基于光譜的灰色系統(tǒng)推斷測量研究
發(fā)布時間:2020-10-24 00:46
基于光譜的灰色系統(tǒng)推斷測量是以光與物質(zhì)間的相互作用為因果性基礎(chǔ),以光譜數(shù)據(jù)作為特性表征空間,通過經(jīng)驗或半經(jīng)驗的數(shù)學(xué)模型將光譜信息映射到灰色系統(tǒng)中待測屬性維度上進(jìn)行的間接測量。近年來,此類測量在照明顯示、農(nóng)牧食品、生物醫(yī)藥等應(yīng)用領(lǐng)域中的需求日漸增加。本論文將其核心科學(xué)問題歸結(jié)為異維標(biāo)尺定標(biāo)問題,將維度較高的光譜維數(shù)據(jù)映射到感興趣的待測變量維度上,本質(zhì)上是一種降維映射定標(biāo)過程。本文圍繞這一核心問題,開展了一系列相關(guān)研究工作。由于光譜數(shù)據(jù)本身是一種儀器依賴的表征數(shù)域,推斷測量是以光譜測量作為基礎(chǔ)測量的間接測量,所以基于光譜的推斷測量技術(shù)是一種儀器加模型的間接測量技術(shù)。本論文的研究包括以下兩條主線:一條主線是從硬件的角度進(jìn)行研究,通過光譜儀的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究了光譜數(shù)據(jù)在波長維度和能量維度上的儀器依賴特性;通過波長定標(biāo)研究了探測器的像素采樣與波長標(biāo)尺之間的匹配關(guān)系;然后研究了輻照度量綱的結(jié)構(gòu)化,即基于光筒的定向立體角約束和基于余弦校正的半球方向約束;研究了輻照度定標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的雙圓盤耦合傳遞和直接耦合傳遞兩種形式的輻射傳輸形式;研究了顆粒結(jié)構(gòu)樣本的漫射相互作用空間的幾何特征,并設(shè)計了與此特征匹配的環(huán)帶光纖耦合收集裝置。該主線研究旨在說明光譜測量儀器作為光譜域的標(biāo)尺系統(tǒng)不僅數(shù)據(jù)的信息維度高,并且實現(xiàn)光譜域信息映射的硬件系統(tǒng)的參數(shù)維度也比較高。不同的光譜測量系統(tǒng)作為光譜域信息的表征標(biāo)尺差異甚大,即使是完全同樣設(shè)計下實現(xiàn)的儀器系統(tǒng)也會由于參數(shù)維過高而存在標(biāo)尺維度偏離。所以基于光譜的推斷測量方法對儀器的依賴性影響了模型的有效性和一致性,本文所研究的推斷測量模型僅適用于本文中所使用的硬件系統(tǒng),模型在硬件系統(tǒng)上的轉(zhuǎn)移將會是今后的一個重要研究內(nèi)容。另一條主線是從模型的角度進(jìn)行研究,以波長定標(biāo)為例研究了機(jī)理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的關(guān)系及適用性;以基于黑體的光譜輻照度定標(biāo)為例研究了大尺度定標(biāo)中模型的參數(shù)影響及選擇;以基于輻照度的輻射源溫度推斷測量為例研究了測量模型中存在未知參數(shù)時利用維度優(yōu)勢的參數(shù)擬合推斷方法;以多主色LED光源的色溫推斷測量為例研究了以光譜域作為中間映射空間的多層映射模型推斷測量方法;以基于吸光度光譜的小麥蛋白質(zhì)成分推斷測量為例研究了復(fù)雜生物樣本的多元統(tǒng)計定標(biāo)模型中的異常樣本影響、識別及處理;以基于吸光度光譜的粳米食味推斷測量為例研究了跨空間映射中的感知推斷模型。該主線旨在通過典型的代表案例研究異維標(biāo)尺定標(biāo)中常見的主要問題和解決方法。研究案例從系統(tǒng)的灰色程度來看,系統(tǒng)的未知程度越來越高,波長定標(biāo)和光譜輻照度定標(biāo)均是機(jī)理模型清晰的白色系統(tǒng),但由于機(jī)理模型直接計算的復(fù)雜性和不易操作性,仍可以將其視為灰色系統(tǒng),以參考比對與多項式擬合模型來進(jìn)行定標(biāo);輻射源溫度推斷測量則是機(jī)理模型中含有未知參量的灰色系統(tǒng);多主色LED光源色溫推斷測量屬于光電熱多層參數(shù)映射的高非線性灰色系統(tǒng);小麥的推斷測量屬于復(fù)雜生物樣本的解空間不穩(wěn)定灰色系統(tǒng);粳米食味的推斷測量屬于跨主客體空間的灰色系統(tǒng)的映射推斷。本論文所研究的幾個推斷測量案例均達(dá)到了實際應(yīng)用對測量精度的需求,證明了基于光譜的推斷測量對灰色系統(tǒng)的有效性。該技術(shù)之所以能夠建立經(jīng)驗(或半經(jīng)驗)模型實現(xiàn)跨維度的映射測量,很大程度上要歸因于數(shù)據(jù)驅(qū)動的定標(biāo)方法。在不同推斷測量案例中,本文分別利用留一交叉驗證算子分析了數(shù)據(jù)驅(qū)動定標(biāo)方法中定標(biāo)參考點的尺度權(quán)重、參數(shù)維權(quán)重、以及樣本權(quán)重問題,研究結(jié)果表明,這種數(shù)據(jù)驅(qū)動方法具有定標(biāo)參考點依賴性。在定標(biāo)點有限的情況下,子空間信息分析方法是唯一有效的模型驗證和模型優(yōu)化方法。從LED色溫推斷測量和粳米食味推斷測量兩個應(yīng)用案例來看,基于光譜的推斷測量技術(shù),能夠通過異維定標(biāo)的方法將待測目標(biāo)的光譜空間與物化特性空間再與人類生理及心理感知空間之間建立一種跨空間映射模型,是一種人本位的推斷測量技術(shù),隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將會有更為廣闊的應(yīng)用和發(fā)展空間。
【學(xué)位單位】:長春理工大學(xué)
【學(xué)位級別】:博士
【學(xué)位年份】:2015
【中圖分類】:N941.5;O433
【部分圖文】:
350nm-1050nm,光譜分辨率優(yōu)于 5nm 的的推斷測量研究提供硬件基礎(chǔ)和測試設(shè)備種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究工作。光譜儀的性能評涉及很多相關(guān)測試條件的建立,本章僅對2.1小型光柵光譜儀設(shè)計的基本問題2.1.1 光柵及分光結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫问焦庾V測量是把不同波長(波數(shù))的光頻所以光譜的形成過程也被稱為分光。分光是從時間上分光。從空間上進(jìn)行分光通常的相互作用所產(chǎn)生的色散過程,將復(fù)色光度,位置)相分離。從時間上進(jìn)行分光是結(jié)構(gòu)性運動(掃描)進(jìn)行單色光的分離提干涉儀分光等。對于獲取某種特定的光譜形圖 2.1 給出。分光結(jié)構(gòu)
21圖2.2 交叉式柴爾尼-特納(Crossed Czerny-Turner)結(jié)構(gòu)第二種軸向透射光柵結(jié)構(gòu)與第一種結(jié)構(gòu)并無本質(zhì)區(qū)別,只是反射結(jié)構(gòu)與透射結(jié)構(gòu)的區(qū)別,可在焦平面上提供更好的像質(zhì)。與 CCT(Crossed Czerny-Turner)和CHG(Concave Holographic Grating)這些采用離軸光學(xué)結(jié)構(gòu)的光譜儀不同,這種光譜儀是基于近軸透射光學(xué)平臺的,它包括了兩片作為準(zhǔn)直與聚焦部件的軸對稱鏡片和一個作為色散部件的體全息透射光柵。這種近軸透射光學(xué)結(jié)構(gòu)能夠在很大的視場內(nèi)對像差進(jìn)行矯正,透射式的結(jié)構(gòu)決定了其尺寸一般比其它兩種結(jié)構(gòu)要大。圖2.3軸向透射光柵結(jié)構(gòu)(Axial transmissive)第三種光學(xué)平臺基于可進(jìn)行像差矯正的全息凹面光柵平臺(CHG)。在該平臺中,凹面光柵同時用來做色散和聚焦部件。因此使得光學(xué)部件的數(shù)量減少,從而增加了攝譜儀的光通率和效率
圖2.2 交叉式柴爾尼-特納(Crossed Czerny-Turner)結(jié)構(gòu)軸向透射光柵結(jié)構(gòu)與第一種結(jié)構(gòu)并無本質(zhì)區(qū)別,只是反射結(jié)構(gòu)可在焦平面上提供更好的像質(zhì)。與 CCT(Crossed Czerny-ve Holographic Grating)這些采用離軸光學(xué)結(jié)構(gòu)的光譜儀不同近軸透射光學(xué)平臺的,它包括了兩片作為準(zhǔn)直與聚焦部件的軸對散部件的體全息透射光柵。這種近軸透射光學(xué)結(jié)構(gòu)能夠在很大的,透射式的結(jié)構(gòu)決定了其尺寸一般比其它兩種結(jié)構(gòu)要大。
本文編號:2853776
【學(xué)位單位】:長春理工大學(xué)
【學(xué)位級別】:博士
【學(xué)位年份】:2015
【中圖分類】:N941.5;O433
【部分圖文】:
350nm-1050nm,光譜分辨率優(yōu)于 5nm 的的推斷測量研究提供硬件基礎(chǔ)和測試設(shè)備種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究工作。光譜儀的性能評涉及很多相關(guān)測試條件的建立,本章僅對2.1小型光柵光譜儀設(shè)計的基本問題2.1.1 光柵及分光結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫问焦庾V測量是把不同波長(波數(shù))的光頻所以光譜的形成過程也被稱為分光。分光是從時間上分光。從空間上進(jìn)行分光通常的相互作用所產(chǎn)生的色散過程,將復(fù)色光度,位置)相分離。從時間上進(jìn)行分光是結(jié)構(gòu)性運動(掃描)進(jìn)行單色光的分離提干涉儀分光等。對于獲取某種特定的光譜形圖 2.1 給出。分光結(jié)構(gòu)
21圖2.2 交叉式柴爾尼-特納(Crossed Czerny-Turner)結(jié)構(gòu)第二種軸向透射光柵結(jié)構(gòu)與第一種結(jié)構(gòu)并無本質(zhì)區(qū)別,只是反射結(jié)構(gòu)與透射結(jié)構(gòu)的區(qū)別,可在焦平面上提供更好的像質(zhì)。與 CCT(Crossed Czerny-Turner)和CHG(Concave Holographic Grating)這些采用離軸光學(xué)結(jié)構(gòu)的光譜儀不同,這種光譜儀是基于近軸透射光學(xué)平臺的,它包括了兩片作為準(zhǔn)直與聚焦部件的軸對稱鏡片和一個作為色散部件的體全息透射光柵。這種近軸透射光學(xué)結(jié)構(gòu)能夠在很大的視場內(nèi)對像差進(jìn)行矯正,透射式的結(jié)構(gòu)決定了其尺寸一般比其它兩種結(jié)構(gòu)要大。圖2.3軸向透射光柵結(jié)構(gòu)(Axial transmissive)第三種光學(xué)平臺基于可進(jìn)行像差矯正的全息凹面光柵平臺(CHG)。在該平臺中,凹面光柵同時用來做色散和聚焦部件。因此使得光學(xué)部件的數(shù)量減少,從而增加了攝譜儀的光通率和效率
圖2.2 交叉式柴爾尼-特納(Crossed Czerny-Turner)結(jié)構(gòu)軸向透射光柵結(jié)構(gòu)與第一種結(jié)構(gòu)并無本質(zhì)區(qū)別,只是反射結(jié)構(gòu)可在焦平面上提供更好的像質(zhì)。與 CCT(Crossed Czerny-ve Holographic Grating)這些采用離軸光學(xué)結(jié)構(gòu)的光譜儀不同近軸透射光學(xué)平臺的,它包括了兩片作為準(zhǔn)直與聚焦部件的軸對散部件的體全息透射光柵。這種近軸透射光學(xué)結(jié)構(gòu)能夠在很大的,透射式的結(jié)構(gòu)決定了其尺寸一般比其它兩種結(jié)構(gòu)要大。
本文編號:2853776
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