基于光譜的灰色系統(tǒng)推斷測量研究.pdf

1、基于光譜的灰色系統(tǒng)推斷測量是以光與物質間的相互作用為因果性基礎，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)學模型將光譜信息映射到灰色系統(tǒng)中待測屬性維度上進行的間接測量。近年來，此類測量在照明顯示、農(nóng)牧食品、生物醫(yī)藥等應用領域中的需求日漸增加。本論文將其核心科學問題歸結為異維標尺定標問題，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，本質上是一種降維映射定標過程。本文圍繞這一核心問題，開展了一系列相關研究工作。由于光譜數(shù)據(jù)本身

2、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測量的間接測量,所以基于光譜的推斷測量技術是一種儀器加模型的間接測量技術。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行研究，通過光譜儀的系統(tǒng)優(yōu)化設計研究了光譜數(shù)據(jù)在波長維度和能量維度上的儀器依賴特性；通過波長定標研究了探測器的像素采樣與波長標尺之間的匹配關系；然后研究了輻照度量綱的結構化，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

3、系統(tǒng)結構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；研究了顆粒結構樣本的漫射相互作用空間的幾何特征，并設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尺差異甚大，即使是完全同樣設計下實現(xiàn)的儀器系統(tǒng)也會由于參數(shù)維過高而存在標尺維度偏離。所以基于光譜的推斷測量方法對儀器的依

4、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行研究，以波長定標為例研究了機理模型與數(shù)據(jù)驅動模型的關系及適用性；以基于黑體的光譜輻照度定標為例研究了大尺度定標中模型的參數(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

5、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成分推斷測量為例研究了復雜生物樣本的多元統(tǒng)計定標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尺定標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，波長定標和光譜輻照度定標均是機理模型清晰的白色系統(tǒng)，但由于機理模型

6、直接計算的復雜性和不易操作性，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行定標；輻射源溫度推斷測量則是機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到了實際應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

7、有效性。該技術之所以能夠建立經(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)驅動的定標方法。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)驅動定標方法中定標參考點的尺度權重、參數(shù)維權重、以及樣本權重問題，研究結果表明，這種數(shù)據(jù)驅動方法具有定標參考點依賴性。在定標點有限的情況下，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用案例來看，基于光譜的推斷測量技術