光谱学与光谱分析

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2024年 44卷 03期刊出日期：2024-03-01

论文

论文

	601	惰性气体在LIBS中的辅助测量研究
		许杰^1，2，3，谷懿^1，2*，宋宝林^1，2，葛良全¹，张庆贤¹，杨文佳⁴
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0601-09
		激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种发射光谱分析技术，因其实时、多元素、无损、远程等优势，在分析高危环境和重要文物等方面具有极大潜力。目前，LIBS测量技术仍受实验设备，测量环境等因素影响，其中，气氛环境对LIBS测量的影响尤为显著。惰性气体因其优秀的物理性质（比热容，导电率，稳定的化学性质，较大的相对分子质量等）有利于辅助LIBS测量，增强光谱信号，提高检测下限，在激光诱导击穿光谱测量中的应用愈发频繁。因此，在详细调研了惰性气体于LIBS测量过程中的应用基础上，解析了其对光谱信号的影响因素，如很低的化学活性有效降低了空气中其他气体（氧气，氮气等）对光谱信号的吸收湮灭、较大的原子体积限制了等离子体向外扩张，使得单位体积内的温度大幅度上升、丰富的核外电子使产生的等离子体中自由电子大幅度上升，提高了电子密度、亚稳态的存在促使惰性气体对待测样品的延迟激发，辅助激发某些较轻元素并大幅度增加等离子体寿命、能量传递更能特定增强某些特殊能级的发射谱线，获得更高的增强因子、还分析了氡气通过衰变对发射谱线的影响，惰性气体的发射谱线也可用于计算样品的等离子体温度和电子密度等，对LIBS的辅助测量有重要影响。列举了亚稳态在LIBS测量中的应用和惰性气体在不同测量对象中对谱线信号的增强因子。分析比较了不同惰性气体在信号增强，烧蚀质量，时间演化方面的差异，结果表明，氦气相比其他惰性气体较为特殊，归结于其特殊的物理性质和核外结构，而其他气体随着周期数的增加，信号增强因子逐渐增加而烧蚀质量却逐渐减小，等离子的时间演化也逐渐变长，为LIBS测量中选择合适的惰性气体提供理论支持和参考。
		2024 Vol. 44 (03): 601-609 [摘要] ( 58 ) RICH HTML PDF (10835 KB) ( 137 )

	610	基于光谱反射率的低照度图像增强方法研究
		麻祥才^1，2，曹前²，白春燕²，王晓红³，张大伟^1*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0610-07
		低照度图像增强技术是机器视觉研究热点之一，Retinex理论模型假设图像是反射分量与光照分量乘积，通过去除或校正光照分量并结合物体的反射特性来恢复图像，被广泛应用在传统算法和深度学习增强模型中。光谱反射率是颜色的指纹，多光谱图像比普通图像的信息量更为丰富。色度学理论和Retinex理论都认为图像的颜色特性取决于反射系数，但光谱反射率是基于仪器测量获得真实的数据，而图像反射分量是基于图像分解假设的数据，目前文献没有从光谱角度对低照度图像增强进行研究。受Retinex理论启发结合深度学习非线性拟合能力，用颜色的光谱反射率代替RetinexNet网络中的图像反射分量，用CIE标准光源的光谱功率分布代替网络中的图像照明分量，提出了一种基于光谱反射率的低照度图像增强方法。首先对图像数据库中正常光照图像进行光谱重建，构建低照度图像与正常光照的多光谱图像数据集。然后训练将低照度图像转换成多光谱图像的深度学习网络模型。任意低照度图像通过网络模型得到多光谱图像，多光谱图像根据色度学理论得到CIEXYZ三刺激值，再通过标准颜色空间转换到RGB颜色空间中显示。该方法在公开LOL数据集上进行训练与测试，结果表明在图像噪声抑制和颜色恢复方面都优于常用方法，证明该方法对低照度图像增强的优越性和有效性。
		2024 Vol. 44 (03): 610-616 [摘要] ( 45 ) RICH HTML PDF (40129 KB) ( 96 )

	617	近红外无创血糖浓度的Label Sensitivity算法和支持向量机回归
		孟琪^1，3，赵鹏²，宦克为²，李野²，姜志侠^1，3，张瀚文²，周林华^1，3*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0617-08
		近红外光谱分析技术在生物医学工程领域具有广阔应用前景。无创且持续性地测量能实时监控人体血糖水平，给糖尿病患者带来极大便利性、提高生存质量、降低糖尿病并发症发生率具有很大的社会效益。无创血糖监测的想法提出较早，但仍然存在预测精度低、预测值与标签值相关性不高等难点，至今没有达到临床要求。近年来，光谱检测技术发展迅猛且机器学习技术在智能信息处理方面具有明显优势，两者结合可以有效提高人体无创血糖医学监测模型的精度和普适性。提出了一种标签敏感度算法（LS），并结合支持向量机方法建立了人体血糖含量预测模型。使用近红外光谱仪采集了4名志愿者食指处动态血液光谱数据（每名志愿者28组数据），并使用多元散射矫正（MSC）方法消除了部分光散射的影响。考虑血糖对不同波长光的吸收有差异，提出了基于血糖浓度标签差的特征波长挑选方法，并构建了标签敏感度支持向量机（LSSVR）预测模型。设计实验，对比该模型与偏最小二乘回归（PLSR）和区分度支持向量机（FSSVR）算法。结果表明，LS算法的最佳特征波长数为32，经特征波长选择后的LSSVR表现最佳，其均方误差降低至0.02 mmol·L^-1, 明显优于全谱段PLSR模型，血糖浓度的预测值与标签值的相关系数提升至99.8%，预测值全部位于可容许误差的克拉克网格A区内。LSSVR模型的优异表现为早日实现血糖的无创监测提供了新思路。
		2024 Vol. 44 (03): 617-624 [摘要] ( 53 ) RICH HTML PDF (11786 KB) ( 52 )

	625	TDLAS在森林可燃物热解气体多组分同步测量中的应用分析
		郭松杰¹，王璐鹏²，陈金铮¹，马云²，梁安²，卢志民¹，姚顺春^1*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0625-07
		森林可燃物热解的研究，对森林火灾预警和控制具有重要意义。森林可燃物热解过程中主要生成CO、CO₂和CH₄等含碳气体，这些气体的不断释放容易引发森林火灾并加剧温室效应，快速准确检测这三种组分的浓度有利于火灾早期预警和大气环境保护。通过频分复用结合可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术准确测量了六种山林树种样品热解气体中CO、CO₂和CH₄三种组分的浓度，证明了频分复用-TDLAS技术对森林可燃物热解气体多组分同步测量的适用性。首先，介绍了频分复用-TDLAS技术的基本原理，确定了三种组分互不干扰、且谱线强度适宜的吸收谱线。其次，为了准确反演不同的浓度，对二次谐波（2f）信号和二次谐波/直流（2f/DC）信号的特性进行了研究。通过Simulink仿真的方式，比较了利用2f信号和2f/DC信号反演不同浓度准确性的差异，结果表明2f/DC信号具有更大的线性区间，适用于森林可燃物热解气体中不同浓度组分的测量。最后，利用两支中心波长分别为1 580.0和1 653.7 nm的分布式反馈（DFB）激光器搭建了CO、CO₂和CH₄同步测量的实验装置。在900 ℃管式炉中对六种树种样品进行热解以及热解气体制备，利用Herriott吸收池测量了三种组分的2f/DC信号，通过标准气体建立标定模型获得了热解气体中三种组分的绝对浓度。结果显示，三种组分的2f/DC信号峰值与浓度满足良好的线性关系，线性度大于0.995，且在焦炭气化反应和Boundouard反应的作用下，六种树种样品热解气体中CO浓度明显高于CO₂和CH₄。通过分析枫香叶样品的光谱，表明在2 s测量时间内，该光谱系统对于CO、CO₂和CH₄的最低检测限低于0.008%，灵敏度优于0.005%，满足森林火灾预警的需求。该研究为森林可燃物热解气体多组分同步测量以及森林火灾预警提供了方法参考。
		2024 Vol. 44 (03): 625-631 [摘要] ( 29 ) RICH HTML PDF (4440 KB) ( 81 )

	632	基于激光诱导击穿光谱的混凝土氯元素分布测量方法
		张智¹，郭歆宇¹，杭玉桦²，邱岩¹，吴坚^1*，孙浩¹，周颖¹，李京徽¹，梅金娜²，廖开星²
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0632-09
		氯元素会对混凝土结构产生侵蚀，引起结构内部的钢筋锈蚀，导致混凝土开裂，破坏结构的完整性。化学滴定等常规的混凝土中氯元素含量测量方法存在操作复杂、检测速度慢等问题。激光诱导击穿光谱(LIBS)具有无须样品预处理、二维扫描检测和原位定点分析等优势，但其用于混凝土中的氯元素含量测量仍存在氯元素定量限难以降低、非水泥成分对氯元素二维分布测量结果的影响等问题。面向核电站混凝土构筑物中氯元素含量现场快速检测的需求，研究了氯元素含量分布的双脉冲激光诱导击穿光谱检测方法，进一步评估了核电站混凝土模拟样品渗透面中氯离子的侵蚀状况。首先，分别采用内标法、主成分回归和支持向量回归建立氯元素定标模型，基于内标法得到的氯元素检测限为0.006 02 wt%、定量限为0.018 06 wt%，并采用留一法交叉验证法来评估三种模型的预测性能。其次，为了排除非水泥基质对氯元素检测的影响，分别建立了结合主成分分析的逻辑回归分类和支持向量机分类模型对混凝土中的水泥和骨料进行精确识别。同时选取Si、Ca、O三种元素组合的支持向量机模型的分类效果最优，其对总体组分识别的准确率达到了98.20%，其中骨料识别准确率97.84%、水泥识别准确率为98.33%。最后，基于主成分回归定标模型针对侵蚀15和30 d的混凝土渗透面的氯含量进行二维分布测量，两种样品的平均预测Cl含量均在约2 mm处达到最大值分别为0.890 wt%和0.599 wt%，结果与电位滴定法一致。综上，基于双脉冲激光诱导击穿光谱检测方法，在30 mJ的总能量下实现了氯元素检测限达0.006 02 wt%，实现了混凝土中骨料和水泥的精确识别，获得了混凝土侵蚀渗透面的氯元素含量二维分布，为核电站混凝土构筑物氯元素含量快速检测的现场应用提供了工程化解决方案。
		2024 Vol. 44 (03): 632-640 [摘要] ( 35 ) RICH HTML PDF (13734 KB) ( 68 )

	641	激光诱导击穿光谱技术在沉积物元素定量分析中的应用
		付晓芬¹，宋友桂^1，2*，张明玉³，冯中琦⁴，张大成⁴，刘慧芳¹
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0641-08
		激光诱导击穿光谱（LIBS）可以快速测量样品中各种元素的含量或组成，被广泛应用于环境样品的测试分析，但对第四纪沉积物的分析还鲜有报道。该实验是以青海湖岩芯第四纪湖泊沉积物和国家标准土壤样品为研究对象，利用Savitzky-Golay卷积平滑和标准正态变量变换（SNV）联用对原始光谱进行预处理，然后结合单变量定标分析、偏最小二乘回归（PLSR）对青海湖沉积物样品中Na、Ca、Mg、Si、Al、Fe、Mn、Sr和Ba 9种元素进行定量分析。以交叉验证的结果作为PLSR模型参数寻优的标准，分别以预测决定系数（R²）、交叉验证均方根误差（RMSECV）、预测均方根误差（RMSEP）和相对分析误差（RDP）作为评估PLSR模型的定量精度和稳定性。结果表明，PLSR算法显著改善了传统单变量分析的定量效果，预测决定系数分别为0.94、0.94、0.98、0.94、0.97、0.84、0.89、0.98和0.76，相对分析误差分别为2.74、2.35、3.27、2.97、3.56、1.68、1.54、4.18和0.75，结合交叉验证均方根误差及预测均方根误差结果可知，LIBS技术结合PLSR算法对Na、Ca、Mg、Si、Al和Sr元素的预测准确度较高，而Fe、Mn和Ba元素的定量效果不是很理想，说明PLSR算法在预测精度和适用性方面存在一定的局限性。为进一步探究LIBS技术应用于元素地球化学指标测试的可行性，利用LIBS预测含量比值与参考含量比值进行对比，二者曲线变化趋势基本一致，验证了LIBS技术应用于沉积物元素地球化学的可行性和有效性。为第四纪沉积物样品中元素定量分析提供了可靠方法，也为古气候古环境重建提供新的技术手段和研究思路。
		2024 Vol. 44 (03): 641-648 [摘要] ( 44 ) RICH HTML PDF (8812 KB) ( 48 )

	649	基于多光谱图像角度融合测定库尔勒香梨理化指标
		刘鸿阳^1，2，孔德国^1，2*，罗华平^1，2，高峰^1，2，王聪颖^1，2
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0649-07
		基于多光谱图像角度融合，提出了一种库尔勒香梨快速无损检测的方法。以库尔勒香梨为研究对象，应用多光谱成像采集系统，以10°为间隔，获取了相对方位角为10°~90°内的多光谱图像。使用ENVI5.1软件进行多光谱图像角度融合并提取感兴趣区域（ROI），获得多光谱数据。对光谱反射率、波段和相对方位角进行了皮尔逊相关性分析，发现波段和相对方位角都对光谱反射率呈极显著相关性，且相对方位角相关系数为0.1大于波段相关系数0.053，有必要在建模过程中加入相对方位角因素。采用标准正态变量变换（SNV）、均值中心化变换（MC）、卷积平滑处理（S_G）和归一化处理（Nor）等预处理方法，选用偏最小二乘回归（PLSR）建立全波段检测模型，通过校正集相关系数（R_c）、预测集相关系数（R_p）、校正集均方根误差（RMSEC）和预测集均方根误差（RMSEP）对模型的效果进行评价，对比探究特征角度下和角度融合下库尔勒香梨关键指标的模型检测效果。结果表明：采用角度融合处理后，所建立的PLSR和SVM模型预测效果都有显著提升。预测库尔勒香梨含水率最优模型为采用角度融合的偏最小二乘回归模型（AF-PLSR），其R_c为0.936，RMSEC为0.298，R_p为0.901，RMSEP为0.285；预测库尔勒香梨硬度和糖度的最优模型为以角度融合的支持向量机模型（AF-SVM），R_c分别为0.894、0.905，RMSEC为0.527、0.376；R_p为0.830、0.901，RMSEP为0.532、0.379。角度融合将不同角度下的光谱数据结合在一起，获得了比单一角度更加丰富的信息，得到了更加完善的光谱。所建立的检测模型精度更高。结果证明：基于多光谱图像角度融合技术预测库尔勒香梨的含水率、硬度和糖度是可行的。为提高多光谱无损检测精度和高光谱无损检测精度提供了一种新的思路。
		2024 Vol. 44 (03): 649-655 [摘要] ( 39 ) RICH HTML PDF (4474 KB) ( 128 )

	656	高光谱结合离散二进制粒子群算法对久保桃可溶性固形物含量的检测
		张立秀，张淑娟^*，孙海霞，薛建新，景建平，崔添俞
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0656-07
		可溶性固形物（SSC）是评价久保桃内部品质的重要指标。传统的SSC检测有损、费时、费力；快速、无损检测久保桃的SSC含量对于其品质分级有着重要意义。离散二进制粒子群算法(BPSO)是在标准粒子群算法(PSO)的基础上，更新速度公式得到的，具有精度高，收敛快的特点，多用于离散空间的优化问题。基于高光谱技术结合BPSO算法及BPSO的组合特征波长选择算法对久保桃的SSC含量预测进行研究。首先采集198个久保桃样本的高光谱信息，获取久保桃900~1 700 nm范围内的光谱信息，计算感兴趣区域的平均光谱作为有效光谱数据，同时测量久保桃的SSC值。采用K-S（Kennard-Stone）算法将样本划分为校正集（147个）和预测集（51个）。使用BPSO特征波长选择算法对久保桃的原始光谱数据进行特征波长提取，并与竞争性自适应重加权算法（CARS）、连续投影法（SPA）、无信息变量选择法（UVE）等特征波长选择算法比较。同时为了避免单一算法建模中的不稳定问题，提出了基于BPSO的一次组合（BPS0+CARS、BPSO+SPA、BPSO+UVE）和二次组合[（BPSO+CARS）-SPA]、[(BPSO+SPA)-SPA]、[(BPSO+UVE)-SPA]特征波长提取方法。基于上述10种特征波长提取方法分别建立支持向量机（LS-SVM）模型和遗传算法(GA)优化的支持向量机模型（GA-SVM）模型。结果表明，基于BPSO算法提取特征波长建立的模型预测性能均高于其他单一特征波长方法，建立的两种模型预测集决定系数R²_p均达到0.97以上；基于BPSO的组合算法中，二次组合(BPSO+SPA)-SPA算法建立的LS-SVM在特征波长数量较少的情况下对久保桃SSC含量预测性能最高，校正集和预测集决定系数R²_c为0.982，R²_p为0.955，均方根误差RMSEC为0.108，RMSEP为0.139。该模型预测性能略低于BPSO算法，但其仅用了22个特征波长进行建模，极大地简化了模型。说明(BPSO+SPA)-SPA是一种有效的特征波长提取方法，为水果SSC含量的无损检测提供了新的检测方法。
		2024 Vol. 44 (03): 656-662 [摘要] ( 34 ) RICH HTML PDF (2137 KB) ( 121 )

	663	等离激元银金属膜耦合氮化硅纳米空腔在可见光-近红外区间的多谱带完美吸收和传感性质的仿真研究
		王家正，刘佳，孙维鑫，周剑章，吴德印^*，田中群
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0663-07
		具有多谱带完美吸收效应的超构材料在光学滤波和折射率传感等多种应用中是理想的材料。提出了一种由银金属上的氮化硅介电纳米空腔阵列组成的多谱带窄带完美吸收超构材料。有限元仿真给出了四个最高可达99.9%的吸收峰，以及最小达到0.74 nm的吸收峰宽。这些吸收谱带来自于表面晶格模式和三个表面等离激元极化子模式。此外，这些模式的谱峰对超构材料几何外形和环境介质光学参数的变化敏感，从而在可见光-近红外范围内可以被调控。用于折射率传感时，其具有347 nm每折射率单位的灵敏度，Figure of Merit达到469。这些特性令这一材料适用于光学滤波器和折射率传感器等用途。
		2024 Vol. 44 (03): 663-669 [摘要] ( 36 ) RICH HTML PDF (11033 KB) ( 50 )

	670	基于CARS和1D-CNN联合的XRF土壤重金属超标分析方法研究
		杨婉琪^1，2，李智琪^1，3，李福生^1，2*，吕树彬^1，2，樊佳婧^1，2
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0670-05
		随着社会现代化进程的迈进，愈加频繁的人类活动加剧了土壤重金属污染。当土壤中重金属元素含量超过风险筛选值时，会经过食物链摄入人体，过量的重金属累积对人体健康造成损害。筛选出具有重金属污染风险的土壤是治理土壤污染的重要环节。采用X射线荧光（XRF）光谱仪获取了59份国家标准土壤样品的光谱数据，然后对其进行小波阈值去噪和迭代离散小波变换本底扣除等预处理；运用基于竞争性自适应重加权采样（CARS）算法对土壤中的重金属元素进行谱线筛选；将筛选后的结果作为模型的输入，通过建立1D-CNN模型预测土壤样本是否具有重金属污染的风险。实验结果显示，通过CARS算法采样后的特征通道数大幅度减少，Ni、Cu、As、Pb元素从原来的2048个特征点分别减少为37、53、37、45个，为原来通道数的1.81%~2.59%。相较于不筛选和连续投影（SPA）筛选方法，结合CARS算法的1D-CNN模型在判断土壤样品是否有Ni、Cu、As、Pb元素污染风险时的准确率分别可以达到96.67%，93.22%，91.67%，88.33%。经CARS筛选，1D-CNN比偏最小二乘回归（PLSR）方法在预测准确性方面有明显优势。提出的CARS-1D-CNN算法在提高模型预测准确率的同时减少了模型的计算量，对于XRF光谱土壤重金属元素污染风险筛选具有较好的理论指导和应用价值。
		2024 Vol. 44 (03): 670-674 [摘要] ( 48 ) RICH HTML PDF (5175 KB) ( 69 )

	675	河北邢窑和定窑唐三彩烧制工艺的无损分析
		陈殿^1，侯禹存²，黄信³，李融武⁴，潘秋丽²，程琳^1，2
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0675-06
		研究了河北邢窑和定窑发掘出土的唐三彩样品的化学成分和物相结构。结果表明，邢窑和定窑唐三彩的胎体有不同的来源或配方；值得注意的是, 邢窑唐三彩XY4样品中，存在同时施钙釉和铅釉的工艺。另一方面，邢窑和定窑唐三彩的高铅釉中，普遍存在α-石英和微量钙长石的晶相；其中定窑黄釉中存在微量莫来石(3Al₂O₃·2SiO₂)晶相和α-Fe₂O₃晶相；定窑绿釉中存在微量的Pb₈Cu(Si₂O₇)晶相；邢窑白釉中存在少量的钾长石(KAlSi₃O₈)晶相。这些微量的晶相或是釉料本身所携带或在烧制或冷却过程中发生的复杂的物理化学变化所形成的，对了解早期唐三彩的烧制工艺和真伪识别以及墓葬出土唐三彩产地的研究具有很重要的意义。
		2024 Vol. 44 (03): 675-680 [摘要] ( 48 ) RICH HTML PDF (8244 KB) ( 29 )

	681	变周期亚波长介质光栅多层膜的双重Fano共振特性
		肖春艳¹，杨晨¹，周鑫德²
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0681-07
		现在众多传感结构模型只能对单变量待测样本折射率进行传感检测，为实现不同待测样本的高通量检测并降低环境因素的干扰，提出了一种基于波长调制的变周期亚波长介质光栅多层膜复合结构。以双周期为例进行分析，变周期光栅层由两个具有不同光栅周期的介质光栅A和B组成，通过有限元法对传输特性进行分析，TE偏振入射光以垂直于光栅层表面的方式入射至介质光栅表面，当在介质光栅区域A和B内分别满足相位匹配条件时，变周期亚波长介质光栅会形成GMR，提供两个具有单一窄带的双离散态共振缺陷峰；由于类F-P腔中含有周期性光子晶体，光波传播到光子晶体会产生光子禁带，提供一个较宽频带的连续态。在满足相位匹配条件时，变周期亚波长波导结构中形成的双离散态共振缺陷峰与周期性光子晶体多层介质薄膜构成的类F-P腔中形成的连续态发生耦合，实现双重Fano共振。然后通过探究波导层厚度d_w和光子晶体周期数N对传感特性的影响，选择d_w=97 nm和N=3，使其达到FOM值最大。最终因变周期介质光栅层是由两种具有不同介质折射率的材料构成，在介质光栅区域A和B的光栅凹槽部分可设置两个传感检测单元，建立基于波长调制的双重Fano共振全电介质传感模型，设置不同的传感检测区域，发现双重Fano光谱曲线在不同传感检测区域内都能随着n_s1和n_s2变化，间接实现了对待测样本折射率的动态检测，因而可在同一传感结构模型中实现对不同待测样本折射率区间的多变量检测。结果表明，在传感检测单元A内，FR1和FR2的FOM值分别为631.53和463.7 RIU^-1；在传感检测单元B内，FOM值分别为480.67和834.04 RIU^-1。所设计的传感结构模型通过结构参数优化，实现了传感结构的高反射率、高FOM值和较宽的检测范围，对双重Fano共振提供了理论参考，对待测样本折射率的多变量检测具有一定的研究价值。
		2024 Vol. 44 (03): 681-687 [摘要] ( 40 ) RICH HTML PDF (7615 KB) ( 29 )

	688	大气压微波放电CO₂等离子体温度的发射光谱诊断
		李容毅，朱海龙^*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0688-05
		大气压微波等离子体因具有活性粒子密度高、气体温度高、能量转换效率高、可控性好等独特优势，在分解和转化二氧化碳治理环境领域展现出重要的应用价值。以大气压微波等离子体的二氧化碳分解与转化为应用背景，开展了大气压微波等离子体的放电特性与温度参数的测量和诊断研究。通过研究等离子体炬的放电形态的变化规律，分析了大气压二氧化碳等离子体的放电特点；利用发射光谱的诊断方法，分析了二氧化碳放电区内产生的C₂分子的转动温度，得到了二氧化碳等离子体内不同位置在不同功率和不同气体流量下的放电形态以及温度的变化规律。研究结果表明，这种大气压微波等离子体的放电形态呈现明亮的中心放电区和外围的余辉区，且这两个区域存在清晰的边界；放电区的长度随微波功率增加接近线性增长，受送气流量大小的影响微弱。等离子体发射光谱诊断结果显示，大气压微波等离子体放电过程中，主放电区中除了化学荧光连续谱外还存在很强的C₂分子的Swan谱带；基于这一谱带计算得到的主放电区等离子体温度约为6 000 K，且这一温度几乎不随功率和气流的变化；不同中心放电区位置，温度略有变化(±100 K)。
		2024 Vol. 44 (03): 688-692 [摘要] ( 34 ) RICH HTML PDF (4460 KB) ( 79 )

	693	FeXX离子1s²2s²2p³基组态能级结构和磁偶极跃迁参数的理论计算
		李东垣¹，欧阳品均¹，索明月¹，王浩¹，王艺璇²，周书山¹，胡木宏^1*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0693-06
		原子光谱数据在天体物理探测、等离子体诊断等研究领域中具有重要的作用，准确可靠的原子光谱数据有助于深刻理解天体物理源的本质和等离子体的特性。以多电子的FeXX离子为研究对象，利用多组态相互作用Dirac-Fock方法完成了FeXX离子1s²2s²2p³基组态能级结构和组态内磁偶极跃迁参数的理论计算。以全相对论理论框架下的GRASP2K程序为计算基础，细致地考虑了多电子体系的相对论效应和电子关联效应，构建了规模适当、包含关键电子关联效应的相对论原子态波函数；在此基础上，利用微扰法处理Breit相互作用和量子电动力学效应，完成了FeXX离子1s²2s²2p³基组态能级结构和磁偶极跃迁速率、谱线波长和加权振子强度等物理量的高精度理论计算。与现有的实验结果相比，计算得到的FeXX离子1s²2s²2p³基组态各原子态激发能的相对误差范围为0.175%~0.457%，基组态内磁偶极跃迁速率的相对误差范围为0.441%~4.725%，二者都具有较好的精度。FeXX离子1s²2s²2p³基组态内磁偶极跃迁谱线波长和加权振子强度的实验数据还存在大量空白，计算得到的谱线波长与已有的其他理论结果非常接近，二者之间最大差值仅为6.138 88 Å，希望该计算结果能够为光谱实验测量提供有价值的理论参考。通过该研究可以确定，全相对论多组态相互作用Dirac-Fock方法充分考虑了电子关联效应和相对论效应，适用于多电子体系结构、性质和跃迁行为的理论研究，该方法获得的高精度理论计算结果既可以满足储存环制备高离化原子的实验数据需求，也可以为光谱测量、天体物理、等离子体诊断、受控聚变等方面的相关研究提供可靠的参考数据。
		2024 Vol. 44 (03): 693-698 [摘要] ( 43 ) RICH HTML PDF (1368 KB) ( 66 )

	699	达比加群抗凝机理的光谱研究
		龚梦洁¹，海滢¹，吕凯文¹，顾洪斌^2，祖莉莉^1
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0699-08
		达比加群酯（DE）是一种新型口服抗凝药，用于预防非瓣膜性房颤患者的卒中和全身性血管栓塞。达比加群酯本身没有药理活性，其活性成分是在血浆和肝脏中经酯酶催化水解生成的达比加群（DAB）。尽管已经被用于临床治疗，活性成分达比加群的极性基团苯甲脒和羧基在其与凝血酶（Thr）结合时的作用机理仍不清晰，并且目前还未找到针对达比加群的特定逆转剂。采用稳态和瞬态荧光光谱、分子对接模拟等方法研究了DAB与凝血酶在模拟生理条件下的相互作用。通过研究极性基团酯化前后DAB与凝血酶作用时的时间分辨荧光光谱，揭示了DAB对凝血酶的荧光猝灭包含动态猝灭和静态猝灭的双重机制，指出DAB苯甲脒基团与凝血酶之间的静电导向效应是DAB与凝血酶快速有效形成复合物的关键动力学因素。运用分子对接模拟方法研究了DAB与凝血酶相互作用时的分子构象，探究DAB极性基团的酯化对两者结合能的影响。通过比较DAB双极性基团酯化后的达比加群酯（DE）、DAB羧酸基团酯化后的达比加群乙酯（DAE）、以及DAB苯甲醚基团酯化后的达比加群己酯（DAH）与凝血酶相互作用的荧光光谱和分子对接模拟结果，进一步验证了极性基团在DAB与凝血酶结合时的重要作用。获得了DAB和DE与牛血清白蛋白（BSA）在生理pH条件下相互作用的稳态和瞬态荧光光谱的对照结果，提出DAB的极性基团在其与凝血酶的选择性结合中发挥重要作用。研究结果为提高达比加群药物生理活性以及逆转剂的研究提供了理论和实验依据。
		2024 Vol. 44 (03): 699-706 [摘要] ( 32 ) RICH HTML PDF (9032 KB) ( 16 )

	707	基于KPCA-PSO-ELM算法的地表水化学需氧量紫外-可见吸收光谱检测研究
		郑培超，周椿棪，王金梅^*，尹义同，张莉，吕强，曾金锐，何雨欣
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0707-07
		化学需氧量(COD)是水质检测重要指标之一，反映水体有机物含量。传统的COD化学检测方法存在操作繁琐，等待时间长，二次污染等缺点。紫外-可见吸收光谱法是目前水体化学需氧量检测中应用最为广泛的方法之一，具有检测快速、无污染等特点。为了满足地表水化学需氧量快速、实时、在线监测等要求，采用紫外-可见吸收光谱进行测量，提出了内核主成分分析(KPCA)结合粒子群优化极限学习机(PSO-ELM)预测模型，满足当前对地表水化学需氧量快速、实时监测的要求。对光谱进行Savitzky-Golay(SG)滤波以降低随机噪声的影响；用积分光谱代替原光谱，以降低信号波动带来的影响；再将得到的光谱信息归一化，消除不同光谱数据量纲的影响。将预处理后的数据利用KPCA算法将全光谱数据压缩为5个特征，有效解决光谱信息冗余的问题；采用PSO算法对ELM的权重和偏置进行优化极大提高了模型的精度。对217个河流、长江及支流、湖库等地表水样本按照7∶3随机划分成训练集和测试集，并进行建模测试，其中训练集拟合优度(R²)为0.930 2、均方根误差(RMSE)为0.363 0 mg·L^-1、测试集拟合优度R²为0.931 9、均方根误差(RMSE)为0.400 7 mg·L^-1。为了验证提出的基于KPCA全光谱数据压缩方法对预测模型的提升效果，分别对比了主成分分析(PCA)、连续投影算法(SPA)、套索回归(LASSO)等特征处理算法。PCA-PSO-ELM模型的RMSE为0.715 1 mg·L^-1、SPA-PSO-ELM模型的RMSE为0.473 7 mg·L^-1、LASSO-PSO-ELM模型的RMSE为0.412 6 mg·L^-1，KPCA-PSO-ELM模型较上述三种模型，RMSE分别降低了78.46%、18.22%、2.97%，结果表明KPCA是一种高效的光谱降维算法，能够有效消除光谱冗余信息，提升模型预测精度。基于KPCA-PSO-ELM预测模型结合紫外-可见吸收光谱可以实现对地表水COD快速、实时检测，为在线COD检测场景提供方法支撑。
		2024 Vol. 44 (03): 707-713 [摘要] ( 33 ) RICH HTML PDF (3431 KB) ( 101 )

	714	多光谱法和分子对接模拟法研究茶碱和胃蛋白酶的相互作用
		王晓霞^1，2*，马力通^1，2，孙吉盛¹，聂智华³，赛华征¹，成建国¹，段建国¹
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0714-08
		在模拟生理条件下，通过紫外可见吸收光谱法、傅里叶红外光谱、荧光光谱、三维荧光光谱、同步荧光光谱、圆二色谱等方法以及分子对接模拟法对茶碱（TPL）与胃蛋白酶（PEP）的结合机理进行了研究，在分子层面探讨TPL与PEP相互作用的机制，有助于对TPL的药理毒性、药效进行深入研究。根据Stern-Volmer方程，计算在298、303和308 K三种温度下TPL对PEP的动态荧光猝灭速率常数K_q远大于最大动态荧光猝灭常数2.0×10¹⁰ L·(mol·s)^-1，证明TPL对PEP的猝灭方式为静态猝灭。随着TPL浓度的不断升高，PEP的动态猝灭常数K_sv呈规律性下降趋势，TPL可以有效对PEP的内源荧光进行猝灭，进一步判定作用机制为静态猝灭。三维荧光图谱分析表明，体系中随着TPL浓度的不断升高，PEP中代表色氨酸残基与酪氨酸残基以及肽链骨架结构的荧光强度峰值明显降低，且峰位发生红移，表明TPL对PEP的二级结构产生影响。同步荧光图谱分析表明TPL与PEP结合时，主要集中在色氨酸的残基上。红外光谱表明TPL引起PEP内官能团伸缩振动，使PEP的二级结构发生改变。紫外吸收光谱表明随着混合体系中TPL浓度增大，吸收峰峰值逐渐增大，表明TPL可以改变PEP的二级结构。分子对接模拟法表明，TPL与PEP中氨基酸残基GLU13、VAL30、TRP39、GLY76、GLY78、PHE117的结合作用力为范德华力，与氨基酸残基THR77、GLY217形成氢键, 与氨基酸残基TYR75、LEU112、ILE120、PHE111之间存在疏水作用力，证明两者主要通过范德华力与氢键结合，进一步证明TPL改变了PEP的二级结构。圆二色谱分析显示PEP中β-折叠的占比从50.2%下降至48.8%，α-螺旋结构的占比从8.1%上升到8.4%；β-转角的占比从18.3%上升到18.7%；无规则结构的占比从29.1%上升到29.2%，表明TPL改变了PEP的二级结构。实验研究结果有助于了解TPL与PEP的结合作用机制，为TPL的使用及研究提供了数据依据。
		2024 Vol. 44 (03): 714-721 [摘要] ( 31 ) RICH HTML PDF (7018 KB) ( 16 )

	722	紫外-可见吸收光谱结合化学计量学算法的水体总有机碳浓度快速检测
		李煜¹，毕卫红^1，2*，孙建成¹，贾亚杰¹，付广伟¹，王思远¹，王兵³
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0722-09
		总有机碳(TOC)指悬浮或溶解于水中有机物的含碳总量，是以单位体积水体中含碳的质量来表示水中有机物的浓度，通过总有机碳可以更全面反映水中有机污染物的总量。总有机碳的监测能够推动我国实现“碳达峰”和“碳中和”的目标，也对我国海洋地球碳循环的研究具有重要的意义。目前，国标法测量水质TOC主要采用高温催化氧化法和湿法氧化法，这两种方法虽测量准确、可解释性强，但都具有测试方法复杂、测量时间长、易产生二次污染、人力物力消耗巨大等缺点，且仅能在实验室内完成，无法进行TOC的原位在线测量。因此发展水质TOC快速、实时、在线监测技术具有重要意义。为此，建立了TOC标准溶液浓度基于紫外吸收光谱的单波长检测模型，针对物质种类更为复杂的真实水样分别使用ACO-PLS和SPA算法筛选特征波长，对比S-G平滑处理、最小最大归一化、标准正态变换(SNV)、消除常数偏移量、导数校正等多种光谱预处理方法的效果，经过粒子群算法优化的最小二乘支持向量机算法(PSO-LSSVM)建立快速检测模型。结果表明，选取不同数量特征波长，经SNV算法预处理后的建模效果普遍优于其他预处理方法；选用不同预处理算法，最佳特征波长数量普遍为50个，过多或过少的波长数量会使建模精度降低；最佳建模参数为选用SNV预处理方法，经ACO-PLS算法筛选50个特征波长组合并利用PSO-LSSVM算法建模，最优模型结果训练集R_c达到0.984 3，RMSEC为0.457 4，验证集R_p为0.974 5，RMSEP为0.481 1。将最优光谱检测模型应用于新采集水样，预测结果较为准确，具有一定鲁棒性。表明ACO-PLS算法可以有效选取特征波长，结合PSO-LSSVM算法可以实现利用紫外-可见吸收光谱对水体中TOC的测量，为水体TOC含量快速检测提供一种快速、无污染的测量方案，给相应传感器的研发提供了科学支持。
		2024 Vol. 44 (03): 722-730 [摘要] ( 42 ) RICH HTML PDF (5419 KB) ( 77 )

	731	基于近红外光谱数据的一维卷积神经网络模型研究
		唐杰¹，罗彦波²，李翔宇²，陈云璨¹，王鹏¹，卢天³，纪晓波⁴，庞永强^2，朱立军^1
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0731-06
		近红外光谱技术已被广泛应用于各种检测行业，但传统方法难以汇集光谱关键信息，导致模型预测误差较大。为减少误差，基于452个茄科植物，以化学成分为目标，探索了一维卷积神经网络（1DCNN）在近红外数据上的回归模型研究。经参数优化，总结了一套兼顾精度与训练效率的1DCNN模型参数，为后续模型研究提供参考。模型测试集的均方根误差为0.02～0.49，平均相对误差为0.8%～1.7%，远小于历史文献。相比传统方法，1DCNN可充分利用全部近红外谱图数据，且建模简单，模型预测能力强。该工作能为近红外光谱相关研究提供新的数据处理思路，也能促进该技术的应用与发展。
		2024 Vol. 44 (03): 731-736 [摘要] ( 57 ) RICH HTML PDF (3703 KB) ( 78 )

	737	基于Lasso-Huber的近红外光谱特征波长选择方法及应用
		郭拓¹，徐凤捷¹，马晋芳^2*，肖环贤³
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0737-07
		在近红外光谱（NIRS）波长筛选过程中，当变量数目远大于样本量时，特征波长的选择是一个极具挑战性的问题。Lasso与Elastic Net算法虽被用于大维小样本数据的变量选择，但二者均以最小平方误差作为损失函数的度量方法来选择特征变量。因此，当样本中含有异常点时，经两种算法建立的模型对异常点更加敏感，导致模型向异常点偏移，鲁棒性降低。针对上述问题，采用Huber函数作为损失函数，提出了Lasso-Huber法进行近红外特征波长选择，结合偏最小二乘（PLS）方法建立安胎丸质控指标成分的定量校正模型，并与全波长建模、Lasso与Elastic-Net方法波长选择后建模的模型性能进行对比。本实验采集21批安胎丸的近红外光谱数据共116条，其中101条数据作为校正集，采用留一交叉验证法对模型进行内部验证，另外15条数据则作为验证集用于外部验证。对于校正集中的异常光谱，使用基于主成分分析（PCA）的马氏距离法（MD）进行检测。以安胎丸的质控指标成分之一阿魏酸为例，采用Lasso、Elastic-Net和Lasso-Huber方法分别筛选了安胎丸样品无异常光谱中69、155和87个特征波长。其中Lasso-Huber法结合PLS建立的预测模型效果最佳，外部验证的R²_p和SEP分别为0.953 1和0.058 7。此外，通过对校正集中是否包含异常光谱的校正模型预测性能对比发现，Lasso-Huber法在包含异常光谱的建模中更具优势。结果显示，Lasso-Huber算法优选出最佳波长点数为88，结合PLS建立的模型性能R²_v为0.967 3，而Lasso方法的R²_v为0.840 5，Elastic-Net方法的R²_v为0.834 7，全波长建模的R²_v为0.852 0。可见，在含有异常光谱的样本中，Lasso-Huber法不仅减少了特征波段的数量，同时降低了算法对异常光谱的敏感性，提高了模型的准确度和鲁棒性。从简化模型的角度上比较，Lasso法和Elastic-Net法的建模时间分别为61.826 0和79.959 9 s，而Lasso-Huber建模时间仅为1.360 8 s，因此，该算法更有望未来集成于实际生产应用的近红外光谱建模软件中。
		2024 Vol. 44 (03): 737-743 [摘要] ( 41 ) RICH HTML PDF (2397 KB) ( 89 )

	744	改进遗传算法嵌入经典分类算法实现润滑油添加剂微小量多种类同步识别
		夏延秋¹，谢培元¹，NAY MIN AUNG¹，张涛¹，冯欣^1，2*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0744-07
		在润滑油中加入微少量添加剂就能使润滑油获得某种新的特性或改善润滑油中已有的某些特性的性质。针对机械设备润滑油中微小量添加剂多种类识别问题，基于python语言进行模型建立，采用基础油PAO-10和三种商用润滑油添加剂T321、T534、T307按照不同比例配制了8种不同样本。采用Thermo Scientific Nicolet iS5型傅里叶变换红外光谱仪采集了样本4 000~400 cm^-1范围附近的中红外光谱信息，并对样本中红外光谱数据采用Min-Max归一化进行预处理。使用两种经典分类算法，包括一对多支持向量机（OVR SVMs）、随机森林（RF），嵌入遗传算法（GA）实现中红外光谱特征波段筛选。为避免GA收敛过快和易陷入局部最优解，对GA的选择算子进行了改进，形成基于局部搜索算子的遗传算法（LGA），从而建立多类别分类模型的构建方法。结果显示：嵌入GA筛选波段后的新模型的种类识别准确率从利用经典分类算法对原始波长数据的OVR SVMs（83.33%）、RF（87.50%）提升至OVR SVMs+GA（100%）、RF+GA（100%）；而嵌入LGA的新模型在保持原模型高准确率的情况下，RF+LGA筛选得到的特征区间长度为原光谱数据长度的36.7%，并且与添加剂物质的红外吸收峰有很好的对应情况。新模型不仅适用于只含单一添加剂的情况，对含有两种及两种以上添加剂的同步识别仍然具有近100%的较高识别率。表明所构建模型可以有效实现微小量润滑油添加剂的快速、准确、多种类同步识别。
		2024 Vol. 44 (03): 744-750 [摘要] ( 44 ) RICH HTML PDF (7362 KB) ( 22 )

	751	地氯雷他定的光谱检测方法研究
		葛学峰，时斌，唐梦圆，籍康，张银萍，顾敏芬^*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0751-05
		地氯雷他定（DL）是一种治疗过敏性鼻炎和慢性荨麻疹的经典抗组胺药，在采用光谱法研究其结构相关的N—H键时，检测结果会受到不同预处理方式及测试方法的影响。采用透射模式傅里叶变换红外法（TR-FTIR）对DL进行检测，常规氯化钾压片法获得的光谱在3 325和3 304 cm^-1处出现2个较弱的峰高约为1∶1的N—H伸缩特征吸收峰；石蜡糊法没有明显信号；样品先与石蜡混合成糊状再加入氯化钾压片，则会在3 327和3 304 cm^-1处出现2个峰高约为1∶2.3的特征吸收峰；采用衰减全反射式傅里叶变换红外光谱法（ATR-FTIR）对DL进行检测，无论是改变ATR晶体类型还是改变仪器的检测器，此区间几乎检测不出特征峰；采用漫反射式傅里叶变换红外光谱法（DRS-FTIR），不需要对样品进行预处理，能检测出3 327和3 304 cm^-1处2个峰高比约为1∶5的特征吸收峰。采用傅里叶变换拉曼方法（FT-Raman），无需预处理，信噪比高，能检测出3 327和3 304 cm^-1处2个峰高比约为1∶6的特征峰；而分别采用激发波长为532、633和785 nm的激光拉曼，荧光信号很强，1 700 cm^-1以上观察不到任何有用信号。为了进一步研究预处理过程对DL的影响，采用差示扫描量热法（DSC）对不同预处理后的样品进行了熔点测试，结果显示：(1) DL原样熔点为156.4 ℃，DL进行研磨后的样品熔点为156.6 ℃，DL与氯化钾进行物理混合后的样品熔点为156.6 ℃，说明研磨及物理混合对DL的晶型没有造成破坏；(2) DL与氯化钾一起混合研磨的样品，熔点为153.0 ℃，与石蜡混合后熔点为141.5 ℃，先石蜡制糊再加入氯化钾研磨的试样，熔点为145.0 ℃，熔点均比原样明显偏低且熔程变宽，说明这些预处理可能使原样的结构发生了变化。为避免预处理过程引入的不确定性，在对DL进行光谱检测时建议选用DRS-FTIR及FT-Raman方法。
		2024 Vol. 44 (03): 751-755 [摘要] ( 48 ) RICH HTML PDF (2690 KB) ( 120 )

	756	双波长近红外拉曼光谱仪及在腐蚀产物分析中的应用
		王茂成¹，李赣¹，程浩²，姜维¹，陈广¹，李海波^1*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0756-06
		在拉曼光谱测试中某些物质存在荧光发射背景，由于荧光强度一般比拉曼散射强度高几个数量级，在荧光干扰时几乎无法获得有效的拉曼光谱信号。为抑制荧光背景，可选用近红外波段激光作为激发光源，而硅基探测器在1 000 nm以上波段时光量子效率严重下降，导致近红外拉曼光谱仪器难以探测3 000 cm^-1以上的波段，存在荧光抑制效果与检测范围无法兼顾的问题。由于高波数的拉曼特征峰是识别材料种类和解析材料结构的重要依据，如氨基的N—H伸缩振动峰在3 300 cm^-1附近、OH^-伸缩振动峰在3 650 cm^-1，这些基团是分析材料腐蚀产物、水合物、有机物等的重要依据。因此，迫切需要开发一种解决拉曼光谱仪器无法兼顾荧光抑制效果和检测光谱范围问题的方法。该工作提出一种采用光谱仪固定检测波段、730和830 nm双波长激光“接力”激发的方案（即830 nm激发低波数拉曼、730 nm激发高波数拉曼）。通过双激光波长“接力”激发、固定检测波段的新设计，可有效拓宽检测范围至200～3 700 cm^-1，并且不会降低光谱分辨率（达到6 cm^-1），与此同时整机光路无机械可动部件，可靠性高便于实现便携式设计。通过样机进行测试，证明该技术方案具备高灵敏度、较好荧光抑制效果、宽检测范围和较高光谱分辨率等优势。通过研制的双波长近红外拉曼光谱仪获得了铀腐蚀产物、有机涂层下的LiH潮解产物的清晰拉曼信号，解决了特种材料无损检测的技术难题。该技术也适用于其他研究及检测领域，特别是拉曼散射截面小、荧光背景高的物质检测。由于双波长近红外拉曼光谱仪可覆盖200～3 700 cm^-1检测范围，为多数水合物、含羟基及氨基官能团物质的拉曼检测提供了一种可行的技术途径。
		2024 Vol. 44 (03): 756-761 [摘要] ( 34 ) RICH HTML PDF (5224 KB) ( 35 )

	762	乌兹别克斯坦拜松市拉巴特墓地出土珠饰的分析研究
		吴晨¹ ，刘松²，梁云³，赵凤燕¹，李青会²，王建新³
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0762-08
		2017年—2018年度，中乌联合考古队在乌兹别克斯坦共和国拜松市拉巴特墓地进行了考古发掘，发掘墓葬94座，出土了丰富的遗迹遗物。考古学初步研究表明，该墓地为公元前2世纪末到公元2世纪的一处月氏文化墓地，文化因素丰富，为古代月氏文化面貌研究及北巴克特里亚地区公元前2世纪至公元2世纪的古代文化研究提供了重要的考古新资料。拉巴特墓地发掘中出土各类材质珠饰1 500余件，选取了其中典型人造硅酸盐质珠饰残样13件，采用超景深三维显微系统(OM)、能量色散型X射线荧光光谱(EDXRF)、扫描电子显微镜能谱分析(SEM-EDS)、激光拉曼光谱(Raman)等方法对其进行了科技分析，确定了这些人造硅酸盐质珠饰的材质属性和部分制作工艺相关信息，结合材质和工艺特点探讨了拉巴特墓地人造硅酸盐质珠饰可能的产地。结果表明，该遗址人造硅酸盐质珠饰包括富钠费昂斯、泡碱型钠钙玻璃、植物灰型钠钙玻璃、高镁钠钙玻璃、矿物碱型钠铝玻璃、植物灰型钠铝玻璃和钾玻璃等多种材质。其中，富钠费昂斯的产地与西亚有关；已分析出的六类玻璃产地涉及西亚、地中海周边、印度、巴基斯坦、中亚等多个地区。研究表明拉巴特墓地所处区域在公元前2世纪末期到公元2世纪文化面貌丰富，与西亚、地中海、南亚等地的经济贸易往来频繁、人群间文化互动丰富。
		2024 Vol. 44 (03): 762-769 [摘要] ( 42 ) RICH HTML PDF (41502 KB) ( 23 )

	770	基于冬小麦高光谱图像的天然气微泄漏胁迫区域提取
		李辉¹，刘姁升²，蒋金豹^3*，陈绪慧⁴，张帅⁵，唐珂¹，赵新伟¹，杜兴强¹，玉龙飞雪¹
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0770-07
		天然气在能源结构中逐渐占据重要地位。由于天然气管道和储气库常年埋藏于地下，无氧腐蚀、自然灾害、注入井和管道口松懈等因素会导致气体发生泄漏。在地下储存天然气大规模泄漏之前确定泄漏点的位置并做出早期判断和预警十分必要。以冬小麦为研究对象，采集4期高光谱图像数据，融合其图像、空间、时相特征，探寻天然气胁迫下冬小麦胁迫范围半径和时长之间的关系，并间接探测天然气微泄露点。一方面对连续统去除后的冬小麦高光谱图像数据进行连续小波变换并利用CWT_mexh指数[CWT_mexh=CW²₇₇₀/(1-CW₄₈₇)×CW₅₅₀]对高光谱胁迫组图像进行微泄露点信息提取，另一方面提取高光谱图像数据的PCA特征，基于SVM分类器提取天然气胁迫区域。最后将天然气微泄露识别结果进行数学形态学分析，并利用最小二乘对胁迫区域进行圆曲线拟合，探索天然气泄漏胁迫半径与胁迫天数的关系。结果表明：(1) CWT_mexh指数应用到成像高光谱数据表现出较好的识别性能; (2) SVM分类器可基于光谱差异性特征识别冬小麦胁迫区域，分类精度较好，最大分类精度可以达到99.25%，Kappa系数为0.97，且识别精度随天然气胁迫持续而增加; (3) 冬小麦受胁迫区域半径和通气天数呈现强烈的线性相关。因此，结果表明，在冠层尺度和低空尺度通过高光谱遥感监测地表植被间接识别天然气微泄漏点具有可行性，可以预测地下天然气微泄漏随着时间变化引起的胁迫区域变化。该工作为星载高光谱遥感监测地下储存天然气泄漏点提供科学依据，为以后的工程应用提供技术支持。
		2024 Vol. 44 (03): 770-776 [摘要] ( 30 ) RICH HTML PDF (25434 KB) ( 25 )

	777	黄绿色羟基磷铝锂石的谱学特征及其颜色成因
		张娟¹，李可心²，秦冬梅¹，包德清^1，2，王朝文^2*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0777-07
		磷铝锂石为含F和OH的连续固溶体矿物，属于一种稀有宝石品种，然而国内对其鲜有研究报道，尤其对快速无损估计F含量从而确定宝石名称以及宝石颜色成因研究较少。对市场上收集的黄绿色宝石级磷铝锂石分别进行常规宝石学、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)、红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)测试与分析。常规宝石学测试结果显示较高的折射率和较低的相对密度的特征均指示研究样品属于羟磷铝锂石端元。研究样品在400~1 500 cm^-1的红外光谱指纹区表现为430 cm^-1的吸收谱带，归属Li—O键的弯曲振动；494、546、604和664 cm^-1的吸收为PO^3-₄的弯曲振动和AlO₆键的伸缩振动共同作用所致；~832 cm^-1为OH的弯曲振动(δ_OH)；~1 032、~1 090、~1 211 cm^-1为PO^3-₄的伸缩振动。~3 386 cm^-1左右，是OH的伸缩振动(ν_OH)。拉曼光谱显示样品具有305、430、489、648、806、893、1 013、1 058、1 107、1 193和3 367 cm^-1等典型拉曼峰。在3 367 cm^-1左右的相对较宽的峰是典型的OH伸缩振动，1 000～1 200 cm^-1之间的一组峰是PO^3-₄的非对称伸缩振动(V₃)。在600 cm^-1以下的拉曼光谱峰，为PO^3-₄的非对称伸缩振动和Al—O键的伸缩振动所致。通过利用折射率高值指数、红外和拉曼光谱指数对磷铝锂石F含量进行了综合估算，折射率高值指数n_γ、拉曼光谱中3 367 cm^-1左右的峰值和1 058 cm^-1左右的峰值之差以及3 367 cm^-1附近拉曼峰的半高宽(FWHM)指数是氟磷铝锂石-羟磷铝锂石系列中F含量的良好指标，可被用于快速和间接地半定量估计磷铝锂石刻面宝石的F含量。激光剥蚀电感耦合等离子体质谱LA-ICP-MS结果显示，研究样品的主要元素组成为P₂O₅、Al₂O₃和Li₂O外，还含有微量的Fe，与羟磷铝锂石的化学成分相符。Fe在磷铝锂石中以类质同象取代Al，O^2-—Fe³⁺之间电价转移，Fe³⁺—Fe²⁺价键间电荷转移和Fe³⁺的d—d轨道的自旋禁阻跃迁同时对蓝紫区和橙红区的吸收，与紫外-可见光谱测试结果反映出蓝紫区(300～420 nm)和黄橙区(590 nm附近)的吸收较为一致，可能是导致羟磷铝锂石呈黄绿色调的主要原因。
		2024 Vol. 44 (03): 777-783 [摘要] ( 39 ) RICH HTML PDF (6515 KB) ( 22 )

	784	基于岩石初分类体系的高光谱岩石分类研究
		胡程浩¹，吴文渊^1，2*，苗莹¹，许林霞¹，傅显浩¹，郎夏祎¹，何博闻¹，钱俊锋^3，4
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0784-09
		高光谱遥感是当前遥感领域的前沿技术，具有多波段、高光谱分辨率等特征，越来越广泛地被应用于岩石的识别和分类。当下的高光谱的岩石分类研究中，很多岩石因为矿物成分相近导致光谱容易混淆，分类始终精度不高；并且在大范围的野外条件下进行高光谱岩性的研究存在许多外界环境的干扰，例如影像中出现地物覆盖、像元混杂等问题，因此有待对岩石光谱特性做进行进一步的研究，对光谱相近的岩石进行重新归类。从实验室高光谱遥感系统的角度，以81种常见的岩浆岩和变质岩样本的HySpex高光谱影像为研究数据，对影像进行反射率校正等预处理，结合ASD光谱仪测得的岩石样本光谱作为影像中对应样本光谱曲线提取的验证，提取得到代表每一岩石样本的光谱信息并对其进行光谱相似度初分类，最后得出以81块岩石岩本为基础的9个大类别和28个小类别的岩石初分类体系。初分类体系具有岩石样本在大类上成分性质以及光谱特征的相近，小类在大类的基础上光谱特征更为相近的特征。为了验证初步分类经验对计算机岩性分类的作用和效果，基于岩石样本初分类体系，利用最小噪声分离（MNF）技术进行高光谱影像的特征信息提取，设置两种分类方法，一种基于传统的分类，一种基于初分类模型，因此训练样本设置前者以每一块岩石作为样本，后者以初分类体系中的每小类作为样本，再应用计算机分类算法的模型使用最大似然法和随机森林分类两种方法，完成常见的岩浆岩和变质岩的高光谱影像分类。实验结果表明，基于传统模型的最大似然法和随机森林分类精度为83.21%和83.63%，而基于初分类的最大似然法分类和随机森林分类精度可以提高到85.46%和89.39%，随机森林分类器相比于传统的最大似然法更优越，而岩石初分类体系相比于简单的原始岩石分类具有一定的优越性，可为今后的岩石分类工作提供经验方法的借鉴。
		2024 Vol. 44 (03): 784-792 [摘要] ( 37 ) RICH HTML PDF (18294 KB) ( 52 )

	793	湛江湾水体颗粒物后向散射特性及其遥感反演研究
		余果^1，2，钟雅枫¹，付东洋^2，3，4*，刘大召^2，3，4，徐华兵²
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0793-07
		湛江湾2018年1月的原位调查，获得了原位遥感反射率(R_rs)、颗粒物后向散射系数(b_bp)、叶绿素a(Chl a)和无机悬浮颗粒物(ISM)浓度等参数，分析了湛江湾水体颗粒物后向散射特性，并对颗粒物后向散射系数进行了遥感反演研究。研究结果显示：在研究区域观察到表层水体6个波段(420，442，470，510，590和700 nm)颗粒物后向散射系数的变异系数均在50%～60%之间，其变化范围为0.026 1～0.211 2 m^-1，这意味着水体光学性质的复杂性。为了更好地量化b_bp的光谱特性，研究以510 nm为参考波段构建了b_bp幂函数光谱模型，获得的光谱模型斜率指数n=1.55。研究发现b_bp(510)与ISM呈现乘幂关系，与颗粒物组成(Chla/ISM)呈现指数关系，决定系数R²分别为0.74和0.62，表明研究区域颗粒物后向散射系数一阶驱动因子主要为无机悬浮颗粒物浓度，二阶驱动因子颗粒物组成对b_bp(510)变异也具有重要的贡献。为了准确估算湛江湾颗粒物后向散射系数，研究基于原位遥感反射率构建了随机森林模型，并与QAA-v6、QAA-RGB和QAA-705三种半分析算法进行对比。随机森林模型的R²为0.86，平均绝对百分比误差MAPE为12%，均方根误差RMSE为0.02 m^-1，QAA-v6、QAA-RGB和QAA-705三种半分析算法R²分别为0.63、0.71和0.53，MAPE分别为186%、117%和243%，RMSE分别为0.16、0.09和0.18 m^-1，三种半分析算法虽然也具有较高的R²，但估计值和测量值之间存在显著差异，且MAPE和RMSE也较大，三种半分析算法显著低于随机森林方法的反演精度，表明运用遥感反演湛江湾b_bp，随机森林方法具有较大的应用潜力。
		2024 Vol. 44 (03): 793-799 [摘要] ( 36 ) RICH HTML PDF (4667 KB) ( 24 )

	800	当归痛风方对小鼠高尿酸血症肾病的FTIR研究
		刘必旺¹，路荣荣²，曹越²，王秀文³，赵换⁴，郝渺³，马晓霞³，马艳苗²，王永辉²
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0800-07
		傅里叶变换红外光谱（FTIR）是鉴别物质和分析物质结构的有效手段，可对样品进行定性和定量分析，广泛应用于医药化工等众多领域。FTIR作为一种操作简便、实用、准确率高和费用低的鉴别方法，如今已经普遍应用于各种药品检验中，而有关其应用于药理研究中还非常少，目前仅有采用红外光谱分析法对各种肿瘤组织进行研究的报道。高尿酸血症肾病是人体血尿酸升高后，过高的尿酸负荷超过肾脏的清除能力，尿酸结晶沉积于集合管、肾盂和尿道等。采用FTIR技术评价高尿酸血症肾病模型，并评价药物的药效，具有一定的可行性。该实验为探讨FTIR评价高尿酸血症肾病模型和当归痛风方疗效的科学性，将60只KM小鼠随机分为6组，正常对照组、模型组、阳性对照组和当归痛风方低、中、高组，采用氧嗪酸钾复制高尿酸血症肾病模型，灌胃当归痛风方，检测血清UA、尿液UA、血清CRE、尿液CRE、血清IL-1β和肾脏IL-1β、肾脏FTIR谱图等，并观察肾脏的病理变化。结果表明模型组各项指标与正常组比较有统计学意义（p＜0.05），当归痛风方高剂量组的血清UA、血清CRE、血清IL-1β和肾脏IL-1β等与模型组比较且有统计学意义（p＜0.05）。当归痛风方高剂量组肾脏的病理变化有所改善，无炎性细胞浸润，管腔内无管型，说明对肾损伤具有保护作用。各组FTIR谱有明显的差异，模型组的强度均低于正常组，阳性对照组和当归痛风方高剂量组谱接近正常组，进一步说明当归痛风方对肾损伤具有保护作用。研究表明FTIR可以作为一种简便快捷灵活经济的评价动物模型及药物疗效的方法之一，也为高尿酸血症肾病模型及有效药物的筛选提供了一个有意义的技术手段。该实验拓展了FTIR检测方法的使用范围。
		2024 Vol. 44 (03): 800-806 [摘要] ( 35 ) RICH HTML PDF (11712 KB) ( 10 )

	807	混合卷积神经网络用于高光谱小麦品种鉴别
		李国厚¹，李泽旭¹，金松林¹，赵文义²，潘细朋³，梁政⁴，秦莉⁵，张卫东^1*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0807-07
		不同品种的小麦满足了市场的不同需求，同时也会带来小麦品种混杂的风险。为了提高小麦品种的纯度进而提高选种、育种、加工等环节的经济价值，小麦种子的鉴别起到关键作用。传统的小麦品种纯度理化分析鉴别方法，鉴定时间长且破坏种子，已不能满足现代农业的迫切需要。高光谱成像作为近年来发展迅速的一种快速、高效、无损的新型鉴别技术，在种子品种鉴别领域取得了显著成效。然而，已有的大多数高光谱分类方法仅利用光谱信息，没有充分考虑空间信息，分类效果较差。为了解决上述问题，利用高光谱成像设备采集8个品种的小麦种子正背面的高光谱图像，基于这些高光谱数据集，提出一种基于注意力机制的混合卷积神经网络的高光谱小麦品种鉴别方法，主要利用三维卷积和二维卷积的互补优势特性提取小麦的有价值特征，进而提高小麦品种的鉴别效果。具体而言，首先提取小麦品种的感兴趣区域，并利用多元散射校正方法削弱由于散射水平差异带来的同一品种的光谱差异。同时，利用主成分分析方法减少三维数据的无用光谱波段，进而保留并压缩对鉴别小麦品种有价值的特征。随后，利用三维卷积获取空间维度和不同光谱间的特征信息，二维卷积获取空间信息和图像的自身固有的特征信息，并在二维卷积模型中引入注意力机制进一步增强图像的特征信息的提取。最后在全连接层实现同一区域不同小麦品种的鉴别。实验表明，所提出的方法比其他方法具有较好的分类性能，分类准确率达97.92%。此外，所提出的方法对小样本数据也具有较好的分类性能。总的来说，提出的方法对于高光谱小麦种子鉴别具有较好的有效性和鲁棒性，为小麦种子的在线鉴别提供了一种新的方法。
		2024 Vol. 44 (03): 807-813 [摘要] ( 36 ) RICH HTML PDF (8979 KB) ( 74 )

	814	基于特征光谱参数的叶片和冠层尺度茶多酚含量估算
		段丹丹^1，2，刘仲华^1*，赵春江^2，3，赵钰^2，3，王凡^2，3
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0814-07
		茶多酚具有很强的生理活性和抗氧化性，是茶品质的重要属性之一。相比传统茶多酚含量的测定方法，遥感技术监测茶多酚含量具有高效、精确及实时的优势，但如何利用遥感数据监测不同时期的茶多酚含量研究较少。该研究以广东省英德市的5个茶园的茶叶为研究对象，对春茶、夏茶和秋茶的叶片与冠层两个尺度的茶多酚含量及对应高光谱数据进行测定，利用标准正态变量变换（SNV）对叶片和冠层的高光谱反射率数据进行预处理；然后，分别采用连续投影算法（SPA）和竞争性自适应重加权采样算法（CARS）筛选不同生长季节叶片和冠层两个尺度茶多酚的敏感波段；最后，通过偏最小二乘法（PLS）、随机森林（RF）和多元线性回归（MLR）分别构建不同时期的茶多酚含量模型并进行验证。结果表明：（1）茶多酚的含量随着季节推移显著增加，春茶茶多酚含量（15.37%）最低，夏茶茶多酚含量次之（18.29%），秋茶茶多酚含量（秋茶20.77%）最高；（2）不同敏感波段筛选的茶多酚含量的光谱特征波段主要为2 100~2 200 nm附近、1 300~1 400 nm附近、红波-红边波段及绿波段；（3）基于春茶、夏茶和秋茶冠层光谱特征构建的茶多酚模型中CARS-PLS、SPA-MLR和CARS-PLS模型精度最高，建模集R²分别为0.56、0.45和0.52，RMSE分别为1.15、1.68和1.77；验证集R²分别为0.43、0.40和0.41，RMSE分别为1.60、1.91和1.91; 基于春茶、夏茶和秋茶冠层叶片光谱特征构建的茶多酚模型中SPA-PLS、CARS-PLS和SPA-MLR模型精度最高，建模集R²分别为0.50、0.42和0.42，RMSE分别为1.25、1.70和1.66；验证集R²分别为0.43、0.36和0.38，RMSE分别为1.44、1.96和2.49。研究结果表明，基于遥感数据进行不同季节的叶片和冠层两个尺度的茶多酚含量估算是可行的，在大面积实时监测茶品质特征方面具有较大的潜力。
		2024 Vol. 44 (03): 814-820 [摘要] ( 61 ) RICH HTML PDF (11043 KB) ( 91 )

	821	不同工况下可见-近红外光谱的煤矸识别研究
		刘涛，李博，夏蕊^*，李瑞，王学文
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0821-08
		在实现煤炭高效利用过程中，煤矸分选是一个非常重要的步骤，但现有的煤矸分选技术存在资源浪费，效率较低等问题。可见-近红外光谱识别技术具有快速可靠的优点，在煤矸识别领域已有一定的研究基础，但大多数研究并未结合实际工况进行有效分析。首先，在实验室中搭建可见-近红外光谱采集装置，模拟实际环境下不同探测角度（0°、10°、20°、30°）、探测距离（10、15、20、25 cm）、光照角度（15°、25°、35°、45°）三种工况，并分别在单因素条件以及正交试验设计的多因素条件下，采集山西西铭煤矿的煤和矸石样本在可见-近红外波段的光谱数据。其次，对采集的光谱数据进行分析，并先后经过标准正态变量变换和Savitzky-Golay卷积平滑，以减少噪音和误差对数据的影响。最后，在单因素试验中，结合预处理算法并基于决策树（DT）、K近邻（KNN）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）、支持向量机（SVM）、AdaBoost五种机器学习模型对光谱数据进行训练。单因素试验结果表明，AdaBoost算法具有较强的学习能力，在不同工况下对煤和矸石的识别准确率均为100%，优于其他识别模型。在正交试验中，支持向量机（SVM）作为识别模型进行训练，结果表明，在原始数据和预处理后的数据中，三种工况对煤矸识别准确率的影响程度不同，影响次序从大到小为不同光照角度、探测距离、探测角度。同时，对比实验结果可以得出，选用合适的预处理和建模方法可以降低不同工况对识别准确率的影响。预处理后的数据中，最优的工况组合为探测角度0°、探测距离20 、光照角度35°。随机选取一组条件与最优组进行三次重复对照试验，结果表明最优组的识别表现优于随机对照组。研究结果对煤矸识别最优工况条件的寻找具有借鉴意义，并为可见-近红外光谱技术在煤矸识别领域的实际应用提供了理论基础。
		2024 Vol. 44 (03): 821-828 [摘要] ( 38 ) RICH HTML PDF (10179 KB) ( 37 )

	829	基于1D-WCWKCNN的痕量甲烷气体浓度检测
		阚玲玲，朱富海，梁洪卫^*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0829-07
		可调谐激光吸收光谱（TDLAS）技术在检测甲烷气体浓度过程中，甲烷气体透射光强二次谐波信号幅值与痕量甲烷气体浓度值成正比关系。如何准确和快速筛选目标甲烷透射光强二次谐波信号幅值至关重要。通过光电探测器获取1 000个甲烷气体透射光强信号样本，解调该透射光强信号获得二次谐波信号。人工在获得多种痕量甲烷气体透射光强和通过透射光强解调二次谐波信号时，存在噪声和人为操作对二次谐波信号的幅值产生影响，从而造成人工筛选二次谐波信号的时间增加。针对传统TDLAS技术筛选痕量甲烷气体二次谐波信号过程中存在高额时间成本的问题，提出了一种基于宽卷积和宽卷积核一维卷积神经网络（1D-WCWKCNN）的痕量甲烷气体浓度检测方法。首先，借助甲烷气体数据集训练1D-WCWKCNN模型，根据训练结果不断调整模型参数。其次，利用宽卷积层和宽卷积核一维卷积层对痕量甲烷气体二次谐波信号进行特征提取，使网络进行一次卷积后能够获得甲烷气体浓度信号中更长序列以及该序列边界信息与气体浓度之间的特征关系。甲烷透射光强二次谐波信号通过6层卷积层提取该信号与甲烷气体浓度关系的深层特征，然后通过6层最大池化层保留该信号与甲烷气体浓度关系的主要特征，再经过Flatten层将前一层处理的痕量甲烷气体透射光强二次谐波信号数据进行一维化处理。最后，根据训练好的1D-WCWKCNN模型通过Dense层输出痕量甲烷气体浓度。利用基于1D-WCWKCNN的痕量甲烷气体浓度检测模型代替了TDLAS技术中人工花费高额时间成本筛选二次谐波信号进行拟合直线对痕量甲烷气体浓度检测的过程。在实际实验中验证了该方法的有效性，实验结果表明利用该方法能够对50~1 000 mg·L^-1的痕量甲烷气体浓度进行有效检测，其准确度达到99.85%，与其他方法相比该方法信号特征提取能力强，检测甲烷气体精度高。该方法有助于气体检测领域中待测气体浓度信号的筛选。
		2024 Vol. 44 (03): 829-835 [摘要] ( 43 ) RICH HTML PDF (4753 KB) ( 17 )

	836	基于红外辐射测温法的焊头动态高速真温测量系统研制
		萧鹏¹，台泓冰¹，向茂林¹，王伟宸²，张帆³
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0836-07
		温度是用来表征物体特性的一个重要的基本参数，被广泛应用于金属加工、生产生活、航空航天等各个领域，温度测量的准确与否对每个行业都有着至关重要的影响。随着电子设备的尺寸不断微型化以及各种可穿戴智能设备的普及和发展，小型化成为了电子元件技术水平的一个重要技术指标，所以电子元器件也一直朝着小尺寸、高集成化方向发展，而其焊接温度的波动引起的产品良品率也在不断降低。因此，如何实现电子元器件焊接过程中焊头温度的实时获取，已成为众多相关企业急需研究的课题。基于晶体管式焊接电源的工作特点，从分析焊头的结构特性入手，利用焊头的红外光谱辐射特性，设计了一种激光瞄准式的光学系统，采用朗伯体法对焊头进行温度测量，从而得到焊头工作时的实时真温。整个温度测量系统由硬件系统部分和软件系统部分构成。其中，硬件系统包括光学系统的设计、I/V转换及放大电路和上位机的高速数据采集系统。软件系统主要包括上位机系统界面的设计。上位机软件采用LabVIEW进行程序设计，主要包括AD采集卡的配置与驱动、数据滤波、零点测量、温度标定、温度计算、实时温度曲线和数据存储。在系统建立、软件调试完毕后，采用标准空腔黑体炉对测温系统进行了校准。首先，利用整体黑体法对焊头工作时的发射率进行了试验，结果表明，在氧化和非氧化状态下，其发射率与文献数据基本一致。然后利用该发射率值，计算出了焊头上小孔的空腔黑体发射率。最后，利用恒流晶体管式焊接电源进行了系统稳定性和重复性实验。分析该方法的不确定度，得出该方法的总体不确定度在3%以内。通过对测温系统的标定和配置，该系统还可以应用在其他需要高速精确测温的场景。
		2024 Vol. 44 (03): 836-842 [摘要] ( 31 ) RICH HTML PDF (10381 KB) ( 23 )

	843	基于星载同步大气参数的多光谱卫星影像校正方法
		徐玲玲^1，2，熊伟²，易维宁²，裘桢炜²，刘晓²，崔文煜^2*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0843-10
		大气状态随时空变化具有显著差异，因此遥感卫星影像大气校正一直受限于难以动态获取与图像时空匹配大气参数的现实问题。高分辨率多模综合成像（高分多模）卫星作为我国目前空间分辨率最高的民用光学遥感卫星，搭载了首颗民用同步大气校正仪（SMAC）。SMAC是一台偏振多波段大气探测装置，采用时间同步和空间覆盖的探测方式，获取与同平台的主相机时空同步的大气信息。基于SMAC探测反演的大气参数，提出了一种利用星上同步大气参数校正高分辨率卫星遥感影像的方法Syn-AC。首先，基于时间同步的原则，结合主相机辅助数据，对SMAC原始数据进行预处理，形成SMAC-Level1产品；然后根据SMAC-Level1数据，进行SMAC云像元的判别，接着对无云覆盖的像元进行气溶胶和水汽参数的反演，形成Level2产品；最后采用同步反演大气参数，基于6SV辐射传输模型，对高分多模卫星Level1A级遥感影像进行大气辐射校正和邻近效应校正，得到主相机Level2地表反射率产品。在实验部分，利用Syn-AC对高分多模卫星多光谱影像进行大气同步校正试验，对大气校正前后的图像质量进行了定量评价。进一步地，结合地面实测反射率数据分析校正后的地表反射率，讨论同步大气校正方法的校正精度。同时，应用经典大气校正方法-FLAASH对多光谱影像进行大气校正，并与Syn-AC校正结果进行了性能比较。结果表明，同步大气校正得到的地表反射率与地面实测值比较一致，人工靶标校正后的平均反射率与地面实测值的平均绝对误差为0.012 2（FLAASH为0.027 4）。基于SMAC同步大气参数的大气校正方法在提高卫星图像质量和遥感定量化应用中具有很大的潜力。
		2024 Vol. 44 (03): 843-852 [摘要] ( 32 ) RICH HTML PDF (19705 KB) ( 25 )

	853	模块化FTIR测定FCV用氢气痕量杂质
		袁蕙，刘丹，徐广通^*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0853-06
		设计构建了用于质子交换膜燃料电池汽车（FCV）氢气痕量杂质的模块化FTIR分析表征平台，开发了适用于氢气痕量杂质的分析方法，无需处理一次进样，能够同时快速测定HCOOH、CO、CO₂、NH₃、H₂O、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、HCHO等多种痕量级别杂质。考察了各含氢杂质分析的影响因素，精选了杂质物种定性区域，优化了定量方法，提出了实用性强的定量检出限，在降低了背景气和空白气纯度的要求也能确保限值浓度准确测定。九种杂质的计算方法检出限达到ASTM D7653-18参考值，其定量限也均低于ISO 14687：2019相应的限值，定量线性范围约2个数量级，相关系数均大于0.999，准确度和精密度均不高于10%，通过ISO 21087：2019规定的方法适用性验证规则，满足ISO 14687：19相应的质控标准。根据不同场景需求，样品模块、气体净化控制模块、配气模块、红外分析模块和尾气处理模块可以有机结合并具有良好的实用性和扩展性，尾气处理后氢气浓度可降至100 μmol·mol^-1以下排放，满足安全绿色环保的要求。与实验室其他参考方法测定值有较好的一致性，并已在FCV氢气工业生产样品质量检测中得到应用，它将从实验室离线方法逐步发展成为适用于工业不同场景的在线方法，这对燃料级氢气品质体系的建立、纯化技术的推广应用及燃料电池催化剂新材料开发均具有意义。
		2024 Vol. 44 (03): 853-858 [摘要] ( 36 ) RICH HTML PDF (3176 KB) ( 35 )

	859	高光谱成像结合PSO-SVM的银杏果种类鉴别
		张伏^1，2，张方圆¹，崔夏华¹，王新月¹，曹炜桦¹，张亚坤¹，付三玲^3*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0859-06
		银杏果富含维生素、银杏萜内酯和银杏黄酮等成分，具有抗氧化、抗肿瘤、预防心血管疾病等功能，可药食两用。由于银杏果品种不同，其主要成分含量和品质各异。另外，银杏果某些成分含量对其贮藏和加工工艺影响较大。为实现银杏果品种高效无损鉴别，提出一种基于高光谱成像技术的支持向量机（SVM）分类模型，并利用遗传算法（GA）和粒子群算法（PSO）优化模型参数提高种类鉴别正确率。以3个品种630个银杏果为研究对象，按2∶1划分为训练集和测试集，分别为420个和210个。利用高光谱图像采集系统获取900~1 700 nm范围内的银杏果图像，黑白校正后选取质心位置25×25 pixel感兴趣区域（ROI），提取该区域内平均光谱作为原始光谱数据。因原始光谱两端噪声较大，信噪比低且有效信息较少，截取945.98~1 698.75 nm范围内的光谱波段作为有效波段，并对去噪后光谱波段信息做标准正态变量变换（SNV）预处理，预处理后采用连续投影算法（SPA）和竞争性自适应重加权算法（CARS）提取特征波长，将其波长反射率作为输入矩阵X，预设样本类别1、2、3作为输出矩阵Y，分别建立SNV-SPA/CARS-（GA/PSO）-SVM六种银杏果品种鉴别模型。试验结果表明：SNV-CARS-PSO-SVM模型鉴别效果最佳，分类准确率96.67%，说明CARS提取特征波长变量能代表所有波长信息，且PSO-SVM模型具有较好种类鉴别效果，可实现银杏果鉴别，为银杏果种类高效无损鉴别提供新思路。
		2024 Vol. 44 (03): 859-864 [摘要] ( 29 ) RICH HTML PDF (11505 KB) ( 61 )

	865	一个预测紫叶生菜花青素含量的高光谱深度学习模型
		张美玲，陈勇杰，王敏娟，李民赞，郑立华^*
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0865-07
		紫叶生菜叶片内富含花青素、胡萝卜素、维生素、矿物质等元素，其中花青素作为叶片组织中的主要色素对植物提供多种修复及保护功能，其含量可反应紫叶生菜的生理状态，因此其高精度预测具有现实意义。为了高效、准确地估算紫叶生菜的花青素含量，采集了紫叶生菜的高光谱数据并开展了高精度建模研究。对原始平均反射光谱数据进行了一阶导数（FD）、二阶导数（SD）、标准正态变换（SNV）、S-G滤波和多元散射校正（MSC）五种预处理操作，基于不同预处理光谱建立紫叶生菜花青素含量的偏最小二乘回归（PLSR）模型并进行性能对比，确定MSC为理想的光谱预处理方法。针对原始光谱及经MSC预处理的光谱，使用竞争自适应重加权采样（CARS）算法分别选择特征波段，基于全波段（原始光谱、经MSC预处理光谱）和特征波段（基于原始光谱的特征波段、基于MSC预处理光谱的特征波段）分别构建PLSR模型，表现最佳的MSC-CARS-PLSR在验证集上的决定系数（R²）和均方根误差（RMSE）分别为0.872和0.070 mg·L^-1，剩余预测偏差（RPD）为2.862。为进一步提高预测精度，本文提出一种融合深度卷积特征和极限学习机（ELM）的回归分析框架Ensemble，基于改进的Inception模块设计了与输入光谱信号匹配的一维卷积神经网络（1DCNN）作为特征提取器，采用ELM代替全连接层作为高级回归器对提取的特征进行计算。通过对比分析，Ensemble性能优于单独的1DCNN模型、ELM模型以及基于预处理光谱构建的最佳PLSR模型，其在验证集上的R²和RMSE分别为0.905和0.060 mg·L^-1，RPD为3.319，表现出较高预测精度以及极佳的稳定性。进一步分析了预处理操作对Ensemble预测精度的影响，实验结果显示Ensemble对于预处理操作的依赖程度远小于PLSR，表明该模型同时继承了1DCNN的深度特征表示和ELM的高泛化性，能够实现基于原始光谱进行端到端的高精度花青素含量预测，为及时、准确掌握紫叶生菜长势情况提供了理论支撑。
		2024 Vol. 44 (03): 865-871 [摘要] ( 31 ) RICH HTML PDF (6049 KB) ( 88 )

	872	高光谱图像辐射位深残差量化及其对地物分类影响分析
		王娟^1，2，3，张爱武^1，2，3*，张希珍^1，2，3，陈云生^1，2，3
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0872-11
		目前的研究大多集中在高光谱图像（HSI）的空间和光谱分辨率的提升及应用上，很少关注辐射分辨率的综合运用。辐射分辨率反映传感器接收地物辐射能量动态变化的范围，探测地物辐射能量的微小变化，同样包含着丰富的地物信息。该研究提出了一种高光谱图像辐射位深残差量化（HSI radiation bit depth residual quantization method）方法，构建出高光谱图像不同辐射位深层级的位深特征图像（LHSI）及其残差图像（RHSI），并通过实验综合运用高光谱不同辐射位深层级的位深特征图像和残差图像及其组合进行地物分类，并分析其对地物分类精度的影响。实验表明，在保证一定分类精度的基础上，辐射位深为9 bit的位深特征图像，保留了原始高光谱图像的主要信息；辐射位深为4 bit的残差图像，比原始高光谱图像更突出地物细节信息；13 bit的位深特征图像与3 bit的残差图像的组合，既能保留原始高光谱图像的主要信息又能突出地物细节。
		2024 Vol. 44 (03): 872-882 [摘要] ( 54 ) RICH HTML PDF (57233 KB) ( 24 )

	883	苹果霉心病不同光谱检测方式对比研究
		张仲雄^1，2，3，刘昊灵^1，3，魏子朝^1，2，浦育歌^1，3，张佐经^1，2，3，赵娟^1，2，3，胡瑾^1，2，3
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0883-08
		苹果霉心病是一种对消费者健康产生威胁的水果内部病害，在苹果进入消费市场前实现霉心病的快速无损检测有助于提升苹果品质和保障消费者安全。近年来，可见/近红外光谱技术凭借其快速无损、操作简单、成本低和批量在线检测等优势，被广泛用于水果品质无损检测研究中，而根据实际检测需求进行光谱检测方式选择是开展水果光谱无损检测的关键步骤，为探寻苹果霉心病光谱无损检测中最佳的检测方式，首先基于实验室自主搭建的苹果漫反射、漫透射和透射光谱采集系统分别获取了243个苹果样本的三种光谱数据，然后采用一阶导数（FD）、归一化（NOR）、S-G平滑（S-G）、多元散射校正（MSC）和标准正态变量变化（SNV）五种方法对光谱数据进行预处理，其次将局部线性嵌入（LLE）、多尺度分析（MDS）、分布邻域嵌入（SNE）和t分布邻域嵌入（t-SNE）四种流形学习方法用于光谱数据降维，并与传统的主成分分析（PCA）降维方法比较，最后基于降维后数据建立了最小二乘支持向量机（LS-SVM）算法的苹果霉心病分类模型。结果表明：在三种不同的光谱检测方式中，透射检测方式优于漫透射检测方式，漫透射检测优于漫反射检测方式。在五种不同的光谱降维方法中，基于SNE的降维方法在三种不同的光谱数据中都优于其他降维方法，最终以透射检测方式结合SNE降维方法构建了最优的苹果霉心病判别模型，其校正集和测试集的准确率分别为99.52%和97.14%。该研究对苹果霉心病光谱无损检测研究中的实验平台搭建和检测装备研发提供了指导。
		2024 Vol. 44 (03): 883-890 [摘要] ( 30 ) RICH HTML PDF (13840 KB) ( 26 )

	891	遥感统计推断理论与应用初探
		朱渭宁
		DOI: 10.3964/j.issn.1000-0593(2024)03-0891-10
		提出一种新的介于遥感分类（定性分析）与遥感反演（定量分析）之间的遥感定性-定量分析方法，即遥感统计推断。遥感统计推断在理论上基于统计光学和概率分布变换，主要研究在一定区域范围内的地物参数的概率分布特征（如土壤的湿度、温度，水体盐度、叶绿素浓度等）如何改变和影响传感器所观测到的光学参数（如地表反射率、水体的遥感反射率等）的概率分布特征（称之为光谱概率分布），以及如何基于传感器观测到的光谱概率分布去反向推断地物参数在此区域内的统计分布特征，从而为刻画地物参数提供相应的定性与定量信息。相比于传统的遥感分类和反演，遥感统计推断的优点在于：（1）能够快速地获取地物参数的全局统计特征，如均值、方差、极值等等，而不需要反演分析每一个像素光谱，这一优点对于当前很多基于大数据、高分辨率的遥感应用尤为重要，因为有些应用部门的管理人员最感兴趣的往往是管理对象（如湖泊、水库、农田）的整体特征，他们并不需要知道在每一个像素处的地物参数的大小；（2）地物的光谱概率分布可以直接用于地物的分类研究，提供了一种有别于基于像素光谱签名特征的传统遥感分类的新分类方法，这种方法提供的是研究区域的整体分类（如一个湖泊的分类）而不是每个像素的分类（如水质的分类）；（3）遥感统计推断可以为遥感反演建模提供辅助信息，基于这些信息调整反演模型的函数和/或参数，使得反演模型结果的统计特征与遥感统计推断的结果相匹配。该文简要介绍了遥感统计推断的一些基本概念、原理以及其相较于遥感分类和反演的优势、推断的适用对象和面向推断的遥感数据处理方法，分析了国内主要湖泊水体的光谱概率分布特征，并基于杭州西湖实地采测数据，提出了一种基于自展法（bootstrap-based）的用于推断关键统计分布参数（例如西湖悬浮颗粒浓度的平均值）的简易遥感统计推断方法。
		2024 Vol. 44 (03): 891-900 [摘要] ( 31 ) RICH HTML PDF (5153 KB) ( 16 )

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