional longpass filter on the collection side. A narrow bandpass filter on the excitation side is also not required. These results provide a framework where HC-PBF based Raman probes can be developed and used in space restricted biomedical and sensing applications.     

Gradient-index narrow-bandpass filter fabricated with glancing-angle deposition

Glancing-angle deposition (GLAD) is a fabrication method capable of producing thin films with engineered nanoscale porosity variations. GLAD can be used to create optical thin-film interference filters from a single source material by modification of the film refractive index through control of film porosity. We present the effects of introducing a layer of constant low density into the center of a rugate thin-film filter fabricated with the GLAD technique. A rugate filter is characterized by a sinusoidal refractive-index profile. Embedding a layer of constant refractive index, with a thickness equal to one period of the rugate index variation, causes a narrow bandpass to appear within the filter's larger stop band. Transmittance measurements of such a gradient-index narrow-bandpass filter, formed with titanium dioxide, revealed an 83% transmittance peak at a vacuum wavelength of 522 nm, near the center of the stop band, with a FWHM bandwidth of 15 nm.     

微结构窄带滤光片设计及制备工艺研究

为了提升微结构窄带滤光片的光谱透过率,增大微结构单元的制备精度,提出一种新的膜系镀制方法和微结构单元的制备方法。基于法布里-珀罗(F-P)多光束干涉仪原理设计了3种不同中心波长的窄带滤光片,采用光化学掩模分离法和PECVD技术相结合,制备出3种中心波长分别为480 nm、520 nm和590 nm,峰值透过率均大于80%,半宽度30 nm~50 nm,微结构单元的通道面积为50 μm×50 μm的窄带滤光片。光谱透过率得到了提升的同时微结构单元边缘整齐、分界线清晰,精度也得到了有效地增加,达到μm量级。     

消费级近红外相机的水稻叶片叶绿素(SPAD)分布预测

便捷可靠的作物营养诊断是作物科学施肥管理的基础,也是精准农业的核心。叶绿素含量是作物氮营养含量的重要指标。以水稻叶片为研究对象,用改造后的普通单反相机搭载滤波片的方式拍摄叶片的可见光和中心波长为650,680,720,760,850和950 nm多个波段的近红外图像,获取不同波段的相对反射率值,通过可见光与多个近红外波段结合的回归分析与比较,筛选出精度较高且稳定的模型。经过对比相机三个成像通道,R通道与叶绿素含量(SPAD值)的相关性要高于B和G通道。实验结果表明,植被指数GVI最能反映作物的生长状况,近红外波段760 nm对SPAD值的预测效果最好,最小二乘支持向量机法结合多个植被指数建模的预测精度R2为0.831 4,取得了较为理想的效果。同时使用高光谱成像仪采集水稻叶片的高光谱影像,对比消费级近红外相机成像方式下与高光谱成像方式下得到的植被指数多因子预测模型精度,两者相当。实验证明消费级近红外相机能够获得与高光谱成像仪相近的叶绿素含量估测结果。     

角度调谐滤光片特性分析及膜系设计

对窄带滤光片的倾斜入射特性作了分析.斜入射时其透射通带和峰值会向短波方向移动,透射曲线的稳定性跟滤光片的间隔层结构相关,多腔间使用相同的间隔层可以保证斜入射时有稳定的峰值透射率和带宽,利用该特点可以制备角度调谐窄带滤光片.透射光S和P偏振分量的中心波长随入射角度的增大出现分离现象,产生较大的偏振相关损耗.通过搭配不同厚度的高低折射率材料作为间隔层,改变其有效折射率,使其两个偏振分量的中心波长实现重合.设计了符合密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)系统要求的低偏振相关损耗四腔窄带角度调谐滤光片膜系,其可调谐范围达20 nm以上,并评估了所设计角度调谐滤光片的调谐性能.     

薄膜截止滤光片的消偏振设计

薄膜截止滤光片在倾斜入射时不可避免地会产生s和p二个偏振分量的分离,因而在许多应用,特别是光通讯的应用中成为一个棘手的难题。提出了一种新的设计方法,对最常用的45°入射角,实现了长波通和短波通两种截止滤光片的完全消偏振, 在透射率为50%处,其偏振分离分别为0.3 nm和0.1 nm。基本的设计方法是采用宽带法布里珀罗薄膜干涉滤光片中心波长两侧的干涉带作为长波通或短波通截止滤光片的初始膜系,然后经过适当的优化以提高透射带的透射率。宽带干涉滤光片的间隔层常由半波长厚度的高、低折射率混合膜层组成,如2H2L2H或2L2H2L。由于这种设计的截止区和透射带带宽常嫌不足,故提出了展宽截止区和透射带的方法。对一个典型的短波通截止滤光片,在波长1550 nm,截止区和透射带宽均达到了200 nm。这种设计方法不仅简单、性能优良,而且膜厚控制容差较大,故易于制造。     

窄带集成声光可调谐滤波器的研制

利用模式耦合理论分析了声光模式转换,并对声光可调谐滤波器的滤波带宽、调谐范围、驱动功率等性能参数进行分析计算。设计并制作出窄带集成声光可调谐滤波器(IAOTF)样品,搭建相应的IAOTF测试平台,得到中心波长在1.55μm,滤波带宽达到0.85 nm,波长调谐范围达到80 nm,驱动功率低于40mW的IAOTF。并对进一步压缩滤波带宽和旁瓣效应提出了解决途径。