基于便携式地物高光谱仪的文物材料分析研究进展

文物承载着灿烂文明,传承着历史文化,是全人类的宝贵遗产。由于文物不可再生的珍贵性,以及最少干预的文物保护基本原则,无损分析技术始终是文物制作工艺研究、劣化机理及保护修复研究中材料分析的最主要技术手段。因此,研发、应用新型无损分析技术是文物保护利用的重要研究方向。近年来,源于遥感领域的便携式地物高光谱仪在文物材料分析中展现出强大应用潜力,并且已在石质古建筑、绘画等文物修复中成功应用。作为一种无需采样的非侵入式光谱技术,便携式地物高光谱仪可在极短时间获取一个涵盖可见光-近红外-短波红外波段(350~2500 nm)的全波段、高分辨率反射光谱。同时,其便携程度很高,对工作环境、光源等无特殊要求,可在野外文物或遗址现场原位使用。此外,在采集光谱数据的同时还可通过遥感技术实现数据的远程传输和分析。上述技术特点使其在文物材料分析中具有独特的应用优势。以光谱技术的基本原理为基础,首先介绍了目前文物材料分析中常用便携式地物高光谱仪的设备型号及其性能指标;其次细致梳理了近十年来其在有机质/无机质文物材料定性和定量分析、文物保护材料分析,以及文物修复原位、实时监测等方面的应用现状;之后深入探讨了谱图预处理的规范和建立标准波谱库等两个影响该技术应用效果的关键问题;最后展望了该技术的发展趋势,预期在脆弱有机质文物分析、多种分析技术联合应用和定量分析研究方面前景广阔。

基于高光谱仪与光谱仪模型共享的海洋沉积物碳含量速测的研究

实验室光谱仪和高光谱相机是两种获取物质光谱图像的仪器,两种仪器在实际应用方面各有优势且应用范围广泛。本文以光谱仪为主仪器,高光谱相机为从仪器,通过实验室光谱仪和高光谱相机之间的模型转移来实现对海洋沉积物碳含量快速预测。结果显示,当使用数据标准化处理光谱数据,且校正集和检验集的比例为3∶1,使用PDS-DMP-S/B模型转移算法进行模型转移时,建模结果的R^(2)_(P)值为0.69,达到了比较理想的建模结果,为海洋沉积物碳含量从点到面的预测提供了一种新的、快捷的方法。

基于成像高光谱仪的大豆叶面积指数反演研究

高光谱遥感能连续获取地物光谱图像,这一技术能大大提高估算叶面积指数的水平。利用无人机搭载成像高光谱仪获取作物光谱信息反演叶面积指数对精准农业生产与管理意义重大。通过灰色关联度排序、赤池信息量准则和偏最小二乘法(GRA-PLS-AIC)选择了三角植被指数(TVI)、比值植被指数(RVI)、红边植被指数(NDVI705)、归一化植被指数(NDVI)和重归一化植被指数(RDVI)5种植被指数,结合田间实测的叶面积指数数据,采用经验模型构建多指数反演模型。通过无人机为平台同步搭载数码相机和成像高光谱仪,在山东省嘉祥县一带获取了大豆生殖生长期内的遥感影像,同时利用LAI-2200C植物冠层分析仪进行叶面积指数测定,将获取到的遥感影像和地面实测数据进行叶面积指数的反演。结果表明:在大豆生殖生长期内建多指数模型,建模结果的预测值和实测值的R^2和RMSE分别为0.701和0.672,验证结果的R^2和RMSE分别为0.695和0.534,预测模型有比较高的精度和可靠性,利用该模型来反演LAI是准确的,生成的大豆LAI分布图能反映当地当时大豆的真实长势情况。因此,以多旋翼无人机为平台同步搭载高清数码相机和成像高光谱仪组成的无人机农情监测系统对研究大豆叶面积指数反演是可行性,构建的多指数模型适用于大豆生殖生长期。

应用高光谱仪探测叶片反射光谱中的荧光

介绍了一种利用光谱仪进行荧光测量的方法。采用LI 1800_12S积分球,耦合ASD地物光谱仪,在光源前面分别加载长波通、短波通截止滤光片,按照不同算法提取叶片表观反射光谱中的荧光。结果表明利用长波通滤光片测得的表观反射率差值光谱可以代表荧光光谱,在红光区和远红光区表现为明显的双峰特征,不同截止波长滤光片提取的荧光强度不同。采用短波通滤光片可直接获得荧光光谱,不同植物种类荧光光谱差异明显。此法对于植物被动荧光遥感探测及叶绿素荧光仪的研制和开发具有一定参考价值。

Zynq平台嵌入式本地光谱分离微型高光谱仪研制

高光谱图像数据量大,对数据传输带宽要求高,通常难以在结构紧凑的微型高光谱仪中实现实时调焦与视频流传输等功能。文中基于新型快照马赛克高光谱传图像感器,设计实现了一套嵌入式微型高光谱仪,在本地完成传感器的驱动和高光谱数据分离。单波段光谱图像数据经千兆以太网传输至上位机,从而大幅降低了对传输带宽的要求,大幅增强了调焦与光谱视频预览效果。实测结果显示,该系统高光谱图像传输帧频可达50帧/s,能够满足高时间分辨应用下的实时调焦与动态信息捕获的需求。

基于Socket服务器的Zynq平台微型高光谱仪实时视频预览系统

由于高光谱数据量庞大,通常的微型高光谱仪难以实现实时视频流无线传输,无法在移动终端进行实时视频预览,给高光谱数据的分析处理带来不便。通过研制Zynq平台微型高光谱仪,经由马赛克面阵高光谱传感器采集高光谱数据,搭建Socket服务器对高光谱数据实施视频无线传输,最终可在移动终端APP上实现实时的高光谱数据视频预览。实测结果显示,所实现的Zynq平台微型高光谱仪在视频预览状态下帧频达28 fps,结合APP的原始高光谱图像获取功能,可显著扩展微型高光谱仪的应用范围。

痕量气体掩星探测高光谱成像光谱仪光学系统设计

痕量气体作为大气的重要成份,对地球的生态起着重要作用。为了实现宽波段、高光谱全天时连续测量,本文设计了一款在掩星探测模式下工作的高光谱成像光谱仪。该系统为共狭缝的双通道结构,紫外-可见光通道采用单凹面光栅结构、红外通道采用利特罗与浸没光栅结合结构,有效地减小了体积。利用软件对光学结构进行优化,优化结果表明:光谱仪在250~952 nm波段范围内工作,其中紫外-可见光通道工作波段为250~675 nm、光谱分辨率优于1 nm、MTF在奈奎斯特频率为20 lp/mm处均高于0.58、全视场各波长处RMS值均小于21μm;红外通道工作波段为756~952 nm、光谱分辨率优于0.2 nm、MTF在奈奎斯特频率为20 lp/mm处均高于0.76、全视场各波长处RMS值均小于6μm,均满足设计要求。结果表明该高光谱成像光谱仪系统可以实现对痕量气体的掩星探测。

基于高光谱成像技术的烤烟上部烟叶成熟度光谱特征分析及判别模型构建应用研究

【目的】研究不同成熟度上部烟叶的高光谱特征及智能化判别的可行性。【方法】运用便携式高光谱仪采集3种成熟度(尚熟(SS)、成熟(CS)、过熟(GS))上部烟叶的高光谱图像并提取光谱数据。运用相关性分析、主成分分析以及方差分析等方法分析光谱特征并构建5种模型(支持向量机(SVM)、K近邻(KNN)、随机森林(RF)、LightGBM和XGBoost)用于成熟度判别评价。【结果】(1)可见光(400~720 nm)与近红外(750~1000 nm)内部各波段之间相关性较强,而两个区域之间相关性较弱;(2)5个特征值大于1的主成分(PC1~PC5)几乎包含了所有的光谱信息,且主成分方差分析结果表明不同成熟度上部烟叶的光谱反射特征在可见光、红边以及部分近红外区域(950~1000nm)统计学差异显著;(3)5种模型中SVM性能最优,2021年度样品的判别精确率、召回率和F1分数均在0.95以上,而2022年度以及2021+2022年度样品分别在0.93和0.92以上。【结论】上部烟叶高光谱存在多重共线性,具有很好的降维效果,且不同成熟度的光谱反射特征存在显著差异。SVM判别性能在不同年度间具有很好的稳定性,可用于上部烟叶成熟度判别。

长波红外高光谱成像光谱仪的辐射定标

红外辐射定标是红外遥感信息定量化的关键技术,对所测光谱进行定标是定量分析中的重要环节。采用自行研制长波红外高光谱成像光谱仪原理实验装置(简称CHIPED-I)进行验证,用黑体对实验装置进行了两点线性定标,将测量的相对强度转化成目标的绝对辐射亮度谱,采用亮温法算出标定后的亮温光谱。结果表明,这种辐射定标方法用于长波红外高光谱成像光谱仪方法可行,这对进一步分析大气透过率和反演大气中红外活性气体浓度具有实际意义。

星载高光谱成像光谱仪狭缝函数测试方法的研究

为了满足大气微量成分高精度测量需求,需要能准确描述星载高光谱大气微量成份探测仪的仪器狭缝函数。针对高光谱大气微量成份探测仪视场大、波段宽、空间分辨率和光谱分辨率高等特点,研制了狭缝函数测量仪。介绍了狭缝函数测量仪的工作原理及基本结构,并利用狭缝函数测量仪可同时实现高分辨率、宽谱段测量的特点,通过搭建定标装置,对高光谱大气微量成份探测仪进行全视场的狭缝函数测试,得出了仪器狭缝函数的数学表达式,给出仪器狭缝函数的特性分布,并对结果进行分析。测试结果表明:高光谱大气微量成份探测仪全视场光谱分辨率在0.423~0.597nm之间,其狭缝函数特性曲线近似满足高斯分布规律。由于星载大视场成像光谱仪存在光谱弯曲现象,从而导致边缘视场分辨能力略低于中心视场分辨能力。狭缝函数测量仪是基于中阶梯衍射光栅设计,可同时输出多条高分辨率谱线,且分布均匀,不仅可以测量高光谱成像光谱仪的仪器狭缝函数,也可对星载高光谱仪器光谱定标,为后续研究提供了参考依据和方法。

中国SONG项目高分辨光谱仪与高精度恒星震动视向速度测量

中国SONG项目(Stellar Observations Network Group)是中国天文界参与的一个国际合作的天文学研究计划。其核心是利用高分辩光谱仪获取恒星的时序光谱。光谱仪的分辨率根据科学目标的要求,用不同的狭缝宽度实现R=60 000~120 000。利用碘蒸汽发射线定标的方法,实现高达1m·s-1的视向速度测量精度,以此测量恒星表面由于恒星震动产生的多普勒运动,并实现项目的科学目标。SONG光谱仪是项目的核心设备,将介绍光谱仪的性能和天体物理应用的参数,并给出实际测量结果。作为一个测量恒星表面多普勒运动时序数据的仪器,整个系统的长期稳定性是项目取得成功的关键,在此也将展示仪器稳定性方面的工作。

高精度便携式X射线荧光光谱仪对污水厂剩余污泥重金属的快速测定

应用高精度便携式X射线荧光光谱仪(HDXRF)对陕西省32家污水处理厂的剩余污泥样品中的As、Hg、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni这7种重金属元素含量进行测定,与火焰原子吸收光谱(FAAS)法测定结果进行比对并建立回归方程,以期分析HDXRF法测定剩余污泥重金属含量的可行性。结果表明:HDXRF法测定结果和火焰原子吸收光谱法的测定结果显著相关,As、Hg、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni的相关系数(R 2)分别为0.83、086、0.84、0.67、0.91、0.84、0.81(P<0.001);采用HDXRF法测定As、Hg、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni的检出限依次为0.5、0.5、3、0.6、1.5、1、1.5 mg/kg,所有重金属的检出限均低于《农用污泥污染物控制标准》A级标准限值,适用于剩余污泥中重金属As、Hg、Cr、Pb、Cu、Zn、Ni的快速测定。

高分辨连续光源原子吸收光谱仪测定铅酸蓄电池周边土壤和沉积物中的Pb

目的:建立高分辨连续光源原子吸收光谱仪测定铅酸蓄电池周边土壤和沉积物中铅的方法。方法:样品经全自动土壤研磨仪处理成100目样品,全自动石墨消解仪消解成液态,选择乙炔流量65 L/h、燃烧头高度6 mm等仪器参数进行样品测定。结果:铅线性相关系数在0.999以上,检出限为5 mg/kg,精密度、准确度均良好,满足实验要求,实际样品的加标回收在90%~110%范围内。结论:本实验提供测定铅酸蓄电池周边土壤和沉积物中铅的可靠方法,为场地后期整改处理提供有利的数据支撑。

高分辨连续光源原子吸收光谱法测定煤中硫

提出一种用HNO3、HClO4和HF消解样品、高分辨连续光源原子吸收光谱法测定硫在富燃空气-乙炔火焰中形成的CS双原子分子的吸收来测定煤中硫的新方法。实验用含硫标准溶液和煤的标准物质优化了仪器条件,并用不同混合酸对煤样的消解方法进行了比较。对可能存在的光谱和化学干扰、有机溶剂对硫的化合物CS吸收的影响进行了研究。结果表明:除了Fe 258.045 nm线与CS 258.056 nm线的波长差小于0.015 nm外,其他元素干扰线与CS线的波长差均大于0.015 nm,因此可以通过仪器的高分辨率使这些干扰线与CS线分开,克服干扰;Fe 258.045谱线虽然不能与CS 258.056 nm谱线完全分离,但是该谱线在富燃乙炔空气火焰中的吸收强度很弱,不能形成真正的干扰;Pb与溶液中的SO42-反应产生Pb-SO4沉淀降低了CS的吸收,可在溶液中加入乙酸铵溶液,使SO42-从PbSO4沉淀中释放出来而消除铅的干扰;HNO3、HClO4对CS的吸收影响不明显;在研究的甲醇、乙醇、乙酸、乙腈和丙酮5种有机溶剂中,只有乙醇对CS吸收有较显著的抑制作用,丙酮和乙腈能显著提高CS的吸收。对于CS 3条吸收线(257.594,258.056,257.961 nm),硫校准曲线的线性范围均为50～1 000 mg/L,检出限分别为34 mg/L,21 mg/L,12 mg/L。本方法用于煤标准物质和煤层样品中硫的测定,测定值与认定值相符,测定结果的相对标准偏差在0.053%～0.082%间(n=5)。

航天高光谱成像仪简述(特邀)

航天高光谱载荷相比于传统的多光谱载荷,在光谱分辨率上有着巨大的提升,随着定量化遥感的发展,天基探测不仅可以对地面目标的几何信息进行采集,更可以利用高光谱数据实现大气、陆地资源、战场环境、海洋物质成份的探测,随着航天高光谱技术的不断发展,高时间分辨率的对全球气候、自然资源、水纹情形的光谱成像已成为可能。高光谱探测依据成像原理的不同,主要可以分为干涉型光谱仪、衍射型光谱仪、滤光片型光谱仪。文中针对其中应用较为广泛的光栅衍射型光谱仪、时间傅里叶变换光谱仪、空间傅里叶变换光谱仪、声光调制滤光片(AOTF)光谱仪、液晶可调谐滤光片(LCTF)光谱仪、高光谱滤光片光谱仪进行了介绍,并针对每种光谱仪的优势及存在的局限性进行了分析。

基于快照马赛克面阵高光谱图像的FPGA预测压缩

高光谱图像数据量庞大,难以实现实时无线传输,严重制约了高光谱图像数据传输处理的实时性。本文自主研制Zynq平台微型高光谱仪,对快照马赛克面阵高光谱传感器采集到的特定高光谱图像数据进行无损预测压缩,并用FPGA实现。其压缩比为1.7至2之间,增加了高光谱图像数据无线传输的能力,扩展了微型高光谱仪的应用范围。

多光谱反演火焰温度及烟黑体积分数研究

[目的]为准确了解火焰内部的温度与烟黑浓度分布,[方法]使用高光谱仪研究从火焰光谱强度图像反演的二维温度与烟黑体积分数的分布。首先,使用高光谱仪拍摄实验室乙烯层流扩散火焰,得到包含多光谱信息的高分辨率图像;然后,对图像波长进行分析和筛选,通过对黑体炉的标定得到多波长的辐射强度信息;最后,通过反演得到火焰温度和烟黑体积分数的二维分布。[结果]研究结果表明,得到的火焰温度与其他文献结果相比,最大温度偏差为2.77%,吻合较好。[结论]研究得到的火焰温度和烟黑体积分数的分布结果具有准确性。

高精度X射线荧光法测定土壤中的重金属

为满足土壤环境质量应急监测需求,便携式X射线荧光法测定土壤得到了广泛应用。采用高精度便携式X射线荧光光谱仪(HDXRF)对不同标准土壤中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Ni、As等7种元素进行测定,结合AAS/AFS等实验室仪器的测定结果,建立线性回归方程,比较分析HDXRF法快速测定土壤重金属的准确性、可靠性,旨在为环境应急监测应有HDXRF快速测定土壤中重金属提供理论参考数据。结果表明:HDXRF法测定土壤中Cu、Pb、Zn、Ni、Cd、Cr、As的检出限分别是2mg/kg、2mg/kg、5mg/kg、5mg/kg、0. 08mg/kg、11mg/kg、0. 8mg/kg,满足土壤环境质量标准的测试要求。测定结果与实验室AFS/AAS法测定结果的相关关系系数均在0. 98以上,测定结果具有可比性。HDXRF法测定土壤比实验室分析方法操作简单,无需消解,测定快速,同时可以测定多种元素,无二次污染,可以满足土壤重金属的应急监测需求。

基于HDXRF和ICP-MS的黔西北土壤重金属空间分布及影响因素研究

高精度X射线荧光光谱仪(HDXRF)是一种准确度较高的金属元素快速检测仪器。本研究将HDXRF法与电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法进行对比研究,探究HDXRF法在土壤重金属调查评估中的适用性。选取威宁县黑石头镇某地为研究区,基于地理探测器,以土壤理化性质(pH、有机质、CEC、黏粒、粉粒、砂粒)和地形因素(高程、坡度、坡向)9个因子为自变量,重金属(Cd、Pb、Zn、Cr、Cu、Ni)含量为因变量,分析两种检测方法下耕地土壤重金属空间分布规律及其影响因素。结果表明:6种重金属的HDXRF法与ICP-MS法检测值均服从正态分布,两种方法检测得到的土壤重金属在耕层和剖面的分布规律基本一致,从数据统计上看,仅HDXRF法Cu的值比ICP-MS法高约16%,其他元素无显著差异。HDXRF法与ICP-MS法所测相同重金属间均存在极显著正相关关系(P<0.01),与各影响因子间相关性分析结果基本一致,Cd、Pb、Zn、Ni与土壤理化性质,Cr与土壤理化性质、高程和坡向,Cu与CEC和高程间均存在极显著相关关系(P<0.01)。地理探测器交互探测结果显示,影响因子间交互作用均显示增强效应,pH、有机质、CEC与其他影响因子间交互作用是土壤Cd、Pb、Zn空间分异的主导因素,土壤Cr、Cu、Ni的空间分异是土壤理化性质和地形因素共同作用的结果,交互作用q值在0.200~0.700。综上,HDXRF法土壤重金属检测值的准确度和精密度较高,土壤重金属空间分布规律及影响因素与ICP-MS法结果一致,可用于土壤重金属的快速检测与评估。后续,可通过建立其与土壤pH、有机质、CEC和地形因子等的变量模型与ICP-MS法检测结果进行系统校正。

利用氧气吸收被动测距的近程实验

利用高光谱成像光谱仪作为测量设备,卤钨灯作为目标,设计了近程实验方案以验证基于氧气吸收的被动测距技术。介绍了基于氧气吸收的被动测距技术的基本原理和实验方案;根据测距原理和假设前提,选择了实验设备和实验目标,在外场近程条件下对该被动测距技术进行了测试验证。实验证明了该技术在目标辐射情况未知、大气状况未明情况下的测距能力,显示了该测距技术的可行性和优越性。通过软件仿真曲线和模型拟合曲线对实验数据进行了解算,得出实验条件下模型测距误差为4.26%,仿真测距误差为6.23%。实验结果表明:依托实验数据的模型拟合曲线不仅可以较高精度地反演目标距离,而且可以通过曲线外推实现远程目标的距离解算。