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基于里德堡原子的无线电光学测量及其光谱处理技术(特邀)

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红外与激光工程 2023年第6期52卷 179-203页

作者：吴金云杨剑高伟超张引发国防科技大学信息通信学院湖北武汉430033

里德堡原子是一种高激发态的原子,具有较大电偶极矩,相邻能级差可覆盖DC~THz的超宽频谱范围,因而可以实现电磁场高灵敏、超宽带的传感接收。基于里德堡原子的无线电光学测量是通过碱金属原子在探测光和控制光等两束激光的精确调控下转... 详细信息

里德堡原子是一种高激发态的原子,具有较大电偶极矩,相邻能级差可覆盖DC~THz的超宽频谱范围,因而可以实现电磁场高灵敏、超宽带的传感接收。基于里德堡原子的无线电光学测量是通过碱金属原子在探测光和控制光等两束激光的精确调控下转变为里德堡原子,并使探测光透射光谱产生电磁诱导透明效应,进而在输入的无线电信号的作用下,使其透明光谱发生Autler-Townes(AT)劈裂,完成无线电信号到光学信号的转化,从而实现无线电信号频率、幅度、相位等信息的提取,具有直接解调、无需校准、抗电磁毁伤等特点。近年来,该技术在电场计量、电磁频谱侦测、通信、雷达等电子信息技术领域引起人们的强烈关注。该技术的关键在于如何从原子系统输出光谱中快速准确地提取出无线电信号的信息。针对静态无线电信号、动态无线电信号、单频无线电信号、多频无线电信号等不同类型的无线电信号,对应的信息提取和光谱处理方式也不同。依据不同类型的无线电信号,对基于里德堡原子的无线电光学测量及其光谱处理技术进行分类,并综述其原理、技术特点及国内外研究进展,最后结合该技术特点及其应用前景,对未来发展趋势作了展望。

关键词：里德堡原子电磁诱导透明无线电光学测量光谱处理

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南方丘陵地区路域植被光谱处理与分析

测绘工程 2014年第7期23卷 1-5页

作者：郭云开张进会长沙理工大学交通运输工程学院湖南长沙410004

以长沙—湘潭高速公路路域植被为研究对象,进行植被实地调查和野外光谱测定,分析主要植被类型光谱曲线,健康植被与非健康植被光谱差异,对植被光谱数据进行一阶微分和微分增量处理对比研究。研究表明:光谱反射率一阶微分和微分增量处理... 详细信息

以长沙—湘潭高速公路路域植被为研究对象,进行植被实地调查和野外光谱测定,分析主要植被类型光谱曲线,健康植被与非健康植被光谱差异,对植被光谱数据进行一阶微分和微分增量处理对比研究。研究表明:光谱反射率一阶微分和微分增量处理对消除土壤背景对地物光谱影响均有效,但微分增量处理更能突出植被信息。研究对遥感植被光谱分析具有一定参考价值。

关键词：南方路域植被光谱处理微分微分增量

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正交信号校正算法及其在光谱处理中的应用

山东建筑工程学院学报 2005年第2期20卷 83-86,91页

作者：刘广军戴冬梅高洪涛济宁师范专科学校化学系山东济宁272025

基于正交投影的正交信号校正(OSC)算法是近年来在光谱处理上很活跃的一种方法。本文介绍了OSC算法的基本原理,并对***、Fearn等人的比较成熟的5种正交信号校正算法作了比较详细的介绍。利用谷物的近红外数据,采用5种不同的OSC算法对谷... 详细信息

基于正交投影的正交信号校正(OSC)算法是近年来在光谱处理上很活跃的一种方法。本文介绍了OSC算法的基本原理,并对***、Fearn等人的比较成熟的5种正交信号校正算法作了比较详细的介绍。利用谷物的近红外数据,采用5种不同的OSC算法对谷物中的湿度、油含量、蛋白质和淀粉含量的预报情况进行了比较,并讨论了OSC组分数对预处理结果的影响。结果表明,各种正交信号校正算法基本上都能取得比单纯使用PLS更好的结果。

关键词：正交信号校正光谱处理近红外

基于FPGA的傅里叶变换光谱仪的光谱采集与处理系统

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基于FPGA的傅里叶变换光谱仪的光谱采集与处理系统

作者：万浩威华中科技大学

学位级别：硕士

傅里叶变换光谱仪(Fourier Transform Spectrometer)-FTS主要工作在红外或近红外波段内,可用于多种化学物质以及生物材料的成分分析,具有较高的灵敏度与准确性,广泛应用于食品安全、环境监测、工农业生产等诸多领域。传统傅里叶变换光... 详细信息

傅里叶变换光谱仪(Fourier Transform Spectrometer)-FTS主要工作在红外或近红外波段内,可用于多种化学物质以及生物材料的成分分析,具有较高的灵敏度与准确性,广泛应用于食品安全、环境监测、工农业生产等诸多领域。传统傅里叶变换光谱仪体积大、价格昂贵,常用于实验室研究或者分析中心测试。而基于微机电系统(Micro-electro-mechanical Systems)-MEMS设计的微型傅里叶变换光谱仪结构紧凑,体积小巧,可以实现现场探测。为实时获得检测样本的光谱信息,需要高速的干涉图采集与处理系统。基于使用MEMS微镜替代动镜结构的微型傅里叶变换光谱仪,本文研究设计了一种光谱采集与处理系统,该系统使用现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array)-FPGA作为核心处理器件,具有体积小、集成度高、处理速度快等优点。本文主要内容如下:(1)基于谐振式MEMS微镜,设计了相应的迈克尔逊干涉结构,实现参考激光与样本光的干涉,并基于FPGA设计了相应的光谱采集与处理系统。对采样延迟引入的正弦变化的相位误差进行仿真分析,仿真结果表明,正弦变化的相位误差的幅值越大,光谱失真越大,并设计了采样延迟的测量与校正方案。(2)在Vivado软件中使用Verilog语言对FPGA进行逻辑设计,包括时钟与复位模块、微镜控制与数据采集模块、模数转换器(Analog-to-Digital Converter)-ADC控制模块、增益控制模块、快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform)-FFT模块、以太网通信模块6个子模块,并对模块进行了功能仿真。(3)搭建实验平台,验证了光谱采集与处理系统的功能,FPGA与MATLAB处理结果一致,表明光谱采集与处理系统的设计与功能正确。搭建傅里叶变换光谱仪整机系统,分别使用1550nm激光和宽带光源作为样本光对整机系统功能进行验证,成功测量得到相应光谱,此系统每秒可完成约2550次光谱测量。

关键词：微型傅里叶变换光谱仪光谱处理 FPGA MEMS

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遥感影像光谱信息处理的EXCEL实践教学

遥感信息 2009年第1期31卷 70-74页

作者：杨可明肖金榜中国矿业大学(北京)测绘与土地科学系北京100083

遥感影像数据的光谱信息分析与处理是目前遥感应用的热点之一。通过多年的遥感教学实践,依据PHI(Pushbroom Hyperspectral Imager)航空高光谱影像像元光谱维矢量数据,总结了基于EXCEL软件的高光谱影像地物光谱构建、光谱特征及其相关性... 详细信息

遥感影像数据的光谱信息分析与处理是目前遥感应用的热点之一。通过多年的遥感教学实践,依据PHI(Pushbroom Hyperspectral Imager)航空高光谱影像像元光谱维矢量数据,总结了基于EXCEL软件的高光谱影像地物光谱构建、光谱特征及其相关性分析、光谱微分计算、光谱向量相似性度量等光谱分析与信息识别的教学方法,以使学生在学习专业知识过程中增加实际工作经验与科研能力。

关键词：遥感影像 EXCEL 光谱处理教学

基于近红外光谱的隧道内蚀变带快速识别及岩石含水量反演

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基于近红外光谱的隧道内蚀变带快速识别及岩石含水量反演

作者：许广璐山东大学

学位级别：硕士

我国已成为世界上隧道修建规模和难度最大的国家,当隧道开挖掘进至不良地质影响区时易发生围岩变形、塌方、突涌水等地质灾害,严重影响隧道施工,甚至给人员财产安全带来了威胁。不良地质影响区内的岩石存在矿物异常、物理参数异常等明... 详细信息

我国已成为世界上隧道修建规模和难度最大的国家,当隧道开挖掘进至不良地质影响区时易发生围岩变形、塌方、突涌水等地质灾害,严重影响隧道施工,甚至给人员财产安全带来了威胁。不良地质影响区内的岩石存在矿物异常、物理参数异常等明显特征,通过采集、分析岩石信息可以快速识别乃至预测隧道内的不良地质体,对于保障隧道安全快速施工具有重要意义。近红外光谱技术具有无损、快速、无需制样等优势和特点,可以在隧道内对岩石进行原位、快速测试,采集岩石的光谱信息并快速分析,实现在隧道施工过程中的岩石矿物成分、含水量变化等信息的实时反馈。因此本文基于近红外光谱技术,针对隧道施工特点,建立了一种隧道内蚀变带快速识别方法及体系,实现隧道内蚀变带的快速识别;分析讨论岩石近红外光谱数据同含水量之间的相关性,证明了利用光谱数据反演岩石含水量方法的可行性;结合包络线去除(Continuum Removal)模型和分数阶微分(Grünwald-Letnikov)方法,提出CR-GL光谱处理模型及CR-GL光谱解混模型,并应用于上述的隧道内蚀变带快速识别及岩石含水量反演的研究中,有效提升了光谱分析的效果。本文的主要研究内容及成果包括:(1)通过文献调研等方法,分析、总结包络线去除模型和分数阶微分方法的用途和优势,结合两种方法,提出建立一种CR-GL光谱处理模型,并将该模型代入光谱线性解混模型中得到CR-GL光谱解混模型。将建立的CR-GL模型应用于后续的矿物光谱解混和岩石含水量反演的研究中,证明了模型对于提升光谱分析效果的有效性。(2)针对隧道施工特点,建立了一种基于近红外光谱的隧道内蚀变带快速识别方法及体系,将该方法应用于新疆YE工程中,成功判识了隧道内遭遇的绿帘石化蚀变带和浊沸石化蚀变带,对蚀变程度进行了定量描述,并为预测掌子面前方的蚀变带提供了参考信息,有效提升了识别效率,满足了隧道安全快速施工的需求。(3)采集YE工程中的凝灰岩样品,测试不同含水量条件下的光谱数据。通过分析讨论不同光谱特征同含水量变化之间的相关性,发现波长1900nm处光谱吸收谷的面积特征参数同岩石含水量之间的相关性最强,验证了基于近红外光谱反演岩石含水量方法的可行性。

关键词：近红外光谱光谱处理隧道蚀变带识别岩石含水量

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基于近红外光谱的煤中水分测量研究

基于近红外光谱的煤中水分测量研究

作者：周义游华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

煤中水分含量是煤质工业分析的主要指标之一,在煤的生产、运输以及加工利用过程中有着重要的指导意义,直接影响到相关企业的安全生产与经济效益。目前煤质水分传统的检测方法存在着分析耗时过长、重复性差等问题。近红外光谱技术能够实... 详细信息

煤中水分含量是煤质工业分析的主要指标之一,在煤的生产、运输以及加工利用过程中有着重要的指导意义,直接影响到相关企业的安全生产与经济效益。目前煤质水分传统的检测方法存在着分析耗时过长、重复性差等问题。近红外光谱技术能够实现快速、无损检测煤质的水分含量,有效解决了传统水分检测的问题,可以及时应对因煤质水分变化而带来的负面问题,以实现对煤更好的利用。本论文介绍了近红外光谱技术的原理、预处理方法、异常数据剔除方法、样本集分类方法、特征波长选择方法以及相关的回归算法等。对13种相异煤样采集了不同含水量的O、M通道光谱各870条,剔除异常数据后,依据样本集分类方法分为校正集和预测集,并对原始光谱进行平滑（Smooth）、一阶求导（1-D）、多元散射校正（MSC）和标准归一化处理（SNV）处理;对原始光谱与各预处理光谱数据分别建立全波段的偏最小二乘（PLS）模型;通过相关系数法、连续投影算法（SPA）选择特征波长,建立对应的PLS、多元线性回归（MLR）模型;最后对原始光谱建立全波段的反向传输（BP）神经网络模型。基于全波段与相关系数法的建模中,O、M通道的原始光谱PLS建模结果均优于各预处理方法,表明各预处理对该方法的建模没有明显的优化作用;利用SPA特征波长选择法,O通道MLR建模结果最优为原始光谱,M通道中经Smooth处理后光谱信息得到增强,其MLR模型效果最优。对比各建模结果,对O、M通道基于原始光谱的全波段BP神经网络模型评价指标均优于上述方法,O通道中,校正集相关系数（Rc）为0.9789,校正集均方根误差（RMSEC）为2.5820,预测集相关系数（Rp）为0.9723,预测集均方根误差（RMSEP）为3.0556,对应剩余预测残差（RPD）为4.119;M通道中,Rc为0.9822,RMSEC 为 2.3968,Rp 为 0.9653,RMSEP 为 3.3458,对应 RPD 为 3.820。最后,分别利用O、M通道的最优模型对回归建模外的未知煤样光谱数据进行了预测,O通道中,对应相关系数、均方根误差、RPD分别为0.4322、16.0431、0.481;M通道中,对应相关系数、均方根误差、RPD分别为0.5932、7.2964、1.057。

关键词：近红外光谱煤水分光谱处理回归建模

基于高光谱的柑橘果树精细分类与叶绿素含量估测方法

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基于高光谱的柑橘果树精细分类与叶绿素含量估测方法

作者：肖斌桂林理工大学

学位级别：硕士

柑橘果树的分布与生理参数信息的实时无损监测是系统研究柑橘果园种植结构布局与长势监测的重要基础。机器学习算法已成为经济作物精准识别与长势监测的重要手段之一,目前尚未有研究系统探索机器学习算法在柑橘果树精细分类与叶绿素含... 详细信息

柑橘果树的分布与生理参数信息的实时无损监测是系统研究柑橘果园种植结构布局与长势监测的重要基础。机器学习算法已成为经济作物精准识别与长势监测的重要手段之一,目前尚未有研究系统探索机器学习算法在柑橘果树精细分类与叶绿素含量反演中的适用性。本文以桂林市六塘默科特柑橘试验基地为研究区,利用无人机高光谱影像数据,通过SULOV结合极端梯度提升（XGBoost）算法对柑橘果树特征进行优选与分类,并在此基础上,探究叶片实测光谱与叶片叶绿素含量（LCC）的定量关系,利用分数阶导数（FOD）与连续小波变换（CWT）对原始光谱进行处理,通过植被指数与构建新的波段组合方式寻找适用于估算叶片叶绿素含量的特征波段,分析FOD与CWT的光谱处理方法对叶片尺度光谱在LCC反演的作用,并通过集成学习回归（ELR）模型对处理后特征进行LCC的估测,研究成果如下:（1）结合SULOV与XGBoost算法能够有效提高柑橘果树精细分类的精度。本文所提算法在特征优选中能够有效提取反映不同柑橘品种的显著特征,XGBoost分类算法能够在特征差距较小且不同品种的果树作物精细分类中取得较高精度,总体分类精度达到92.14%。其中一阶微分拐点处波段与原始波段的融合特征对柑橘精细分类精度提升较大。（2）CWT能够有效提高LCC的估算精度。CWT消除了原始光谱中重叠峰对LCC估算的影响,且提高了原始光谱对LCC的相关性,在尺度5获得最大相关系数值0.894,在高维特征数据集中,仅用5个植被指数特征在ELR模型的反演中可获得较好的精度（R=0.863）,其中,而基于尺度5所构建的植被指数特征显著优于其它尺度。（3）FOD细化了原始光谱的变化趋势,消除了基线漂移与光谱重叠峰的影响,显著提高了原始光谱对LCC的相关性。基于FOD处理的高光谱数据构建双波段植被指数的估算精度明显低于融合了叶片含水量敏感波段的三波段植被指数组合方式,通过Hyperopt优化的ELR模型仅在TBI2单个特征变量的叶绿素含量估算中,得到较高反演精度（R=0.876）;而结合CWT最优植被指数与FOD最优波段组合特征估算中,获得最高精度（R=0.891）。（4）ELR模型精度高于任何一个单独的机器学习回归算法。该模型能够综合子模型的优点且有效降低子模型的缺点对模型的影响,提高ELR模型在LCC估算中的准确率和鲁棒性。

关键词：柑橘果树高光谱精细分类叶绿素光谱处理机器学习

差分吸收光谱法测量大气污染的浓度反演方法研究

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物理学报 2001年第9期50卷 1818-1823页

作者：周斌刘文清齐峰李振壁崔延军中国科学院安徽光学精密机械研究所环境监测研究室合肥230031

介绍了差分光学吸收光谱法 (DOAS)测量大气污染气体浓度的基本原理 ,描述了对测量光谱所作的一些必要处理 ,对最小二乘法作了简单介绍 ,并将它用在DOAS方法中的浓度反演中 ,通过与当地监测站的数据进行对比 ,证明了最小二乘法非常适用于... 详细信息

介绍了差分光学吸收光谱法 (DOAS)测量大气污染气体浓度的基本原理 ,描述了对测量光谱所作的一些必要处理 ,对最小二乘法作了简单介绍 ,并将它用在DOAS方法中的浓度反演中 ,通过与当地监测站的数据进行对比 ,证明了最小二乘法非常适用于DOAS方法中的浓度反演 .

关键词：差分光学吸收光谱法光谱处理最小二乘法环境监测大气污染气体浓度浓度反演法测量光谱