可见-近红外光谱的土壤养分快速检测

在测定土壤养分中,可见-近红外光谱技术具有很大的应用空间。该研究探讨了基于可见-近红外光谱(250~950nm)离线、快速测定土壤总氮(TN)、总磷(TP)、总钾(TK)、总碳(TC)等土壤养分的方法及应用。采集青岛三个不同地区土壤样品(异质性较高的山地土壤与河畔土壤)各60份,总计180份,并测定其TN,TP,TK,TC含量及其可见-近红外反射光谱,利用Kennard-Stone法按2∶1比例划分校正集和检验集,采用遗传算法分别提取TN,TP,TK,TC特征波长,以偏最小二乘法建立定量分析模型。TN,TP,TK,TC含量所建光谱模型的相关系数分别为0.970,0.964,0.680和0.967,检验集的相关系数分别为0.980,0.937,0.717和0.972,检验集的RPD值分别为4.570,2.424,1.411和4.135。结果表明,该方法能够对土壤TN,TP,TC含量进行精确预测,对土壤TK含量进行粗略预测。该研究主要依靠可见光波段,较好的预测了异质性较高的土壤的氮磷钾等养分含量,有望降低未来土壤养分速测的成本。此外,该研究还提供了青岛土壤养分的光谱库,为我国土壤大数据库的建立提供技术支撑。     

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...     

内蒙古河套平原表层土壤近红外光谱分析及其意义

近红外分析技术已经广泛应用于岩石分析中,方法简单、快速、有效,可以在短期内分析较多样品,适合应用于区域地质物质成分的分析。近红外光谱中不同矿物分子会表现出不同的峰值特征,故对层土壤进行近红外分析,可以较精确的获得土壤中矿物成分、含水量、矿物结晶程度等信息。通过分析河套平原土壤样品,推测出其矿物成分、含水量、晶体结晶程度等,结合当地气候特征和地质环境,推测其物质来源和矿物形成环境,不仅完善了当地的地质特征,还对河套地区土壤的成因机制的研究有重要意义。实验结果表明,河套平原表层土壤的矿物主要由高岭石、蒙脱石、伊利石、白云母等蚀变矿物组成,从而推测其来源为阴山山脉中酸性岩体,同时提出阴山山脉在气候方面对河套平原土壤形成也有重要影响,内蒙古地区虽然为大陆性干旱气候,但降水量充足,且阴山山脉南北两侧的年平均降水量差异巨大,阴山山脉南部的年平均降水量较北部大,保证了河套平原湿润的环境,有利于沉积物充分蚀变,这些均为土壤成因机制的完善提出了新的研究方向。     

近红外光谱技术在土壤养分分析中的研究进展及应用前景

精准农业是近年来国际上农业科学研究的热点领域,是现代信息技术和传统农业紧密结合的产物。近红外光谱技术(NIRS)作为一种无损、实时、准确的分析手段,在土壤学领域的应用逐渐得到了人们的重视,是实现精准农业的有效手段之一。对其目前在土壤学领域的应用进行了介绍和分析,认为NIRS在土壤学领域的发展方向应该是田间信息实时采集技术,即在田间条件下利用便携式NIRS分析仪对土壤养分和农作物苗情进行实时分析和处理,另外NIRS还可以与空间遥感技术相结合,宏观掌握农作物所需营养及其长势信息,从根本上改变我国粗放型农业现状。     

多分类器融合提取土壤养分特征波长

光谱已经应用于土壤养分速测的分析,但是如何寻找土壤光谱特征波段,尽最大可能避免无用信息干扰、保留有用信息,建立准确度高、预测效果好的模型仍是一个亟需解决的问题。以青岛三个不同地区土壤样品为例,测定土壤样品的紫外-可见-近红外光谱及其总碳（TC）、总氮（TN）、总磷（TP）含量;分别采用连续投影算法（SPA）、无信息变量消除法（UVE）、遗传算法（GA）、相关系数法（CC）四种算法（四种单分类器）对土壤光谱提取特征波长;再引入投票法和加权投票法的多分类器融合方法将四种算法融合得到特征波长;以偏最小二乘回归（PLSR）建立各土壤养分含量的模型,通过对模型效果的评价标准（建模集绝对系数R2_c、校正均方根误差RMSEC、检验集绝对系数R2_p、预测均方根误差RMSEP和相对分析误差RPD值）来判别各单分类器算法和多分类器融合算法对土壤养分含量特征波长的提取效果。分别对四种算法、筛选其中三种算法、最优二种算法进行融合,分析融合后模型效果和特征波长个数,结果表明：将四种单分类器经投票法融合后,其模型效果大部分不如单分类器,且相对好的模型特征波长个数较多;相较于投票法多分类器融合,四种单分类器经加权投票法融合模型效果有了一定的提高,TC和TN都能够在较少的波长中获得较好的预测效果,但仅TN经融合后,模型效果优于每个单分类器;TC,TN,TP分别在取SPA+UVE+GA,SPA+UVE+GA（或SPA+GA+CC）、SPA+UVE+GA三种单分类器进行加权投票法融合后,均能获得最优模型效果,且明显优于每个单分类器,模型效果有了显著提高;各土壤养分含量经两个最优单分类器加权投票法融合后,仍能得到好于最优单分类器的建模效果,TC和TP建模效果略差于三个单分类器融合结果,TN建模效果与三个单分类器融合结果相同。因此,在筛选三种算法融合,且其中包含最优两种算法的情况下,能够以较少的特征波长个数获得明显高于单分类器的建模效果。该方法为寻找土壤养分以及其他复杂物质成分的光谱特征波段提供了新方法,也为多种算法的综合运用提供了新思路。     

基于深度稀疏学习的土壤近红外光谱分析预测模型

提出一种基于深度稀疏学习的土壤近红外光谱分析预测模型。首先,使用稀疏特征学习方法对土壤近红外光谱数据进行约简,实现土壤近红外光谱内容的稀疏表示;然后采用径向基函数神经网络以稀疏表示特征系数为输入,以所测土壤成分为输出,分别建立土壤有机质、速效磷、速效钾的非线性预测模型。结果表明用该模型预测土壤有机质的含量是可行的,但对土壤速效磷和速效钾含量的预测还需对模型做进一步的优化。     

一种基于SCARS策略的近红外特征波长选择方法及其应用

针对近红外光谱数据的内在特点,提出了一种基于稳定性竞争自适应重加权采样(stability competitive adaptive reweighted sampling, SCARS)策略的近红外特征波长优选方法。该方法以PLS模型回归系数的稳定性作为变量选择的依据,其过程包含多次循环迭代,每次循环均首先计算相应变量的稳定性,而后通过强制变量筛选以及自适应重加权采样技术(ARS)进行变量筛选;最后对每次循环后所得变量子集建立PLS模型并计算交互验证均方根误差(RMSECV),将RMSECV值最小的集合作为最优变量子集。利用饲料蛋白固态发酵过程近红外光谱数据集对所提方法进行了验证,并与基于PLS的蒙特卡罗无信息变量消除法(MC-UVE)和竞争自适应重加权采样(CARS)方法所得结果进行了比较。试验结果显示： 建立在SCARS方法优选的21个特征波长变量基础上的PLS模型预测效果更好,其预测均方根误差(RMSEP)和相关系数(R_p)分别为0.054 3和0.990 8;该优选策略能有效地增强固态发酵光谱数据特征波长变量选择的准确性和稳定性,提高了模型的预测精度,具有一定的应用价值。     

基于近红外光谱的土壤参数快速分析系统

应用面向对象的软件开发理念开发了基于近红外光谱的土壤参数快速分析系统。系统设计了SOIL类,SOIL类的实例化对象即为具有某种特定类型、特定物理性质以及光谱特性的土壤样本。系统主要包括文件操作、光谱预处理、样品分析、建模和验证以及样品测定等子功能。系统首先接收土壤标定样本集的目标参数及光谱数据文件,并对其进行各种预处理,将处理结果显示在终端,并将建立的模型保存在模型数据库。系统通过预测土壤参数界面读取模型数据库中保存的各种模型及其参数,并将读入的待测样本光谱信息代入选定的模型,从而实现土壤参数分析功能。系统采取Visual C++ 6.0和Matlab 7.0协同完成功能开发,并采用Access XP来建立和管理模型数据库。     

云南个旧富锡铜矿床表层土壤近红外光谱分析及其意义

在个旧卡房矿区矿体上部的覆盖层中均匀采集土壤样,用近红外光谱分析技术对样品进行测试分析。结果表明,近红外光谱技术能较好的识别出土壤中的矿物,包括蚀变矿物大致组合。将这些矿物组合与矿床的特征对比发现,土壤中的一些成分与深部矿体组份有一定程度的相关性,尤其是蚀变矿物,其与该区的蚀变条件是基本一致的。因此,推测土壤中的矿物成分可以用于指示深部矿体的一些信息,能为找寻该类型铜矿床提供一些依据。此外,矿床表层土壤近红外光谱信息是可以提供找矿依据的一种快速有效的研究手段,可以将其用于其他矿床类型的研究,尤其是为深部隐伏矿床以及地质环境较为脆弱的地区提供初步找矿依据。     

一种多模型融合的近红外波长选择算法

针对近红外光谱数据的特点,在分析了单模型波长选择方法的基础上,提出了一种多模型融合的变量选择方法。它融合多个模型的回归系数,以提高波长选择的准确性和稳定性。并用3个业界标准的近红外光谱数据集对提出的方法进行了验证,同时与UVE-PLS和GA-PLS算法进行了比较。实验结果表明,经该方法选择变量后,提高了模型的预测能力,降低了复杂度,达到甚至优于UVE-PLS和GA-PLS,而且具有算法简单、效率高的优点,具有广泛的实用价值。     

近红外光谱成像系统在液体安检中的应用

易燃易爆液体的实时、远程和动态探测对于保障公共安全具有重要意义,在公安、民航和海关等领域应用前景广阔。研制了基于液晶可调滤光片的近红外光谱成像系统,通过波长优选算法大幅降低了光谱通道数,有效提高了扫描成像速度和数据处理速度,可实现对低速运动的液体危险品的远程和实时检测。利用该系统开展了不同环境下对易燃易爆液体的检测实验,结果表明该系统对静态目标检测精度为100%,对速度小于0.2 m/s的运动目标检测精度高于95%。     

红外光电立靶测试系统软件设计

介绍了红外光电立靶射击密集度的计算方法,设计了一种高效率的靶场测试软件。应用结果表明,该软件能够实时精确测量弹丸射击密集度,可提供多种射击密集度的数据。     

滤光轮分光的近红外彩色成像系统

研制了滤光轮分光的近红外彩色成像系统。针对一款光谱响应延伸至近红外波段的CMOS大面阵黑白摄像机,设计加工了大小适合的滤光轮和与光谱匹配的滤光片。根据滤光轮载荷选择了微型电机,并采用由时间同步装置产生的脉冲信号触发滤光轮的转停;采用基于灰度世界理论的RGB融合算法形成彩色图像。室内外的成像实验表明:该系统实现了近红外波段的彩色成像,尤其是夜天光中的近红外辐射,使夜间拍摄的图像亮度得到了明显的提升。     

An optical system for measuring nitric oxide using spectral separation techniques

An optical sensor based on differential absorption spectroscopy for real-time monitoring of industrial nitric oxide (NO) gas emission is described. The influence of gas absorption interference from sulfur dioxide (SO₂) in the environment was considered and a spectral separation technique was developed in order to eliminate this interference effect. The absorption spectrum of SO₂ around 226 nm was evaluated by the SO₂ concentration obtained using the experimentally recorded absorption spectrum around 300 nm. The absorption spectrum of NO around 226 nm was obtained by subtracting the absorption of SO₂ from the integral absorption spectrum of SO₂ and NO. The concentration measurements were performed at atmospheric pressure. The technique was found to have a lower detection limit of 0.8 ppm for NO per meter path length (SNR=2) and be immune from the influence from SO₂ on the NO measurement. The sensor based on this technique was successfully employed for in situ measurement of SO₂ and NO concentrations in the flue gas emitted from an industrial coal-fired boiler.     

红外光谱响应度测试系统研究

红外光谱响应度是红外探测领域的重要技术指标。介绍了红外光谱响应度的测试技术及其测试系统。该系统选用以无光谱选择的腔体热释电探测器为标准,用双单色仪进行分光同时,采用国际上最新的测试方法完成了红外波段光谱响应度的测量,获得了高的测量不确定度,分析了测试结果及其影响因素。     

基于MOEMS扫描微镜的近红外光谱仪分光系统结构

针对近红外光谱仪由于红外CCD导致的红外光谱仪高成本问题,提出用MOEMS微镜阵列进行光路结构改进,并且解决了红外光谱仪成像像斑不规则从而难以采用MOEMS微镜阵列进行光谱扫描的问题,设计了一种新的分光成像结构.该结构基于全息凹面光栅理论来规则光谱成像的像斑,采用光学设计软件ZEMAX和针对特定像差评判标准的优化算法,...     

可见近红外波段光谱辐射采集系统的设计与应用

针对目前卫星遥感器进行场地定标的光谱观测仪器的应用需求，设计了可见近红外波段(0.4 μm~1.0 μm)的光谱辐射采集电路系统，并结合光谱辐射采集模块进行了应用与数据分析。重点介绍了线阵探测器的选型与驱动需求，并完成了基于STM32微处理器的设计。结合辐射观测需求，在信号处理部分使用仪表放大器运放对探测器的模拟输出信号进行处理，并采用STM32内部的A/D转换器采集。分析数字信号输出的结果，该辐射测量电路系统的的采集数据达到了1 LSB的数据精度(≤0.8 mV)。探测器电路系统应用到光谱辐射采集模块中，进行了户外应用与数据分析，光谱辐照度比对结果的偏差小于5%。光谱辐照度的比对结果证明整个系统可以直接进行产品应用，满足野外辐射测量数据的可靠性获取。     

Near infrared spectral and polarization imaging observation of coronal emission lines during the 2008 total solar eclipse

During the 2008 total solar eclipse, the coronal emission lines were observed by using optical fibre spectrometric and polarization imaging system in near infrared waveband. The profiles of the coronal emission lines including Fe XIII 10747 ?, 10798 ? and He I 10830 ? were obtained with dispersion of 0.5 ? /pix. The intensity of Fe XIII 10747 ? remained unchanged in the two different coronal regions while the intensity of He I 10830 ? varied considerably in the two coronal locations no matter whether the prominence appeared or not. The coronal polarization images were observed at Fe XI 7892 ? with a bandpass of 30 ? in a series of exposure times.