水体参数高光谱反演模型对比研究

水是维系生命与健康的基本需求,人类的生产、生活都离不开水。水体中氮磷的超标导致水中营养元素过剩从而水体富营养化,进而水质恶化甚至造成大范围的影响。高光谱遥感在内陆水质监测领域的应用越来越广泛,研究以此为基础,为减少室外水体特异性因素影响,通过实验室模拟外界条件搭建实验室实验系统,并根据国家排放标准分别配制浓度范围在0~2.5 mg·L^(-1)的40个不同浓度梯度的磷酸钠标准溶液和浓度范围在0~20 mg·L^(-1)的40个不同浓度梯度氯化铵标准溶液。获取所有标准溶液的高光谱图像,对水质参数总磷、总氮的光谱响应进行了分析,找出其对应的敏感波段分别在420、720 nm附近和410 nm附近。利用主成分分析(PCA)建立高光谱水质反演数据集,对高光谱图像作辐射定标、Savitzky-Golay滤波(SG滤波)预处理并利用BP人工神经网络分别构建实验室高光谱总磷、总氮反演模型,构建的实验室高光谱总磷反演模型的决定系数为0.9802,实验室高光谱总氮反演模型的决定系数为0.8602。以江苏宜兴市内某河道为研究对象,将该模型应用到室外无人机搭载高光谱成像系统获取到的室外高光谱图像数据,分散选取五个点分别计算结果,得到总磷、总氮浓度均值的反演精度分别为95.00%和93.52%。利用传统方法直接在待测河道观测点取水构建的室外高光谱水质反演模型反演相同五个点得到的总磷、总氮浓度均值的反演精度分别为86.87%和86.48%。两组反演结果对比,发现本研究构建的实验室高光谱水质反演模型得到的光谱反演结果中90%的反演精度略高于室外水质反演模型的反演精度,证实该研究可对待测河道内总磷、总氮的含量进行有效预测,也可为水体总磷、总氮高光谱遥感反演提供一定技术支持。

空-谱维联合Savitzky-Golay高光谱滤波算法及其应用

针对目前应用Savitzky-Golay(SG)滤波器进行高光谱图像滤波过程中空间信息无法利用,造成小麦赤霉病高光谱分类识别模型精度仅能达到87.088 9%的问题,提出高光谱图像空-谱维联合SG滤波(TSG滤波)的方法,使模型精度相比采用SG滤波提升了12.066 7%。该算法将一维的SG卷积核按四个方向扩展成二维的SG卷积核,根据卷积定理利用快速傅里叶变换对高光谱图像数据进行空间及光谱维联合快速滤波。设置TSG滤波核窗口系数m=2~4,阶数n=3~5,滤波后图像信噪比提升了10%以上、峰值信噪比高于30 db、结构相似度大于96%, TSG滤波能保持原图特征并显著提升图像信噪比。对比Pavia University高光谱图像经TSG滤波(m=3,n=4)、 SG滤波(m=7,n=3)后的灰度图像与光谱图,可以看出TSG滤波后图像条带噪声得到了抑制、特征峰相对峰值高度最高提升31.68%、特征波段平均强度提升41.83%,而SG滤波后图像条带噪声依然清晰且特征峰相对峰值高度至少降低了13.40%。构建基于TSG-PCA-SVM算法的小麦赤霉病高光谱分类识别模型,训练集包含500个样本点,测试集包含4500个样本点,模型测试集分类精度高达99.155 6%、卡帕系数0.983 613,对于小麦高光谱数据集中全部116 880个样本点的总分类精度高达99.206 0%。经TSG滤波后分类模型精度高、一致性好,分类精度相较于SG滤波后的87.088 9%获得了显著提升。综上所述,该研究为高光谱图像滤波提供了一种新的思路,为小麦赤霉病高光谱识别系统构建提供了参考与依据。

小顶角平台硅中阶梯光栅光刻胶掩模制备工艺研究

为降低硅中阶梯光栅制作工艺中顶角平台对光栅衍射效率的影响,提出了"紫外曝光-倒置热熔"结合法用于制备具有小占宽比的光刻胶掩模,对中阶梯光栅设计、硅基片准备以及光刻胶掩模制备等环节进行了研究。AFM测试结果表明,可以制备占宽比为1∶5的光刻胶掩模,远远超出光栅理论设计中对顶角平台尺寸的要求。

硅中阶梯光栅的湿法刻蚀技术

建立了单晶硅中阶梯光栅湿法刻蚀全工艺过程,并对该工艺所涉及的光刻胶掩模制备、氧化层掩膜制备以及单晶硅湿法刻蚀等环节进行了研究。利用该工艺制作了口径为20mm×20mm的中阶梯光栅,其在入射波长532nm,Littrow方式入射时,-42级衍射效率大于70%。

电铸金属光栅中金属沉积过程的在线监测

在使用电铸方法制作金属光栅时,采用传统的计时电铸方法常常不能保证金属栅条具有精确的沉积厚度。为了能够实时监测光栅栅条的沉积厚度,以实现电铸截止时刻的精确判断,建立了基于衍射效率判断金属沉积厚度的在线监测系统。采用严格耦合波理论计算了Au在光刻胶沟槽中进行沉积时,衍射效率随Au沉积厚度的变化规律,并讨论了光刻胶占宽比、电铸电流密度对衍射效率的影响;计算了电铸池、镀液对监测激光能量造成的损耗。实验得到的效率曲线与仿真结果相一致;电铸池、镀液对光能的损耗达94.88%。实验结果表明,采用在线监测方法实时判断金属沉积厚度是合理有效的;光刻胶占宽比对在线监测影响不大;电铸电流密度对在线监测有影响,且电流密度越高越有利于截止点的判断。

超声波震荡法及润湿性增强法对单晶硅阶梯光栅闪耀面粗糙度的影响

单晶硅阶梯光栅闪耀面表面粗糙度会引起入射光的散射形成杂散光，为获得低杂散光的阶梯光栅槽形，减小单晶硅阶梯光栅闪耀面表面粗糙度显得尤为重要。在单晶硅湿法刻蚀工艺中，阶梯光栅闪耀面表面粗糙度较大的原因是反应生成的氢气易在硅片表面停留，形成虚掩模，阻碍反应的进一步进行。基于超声波空化作用及异丙醇（IPA）增加单晶硅表面润湿性的原理，在单晶硅湿法刻蚀制作阶梯光栅工艺过程中分别利用超声波震荡法及润湿性增强法对所制阶梯光栅闪耀面表面粗糙度进行改善。利用超声波震荡法所制阶梯光栅闪耀面表面粗糙度小于15nm，利用润湿性增强法所制阶梯光栅闪耀面表面粗糙度小于7nm。同时施以超声波震荡法和润湿性增强法，在异丙醇质量分数范围为5％～20％，超声波频率为100kHz，功率范围为30～50W时，所制阶梯光栅闪耀面表面粗糙度小于2nm，而且当异丙醇质量分数为20％、超声波频率为100kHz以及超声波功率为50W时，所制中阶梯光栅闪耀面表面粗糙度达到1nm。实验结果表明，同时施以超声波震荡法及润湿性增强法，并优化实验参数可以制备更低粗糙度的阶梯光栅。

成功研制小麦赤霉菌高光谱原位检测系统 为我国粮食安全提供技术支撑

2021年5月,中国科学院科技服务网络计划(STS)区域重点项目“小麦赤霉病检测设备产业化开发及应用推广”顺利通过验收。项目面向国家粮食安全重大战略需求,成功研制出小麦赤霉菌高光谱原位检测系统,实现对小麦赤霉病的非采样检测,解决了传统检测方法设备昂贵、操作复杂、周期长、准确性和重复性差等问题。该设备的多项技术指标达到国际领跑水平。

应用于亚波长角向偏振金属光栅设计的快速收敛粒子群算法优化

提出了分步寻优的基于粒子位置调整惯性权重的粒子群算法(PDW-PSO),通过调用严格耦合波方法(RCWA)计算衍射效率,进行了光栅结构参数的优化。将PDW-PSO与惯性权重不变的粒子群算法(PSO)和基于迭代次数调整惯性权重的粒子群算法(IDW-PSO)进行对比,结果表明PDW-PSO具有更快的收敛速度,相比于PSO和IDW-PSO,PDW-PSO的平均迭代次数分别从89.83和74减少至21.2,调用RCWA的次数分别从3144.05和2590下降至224。分析了波段匹配数对算法的影响, PSO和IDW-PSO的RCWA调用次数与波段匹配数呈等倍率增加,而PDW-PSO的RCWA调用次数的增加倍率小于波段匹配数的增加倍率。进行了算法准确度实验,在30次运行中,PDW-PSO与PSO、IDW-PSO正确收敛到最优值的次数相近,误差值不超过6.6%;随着粒子数的增加,三种方法的准确度都有所提高,粒子数达到27后基本都可以保证收敛到最优。