纳秒级脉冲型群红外量子级联激光器驱动电源 被引量：29

1

作者 党敬民 翟冰 +2 位作者 高宗丽 陈晨 王一丁 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第9期2209-2216,共8页

由于红外混合气体的检测方法要求电源具有驱动群红外量子级联激光器(QCL)的能力,本文设计并研制了一种新型群QCL驱动电源。为了避免驱动电流多路输出的交叉影响,该电源采用了时分复用控制方案,并结合高速模拟比例-积分(PI)反馈,实现了... 由于红外混合气体的检测方法要求电源具有驱动群红外量子级联激光器(QCL)的能力,本文设计并研制了一种新型群QCL驱动电源。为了避免驱动电流多路输出的交叉影响,该电源采用了时分复用控制方案,并结合高速模拟比例-积分(PI)反馈,实现了每一条输出支路电流的独立调节。系统采用脉冲频率调制(PFM)与脉冲宽度调制(PWM)相结合的方法,改善了驱动脉冲的频率及脉宽特性,确保了各支路激光器均工作在最佳状态。利用该驱动电源对中国科学院半导体所研制的中心波长分别为4.8,7.49,7.71和10.7μm的4种QCL进行了驱动测试。结果表明:在长时间(220h)运行中,系统驱动电流长期稳定度为4.62×10-6,线性度为0.029 1%,满足驱动群量子级联激光器的要求,为红外混合气体的检测提供了可靠的保障。 展开更多

关键词 红外混合气体检测 群红外量子级联激光器（QCL） 驱动电源 时分复用（TDM）

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基于红外光谱技术的混合气体检测系统概述 被引量：10

2

作者 党敬民 付丽 +4 位作者 闫紫徽 郑传涛 常玉春 陈晨 王一丁 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2014年第10期2851-2857,共7页

为了给从事红外混合气体检测领域的研究人员提供一定的借鉴与参考,针对红外混合气体检测系统中的光学复用结构以及检测方法进行了详细评述。目前,以量子级联激光器(QCL)、带间级联激光器(ICL)为代表的相干光源已逐渐取代热辐射红外光源... 为了给从事红外混合气体检测领域的研究人员提供一定的借鉴与参考,针对红外混合气体检测系统中的光学复用结构以及检测方法进行了详细评述。目前,以量子级联激光器(QCL)、带间级联激光器(ICL)为代表的相干光源已逐渐取代热辐射红外光源、红外发光二极管(LED)等传统非相干光源,成为红外混合气体检测中的主流光源。相应地,具有超高探测度和极短响应时间的红外光探测器也逐渐超越以往的红外热探测器,占据红外探测器领域的主导地位。基于"复用思想"的光学复用结构则是红外混合气体检测系统的核心,主要包括单光源复用检测结构和多光源复用检测结构。其中,单光源复用检测结构以其体积小、集成度高等优点成为构建便携式混合气体检测系统的重要选择;而多光源复用检测结构是时分复用、频分复用、波分复用等思想的具体化,并凭借其较宽的光谱覆盖范围、较高的光谱分辨率等优势成为当前混合气体检测系统中的主导结构。应用于红外混合气体检测的检测方法主要有非分光红外(NDIR)光谱技术、波长/频率调制光谱技术、腔增强光谱技术以及光声光谱技术等。研究人员可通过对红外混合气体检测系统各组成部分充分了解后,设计出实用的红外混合气体检测系统,对工农业生产、环境监测、生命科学等诸多领域都具有重要意义。 展开更多

关键词 红外混合气体检测 红外光源 光学复用结构 红外光谱技术

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分布反馈量子级联激光器脉冲驱动电源的研制 被引量：2

3

作者 党敬民 付丽 +3 位作者 何启欣 陈晨 郑传涛 王一丁(指导) 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第2期123-129,共7页

为了满足中红外一氧化碳检测中分布反馈量子级联激光器的驱动要求,设计并实现了一种专用型脉冲驱动电源.首先,研制了高稳定的供电系统和完善的保护系统,显著提高了驱动脉冲的质量并保证了电源工作的可靠性;其次,依据"多级隔离"... 为了满足中红外一氧化碳检测中分布反馈量子级联激光器的驱动要求,设计并实现了一种专用型脉冲驱动电源.首先,研制了高稳定的供电系统和完善的保护系统,显著提高了驱动脉冲的质量并保证了电源工作的可靠性;其次,依据"多级隔离"的思想设计了电源各功能电路,很大程度上提高了驱动电源的抗干扰能力;同时,将深度电压负反馈与比例-积分-微分控制算法相结合,有效提高了输出电流的稳定度.利用该驱动电源对中科院半导体所研制的波长为4.76μm的分布反馈量子级联激光器做了驱动测试.实验结果表明,在长时间(200h)运行中,系统驱动电流的稳定度为2.5×10-5,线性度为0.004%,满足分布反馈量子级联激光器的驱动要求,为中红外一氧化碳的可靠检测提供了保障. 展开更多

关键词 光电子学 红外 量子级联激光器 电源 驱动电路

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数字正交锁相放大器的研制及其在甲烷检测中的应用 被引量：20

4

作者 刘慧芳 李彬 +5 位作者 何启欣 党敬民 于红艳 郑传涛 王一丁 潘教青 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第4期18-23,共6页

利用可调谐二极管激光吸收光谱技术检测气体浓度时,为了从红外传感信号中提取一次及二次谐波信号来表征气体浓度,研发了一种基于数字信号处理器的数字正交锁相放大器.介绍正交锁相放大原理,设计谐波提取算法,给出数字正交锁相放大器的... 利用可调谐二极管激光吸收光谱技术检测气体浓度时,为了从红外传感信号中提取一次及二次谐波信号来表征气体浓度,研发了一种基于数字信号处理器的数字正交锁相放大器.介绍正交锁相放大原理,设计谐波提取算法,给出数字正交锁相放大器的软硬件实现方案.利用配备的浓度为1%~5%的甲烷样品以及研制的锁相放大器,开展气体实验.实验结果显示,当甲烷浓度为5%时,在二次谐波对应的频率点处,测得的系统信噪比为34dB,表明设计的锁相放大器具有较好的性能;测得的二次与一次谐波信号峰峰值的比值与气体浓度成线性关系;考虑动态配气以及气体沿管道传输的时间,检测系统的响应时间约为96~98s;气体浓度为20 000ppm时,测试浓度波动范围为-92ppm^+118ppm;根据Allan方差预测的系统检测下限为29.52ppm.与模拟锁相放大器以及商用锁相放大器相比,本文研制的数字正交锁相放大器硬件结构简单、体积小、成本低、易于集成,在红外气体检测领域具有很好的应用前景. 展开更多

关键词 光电子学 红外光谱学 气体检测仪 红外吸收 数字锁相放大器 谐波分析 数字信号处理器

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高稳定、强鲁棒性DFB激光器温度控制系统 被引量：28

5

作者 陈晨 党敬民 +1 位作者 黄渐强 王一丁 《吉林大学学报（工学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第4期1004-1010,共7页

为减少分布式反馈(DFB)激光器输出波长和光功率受其工作温度波动的影响,采用Ziegler-Nichols比例-积分-微分(PID)控制算法,设计并研制了一种具有强鲁棒性的DFB激光器温度控制系统。利用该温度控制系统,对中国科学院半导体研究所研制的... 为减少分布式反馈(DFB)激光器输出波长和光功率受其工作温度波动的影响,采用Ziegler-Nichols比例-积分-微分(PID)控制算法,设计并研制了一种具有强鲁棒性的DFB激光器温度控制系统。利用该温度控制系统,对中国科学院半导体研究所研制的中心波长为1.742μm的DFB激光器进行了温度控制测试。实验证明,该系统的控制精度为±0.05℃,温度控制范围为5～60℃,并在长时间(220min)运行中,DFB激光器工作状态稳定,中心波长未出现漂移,为DFB激光器在红外气体检测领域的实用化提供了性能保障。 展开更多

关键词 光电子学与激光技术 分布式反馈(DFB)激光器 强鲁棒性 红外气体检测

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高精度纳秒级红外量子级联激光器驱动电源 被引量：26

6

作者 陈晨 黄渐强 +2 位作者 吕默 党敬民 王一丁 《吉林大学学报（工学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第6期1738-1742,共5页

采用DSP和模拟PI控制技术,设计并研制了一种高精度纳秒级驱动电源。其硬件主要包括纳秒脉冲产生电路、恒流控制电路、慢启动电路、静电保护电路、过流保护电路等。控制方案上主要使用模拟PI算法,通过反馈控制,稳定输出电流。所研制的驱... 采用DSP和模拟PI控制技术,设计并研制了一种高精度纳秒级驱动电源。其硬件主要包括纳秒脉冲产生电路、恒流控制电路、慢启动电路、静电保护电路、过流保护电路等。控制方案上主要使用模拟PI算法,通过反馈控制,稳定输出电流。所研制的驱动电源脉冲宽度为15ns,峰值驱动电流为20A,脉冲上升/下降时间小于5ns。利用该驱动电源对中国科学院半导体所研制的中心波长为7.71μm的量子级联激光器进行驱动测试。结果表明,在长时间(>100h)运行中,激光器工作状态稳定,中心波长未出现漂移,驱动电流无毛刺出现,为激光器在红外气体检测中的应用提供了性能保障。 展开更多

关键词 光电子学与激光技术 红外量子级联激光器 高精度纳秒级驱动电源

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室温连续中红外量子级联激光器驱动电源的研制 被引量：4

7

作者 付丽 党敬民 +3 位作者 苗春壮 陈晨 郑传涛 王一丁(指导) 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第12期30-37,共8页

为了满足中红外波长调制光谱技术中室温连续中红外量子级联激光器的驱动要求,设计并研制了一种量子级联激光器驱动电源系统.首先,设计了直接数字合成模块来产生直流、锯齿波和正弦波的叠加驱动信号以调谐激光器的电流,进而调制其输出波... 为了满足中红外波长调制光谱技术中室温连续中红外量子级联激光器的驱动要求,设计并研制了一种量子级联激光器驱动电源系统.首先,设计了直接数字合成模块来产生直流、锯齿波和正弦波的叠加驱动信号以调谐激光器的电流,进而调制其输出波长;其次,设计了高速(约40ns)过流保护电路,配合电压深度负反馈原理,保证激光器工作的可靠性,提高激光器电流的稳定度;再次,将比例-积分-微分软件算法与温度模拟控制电路相结合,在简化电路结构的同时,有效地控制和稳定激光器的温度,防止因温度变化造成激光器输出波长的漂移和发光功率的波动.利用该驱动电源系统对中科院半导体所研制的中心波长为4.76μm的量子级联激光器做驱动测试,结果表明:驱动电源系统电流调节的线性度为0.0068%,驱动电源的长期(240h)电流稳定度为4.99×10-5,量子级联激光器的光强稳定度为5.07×10-4,控温稳定性为0.01℃,温度稳定时间为17s;当量子级联激光器的驱动电流为330mA,温度为21℃时,在240h内峰值波长的漂移为±0.02nm. 展开更多

关键词 光电子学 中红外 量子级联激光器 电源 驱动电路

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基于量子级联激光器和长光程气室的甲烷传感器 被引量：3

8

作者 李春光 党敬民 +3 位作者 李健 付丽 陈晨 王一丁 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2016年第5期1291-1295,共5页

根据中红外光谱吸收原理,利用甲烷(CH_4)气体分子在7.5μm处的基频吸收特性,设计了一种基于量子级联激光器(QCL)和新型多反射长光程气体吸收气室(MPC)的甲烷气体传感器。该仪器使用了可进行热电冷却、工作在脉冲方式下、中心波长为7.5μ... 根据中红外光谱吸收原理,利用甲烷(CH_4)气体分子在7.5μm处的基频吸收特性,设计了一种基于量子级联激光器(QCL)和新型多反射长光程气体吸收气室(MPC)的甲烷气体传感器。该仪器使用了可进行热电冷却、工作在脉冲方式下、中心波长为7.5μm的QCL,通过在室温条件下调节其注入电流(500mA^1.6A调节范围),其出射光波长可以扫过CH_4(1 332.8cm^(-1))气体吸收线。同时使用了一种紧凑型MPC(40cm长,800mL采样容积),使得系统有效总光程达到16m。此外,系统中使用了参考气室,并加入了空间滤波光学结构以满足MPC对入射光束的要求,配合差分吸收光谱检测原理,有效地改善了光束质量,降低了由光源波动引起的噪声,提高了仪器的检测灵敏度。通过对不同浓度的甲烷气体进行多次检测,该仪器的稳定性能良好,按信噪比为1计算,可实现对甲烷气体的检测下限为1μmol·mol^(-1)。 展开更多

关键词 甲烷 量子级联激光器 多反射气体吸收气室 空间滤波 差分吸收

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使用量子级联激光器和多通吸收光谱技术用于CO探测 被引量：4

9

作者 李春光 党敬民 +1 位作者 陈晨 王一丁 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2016年第5期1308-1312,共5页

根据一氧化碳(CO)气体分子在4.7μm处的基频吸收特性,使用中心波长为4.75μm的量子级联激光器(QCL)和多反射气体吸收气室(MGC)设计了一种新型CO传感器。该仪器使用可在室温脉冲方式下工作并具有热电制冷功能的QCL,通过对其温度和注入电... 根据一氧化碳(CO)气体分子在4.7μm处的基频吸收特性,使用中心波长为4.75μm的量子级联激光器(QCL)和多反射气体吸收气室(MGC)设计了一种新型CO传感器。该仪器使用可在室温脉冲方式下工作并具有热电制冷功能的QCL,通过对其温度和注入电流进行调节,最终使得出射光波长定位在CO基频吸收带的一根强吸收线(2 103cm^(-1))。与此同时,使用有效光程为16米的新型MGC(40cm长,800ml采样容积)和液氮冷却碲镉汞中红外探测器,有效提高了系统的响应灵敏度。此外,系统中配合使用了参考气室和空间滤波光学结构,有效地改善了入射光束的质量,降低了由光源的不稳定而产生的噪声,进一步提高了系统的检测灵敏度。在实验室条件下对不同浓度的CO气体进行多次重复检测,结果显示,该仪器工作稳定,按信噪比为1计算,可实现对一氧化碳气体的检测下限为5μmol·mol^(-1)。 展开更多

关键词 一氧化碳 量子级联激光器 多反射气体吸收气室 空间滤波

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采用7.5μm中红外量子级联激光器的痕量甲烷气体检测仪 被引量：2

10

作者 陈晨 党敬民 +2 位作者 黄渐强 杨悦 王一丁 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2012年第11期3146-3150,共5页

一种具有高稳定性和高敏感度的紧凑型仪器,能精确、实时、实地连续测量和显示环境空气中的痕量甲烷(CH4)浓度。仪器采用了已集成热电制冷器激射波长为7.5μm的法布里-珀罗量子级联激光器(QCL)在室温脉冲工作模式下的最新技术,以覆盖CH4... 一种具有高稳定性和高敏感度的紧凑型仪器,能精确、实时、实地连续测量和显示环境空气中的痕量甲烷(CH4)浓度。仪器采用了已集成热电制冷器激射波长为7.5μm的法布里-珀罗量子级联激光器(QCL)在室温脉冲工作模式下的最新技术,以覆盖CH4位于ν4附近基频特征吸收谱带。同时,采用高品质液氮制冷碲镉汞中红外探测器,配合全反射镀金椭球反射镜一同使用,在20cm单路径开放式光路吸收气室环境下,确保被测甲烷气体浓度为200μmol.mol-1的实验条件下保持稳定度高达5.2×10-3。此仪器所集成的软件算法通过时间鉴别电子技术实现对QCL控制,能够在无需校准的情况下,提供连续痕量甲烷气体检测。实验表明,仪器可以用于环境监测中的实地痕量气体测量,并且操作人员可以通过替换在不同波长下运行的QCL来测量其他气体。 展开更多

关键词 痕量甲烷 热电制冷器 量子级联激光器 液氮制冷 碲镉汞中红外探测器 时间鉴别电子技术

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基于FPGA的激光器驱动电路的设计 被引量：5

11

作者 王小雨 党敬民 王一丁 《电子测试》 2013年第3X期6-7,共2页

为了提高激光器驱动电路的性能,设计了一款低成本、数字化的激光器驱动电路,包括波长调制电路,波长扫描电路,加法器电路以及压控恒流源电路。利用现场可编程门阵列生成的直接频率合成器可以产生频率可调的正弦波和三角波,并利用QuartusI... 为了提高激光器驱动电路的性能,设计了一款低成本、数字化的激光器驱动电路,包括波长调制电路,波长扫描电路,加法器电路以及压控恒流源电路。利用现场可编程门阵列生成的直接频率合成器可以产生频率可调的正弦波和三角波,并利用QuartusII软件进行在线仿真和调试。然后利用加法电路进行叠加,并将其输出信号与恒流驱动整合到一起,完成对分布反馈式激光器的驱动。最后,进行了模拟实验研究,结果表明该驱动电路具有较高的稳定性。 展开更多

关键词 现场可编程门阵列 直接频率合成器 加法器 压控恒流源

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面向脉冲量子级联激光器气体检测的锁相放大器 被引量：4

12

作者 苗春壮 蔺百杨 +4 位作者 党敬民 李春光 王利军 郑传涛 王一丁 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第8期87-92,共6页

为了在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测系统中,精确提取窄脉冲传感信号的幅度,设计并实现了一种微秒级窄脉冲锁相放大器.根据微秒级窄脉冲的特点,窄脉冲信号经过窄带通滤波电路,得到基频正弦波信号,再经过主放大、移相、相敏... 为了在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测系统中,精确提取窄脉冲传感信号的幅度,设计并实现了一种微秒级窄脉冲锁相放大器.根据微秒级窄脉冲的特点,窄脉冲信号经过窄带通滤波电路,得到基频正弦波信号,再经过主放大、移相、相敏检波电路,得到与脉冲幅值有关的直流信号.利用信号发生器产生的幅度、频率、相位可调的窄脉冲待测信号,对锁相放大器进行功能验证实验.结果表明,锁相放大器输出直流信号与输入信号的幅度呈良好的线性关系,线性拟合度约为98.043%;信号幅值的相对测量误差不超过3%;在1 h的测试时间内,信号波动范围在1‰以内.利用配备的不同浓度的一氧化碳样品及研制的锁相放大器,开展了一氧化碳气体检测实验.在0~180 ppm范围内,随着一氧化碳浓度的增加,锁相放大器的输出电压值与一氧化碳浓度呈现良好的e指数关系.根据A11an方差预测的系统检测下限为0.4123ppm.与商用锁相放大器相比,该放大器具有体积小、成本低、易于集成等特点,在基于脉冲式中红外量子级联激光器的气体检测中具有较好的应用前景. 展开更多

关键词 锁相放大器 窄脉冲信号 窄带滤波电路 中红外气体检测 量子级联激光器

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基于双光谱技术的高温紫外胁迫下小麦多糖反演模型研究

13

作者 张郡赫 于海业 党敬民 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第9期2705-2709,共5页

小麦是我国的主要粮食作物之一,对国民经济发展具有显著的影响。然而,高温与紫外线胁迫导致其产量大幅下降。胁迫发生时,细胞壁内多糖物质会发生不同程度的转变。作为此类多糖重要组成成分的果胶,在决定细胞间孔隙度、识别病菌、维持结... 小麦是我国的主要粮食作物之一,对国民经济发展具有显著的影响。然而,高温与紫外线胁迫导致其产量大幅下降。胁迫发生时,细胞壁内多糖物质会发生不同程度的转变。作为此类多糖重要组成成分的果胶,在决定细胞间孔隙度、识别病菌、维持结构完整等方面扮演着重要角色。当前,常见的果胶检测方法有重量法、滴定法、酸提取法等,这些方法多为有损检测,测定步骤繁琐,样本损耗量大。近年来,光谱检测因其检测速度快、分辨率高、实时性强等优点,在植物生理信息检测领域得到了广泛应用。因此,研究采用光谱检测果胶含量。以济麦22为研究对象,采取水培方式,通过调控人工气候培养箱温度及紫外线灯辐照强度对小麦生长过程中遇到的高温及紫外线胁迫环境进行模拟;在小麦分蘖期,分别采集叶片高光谱数据与叶绿素荧光光谱数据,测定叶片果胶含量,通过小波分析方法对两种原始光谱数据进行平滑与降噪处理,采用相关系数分析法得到两种光谱数据与果胶含量相关系数最高的重合波段(620,651),取该波段内两光谱数据平均值,重塑双光谱曲线;按照3∶1比例划分训练集和验证集,采用PLS最小二乘法分别建立高光谱反演果胶模型、荧光光谱反演果胶模型及双光谱反演果胶模型。结果表明:双光谱模型反演的小麦叶片果胶含量效果较好,对应模型的训练集与验证集相关系数分别为0.9449及0.9445。该研究有助于探究逆境胁迫下小麦细胞壁内多糖物质响应情况,并为大田作物所处胁迫环境和程度的预测及种植环境的精准管控提供参考和帮助。 展开更多

关键词 小麦 光谱技术 果胶 高温胁迫 紫外线胁迫 模型预测

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应用于早期火灾探测的CO传感器 被引量：15

14

作者 党敬民 于海业 +2 位作者 宋芳 王一丁 孙裕晶 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第8期1876-1881,共6页

为了实现对火灾的早期探测,设计了一种高精度、高灵敏度CO传感器。该传感器以激射波长的为2.33μm的连续型分布反馈激光器为光源。采用波长调制光谱(WMS)技术与一次谐波量化的二次谐波检测方法相结合的研究手段,对典型环境压力下复杂、... 为了实现对火灾的早期探测,设计了一种高精度、高灵敏度CO传感器。该传感器以激射波长的为2.33μm的连续型分布反馈激光器为光源。采用波长调制光谱(WMS)技术与一次谐波量化的二次谐波检测方法相结合的研究手段,对典型环境压力下复杂、重叠的光谱吸收特征进行分离,从而实现了良好的选择性和较高的灵敏度。基于Allan Werle方差的系统长期稳定性评估分析表明,系统的检测限(LoD)为1.18μL/L;当积分时间达到205s时,系统能够实现0.08μL/L的测量精度。最后,纸、棉花以及松木等容易产生阴燃的可燃物燃烧实验表明,所研制的传感器具有良好的早期火灾探测能力。 展开更多

关键词 火灾探测 一氧化碳(CO) 分布反馈激光器 波长调制光谱

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基于最优光谱指数的大豆叶片叶绿素含量反演模型研究 被引量：17

15

作者 刘爽 于海业 +5 位作者 张郡赫 周海根 孔丽娟 张蕾 党敬民 隋媛媛 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2021年第6期1912-1919,共8页

叶绿素含量的准确获取及预测可为作物种植的精准化管理提供理论依据。利用最优光谱指数建立大豆叶绿素含量反演模型,以大豆花芽分化期叶片为研究对象,获取高光谱和叶绿素含量数据。首先构建了7种与叶绿素含量相关的典型光谱指数,分别为... 叶绿素含量的准确获取及预测可为作物种植的精准化管理提供理论依据。利用最优光谱指数建立大豆叶绿素含量反演模型,以大豆花芽分化期叶片为研究对象,获取高光谱和叶绿素含量数据。首先构建了7种与叶绿素含量相关的典型光谱指数,分别为比值指数(RI)、差值指数(DI)、归一化差值植被指数(NDVI)、修正简单比值指数(mSR)、修正归一化差值指数(mNDI)、土壤调节植被指数(SAVI)和三角形植被指数(TVI),并对原始高光谱进行一阶微分(FD)处理,随后分别对原始和一阶微分高光谱在全光谱波长范围内两两组合所有波长,进行14个光谱指数的计算。再采用相关矩阵法进行最优光谱指数的提取,将所有波长组合计算出的光谱指数与叶绿素含量进行相关性分析,以相关系数最大值为指标,提取出14组最优的波长组合,并进行对应光谱指数值的计算作为最优光谱指数。最后将最优光谱指数划分为3组模型输入变量,分别与偏最小二乘回归(PLS)、最小二乘支持向量机回归(LSSVM)和套索算法LASSO回归3种方法组合建模并对比分析,以决定系数R_(c)^(2),R_(p)^(2)和均方根误差RMSEC,RMSEP作为模型评价指标,最终优选出精度最高的大豆叶片绿素含量反演模型。结果表明:14组最优光谱指数波长组合分别为RI(728,727),DI(735,732),NDVI(728,727),mSR(728,727),mNDI(728,727),SAVI(728,727),TVI(1007,708),FDRI(727,708),FDDI(727,788),FDNDVI(726,705),FDmSR(726,705),FDmNDI(726,705),FDSAVI(727,788)和FDTVI(760,698),相关系数最大值r_(max)均大于0.8。建立最优模型的方法为输入变量为一阶微分光谱指数(组合2)与LSSVM组合的建模方法,所建模型的R_(c)^(2)=0.7518,R_(p)^(2)=0.8360,RMSEC=1.3612,RMSEP=1.2204,表明模型精度较高,可为大面积监测大豆的生长状态提供参考。 展开更多

关键词 大豆 最优光谱指数 叶绿素含量 反演模型

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基于高光谱技术反演大豆生理信息的特征波长提取方法研究 被引量：7

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作者 刘爽 于海业 +6 位作者 朴兆佳 陈美辰 于通 孔丽娟 张蕾 党敬民 隋媛媛 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第11期3542-3548,共7页

生理信息的准确获取及预测可为种植的精细化管理提供依据。传统的大豆生理信息反演方法检测效率低、操作过程繁琐且多为有损检测。利用高光谱技术建立大豆生理信息的快速无损反演方法。以大豆开花结荚期叶片为研究对象,在2个日期(D1和D2... 生理信息的准确获取及预测可为种植的精细化管理提供依据。传统的大豆生理信息反演方法检测效率低、操作过程繁琐且多为有损检测。利用高光谱技术建立大豆生理信息的快速无损反演方法。以大豆开花结荚期叶片为研究对象,在2个日期(D1和D2)获取高光谱、叶绿素含量、净光合速率和光合有效辐射数据。首先分别采用多元散射校正(MSC)、标准正态变量变换(SNV)、一阶导数(FD)、二阶导数(SD)、 Savitzky-Golay平滑(SG)、 MSC-SG-FD、 MSC-SG-SD、 SNV-SG-FD和SNV-SG-SD共9种方法对原始光谱数据进行预处理,随后结合偏最小二乘法(PLS)建立全波段模型,比较分析,选出最优预处理方法。再分别利用竞争性自适应权重取样法(CARS)、连续投影法(SPA)和相关系数法(CC)对特征波长进行筛选提取。最后将优选出的预处理方法与特征波长变量进行PLS建模并对比分析,以校正集和预测集相关系数Rc和Rp为模型评价指标,最终优选出与大豆生理信息相关性最高的反演模型。结果表明:采用MSC-SG-FD预处理后建立的叶绿素含量全波段PLS模型的Rc和Rp最高,分别为0.909和0.882(D1), 0.909和0.880(D2),采用SNV-SG-FD预处理后建立的光能利用率全波段PLS模型的Rc和Rp最高,分别为0.913和0.894, 0.902和0.869,与原始及其他预处理后建立的模型相比表现出最高的模型性能特征。进一步对比3种特征波长提取方法的建模,发现SPA法筛选出的变量能将叶绿素含量反演模型的建模变量数由512个压缩至20个(D1)和23个(D2),变量压缩率高达96.09%和95.51%,同时能将光能利用率反演模型的建模变量数压缩至27个和37个,变量压缩率高达94.73%和92.77%。最终得出反演叶绿素含量的最优建模方法为MSC-SG-FD-SPA-PLS,Rc值为0.944(D1)和0.941(D2),Rp值为0.911和0.903,反演光能利用率的最优建模方法为SNV-SG-FD-SPA-PLS,Rc值为0.929(D1)和0.925(D2),Rp值为0.912和0.907,所建模型精度较高,可为大面积检测大豆生理信息提供技术支持。 展开更多

关键词 高光谱 大豆 生理信息 特征波长 反演模型

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不同光温环境下玉米苗期叶片的高光谱特性响应分析 被引量：5

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作者 陈美辰 于海业 +6 位作者 李晓凯 王洪健 刘爽 孔丽娟 张蕾 党敬民 隋媛媛 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2021年第11期3545-3551,共7页

光温环境胁迫是影响作物优质高产的一个主要制约因素,传统的作物胁迫监测,敏锐性不足、耗时费力且多为有损检测。近年来随着信息技术的快速发展,高光谱技术能够快速无损的获取作物生理信息,并对逆境胁迫响应进行动态监测,为现代农业的... 光温环境胁迫是影响作物优质高产的一个主要制约因素,传统的作物胁迫监测,敏锐性不足、耗时费力且多为有损检测。近年来随着信息技术的快速发展,高光谱技术能够快速无损的获取作物生理信息,并对逆境胁迫响应进行动态监测,为现代农业的精准化生产和智能化决策提供了数字化支撑,对实现传统农业向精准化、数字化的现代农业转变具有重要意义。以玉米苗期为研究对象,获取不同光温环境下叶片的高光谱数据和生理参数,探究玉米苗期叶片对不同光温环境的响应规律,进行高光谱差异性分析,并构建生理参数的高光谱反演模型。利用相关分析法筛选光谱敏感波段,采用多元散射校正(MSC)、标准正态变量变换(SNV)、 Savitzky-Golaay(S-G)平滑相结合的预处理方法,分别与偏最小二乘回归法(PLS)、主成分回归法(PCR)、逐步多元线性回归法(SMLR)三种建模方法组合,以模型相关系数和均方根误差作为模型效果评价指标,探索高光谱反演叶片生理参数模型的最优方法。结果表明:不同光温环境下玉米的高光谱特性在整体上变化趋势一致,但仍存在差异,在500~700 nm波段内,光谱反射率的升高表明光强的增强;在760~900 nm波段内,光谱反射率的升高表明温度的增强;且光温胁迫环境的变化,均可反映在高光谱特性上,波段760~900 nm内光谱的反射率在高温胁迫环境下较高,在弱光胁迫环境下较低,在低温胁迫环境下反射率显著降低;所构建的SPAD和Fv/Fm的反演模型中,建模最优方法为PLS-MSC-SG,模型验证集相关系数分别为0.958和0.976,训练集相关系数分别为0.979和0.995。模型的预测性精度较高,表明利用高光谱技术,可以实现光温环境胁迫下玉米植株的定量监测,提高田间精细化管理水平,为玉米优质高产的智能化管理提供参考依据。 展开更多

关键词 玉米苗期 光温耦合 高光谱数据 环境胁迫

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小麦盐与物理损伤胁迫下果胶高光谱反演模型 被引量：1

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作者 朴兆佳 于海业 +4 位作者 张郡赫 周海根 刘爽 孔丽娟 党敬民 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第9期2935-2940,共6页

小麦是我国的主要粮食作物,在国民经济发展中具有举足轻重的地位。然而,盐与物理损伤等非生物胁迫,逐渐成为制约小麦产量和品质的重要因素。研究表明,细胞壁是植物细胞直接抵御逆境胁迫的重要防线。盐胁迫下,细胞渗透压增大,质膜的透性... 小麦是我国的主要粮食作物,在国民经济发展中具有举足轻重的地位。然而,盐与物理损伤等非生物胁迫,逐渐成为制约小麦产量和品质的重要因素。研究表明,细胞壁是植物细胞直接抵御逆境胁迫的重要防线。盐胁迫下,细胞渗透压增大,质膜的透性会受到一定程度的影响。为了维持细胞的形态和结构,植物细胞壁中的果胶等多糖物质会发生不同程度的转化和改变。物理损伤,会加深植物细胞膜脂过氧化的程度,使膜通透性增大,导致营养物质的流失和降解。受到损伤的部位及其周边细胞还会发生栓化以阻塞病菌的侵入。构成植物细胞壁主要成分且能够反映细胞壁以及膜系统完整性和透过性的果胶,可以作为研究胁迫下植物内部物质响应规律的重要指标。目前,质量法、比色法、液相色谱法等常用的果胶检测方法操作繁琐、实时性不强且对样本损耗较大。亟需一种操作简便、检测速度快、无损的检测方法。将烟农0428小麦作为研究对象,采用水培方式,以向培养液中施加氯化钠(NaCl)溶液和对小麦第一片叶主脉两侧针刺分别模拟盐胁迫和昆虫叮咬造成的物理损伤,并完成小麦叶片果胶及高光谱信息的采集与处理。利用相关分析法筛选光谱敏感波段,将主成分回归(PCR)、偏最小二乘法(PLS)、逐步多元线性回归(SMLR)三种建模方法分别与多元散射校正(MSC)、标准正态变换(SNV)、一阶导数(FD)、卷积平滑(S-G)、Norris导数滤波(NDF)等预处理技术相结合,建立果胶含量反演模型。最终,选定PLS+SNV+FD+NDF方法建立的模型为最优模型,并对其性能进行了测试。结果表明:果胶含量的预测值与实测值一致性较高,拟合系数(R^(2))和均方根误差(RMSE)分别为0.9976和0.35;预测值重复性较好,相对标准偏差(RSD)为1.2%。该研究以新方法实现小麦果胶的高精度、快速、无损检测,有助于小麦响应逆境胁迫机理的深入探索,并为大田作物胁迫程度预测及种植环境的精准管控提供参考。 展开更多

关键词 小麦 高光谱技术 果胶 盐胁迫 物理损伤 模型预测

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可变阶数NURBS曲面的相机标定模型 被引量：1

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作者 徐立国 孙瑞东 党敬民 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第8期420-426,共7页

农用机器人对作业对象的定位、测量和识别等都需要借助视觉系统(相机)来完成,因此相机标定精度至关重要。提出一种可变阶数NURBS曲面的相机标定模型,即在像平面的高失真区域应用较高阶数的NURBS曲面模型作为标定依据,其他区域用较低阶数... 农用机器人对作业对象的定位、测量和识别等都需要借助视觉系统(相机)来完成,因此相机标定精度至关重要。提出一种可变阶数NURBS曲面的相机标定模型,即在像平面的高失真区域应用较高阶数的NURBS曲面模型作为标定依据,其他区域用较低阶数的NURBS曲面模型,在不过多增加标定计算负担的前提下,提高了整体的标定精度。该模型应用标定误差的预评估方法将像平面进行“区块”划分,依此匹配模型阶数,实现标定精度和计算量的综合优化。由于NURBS曲面隐式标定模型的优越性能,使标定不依赖于相机的光学特性,理论上可校正相机的所有失真。实验结果表明,标定平均误差在0.89 mm以内,可满足农用机器人的应用要求。 展开更多

关键词 农用机器人 可变阶数 相机标定 NURBS曲面

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高光谱分析叶菜对颗粒物污染的响应特征规律

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作者 孔丽娟 于海业 +5 位作者 陈美辰 朴兆佳 刘爽 党敬民 张蕾 隋媛媛 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2021年第1期236-242,共7页

大气中的颗粒物不仅影响人类生活,还影响植物的光合作用、生长发育和产量品质。实现了颗粒物污染环境的人工模拟,并对采收期的小白菜、生菜、小油菜三种叶菜进行颗粒物作用试验,获取叶片的光合生理信息和高光谱数据,基于高光谱技术和植... 大气中的颗粒物不仅影响人类生活,还影响植物的光合作用、生长发育和产量品质。实现了颗粒物污染环境的人工模拟,并对采收期的小白菜、生菜、小油菜三种叶菜进行颗粒物作用试验,获取叶片的光合生理信息和高光谱数据,基于高光谱技术和植物表型分析叶菜对颗粒物的响应机理,研究叶菜的光合特性和光谱特征对颗粒物污染的响应情况。结果表明:以颗粒物作为唯一差别条件下,三种叶菜叶片的高光谱曲线整体趋势相同,在可见光波段内试验组反射率增加最大,红边位置发生蓝移,小油菜对颗粒物的作用最敏感,小白菜吸附颗粒物的能力最强。分别比较三种叶菜的净光合速率与叶片原始光谱、一阶导数光谱的相关性,利用相关分析法提取三种叶菜的敏感波段,用原始光谱、FD、MSC和相关分析法提取特征波长;比较10个高光谱特征参数及4个植被指数与净光合速率的相关系数,选出敏感光谱特征参数和植被指数,即生菜的Dr,SDr,SDr/SDb和SDr/Sdy,小白菜的SDr,Dy,NIRRP,(SDr-SDy)/(SDr+SDy)以及小油菜的λr,SDy,(SDr-SDy)/(SDr+SDy)。用ln对数运算、多项式函数以及几种组合方法建立三种叶菜叶片的净光合速率定量反演模型,其中,预处理方法采用SG,FD,SD和MSC,建模方法采用CLS,PLS,PCR和SMLR。以相关系数为模型评价指标,最终确定FD+SG+PLS方法是建立生菜和小白菜净光合速率反演模型的最优方法,FD+SG+MSC+SMLR方法是建立小油菜净光合速率反演模型的最优方法。所建模型可为今后颗粒物污染环境下的模型修正提供参考,具有实用性。研究结果为利用高光谱技术研究叶菜类蔬菜在颗粒物污染环境下的诊断与分析提供理论依据,为设施农业蔬菜的病害预警、生理信息监测、设施环境的净化和管控提供新思路。 展开更多

关键词 颗粒物 高光谱 叶菜 PM2.5 净光合速率 反演模型

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