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基于微透镜阵列的光谱成像系统设计与实现

光学学报 2024年

作者：李东睿刘金涛吴松华中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院中国海洋大学信息科学与工程学部电子工程学院崂山实验室

文章研制了基于微透镜阵列的快照式光谱成像系统，采用微透镜阵列对像平面进行分割与积分、楔形棱镜进行色散，从而实现在单次曝光时间内对二维空间的三维光谱成像；系统在二维空间范围内包含12000个通道，光谱维覆盖范围为450 nm—685... 详细信息

文章研制了基于微透镜阵列的快照式光谱成像系统，采用微透镜阵列对像平面进行分割与积分、楔形棱镜进行色散，从而实现在单次曝光时间内对二维空间的三维光谱成像；系统在二维空间范围内包含12000个通道，光谱维覆盖范围为450 nm—685 nm，理论最小分辨率为25 nm。通过对微透镜阵列积分的理论分析与光线追迹仿真，得出不同入射锥角对微透镜阵列在积分效果的影响；对准直与聚焦透镜焦距对系统光谱分辨能力的计算与光线追迹仿真，得出适当提升准直透镜焦距有助于提升系统光谱分辨能力，从而为系统成像镜头、准直以及聚焦镜头参数的选择提供了一定的理论依据。分别使用6种不同中心波长的带通滤色片对各波段下光斑中心位置进行定标，验证光线追迹结果；利用不同间距条纹进行系统空间分辨率测试，三维光谱图像和二维空间图像对30 m处目标可以分别提供1.2 mm和0.5 mm的空间分辨率。利用24色色板进行三维光谱成像测试，得到了不同波段下的光谱图像结果；验证了该系统能够满足设计要求，为对地三维光谱成像提供了一种可行性方案。

关键词：多光谱成像微透镜阵列成像光谱仪场积分式光谱成像快照式光谱成像

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中尺度涡调制下全球海洋遥感特征相关性分析

遥感学报 2024年第8期28卷 2002-2013页

作者：黄春铭陈笑炎王璇陈戈中国海洋大学信息科学与工程学部青岛266100 青岛海洋科学与技术国家实验室青岛266100 潍坊学院物理与光电学院潍坊261061

本文旨在探寻反气旋性涡旋(AE)、气旋性涡旋(CE)调制下海表特征的相关性分布及其与涡旋外部(OE)区域的差异,为进一步厘清中尺度涡对海气界面的调制机制,改进海洋数值模拟提供理论依据。本文利用2010年—2019年长时序遥感观测数据以及皮... 详细信息

本文旨在探寻反气旋性涡旋(AE)、气旋性涡旋(CE)调制下海表特征的相关性分布及其与涡旋外部(OE)区域的差异,为进一步厘清中尺度涡对海气界面的调制机制,改进海洋数值模拟提供理论依据。本文利用2010年—2019年长时序遥感观测数据以及皮尔逊积距相关系数、涡旋识别等方法,系统分析了全球中尺度涡调制下海表温度异常、海面高度异常、叶绿素浓度异常、风速异常4种参数相关性的时空分布特征及其差异。结果表明各参数之间相关性分布赤道太平洋地区相关性最强,印度洋地区以及北美洲西南岸相关性较为显著,其他地区相关性偏弱,且各参数分布呈现出较强的涡旋信号。此外,各参数的相关系数在OE中相比于CE以及AE内部降低0.2左右,相关系数分布的平滑程度约为AE与CE中相关系数分布的20倍,且相关性相反两区域之间存在明显的过渡区域。可以得出结论中尺度涡调制下各参数的相关性分布表现很强的地域特征,其差异主要表现在相关程度以及整体平滑性方面。

关键词：遥感观测中尺度涡耦合分析海表温度海面高度叶绿素浓度风速

相干差分吸收二氧化碳激光雷达仿真与误差分析

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光学学报 2024年第6期44卷 145-156页

作者：李因营陈相成于翠荣戴光耀吴松华中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院山东青岛266100 青岛镭测创芯科技有限公司山东青岛266101 崂山实验室山东青岛266237 中国海洋大学海洋高等研究院山东青岛266100

阐述了相干差分吸收激光雷达(CDIAL)探测大气二氧化碳(CO_(2))的原理,设计了1.57μm波段微脉冲相干探测系统,并对系统的回波信号进行了仿真。通过仿真计算分别探究了温度、压力、波长等因素对差分光学厚度计算及CO_(2)体积分数的反演精... 详细信息

阐述了相干差分吸收激光雷达(CDIAL)探测大气二氧化碳(CO_(2))的原理,设计了1.57μm波段微脉冲相干探测系统,并对系统的回波信号进行了仿真。通过仿真计算分别探究了温度、压力、波长等因素对差分光学厚度计算及CO_(2)体积分数的反演精度的影响。仿真结果显示:当波长漂移为0.5 pm、温度不确定度为1 K、压强不确定度为1 h Pa、水汽体积分数测量不确定度为10%时,这些参数引起的总体误差为0.45%;在大气中CO_(2)的体积分数为4×10^(-4)时,微脉冲相干激光雷达探测CO_(2)体积分数的测量误差约为1.8×10^(-6)。

关键词：大气光学二氧化碳体积分数相干差分吸收激光雷达仿真与性能评估

基于多普勒激光雷达的青岛地区大气物质边界层高度反演与分析

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光学学报 2024年第6期44卷 64-78页

作者：王俊博王筱晔任超孙康闻尹嘉萍范梦奇戴光耀吴松华中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院山东青岛266100 北京航空气象研究所北京100085 青岛镭测创芯科技有限公司山东青岛266100 崂山实验室山东青岛266237 中国海洋大学海洋高等研究院山东青岛266100

为了提升大气物质边界层高度(AMBLH)的识别准确性,基于2020年11月至2021年11月在青岛开展的大气边界层(ABL)观测实验,提出了一种基于相干多普勒激光雷达(CDL)信噪比数据的AMBLH的综合反演方法,并应用此方法反演得到了青岛地区的AMBLH,... 详细信息

为了提升大气物质边界层高度(AMBLH)的识别准确性,基于2020年11月至2021年11月在青岛开展的大气边界层(ABL)观测实验,提出了一种基于相干多普勒激光雷达(CDL)信噪比数据的AMBLH的综合反演方法,并应用此方法反演得到了青岛地区的AMBLH,其与探空仪反演结果的相关度为0.93。分析了青岛一年内的AMBLH发展情况,发现各月份AMBLH均有日变化特征,其中6、7月特征相对较弱,推测这与夏季来自海洋的东南风盛行有关。AMBLH月均值在全年呈起伏波动趋势,在冬末至春初、夏末至秋初的阶段逐步增大。AMBLH月均中位数4月最高、6月最低,AMBLH季度发展程度由高到低的顺序为春季、冬季、秋季、夏季,其中春季和冬季高度相近。AMBLH各季度日变化中抬升趋势出现的时间为夏季早于春季,秋季与春季相近并早于冬季。

关键词：大气光学相干多普勒激光雷达大气物质边界层高度综合反演方法

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面向遥感视觉问答的尺度引导融合推理网络

软件学报 2024年第5期35卷 2133-2149页

作者：赵恩源宋宁聂婕王鑫郑程予魏志强中国海洋大学信息科学与工程学部山东青岛266100 清华大学计算机科学与技术系北京100084 青岛海洋科技中心山东青岛266061

遥感视觉问答(remote sensing visual question answering,RSVQA)旨在从遥感图像中抽取科学知识.近年来,为了弥合遥感视觉信息与自然语言之间的语义鸿沟,涌现出许多方法.但目前方法仅考虑多模态信息的对齐和融合,既忽略了对遥感图像目... 详细信息

遥感视觉问答(remote sensing visual question answering,RSVQA)旨在从遥感图像中抽取科学知识.近年来,为了弥合遥感视觉信息与自然语言之间的语义鸿沟,涌现出许多方法.但目前方法仅考虑多模态信息的对齐和融合,既忽略了对遥感图像目标中的多尺度特征及其空间位置信息的深度挖掘,又缺乏对尺度特征的建模和推理的研究,导致答案预测不够全面和准确.针对以上问题,提出一种多尺度引导的融合推理网络(multi-scale guided fusion inference network,MGFIN),旨在增强RSVQA系统的视觉空间推理能力.首先,设计基于Swin Transformer的多尺度视觉表征模块,对嵌入空间位置信息的多尺度视觉特征进行编码;其次,在语言线索的引导下,使用多尺度关系推理模块以尺度空间为线索学习跨多个尺度的高阶群内对象关系,并进行空间层次推理;最后,设计基于推理的融合模块来弥合多模态语义鸿沟,在交叉注意力基础上,通过自监督范式、对比学习方法、图文匹配机制等训练目标来自适应地对齐融合多模态特征,并辅助预测最终答案.实验结果表明,所提模型在两个公共RSVQA数据集上具有显著优势.

关键词：遥感视觉问答多模态智能融合多模态推理多尺度表征

面向海浪遥感卫星标定的漂流波浪浮标关键技术研究

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航天器工程 2024年第1期33卷 146-152页

作者：温琦李洋马昕李俊漾王暖升中国海洋大学信息科学与工程学部山东青岛266100 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室山东青岛266100 中国海洋大学海洋与大气学院山东青岛266100

在精细化海洋观测领域,遥感卫星海浪方向谱的获取存在精度低、累积误差大等问题,设计了一种基于Transformer神经网络的海浪方向谱估计方法,通过引入稀疏自注意力机制以及物理引导模块等,实现海浪方向谱的高精度表达;海上试验测试结果表... 详细信息

在精细化海洋观测领域,遥感卫星海浪方向谱的获取存在精度低、累积误差大等问题,设计了一种基于Transformer神经网络的海浪方向谱估计方法,通过引入稀疏自注意力机制以及物理引导模块等,实现海浪方向谱的高精度表达;海上试验测试结果表明,新提出的海浪方向谱估计方法与传统海浪方向谱估计方法相比,文章提出的模型估计方向谱更符合理论谱形,伪峰较少,平滑性和一致性方面表现较好,并且对数据噪声的容忍度更高。同时,设计了一种基于人工智能芯片的漂流波浪浮标系统,通过AI软硬件系统对不同任务进行动态调度分配,实现浮标低功耗运行,有效提升了波浪测量性能及海上工作时间,是遥感卫星高精度获取大范围、长时序全球性海洋观测数据的一种有效补充。

关键词：方向谱漂流浮标海洋观测遥感定标

基于Au@4-ATP@Au凸多面纳米颗粒的多菌灵表面增强拉曼散射检测

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光谱学与光谱分析 2024年第7期44卷 1843-1851页

作者：严霞胡聪聪杨智远赵航史晓凤马君吕梁学院物理与电子信息工程系山西吕梁033000 中国海洋大学光学光电子实验室山东青岛266100

表面增强拉曼散射(SERS)技术在农药残留的检测方面具有很大的潜力,但在痕量和定量分析方面仍存在局限性。提出了一种基于Au@4-ATP@Au凸多面纳米颗粒(NCPs-Au@4-ATP@Au)为增强基底的农药检测方法。XRD结果表明,由于探针分子对金前驱的选... 详细信息

表面增强拉曼散射(SERS)技术在农药残留的检测方面具有很大的潜力,但在痕量和定量分析方面仍存在局限性。提出了一种基于Au@4-ATP@Au凸多面纳米颗粒(NCPs-Au@4-ATP@Au)为增强基底的农药检测方法。XRD结果表明,由于探针分子对金前驱的选择性和诱导性,NCPs-Au@4-ATP@Au纳米颗粒与球形金纳米颗粒晶面结构信息有明显差异,具体体现在(200)处的强反射峰。结合扫描电镜与吸收光谱可以确定,NCPs-Au@4-ATP@Au同时具备球形与多面体结构特征。吸收峰较球形金纳米颗粒有明显红移,更加接近激发光波长,这在理论上更有利于SERS信号的增强。实验证明,以表面包覆高指数晶面,同时内嵌4-ATP作为探针分子的NCPs-Au@4-ATP@Au为增强基底,农药多菌灵(CBZ)的检测限(LODs)达到0.66 nmol·L^(-1)。通过对CBZ分子的拉曼与SERS光谱位移分析可以初步确定,CBZ分子是通过NH键和CO键吸附于金纳米颗粒上。Au@4-ATP@Au利用多凸面结构体提高灵敏度的同时,以4-ATP作为定标信号,归一后光谱稳定性和时效性也得到改善。内标峰强度矫正后光谱稳定性的相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)低至7.03%,半个月内信号强度仅降低5.87%,RSD为2.94%。结果表明,NCPs-Au@4-ATP@Au提高了SERS在农药检测方面的痕量和定量检测能力,该基底有望推动SERS在实际中的应用。

关键词：表面增强拉曼散射多菌灵凸多面纳米颗粒定量分析内定标

双向长短期记忆网络在激光雷达风廓线预测的应用

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光学学报 2024年

作者：廉文超宋小全郝朝阳姜萍中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院青岛海洋科技中心区域海洋动力学与数值模拟功能实验室

多普勒激光雷达进行测量时，由于断电、低云、降水等影响会产生风廓线数据的缺测。本研究主要使用双向长短期记忆网络(Bi-LSTM)对风廓线进行预测，以期对风廓线观测结果缺失时使用预测结果进行插补，以提升风场数据的获取率和连续性。2... 详细信息

多普勒激光雷达进行测量时，由于断电、低云、降水等影响会产生风廓线数据的缺测。本研究主要使用双向长短期记忆网络(Bi-LSTM)对风廓线进行预测，以期对风廓线观测结果缺失时使用预测结果进行插补，以提升风场数据的获取率和连续性。2021年4月多普勒激光雷达在辽宁省觉华岛地区开展大气风场探测实验，针对因断电和天气条件导致的风廓线数据缺测，使用4月18日-22日的十分钟平均风廓线集，探究基于时序的Bi-LSTM模型在风廓线预测方面的性能，并与非时序卷积神经网络(CNN)的预测性能对比。实验结果表明，Bi-LSTM模型具有良好的风廓线短期预测能力，基于连续完整的443条十分钟平均风廓线训练的Bi-LSTM模型，对未来15条十分钟平均的风廓线预测效果较好：u分量和v分量的决定系数高于0.6和0.5，均方根误差低于2 m·s-1和3 m·s-1，平均绝对误差低于2 m·s-1和3 m·s-1，其预测评估指标值均优于CNN模型。在本案例中，使用Bi-LSTM模型的预测结果对缺测风廓线插补，1000米高度以下的数据获取率平均提升8个百分点。

关键词：大气光学多普勒激光雷达深度学习双向长短期记忆网络风廓线预测

基于生物发光动力学和荧光的自养与异养甲藻区分方法研究

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海洋与湖沼 2024年

作者：刘昀陈树果胡连波毕蓉商哲海杨世民中国海洋大学海洋技术学院/三亚海洋研究院/海南省海洋立体观测与信息重点实验室国家卫星海洋应用中心中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室中国海洋大学海洋生命学院

自养和异养甲藻是黄渤海浮游植物的重要组成部分，浮游植物对整个海洋生态系统的物质循环和能量流动至关重要，区分自养与异养浮游植物的传统方法有显微镜计数法和高效液相色谱法等，这些方法专业性强且复杂耗时，而将生物发光动力学与... 详细信息

自养和异养甲藻是黄渤海浮游植物的重要组成部分，浮游植物对整个海洋生态系统的物质循环和能量流动至关重要，区分自养与异养浮游植物的传统方法有显微镜计数法和高效液相色谱法等，这些方法专业性强且复杂耗时，而将生物发光动力学与荧光数据结合进行区分的方法操作简单且时效性更强。文章利用生物发光动力学与荧光结合的方法对黄渤海的浮游生物测量数据进行自养与异养区分，获得自养甲藻、异养甲藻和其他浮游植物的特征参数，并发现与显微镜计数法和高效液相色谱法的结果有强相关性，证明了该方法在黄渤海及其他边缘海区应用的可行性。

关键词：生物发光动力学荧光自养甲藻异养甲藻其他浮游植物