基于光譜的灰色系統(tǒng)推斷測(cè)量研究.pdf

1、基于光譜的灰色系統(tǒng)推斷測(cè)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(guò)經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型將光譜信息映射到灰色系統(tǒng)中待測(cè)屬性維度上進(jìn)行的間接測(cè)量。近年來(lái)，此類測(cè)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(wèn)題歸結(jié)為異維標(biāo)尺定標(biāo)問(wèn)題，將維度較高的光譜維數(shù)據(jù)映射到感興趣的待測(cè)變量維度上，本質(zhì)上是一種降維映射定標(biāo)過(guò)程。本文圍繞這一核心問(wèn)題，開(kāi)展了一系列相關(guān)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(cè)量是以光譜測(cè)量作為基礎(chǔ)測(cè)量的間接測(cè)量,所以基于光譜的推斷測(cè)量技術(shù)是一種儀器加模型的間接測(cè)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(guò)光譜儀的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究了光譜數(shù)據(jù)在波長(zhǎng)維度和能量維度上的儀器依賴特性；通過(guò)波長(zhǎng)定標(biāo)研究了探測(cè)器的像素采樣與波長(zhǎng)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)

3、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(jì)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(shuō)明光譜測(cè)量?jī)x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(shí)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(cè)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(jì)下實(shí)現(xiàn)的儀器系統(tǒng)也會(huì)由于參數(shù)維過(guò)高而存在標(biāo)尺維度偏離。所以基于光譜的推斷測(cè)量方法對(duì)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(cè)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(huì)是今后的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。
　　另一條主線是從模型的角度進(jìn)行研究，以波長(zhǎng)定標(biāo)為例研究了機(jī)理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(cè)量為例研究了測(cè)量模型中存在未知參數(shù)時(shí)利用維度優(yōu)勢(shì)的參數(shù)擬合推斷方法；以多主色LED光源的色溫推斷

5、測(cè)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(cè)量方法；以基于吸光度光譜的小麥蛋白質(zhì)成分推斷測(cè)量為例研究了復(fù)雜生物樣本的多元統(tǒng)計(jì)定標(biāo)模型中的異常樣本影響、識(shí)別及處理；以基于吸光度光譜的粳米食味推斷測(cè)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(guò)典型的代表案例研究異維標(biāo)尺定標(biāo)中常見(jiàn)的主要問(wèn)題和解決方法。研究案例從系統(tǒng)的灰色程度來(lái)看，系統(tǒng)的未知程度越來(lái)越高，波長(zhǎng)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

6、直接計(jì)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(duì)與多項(xiàng)式擬合模型來(lái)進(jìn)行定標(biāo)；輻射源溫度推斷測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(gè)推斷測(cè)量案例均達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用對(duì)測(cè)量精度的需求，證明了基于光譜的推斷測(cè)量對(duì)灰色系統(tǒng)的

7、有效性。該技術(shù)之所以能夠建立經(jīng)驗(yàn)（或半經(jīng)驗(yàn)）模型實(shí)現(xiàn)跨維度的映射測(cè)量，很大程度上要?dú)w因于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的定標(biāo)方法。在不同推斷測(cè)量案例中，本文分別利用留一交叉驗(yàn)證算子分析了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)定標(biāo)方法中定標(biāo)參考點(diǎn)的尺度權(quán)重、參數(shù)維權(quán)重、以及樣本權(quán)重問(wèn)題，研究結(jié)果表明，這種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法具有定標(biāo)參考點(diǎn)依賴性。在定標(biāo)點(diǎn)有限的情況下，子空間信息分析方法是唯一有效的模型驗(yàn)證和模型優(yōu)化方法。從LED色溫推斷測(cè)量和粳米食味推斷測(cè)量?jī)蓚€(gè)應(yīng)用案例來(lái)看，基于光譜的推斷測(cè)量技術(shù)