基于高光谱数据的地表水化学需氧量反演

化学需氧量(COD)是地表水质量评价的重要指标。传统的COD检测方法存在需使用有毒试剂、易造成二次污染等缺点,高光谱法可避免上述缺点,在COD检测方面有着广阔的应用前景。为了探索在室内利用高光谱技术反演地表水COD浓度的可行性方法,以吉林省内流域的129个地表水样本为研究对象,将样本集以3∶1划分为训练集和测试集,使用高光谱成像系统收集样本的DN值并计算相应的水体光谱反射率,采用导数法进行数据预处理,通过Pearson相关性分析判断光谱数据与COD浓度实测值间的相关程度并提取特征谱数据。利用全谱数据和特征谱数据分别建立基于粒子群算法优化的最小二乘支持向量机(PSO-LSSVM)反演模型,通过决定系数R^(2)、均方差RMSE和相对偏差RPD分析比较这几种模型的预测精度和可靠性。研究结果表明:经过导数法预处理后,地表水COD浓度与光谱反射率的相关性明显增强;利用导数光谱数据建模的预测结果优于用原始光谱数据建模的预测结果;提取特征谱数据所建立的模型比利用全谱数据建立的模型有更好的预测效果。其中采用一阶导数预处理方法并利用特征谱建立的地表水COD浓度反演模型预测结果最好,验证集决定系数R^(2)=0.8567,均方差RMSE=3.8229,相对偏差RPD=2.6414。以上研究初步证实了在室内基于高光谱数据对地表水COD浓度进行反演的可行性,为高光谱技术用于地表水COD检测提供了新的方法和思路。

微型光谱仪辐射定标技术研究

光谱仪器是进行分析和测量的基本设备,应用非常广泛。由于传统光谱仪的诸多缺点,微型光谱仪成为光谱仪器发展的一个重要的研究方向。作为微型光谱仪主要探测元件的线阵CCD具有实时传输和自扫描速度快、频率响应高、能够实现动态测量且能在低照度下工作等特点,其输出信号为像素点和灰度(DN)值,此输出信号与光谱波长和辐射通量之间的对应关系为定标的主要内容。本文主要研究在假定光谱定标已经完成的情况下,输出DN值与辐射通量之间的定量关系。本文基于拉格朗日插值算法,在Visualstudio平台上利用C#语言编写了辐射定标算法小程序,利用在中国计量院定标过后的钨灯完成了微型光谱仪的辐射定标,消除了因传感器本身产生的误差,并利用未标定的钨灯验证了该定标方法的可行性,且成功应用于微型光谱仪的应用中。

超宽谱段高分辨率中阶梯光栅光谱仪的光学设计

为了实现超宽谱段与高分辨率特点兼具的中阶梯光栅光谱仪系统,提出了一种光路结构设计,并针对其深紫外波段的有效探测方法进行了研究及验证。该光路结构结合准Littrow结构与C-T结构的优势,保证了色散光路具备高衍射效率,同时很好地抑制了杂散光。在有限可选光学材料下,采用多重评价优化方式获得中阶梯光栅光谱仪的光学结构参数。通过加入由球透镜及柱透镜组成的校正结构,有效地校正了像差,提高了光谱分辨率。最后,针对深紫外波段探测的解决方案进行模态分析,验证了所设计方案的可行性。最终在160~1000 nm的超宽波段范围内,成像光斑的RMS值优于12.1μm,在257.61 nm处的光谱分辨率优于0.009 nm,能够满足超宽谱段、高分辨率检测系统的色散分光需求。

基于多项式拟合的中阶梯光栅光谱仪谱图还原

为了基于中阶梯光栅光谱仪特殊的二维原始光谱图像实现各波长与其强度信息的一一对应,进而得到可以直接读取所需波段或波长光信号强度信息的一维光谱曲线。对其原始光谱进行分析研究,通过获得接收像面上各波长光斑位置与探测器像元的精确对应关系,实现谱图的还原处理。采用多项式拟合方法分别对中阶梯光栅光谱仪的棱镜色散方向和光栅色散方向上光斑的位置坐标进行拟合,建立起波长与像面之间的关系式,为减小光线追迹数量,同时采用级次间拟合的方式建立谱图还原模型。实验结果表明通过该方法,可实现快速、高精度的谱图还原模型建立,模型的计算误差最大为0.02392 mm,即谱图还原精度优于1个像元。该算法具有较强的灵活性和普适性,适用于各类中阶梯光栅光谱仪的谱图还原模型计算。

微型光纤光谱仪的光谱线性响应测试研究

该文主要针对所开发的微型光纤光谱仪系列产品的光谱线性响应测试问题,提出一种简单易行的方法。根据图像传感器在采集过程中,将实际探测到光谱图像亮度转换为数字图像灰度并以DN值形式记录的原理,采用积分时间等间隔步进的方法依次测试相应光谱数据,通过对采集所得原始DN值数据进行近似归一化及拟合处理的方式来表征DN值随积分时间变化的线性关系,并以此评判光谱仪系统的光谱响应线性特性。依照此方案进行实际测试,通过对测得数据的分析处理,验证该方案具有可行性,且结果显示该款产品的光谱线性响应良好。

面向生化分析应用的小型平像场分光光度计结构研究

设计了一种后分光式的小型平像场分光光度计。采用多通道硅光电二极管阵列探测器与平场凹面全息光栅,并集成准直-聚焦单元进行一体封装,基于选定的平场凹面光栅完成光谱仪单元结构分析及设计,提出了光谱带宽增宽效应分析及波长误差评估预计方法。在预定的工作波段范围内得到了近似平直的光谱面,实现单次接收信号光束的多波长同步测量,工作波段覆盖340 nm^800 nm,光谱带宽优于8 nm。

基于元素灯的多通道光谱仪定标研究

多通道光谱仪光谱范围为190～603 nm,由于常规的汞灯定标方式在部分波段谱线较少,不满足定标后谱线准确度要求。为了使定标精度更高,本文研究了利用元素灯对多通道光谱仪进行光谱定标。通过分析190～603 nm波段内Ag、Zn、Mg、Hg、Bi、Mn、Cu、Na、Si、Ca、Cr、Se、As等13组空心阴极元素灯的光谱,选取可利用谱线,将该谱线与实际的数据库进行对比,得到可利用谱线的实际波长;然后利用待定标多通道光谱仪分析13组空心阴极元素灯的光谱,得到可利用谱线的像素点;最后通过最小二乘多项式算法实现各通道的光谱定标。定标后,分析设备的波长准确度,验证经元素灯定标后的设备满足波长准确度要求。

中阶梯光栅效率检测控制系统实现

为实现中阶梯光栅衍射效率以及杂散光系数的检测,设计了中阶梯光栅效率检测控制系统。采用模糊PID控制算法控制三路步进电机以实现光栅转台的三自由度旋转,采用细分驱动技术驱动直线电动位移台实现光斑的精确采集。仿真与实验结果表明:精准地采集了衍射光斑与杂散光,而且在低频运行下减小步进电机的转矩脉动与转速波动,减小了光栅转台的机械振动,增加了定位精度且中阶梯光栅的衍射效率误差在1%以内,杂散光系数的重复性误差在10%以内。