基于光谱技术的土壤有机质快速测定仪的开发

在理论分析的基础上设计开发了一套基于光谱技术的土壤有机质测定仪。测定仪由光学部分和电路部分组成。光学部分包括光源、传导光纤、检测室、样品盒、滤光片以及光电传感器等元器件,主要作用是：把光源的光导入土样表面、收集土壤表面的反射光、滤光、将光信号转换为电信号;电路部分包括放大电路,AD转换电路,液晶显示电路和U盘存储电路。选取三种滤光片对仪器进行了标定实验,三种滤光片的中心波长分别是530 , 765和850 nm,被测土样有烘干土样和风干土样。试验结果表明：当滤光片中心波长为850 nm时烘干土样获得最高测量精度(r2=0.930),在此条件下风干土样预测模型的决定系数为r2=0.711,虽然受水分的影响精度有所降低,但仍可满足田间快速测试的要求。     

10m×10m大靶面激光立靶设计

针对10m×10m大靶面、高精度立靶坐标测量的要求,提出了一种激光阵列式光电立靶坐标测量系统,该立靶采用半导体激光平行光管形成平行光光源,高灵敏度光电二极管及相应信号放大、转换电路组成接收阵列,光源和接收器件相距10m,当飞行弹丸穿越激光形成的光幕时,分别在X和Y方向上挡住了投射在某一个或几个光电二极管上的光线,该光电二极管对应的信号放大、转换电路将二极管产生的微弱电信号放大、整形,最后输出脉冲信号,后续信号编码识别电路将判断出被挡住光线的光电二极管的编号,进而得出弹丸穿越该光幕的X坐标和Y坐标。经实弹试验证明,系统具有测量靶面大,精度高的优点。     

一种新型液体浓度检测系统研究

以光电位置敏感器件作为接收器件,提出了一种利用双折射光透方法的液体浓度检测系统.该系统主要由半导体激光器、光学系统、位置敏感器件信号调理电路、单片机系统、A/D转换电路和显示电路组成.该检测方法的准确性进行了理论分析和实验仿真,并分析了影响检测结果的主要因素.实验表明,温度漂移和光源强度对本系统的影响非常小.     

光纤传感液位计

本发明专利号为87209380,摘要见《实用新型专 利公报》1988年第4卷第24号(总第141号)第74 页. 光导纤维在通信上的优越性,促使人们加强对它的研究和探索.于是发现,利用光导纤维可以构成多种新型传感器.图1是其中的一种──强度型光纤微位移传感器.图中光源发出的光,经入射光纤传送。投射到彼测表面,与入射光纤紧密排列的接收光纤,接收被测表面反射的光,并传送到光电接收部件。由几何光学的原理可知,在一定的范围内。当这种传感器的光纤端面和被测表面之间的距离发生变化时,接收光纤输出的光强也发生变化.研究表明,在一个小的范围内,接收光纤…     

一种光电探测器电路的设计

简介一种以锗雪崩光电二极管(APD)为光电转换器件的探测器电路的工作原理,详细介绍电路各组成部分的设计要求和设计要点.该电路可用于光学测距和微弱光的探测装置.     

双激光光源光吸收法甲烷浓度光纤监测仪

基于Lamber Beer定律,利用波长为1.33μm的脉冲InP/InGaAsP半导体激光器作为测量光源,用低损耗的光纤进行光信号的传输,并以钽酸锂热释电探测器作为光电转换器件,实现了一种可远距离监测甲烷浓度的仪器。该仪器主要由光纤传感系统、信号放大与处理系统和显示系统三部分组成。介绍了该仪器的基本结构与工作原理,讨论了其中的技术难点及其相应的解决方法。     

基于膨胀法的新型光纤测温仪

提出一种新型的光纤测温传感器。基于热胀冷缩原理,物体长度会随温度变化产生与之成正比的微小变化,采用带光源的光纤测微位移探头测出这个微小变化,可得温度与位移的变化关系,采用光电转换则可输出温度与电流的变化关系。     

后向散射式路道能见度激光测量仪的研究

后向散射式跑道能见度激光测量仪主要由光学发射与接收系统、信号放大与处理系统及显示系统三部分组成。其中,光学发射与接收系统主要包括：Ｎｄ ：ＹＡＧ 激光器、倍频器、准直镜、扩束镜、光学接收镜头、截止滤光片、窄带干涉滤光片及光电转换系统等;信号放大与处理系统主要包括：小信号放大电路、延时电路、采样保持电路、多路模拟开关、模 数转换电路及８０３１ 单片机等;显示系统主要由数字显示器、打印机及接口电路等组成。介绍了该测量仪的工作原理、基本结构和主要技术指标,讨论了其中的技术难点及其相应的解决方法。     

基于近红外漫反射测量的车载式原位土壤参数检测仪开发

农田变量施肥作业需要对农田土壤养分信息进行高精度的快速原位采集,已有的设备不能满足精细农业田间测量的需要,为此基于近红外漫反射测量开发了一款新型车载式原位土壤参数检测仪。检测仪采用光照稳定性更好的卤钨光源代替太阳光进行土壤光谱检测,以提高仪器对工作条件的适应性。由7个敏感波长(1 070, 1 130, 1 245, 1 375, 1 450, 1 550, 1 680 nm)构成的土壤氮素测量极限学习机模型提高了仪器的测量实时性和精度。检测仪由机械部分、光学部分及控制部分组成。机械部分为检测仪提供平台支撑,光学部分为检测仪提供检测光源,主要由卤钨光源、光源转接法兰、近红外导光光纤、检测总成(含入射光出口端、 InGaAS光电探测器及7个敏感波长的滤光片)等组成,控制部分实现对土壤测量信号的采集及处理。检测仪工作时,卤钨光源通过近红外导光光纤、检测总成中的入射光出口端将检测光源传输到待测土壤表面,通过测量土壤表面漫反射光的光谱反射率检测土壤养分参数。在卤钨光源和近红外导光光纤连接处设计光源转接法兰,最大限度的减小检测光源在传输过程中的损失。漫反射光经过检测总成中的滤光片滤波后,由相应的InGaAS光电探测器实现光电转换,再经信号处理单元计算出各个敏感波长处的反射率。检测仪采用灰度标准板进行光学标定测试,测试结果显示,检测仪在7个敏感波长处的反射率与MATRIX-I型傅里叶光谱分析仪反射率相关系数最高为0.997 8,平均值为0.927 8,表明检测仪有较高的检测精度。为进一步对检测仪农田土壤养分的检测精度进行评估,进行了检测仪的农田应用试验,检测结果表明检测仪检测值与实验室标准检测方法检测值的相关系数都在0.90以上。试验结果表明,车载式原位土壤参数检测仪能够实现对农田土壤养分信息的快速原位高精度检测。     

中国的光学——回顾与展望

光是优良的信息和能量载体。进入20世纪,由于光电（光子－电子）技术的结合,各种新型光电探测器和电光转换显示器件的不断涌现,激光的发明,光学方法的改进,传统光学向现代光学与光子学迈进,光学已经成为现代信息获取、传递、存储以及现代工业制造的重要技术手段。中国的光学工业在解放前儿乎是空白,规模很小,只能生产双筒望远镜和基线为...     

低噪声不隔直光电探测电路的设计

光电探测电路是光纤通信和光电检测系统中光信号转换成电信号的关键部分,但现有光电探测器大都不能同时测量脉冲光信号与直流光信号。为了获得低噪声并且能够同时测量脉冲光信号和直流光信号的光电探测器,设计一个不隔直光电探测电路,采用平衡放大方式消除直流工作点不稳定问题,提出了一种利用谐波分析法测量光电探测电路带宽的方法;同时对影响噪声的各种因素进行了研究,计算了探测电路的噪声电压和电流,提出了利用降低温度的方法提高信噪比。结果表明了该方法的有效性。     

Hyperspectral estimation of soil organic matter based on different spectral preprocessing techniques

In this study, the potentiality of visible and near-infrared reflectance spectroscopy to estimate soil organic matter was assessed. Six preprocessing methods were implemented to process the original spectra. The partial least-squares regression approach was also applied to construct predictive models and evaluate the optimal spectral preprocessing method. The significant wavelengths of soil organic matter were determined by using the correlation analysis and the partial least-squares regression analysis. The results were: (i) visible and near-infrared reflectance spectroscopy was proved to be an ideal approach in the soil organic matter estimation; (ii) different preprocessed spectra could improve their correlation with soil organic matter; the combination of first-order derivative and Savitzky–Golay smoothing method outperformed other preprocessing methods; (iii) the soil organic matter predictive models based on spectra processed by derivatives and Savitzky–Golay smoothing together presented a satisfactory accuracy, yielding the determination coefficient and root mean square error values of 0.986 and 0.077, respectively, for first-order derivative; and 0.973 and 0.105, respectively, for second-order derivative. The combination of first-order derivative and Savitzky–Golay smoothing was ultimately recommended the preferable preprocessing method; and (iv) the wavelengths of 417, 1853, 1000, and 2412?nm were determined as the significant wavelengths associated with soil organic matter. The study will provide a reference for the site specific management of agricultural inputs by using the visible and near-infrared reflectance spectroscopy technology.     

土壤主要养分近红外光谱分析及其测量系统

土壤是农业生产的基础,采用近红外光谱技术实现对土壤养分的快速分析,研制分立波长型近红外土壤养分测量系统,指导农业生产过程,有助于改变现有农业生产的粗放经营状态.首先,使用FOSSXDS近红外光谱分析仪对85份东北土壤样品采集光谱,采用相关系数谱及连续投影法等化学计量学算法分析土壤的近红外光谱,并优选出总氮和有机质的特征...     

Substrate removal for improved performance of QWIP–LED devices grown on GaAs substrates

Pixelless infrared imaging can be accomplished by epitaxially integrating a light emitting diode (LED) with a quantum well infrared photodetector (QWIP) large area device. The device acts as an infrared image converter by detecting a mid-to-far infrared (M/FIR) signal using the QWIP and outputting a near-infrared (NIR) signal via the integrated LED. By removing the device substrate, the detector performance can be significantly improved. This paper describes a substrate removal process, which uses a combination of mechanical polishing and chemical selective wet-etch. The choice of a suitable optical adhesive and the control of carrier/device parallelism are the two most important factors determining the success of the process.     

高光谱小波能量特征估测土壤有机质含量

土壤高光谱在采集过程中难以避免噪声干扰,造成高光谱数据信噪比较低,影响土壤有机质含量估测精度。尝试探究小波能量特征方法,降低高光谱噪声,提升土壤有机质含量高光谱估测模型性能。选取湖北省潜江市运粮湖管理区为试验区,于2016年9月采集80份深度为0~20 cm的水稻土样本;土壤样本经风干、碾磨、过筛等一系列处理后,在实验室内采集样本光谱,并通过重铬酸钾-外加热法测定土壤有机质含量;利用浓度梯度法,将总体样本集（80个样本）划分为建模集（54个样本）和验证集（26个样本）;以mexh为小波基函数进行连续小波变换（continuous wavelet transformation）,将土壤高光谱转换为10个分解尺度的小波系数（wavelet coefficients）;逐尺度计算小波系数的均方根作为小波能量特征（energy features）,将10个尺度的小波能量特征组成小波能量特征向量（energy features vector）;逐尺度逐波长计算小波系数与有机质含量的相关系数,将达到极显著水平（p<0.01）的小波系数作为敏感小波系数（sensitive wavelet coefficients）;利用主成分分析法（principal component analysis）分别计算土壤高光谱和小波能量特征向量的各主成分载荷,通过比较两者第一主成分贡献率的高低和两者前三个主成分得分的空间离散程度,判断小波能量特征转换前后建模自变量的主成分信息变化趋势;基于小波能量特征向量和敏感小波系数分别建立多元线性回归和偏最小二乘回归土壤有机质含量估测模型。结果表明,土壤有机质含量越高,全波段反射率越低,但不同土样的光谱反射率曲线特征相似,近红外部分的反射率（780~2 400 nm）高于可见光部分（400~780 nm）;敏感小波系数对应的波长为494,508,672,752,1 838和2 302 nm;土壤高光谱与小波能量特征向量的第一主成分贡献率分别为96.28%和99.13%,小波能量特征向量的前三个主成分散点较土壤高光谱的主成分散点在空间上更为聚集,表明小波能量特征方法有效减少了噪声影响;比较全部土壤有机质含量估测模型,以小波能量特征向量为自变量的多元线性回归模型具有最佳估测精度,其验证集决定系数（R2）、相对估测误差（RPD）和均方根误差（RMSE）分别为0.77,1.82和0.82。因此,小波能量特征方法既能够提高数据的信噪比,提升土壤有机质含量的估测精度,又实现了土壤高光谱数据降维,降低了模型复杂度,可用于土壤有机质含量快速测定和土壤肥力动态监测等研究。     

土壤水分去除算法的田间原位光谱反演棉田有机质

田间原位可见-近红外光谱(VIS-NIR)能够有效的提高土壤属性的检测效率,但由于原位土壤中水分因素的影响,土壤属性的预测精度很难达到预期。如何有效去除土壤中的水分对土壤其他属性光谱预测的影响,是利用田间原位光谱高精度预测土壤属性所面临的难题,也是土壤光谱技术由室内转向田间的突破口。该问题的有效解决,可减除土壤样品的采集与室内预处理等过程,实现土壤属性的田间原位光谱测定。以新疆南部地区阿拉尔垦区十二团棉田为研究区,采用网格采样法共采集了116个0～20 cm深度的表层土壤样品,剔除1个异常值样品,得到115个有用样品,利用SR-3500型便携式地物光谱仪采集了231个样点的田间原位光谱数据,土样经风干、研磨和过筛等处理后测定其室内光谱和有机质含量。利用Kennard-Stone算法将115个土样分为69个转换子集及46个预测集,采用外部参数正交化法(EPO)、光谱直接转换法(DS)及光谱间接转换法(PDS)三种去除水分算法结合原位光谱反射率(R)、反射率一阶微分(R′)、反射率对数(LOG(R))以及反射率倒数(1/R)四种数学变换方式,运用随机森林(RF)模型进行不同组合模型的构建及精度评价。结果表明：(1)土壤有机质含量越高,土壤光谱反射率越低。土壤田间原位光谱反射率低于土壤室内光谱反射率;(2)室内光谱反射率与土壤有机质含量之间的相关性大于田间原位光谱,室内光谱经一阶微分变换后与土壤有机质含量之间的相关性显著提升。(3)土壤室内光谱反射率模型预测精度(R2=0.86, RPD=2.08, RMSE=1.55 g·kg-1, MAPE= 0.14)高于田间原位光谱反射率模型(R2=0.71, RPD=1.49, RMSE=2.17 g·kg-1, MAPE=0.20)。在去除水分算法模型中,以EPO一阶微分模型去除水分效果最好,决定系数R2由0.71提高到0.83,RPD由1.49提高到2.04,RMSE由2.17 g·kg-1降低至1.58 g·kg-1,MAPE由0.20降低至0.14。本研究实现了去除土壤水分因素的影响,提高了田间原位光谱预测土壤有机质的精度,为南疆棉田大尺度土壤有机质的预测及土壤肥力的评价提供了重要的参考。     

水分对土壤有机质检测影响的光谱特性分析及抗水分干扰模型建立

土壤水分对光谱表现出很强的吸收性,且土壤水分与土壤有机质的吸收波段有重叠,因此土壤水分对土壤有机质的检测造成一定的干扰。为此做了以下工作：(1)采用可见近红外光谱仪在室内获取相同含水率下不同土壤动态光谱图;(2)通过对相同含水率下不同有机质含量的二维同步相关光谱图分析得出：当土壤为烘干土样时,600和1 660 nm左右表征土壤有机质的波段出现强的自相关峰,但随着含水率的增加,这两个波段逐渐消失,由于受水分的影响,1 931,2 200和1 480 nm均形成了强的自相关峰。说明水分会掩盖表征土壤有机质信息的波段,对土壤有机质检测造成干扰。(3)为了消除水分影响,提高模型对不同含水率下土壤有机质的预测精度,将田间近似最大含水率样本参与建模,采用偏最小二乘定量分析方法在550～650和1 610～1 710 nm波段内建立了抗水分干扰土壤有机质预测模型,并对不同含水率的土壤有机质进行预测,结果表明：预测样本的相关系数为0.954,标准偏差为0.744%,标准差为0.844%,预测效果明显提高,说明此方法可减少水分对土壤有机质检测的影响。     

弹光调制光电转换放大电路设计

弹光调制干涉具调制的干涉光被探测器接收后输出高速变化的微弱电信号,能否将该电信号提取并放大输出对弹光调制-傅里叶变换光谱仪的研制至关重要。通过对调制干涉光进行理论分析,设计一种具有高信噪比和较高带宽的光电转换放大电路,主要由电源电路、光电转换电路、放大电路、理论通频带为100 kHz~3.5 MHz的带通滤波电路组成。实验结果表明:设计的电路能够将探测器输出的最大频率为1.6 MHz的信号放大至670 mV左右,实现了将探测器输出的微弱速变电信号从背景噪声中有效提取与放大,为后续傅里叶变换提供可靠数据。