Diffuse transmitted spectroscopy in conjunction with spectral peak averaging as a potential tool for noninvasive creatinine screening

Creatinine(Cr)is a biochemical waste molecule generated from muscle metabolism and primarily cleared from the bloodstream by the kidneys.If kidney function declines,Cr levels in the blood tend to increase.Therefore,Cr serves as an indicator of kidney function.In this work,we present a simple method for the rapid screening for impaired renal function based on the subject's Cr concentration.In our setup,broadband white light is delivered to a finger clamp through a fiber-optic cable to illuminate the patient's finger.The light is transmitted through the finger and collected by a second optical fiber coupled to a visible-near-infrared(VisNIR)spectrometer which covers the spectral range from 400nm to 1100nm.During the calibration process,the transmitted spectra acquired from 60 patients were measured.An average was calculated using the peak level of the transmitted,diffused intensity at three different wavelengths to create a"Cr intensity index".Patients were divided into five groups according to their Cr concentration levels,ranging from 1 mg/dL to 13 mg/dL.Our observations indicated that each group featured a unique spectral fingerprint.Next,we tested the index on 20 patients not included in the cali-bration procedure(unknown samples).We were able to classify patients into groups according to their Cr level with moderate prediction accuracy(R^(2)=0.55)and mean screening error of up to 16%.Future efforts will evaluate the accuracy of this approach with larger patient populations representing a broad range of Cr concentration.Still,this preliminary work is an essential step toward developing this useful noninvasive Cr screening platform using NIR light spectroscopy.

Fluorochrome-labeled monoclonal antibody with characteristic M-shaped spectral peak for optical imaging: Dual-labeling versus mixture of fluorochromes

In this work two different fluorochromes （Alexa 594 and Alexa 680） are conjugated to the same monoclonal antibody （Cetuximab） for obtaining a characteristic M-shaped dual-peak spectrum. Dual-labeling of Cetuximab by mixing both fluorochromes before the conjugation step gives spectral results similar to those of mixing of fluorochrome-labeled Cetuximab after the conjugation step （P 〉 0.05）. In conclusion, both methods may be used equivalently for producing a dual-labeled single-antibody probe. Future studies may test whether the M-shaped spectrum may increase the diagnostic confidence in tumor-targeted multispectral optical imaging.

空间外差遥感数据光谱-干涉图双向校正算法研究

空间外差光谱技术(SHS)作为新型高光谱分析技术,被广泛应用于大气检测、卫星遥感等领域,但由于空间外差光谱仪的制作不理想或工作环境的变化都会改变仪器参数而引入误差,使干涉图数据不准确,需要进行误差校正。在卫星平台下,由于与地面环境的巨大差异,导致地面测定的校正参数对空间外差干涉图数据不再适用,特别是调制项误差(相位误差和非均匀误差)的改变,极大影响了光谱的准确性。针对空间外差遥感数据的调制项误差,从光谱与干涉图两个方面入手,进行误差分离与原因分析,认为空间外差遥感数据误差主要来源于CCD尺寸伸缩导致的光谱频率变化和CCD响应改变导致的干涉图强度变化,提出了光谱-干涉图双向校正方法。校正测试数据选取高分五号搭载检测仪(GMI)实测的12条O 2吸收光谱。取其中一条作为标定光谱,以SCIATRAN仿真的无误差光谱为基准,与标定光谱进行对比,分析两者在光谱维的频率偏差,通过特征峰频率确定两者的频率变换关系。然后根据变换关系将仿真光谱进行频率拉伸,使拉伸后的仿真光谱与实测光谱谱峰重合,计算拉伸仿真光谱与实测光谱干涉图,将两者干涉图相比得到干涉图强度的变化关系。最后将干涉图强度变化关系用于其余11条光谱的校正,得到校正后光谱。为了衡量校正效果,以校正前后光谱的标准差、均方误差和信噪比作为评价指标。结果显示标准差、均方误差都明显降低,同时信噪比显著增大,且标准差基本都在0.07以下,信噪比基本能达到20以上。其中校正效果最好的实测光谱,标准差减少了0.3767,信噪比提高了25.1016,均方误差降低了0.1587,校正效果较差的实测光谱,标准差减少了0.2296,信噪比提高了9.6328,均方误差降低了0.1049。因此所提出的光谱-干涉图双向校正方法对空间外差遥感数据的误差校正起到较好的效果,且处理过程简单,为同类数据的处理提供了一种新思路。

Joint Optimization of Peak-to-Average Power Ratio and Spectral Leakage in 5G Multicarrier Waveforms

High peak-to-average-power ratio(PAPR) and spectral leakage are two main drawbacks of multicarrier systems, such as in orthogonal frequency division multiplexing(OFDM), in future 5G wireless communications. For generating optimized wave forms for 5G communications, this paper proposes an iterative scheme combining time-domain N-continuous OFDM(TD-NC-OFDM) and serial peak cancellation(SPC). Based on the theory of projection onto convex sets(POCS), the effectiveness of the proposed scheme is proved, and the optimized time-frequency domain multicarrier waveforms are analyzed in terms of a balanced tradeoff between out-of-band spectral leakage and PAPR. Both theoretical analysis and simulation results show that the proposed scheme can jointly optimize both the PAPR and out-ofband radiation, with moderate computational complexity.

基于非洲秃鹫算法优化卷积神经网络的重叠峰解析方法

利用光谱仪器检测土壤中重金属时,由于仪器分辨率较低,峰位相近元素的特征峰会产生重叠。光谱重叠峰严重影响定量分析结果的准确性,为了得到准确的重金属含量需要进行光谱重叠峰分解。提出利用非洲秃鹫算法优化卷积神经网络(AVOA-CNN)的重叠峰解析方法。首先,利用高斯函数模型模拟出150个双高斯含噪光谱重叠峰和43个三高斯含噪光谱重叠峰,选择不同小波基函数进行光谱数据去噪,以信噪比和均方根误差(root mean square error, RMSE)为评价指标,最终确定coif 3小波基函数,使用导数法进行光谱重叠峰预处理。然后,使用AVOA-CNN获得卷积神经网络(convolutional neural network, CNN)预测结果,解析结果表明:AVOA-CNN成功分解重叠峰且准确率高,双高斯光谱重叠峰和三高斯光谱重叠峰参数(峰强度,峰位,峰宽)的最大相对误差平均值分别为3.15%和5.90%。最后对比麻雀搜索算法优化CNN、CNN与AVOA-CNN,结果显示AVOA-CNN模型预测准确率最高。

基于信念子簇切割的模糊聚类算法

信念峰值聚类(BPC)算法是一种基于模糊视角的密度峰值聚类(DPC)算法的新变体,它用模糊数学的观点刻画数据的分布特征与相关性。但BPC算法的信念值计算主要基于局部数据点信息,未考察数据集整体的分布和结构,且原始的分配策略鲁棒性弱。针对以上问题,提出一种基于信念子簇切割的模糊聚类算法(BSCC),所提算法结合了信念峰值和谱方法。首先,通过局部信念信息将数据集划分为众多高纯度子簇;其次,将子簇视作新样本,通过簇间的相似关系,利用谱方法进行割图聚类,从而耦合局部信息与全局信息;最后,将子簇内的点分配至子簇所在类簇以完成最终聚类。与BPC算法相比,BSCC在带有多子簇结构的数据集上具有明显优势,如在americanflag数据集和Car数据集上的准确率(ACC)分别提高了16.38个百分点和21.35个百分点。在合成数据集和真实数据集上的聚类实验结果表明,BSCC在调整兰德系数(ARI)、归一化互信息(NMI)和ACC这3个评价指标上整体优于BPC和其他7种聚类算法。

基于拉曼光谱数据处理和谱峰识别的变压器油绝缘老化研究

针对变压器油的拉曼光谱分析通常受到噪声和荧光背景等的干扰以及谱峰位置难以识别的问题,提出了一种改进的数据处理和谱峰识别算法,用于变压器油老化评估时的拉曼光谱分析。提出一种自适应Savitzky-Golay滤波法,引入自适应窗口大小拉曼光谱数据进行去噪处理。采用改进的多项式拟合算法对去噪后的数据进行去除荧光背景处理,减小荧光背景对拟合结果的影响。通过数据点与期望的拉曼信号的接近程度为每个数据点赋予权重,以实现更准确的去荧光背景处理。利用谱峰识别技术判别变压器油的老化程度,采用大小两种尺度高斯窗口判别法来识别谱峰,并结合局部加权信噪比(local weighted signal-to-noise ratio,LW_SNR)来判断疑似拉曼谱峰的真实性。最后通过实验验证了所提算法在变压器油老化评估中的有效性。

月桂酸甲酯强化低阶煤浮选的作用机制

为了探究月桂酸甲酯对低阶煤浮选的强化作用机制,以月桂酸甲酯为捕收剂,对宁东某低阶煤泥进行了浮选实验、浮选速度实验和浮选动力学分析,并与正十二烷进行对比。研究结果表明:月桂酸甲酯比正十二烷处理后煤样的可燃体回收率和浮选速率常数分别提升10.01%和1.84%;红外光谱分峰拟合分析表明,与正十二烷相比,月桂酸甲酯作用后精煤的极性官能团含量减少了8.69%,脂肪烃和芳香烃含量升高了8.69%。这说明月桂酸甲酯有效覆盖了低阶煤表面含氧官能团位点,并将自身C—C/C—H暴露出来,导致煤样疏水性增加,从而提高低阶煤的可燃体回收率和浮选速率常数,这是月桂酸甲酯强化低阶煤浮选的主要作用机制。

滑坡面瑞雷波波场模拟及H/V谱比探测

滑坡是一种分布广泛、数量众多、危害巨大的地质灾害,准确确定滑坡滑动面对滑坡防治具有重大意义。传统的勘探手段,如钻探和地球物理方法在起伏较大的滑坡地形中具有诸多限制。本文以四川省屏山县东池庄滑坡为参考,建立了起伏地形软弱性土质滑坡模型,进行了瑞雷波波场模拟并经过模式分离后计算求得水平/垂直(H/V)谱比曲线。对比分析了波场传播及H/V谱比曲线的特征,发现在110道检波器排列中,中心部位检波器的峰值频率可作为计算土石分界面的卓越频率。设计了土层厚度分别为25、31、35 m的滑坡模型,发现土层厚度与峰值频率呈负相关关系。给出了地层为黏性土与泥岩时的频率-深度经验公式,得到了连续滑动面信息,经验公式计算结果与实际模型吻合较好。

微动H/V谱比法提取基岩面埋深的方法技术研究与应用

基岩面埋深是公路工程建设中的重要参考依据。本文通过福建地区两个探测实例,研究了微动H/V谱比法探测基岩面埋深的方法技术,介绍了微动H/V(Horizontal to Vertical)谱比法提取基岩面埋深的方法原理。首先对微动单个三分量检波器采集地震记录进行处理和分析,获取了测点的峰值频率F 0。在钻孔较多的情况下,可根据钻孔的中风化岩深度与峰值频率F 0的幂函数拟合,得到了该区的经验参数a和b,从而可以计算整个测区每个测点的中风化岩深度三维分布。在钻孔较少的情况下,可根据测区内部分钻孔的孔内剪切波值计算该区的覆盖层平均横波速度,进而根据经验公式计算覆盖层厚度和基岩面三维埋深分布。两个探测实例研究结果表明:微动H/V谱比法是一种快速获取公路工程三维基岩面的方法,在一定条件下,相对误差能够控制在5%左右,能够满足工程勘察的需求。微动谱比法具有简便性和易操作性,点位可随机布置,几乎不受场地条件限制,能够取得较好的地质效果,可推广应用。

光谱共焦法厚度测量系统中抖动补偿算法研究

为获得样品多点数据,光谱共焦位移传感系统在移动测量时会产生抖动效应,引起测量数据发生漂移,文中基于已实现的光谱共焦厚度测量系统,研究抖动的影响并探究抖动补偿算法。首先,基于光谱共焦厚度测量模型及抖动存在时探头相对于光轴发生一定倾斜,推导了抖动对厚度测量影响的关系模型,并采用蒙特卡洛法分析了4种样品在不同程度随机抖动下的厚度概率密度函数,将解析结果与蒙特卡洛仿真结果进行比较,验证了厚度概率密度函数表达式的正确性。结果表明:抖动效应导致测量性能下降,尤其在样品厚度较大时;而抖动标准差较大时,较薄的样品具有更好的抗抖动性能;为补偿抖动的影响,提出采用Savitzky-Golay滤波及高斯拟合实现滤波和光谱信号峰值波长的提取,并建立了抖动误差补偿算法;最后,对厚度为(1.0±0.1) mm的样品进行实验测量,测得平均厚度为1.064 0 mm,补偿后的相对标准偏差为0.29%,验证了抖动补偿算法的有效性。文中的研究内容对提高系统测量稳定性及测量精度有一定的指导意义。

基于光谱信息散度-光谱角的自适应密度峰值聚类波段选择方法

针对传统密度峰值聚类在波段选择时缺乏信息论角度的相似性度量以及波段数目确定问题,提出基于光谱角-光谱信息散度的自适应密度峰值波段选择方法(SSDPC:Spectral angle mapping and Spectral information divergence Density Peaks Cluster)。该方法将光谱信息散度和光谱角用于高光谱图像密度峰值聚类进行波段选择,取代传统的欧氏距离构建波段相似矩阵。通过构建波段评分策略,有效自动选择出重要的光谱波段子集。在3组高光谱数据集上调用RX(Reed-Xiaoli)算法进行异常检测,在SSDPC的相似性度量方法下,异常检测精度较欧氏距离度量方法分别平均提高1.16%、1.18%和0.07%;在自适应的SSDPC波段选择方法下,异常检测精度相较原始RX算法分别提升6.49%、2.71%和0.05%。结果表明,该算法具有良好的鲁棒性,能提升高光谱图像异常检测的性能并降低其虚警率。

GRIN色散物镜光学像差对峰值波长提取的影响

为提高光谱共焦位移传感系统接收信号峰值波长提取精度,基于设计的梯度折射率(Gradient Index,GRIN)色散物镜,系统分析了光学像差对峰值波长提取的影响。首先结合GRIN色散透镜的光学性能,利用光学像差理论,建立了优化后GRIN色散物镜的像差分布函数,获得了各类像差与波长分布之间的关系;然后仿真分析了各类单色像差以及组合像差对峰值波长分布的影响,利用三种拟合算法分别提取存在不同像差下的峰值波长,得到了光学像差引起的GRIN色散物镜峰值波长偏移;最后利用不同的拟合方法对像差影响下的轴向响应信号进行了数据拟合和拟合误差分析。结果表明,球差为1时,引起峰值波长偏移6.28 nm;当球差大于1时,出现双峰,球差越大引起的峰值波长偏移越大;像散对峰值波长偏移的影响小于球差;组合像差对峰值波长的影响最大,出现了三峰旁瓣同时升高。研究结果对建立像差影响的峰值波长提取误差修正和补偿算法,并进一步提高系统测量精度具有参考意义。

Spectral Wave Modeling in Very Shallow Water at Southern Coast of Caspian Sea

This study evaluates the capability of the Simulating WAves Nearshore(SWAN)wave model(version 41.01)in predicting significant wave height and spectral peak energy content for swell waves in very shallow water of surf zone during depth-induced wave breaking and dissipation.The model results were compared with field measurements at five nearshore stations.The results demonstrated that some breaker index formulations were successful for significant wave height prediction in surf zones.However,an incorrect shape of the energy spectrum and overestimated near spectral peak energy content at shallow water stations were obtained using all of the embedded depth-induced wave breaking formulations in SWAN.The dependent breaker index on relative depth(Kpd)formulation,which was successful in predicting near spectral peak energy content,resulted in an average error of 30%.Finally,this formulation was modified to enhance the model performance in reproducing the spectral peak energy content.

TDCS信号检测及基函数周期估计

为了解决变换域通信系统(transformed domain communication system, TDCS)信号检测及参数估计问题,通过对TDCS信号自相关函数的推导分析,提出了一种基于二次自相关的TDCS信号检测及基函数估计的方法。分析发现,TDCS信号的自相关函数会出现周期性谱峰,且峰峰间距为基函数周期的二分之一,故以谱峰间隔是否呈现周期性作为TDCS信号的存在性判据,并根据峰峰距离进一步估计TDCS信号的基函数周期。但单次自相关处理得到的局部谱峰受信道噪声影响大,为此提出了二次自相关法,该方法使得局部峰值特征进一步加强,相较于单次自相关,二次自相关可在更低的信噪比下实现TDCS信号检测并对基函数周期进行有效估计。

哈密瓜物流包装垂直和水平振动的建模分析与防护

目的:优化缓冲包装设计。方法:以哈密瓜及其包装为研究对象,对5层堆码包装进行扫频振动试验,测出各层包装在垂直和水平方向振动的固有频率、最大功率谱密度、峰值加速度,并建立最大功率谱密度、峰值加速度与堆码层关系模型。结果:越往上层的包装,其在垂直和水平方向振动的最大功率谱密度和峰值加速度越大;同一层包装在垂直方向上的最大功率谱密度和峰值加速度大于水平方向上的;最大功率谱密度和峰值加速度与堆码层存在极显著正相关。结论:进行缓冲包装优化设计时,越往上层的包装其缓冲性能设计要越好;相比于水平方向,垂直方向的缓冲性能需要更好;该回归模型能较准确预测各层包装的振动情况。

Vertical-to-horizontal response spectral ratio for offshore ground motions:Analysis and simplified design equation

In order to study the differences in vertical component between onshore and offshore motions,the vertical-to-horizontal peak ground acceleration ratio(V/H PGA ratio) and vertical-to-horizontal response spectral ratio(V/H) were investigated using the ground motion recordings from the K-NET network and the seafloor earthquake measuring system(SEMS).The results indicate that the vertical component of offshore motions is lower than that of onshore motions.The V/H PGA ratio of acceleration time histories at offshore stations is about 50%of the ratio at onshore stations.The V/H for offshore ground motions is lower than that for onshore motions,especially for periods less than 0.8 s.Furthermore,based on the results in statistical analysis for offshore recordings in the K-NET,the simplified V/H design equations for offshore motions in minor and moderate earthquakes are proposed for seismic analysis of offshore structures.

聚焦波作用下悬浮隧道水动力特性数值模拟研究

【目的】研究聚焦波作用下悬浮隧道水动力及结构动态响应特性。【方法】采用高精度有限体积方法数值求解不可压缩两相流动控制方程,建立高精度数值波浪水槽模型。应用嵌套网格技术,采用四阶Runge-Kutta方法,数值计算了波浪荷载作用下悬浮隧道动态响应的弹簧-质量-阻尼系统。通过设计合理的计算工况,系统分析不同波浪要素及结构动力参数对悬浮隧道水动力特性及结构动态响应的影响。【结果】聚焦波作用下悬浮隧道所受最大水平荷载稍大于竖向荷载,最大水平位移远大于最大竖向位移,约为最大竖向位移的5倍。【结论】随着有效波高的增加,悬浮隧道所受水动力荷载逐渐增大,结构动态响应逐渐增强;水深和谱峰周期对悬浮隧道水动力及结构动态响应的影响有限;随着淹没深度的增加,悬浮隧道所受波浪荷载逐渐减小,结构动态响应逐渐减弱;在相同入射波条件下,悬浮隧道直径越小,动态响应越小。上述研究结果可为悬浮隧道的参数设计提供一定参考。

一种TDCS信号检测及基函数周期估计的方法

针对变换域通信系统(Transform Domain Communication System,TDCS)信号难以检测的问题,设计了基于功率谱二次处理的检测方法。通过数学建模,理论推导了TDCS信号的自相关函数,并由此推出了TDCS信号的两次功率谱函数,证明了TDCS信号的二次功率谱存在周期性谱峰的特征,并给出了谱峰周期与基函数周期的数学关系。据此设计了一种TDCS信号检测算法,该算法能够检测TDCS信号并对基函数周期给予估计。理论分析了高斯白噪声对检测算法的影响,通过计算机仿真,验证了该算法在低信噪比下的性能,对比了二次功率谱法与时域相关法的检测性能,验证了采样数据长度对检测性能的影响。仿真结果表明在低信噪比条件下,本文算法对基函数周期估计仍有效,且算法性能相较于自相关法提高了约1.5 dB,增加采样数据长度可进一步提高二次功率谱算法的准确性。

基于MCMC的DOA估计及其在空域滤波中的应用

针对传统算法在进行波达方向角估计时需要进行全空间的谱峰搜索,且依赖初始化迭代和插值的缺陷,设计了一种贝叶斯估计方法。首先,构建基于均匀圆阵的频域信号处理模型,提出了基于马尔科夫链蒙特卡罗进行波达方向角估计的方法,实现了无需初始化和插值的测向算法,且不需要进行全空间的谱峰搜索即可直接估计结果,同时推导了该模型下进行波达方向角估计的克拉美罗下界。在以测向结果为先验信息,同时设计了一种新的空域滤波增益模型。利用马尔科夫链蒙特卡罗算法对信号子空间进行解耦合,然后计算滤波器增益系数,以此实现空域滤波。最后在无线电设备搭建的真实环境中进行实验,验证了基于马尔科夫链蒙特卡罗算法进行阵列波达方向角估计和空域滤波的有效性,并且与其他模型相比要明显优于后者。