基于小波系数图和卷积神经网络的太赫兹光谱物质识别

许多太赫兹光谱物质识别方法依靠寻找该物质在太赫兹波段范围内不同光谱表现出的不同特征来识别特定物质。吸收峰提取法是常用的光谱特征提取算法,但当光谱无明显特征吸收峰或峰位、峰值相近或难以识别时,难以利用吸收峰特征辨别物质。将机器学习和统计学习技术用于太赫兹光谱的识别中虽减少了吸收峰的干扰,但常常需要人为定义特征而导致分类误差。深度学习法能自动提取特征,但在识别前往往需要进行复杂的预处理操作,并且在特征提取的过程中容易丢失部分特征从而导致分类误差。针对以上问题,提出了一种基于小波系数图和卷积神经网络的太赫兹光谱识别方法。利用太赫兹光谱信号进行小波变换时,由于小波系数矩阵的每一行系数与原始光谱信号存在着对应关系,因此将太赫兹光谱的吸收系数通过小波变换在频率域上展开,能得到不同的二维的频率-尺度分布图,又称小波系数图。然后构造一个卷积神经网络(CNN)对小波系数图进行分类,可得到太赫兹光谱物质的分类结果。为了验证所提出算法的有效性,将三组小波系数图数据与原始光谱数据分别输入CNN、Support Vector Machin (SVM)、Multilayer Perceptron (MLP)三种不同的分类器作对比,从实验结果可以发现本文算法在三组数据中的识别率均达到了100%,说明相比于传统方法,本文方法能准确分类没有明显特征吸收峰的光谱,证明了使用卷积神经网络识别小波系数图的有效性。为了体现本文算法的优势,与小波脊线寻峰识别算法作对比,实验结果表明本文算法几乎不受峰频、峰位、峰值的影响,无论是识别不存在吸收峰的淀粉,还是识别相似度高的蔗糖和葡萄糖,都具有较高的识别率,分类准确率达97.62%,证明了所提算法的优越性。该算法为太赫兹光谱数据识别提供了一种新思路,同时也可以推广运用到其他谱图物质的识别中。     

基于小波包和偏最小二乘支持向量机的多光谱纹理图像的大米分类研究

提出了一种利用多光谱图像纹理特征进行大米分类的新方法。图像由MS3100-3CCD光谱成像仪获得,光谱成像仪提供3个波段的图像,由近红外(NIR)、红色(R)和绿色(G)组成,因此它能够获取普通数码照相机所不能获取的信息。对3CCD近红外波段图像进行二层小波包分解,得到16个子频带,因为纹理图像的特征信息主要集中在中频,因此提取8个中频频带(带通频带)的熵值,并且作为支持向量机的特征值输入。最后应用支持向量机技术分别对有和没有经过小波包分解的NIR波段纹理图像的熵值进行建模,建模样本和预测模型各为80个,每种各为20个。对四种大米进行处理,结果表明,经过小波包分解的纹理图像的识别率达到了100%,而没有经过小波包分解的纹理图像的识别率只有93.75%,说明结合小波包和支持向量机进行多光谱图像的纹理识别是种非常有效的技术,同时也为大米的分类提供一种快速和无损的新方法。     

花生种子品质的可见-近红外光谱分析

利用600～1 100 nm波段研究花生品种的可见-近红外反射光谱,对选取的三种具有代表性的花生种子进行实验。使用近红外光纤光谱仪采集光谱数据,对原始光谱进行小波分析以提取光谱特征,再用主成分分析方法进行聚类分析,最后把每一个样品的前4个主成分得分作为识别模型的输入,品种类别作为模型的输出,以马氏距离作为判别函数,建立了线性判别分析模型。对于每个品种的50个样品,随机挑选30个样本作为训练集,剩余的20个样本作为预测集。该识别模型对3个花生品种的平均正确识别率为95%。表明该方法能有效的识别花生种子,得到较好的分类效果,为花生种子品质的区分和鉴别提供了一种新方法。     

数据驱动模型的血液物种光谱检测技术

介绍一种基于光谱检测和数据驱动模型的非接触式血液物种识别技术。选取了4个物种(猴144,大鼠203,狗133,人169)共计649个血样作为原始样本。超连续谱激光光源的波长范围是450～2 400 nm。分别采集抗凝管盛装血液样本的后向散射可见光谱(294～1 160 nm)和十个不同空间位点的前向散射近红外光谱(1 021～1 757 nm),将十一条光谱数据顺序连接为一维数据作为每个样本的原始数据。利用主成分分析法对数据集进行特征信息提取,保留原始差异信息量的99.99%,同时将数据量压缩为原始数据量的1.5%,提高分类识别的运算效率。对不同数量的训练集和验证集进行训练预测实验表明,十折交叉验证的识别误差率随着样本数量的增加而降低,样本库规模的增大可以提高识别的精确度。由于数据驱动模型是基于机器学习算法的数据流处理模型,因而可以采用多种不同的分类算法实现。通过比较人工神经网络、支持向量机、偏最小二乘回归、多元线性回归、随机森林和朴素贝叶斯的识别效果可以发现,不同算法的识别效果具有类别差异性,即各个算法的正确识别率排序在不同的物种中是有差异的。因而实际应用中,在选择数据驱动模型时,除了需要考虑算法的整体识别率之外,当对部分类别的识别效果有额外要求时,还应该考虑算法本身的类别差异性。     

基于OPO脉冲激发的血糖光声检测影响因素研究

构建了一套基于侧向模式的光学参数振荡(optical parameter oscillator,OPO)脉冲激光激发-超声传感的血糖光声检测系统,并且将激发波长、激光能量、探测频率和温度等对血糖光声检测的影响,在系统结构上进行了有效融合。然后,以不同浓度的葡萄糖溶液作为测试样品,实验研究了几个因素(激发波长、激光能量、探测频率和温度等)对葡萄糖光声检测和浓度预测的影响。实验得到了不同浓度葡萄糖溶液在不同影响因素条件下的葡萄糖实时光声信号和光声峰峰值,同时,为了得到不同因素对葡萄糖光声值和浓度预测的影响规律,通过线性回归算法建立了葡萄糖光声峰峰值与各因素变化,以及不同因素下光声峰峰值与浓度梯度的映射关系模型。实验和模型预测结果表明：相比1 200和1 300 nm波长而言,1 064 nm波长下的葡萄糖光声峰峰值与浓度梯度模型预测效果最好,模型相关系数达到0.986;葡萄糖光声峰峰值随着脉冲激光输出能量的增大呈线性增大趋势,且葡萄糖浓度预测准确度随着激光输出能量增大有所提高;根据不同探测频率的超声探测器捕获的葡萄糖光声峰峰值与浓度梯度建模效果来看,响应频率为1 MHz的超声探测器相比2.5和10 MHz的超声探测器,在葡萄糖光声信号探测上具有更好的探测效果;最后,实验发现,葡萄糖光声峰峰值随着温度和浓度的增大均呈线性增大趋势,且浓度预测误差随着温度的升高逐渐增大。     

基于高光谱图像的玉米种子特征提取与识别

玉米种子的形态特征是玉米品种识别的重要因素之一.采用高光谱成像系统获取9个品种共432粒玉米种子的高光谱反射图像,对图像进行校正和预处理,提取每个样本在563.6~911.4 nm共55个波段范围内的形状特征.分别利用单波段、多波段和全波段下的玉米种子形状特征结合偏最小二乘判别法进行模型分类.结果显示,全波段范围内训练集和测试集的平均正确识别率达到98.31%和93.98%,均优于多波段和单波段的正确识别率.研究表明,该方法能充分利用高光谱图像中可见光和近红外区域的有效特征信息,较准确地鉴别玉米品种,为玉米品种的自动识别领域提供了一种新方法.     

高光谱成像与图像结合进行油菜角果蚜虫侵染的定位识别

油菜蚜虫可造成油菜籽的严重减产,及早进行油菜蚜虫判别以及其侵染定位识别有助于精准喷药。采用可见-近红外高光谱成像技术结合图像分析对185个蚜虫侵染以及138个健康油菜角果进行判别,并进行蚜虫的定位分析。首先采用主成分分析法(PCA)对两类样本的平均光谱进行聚类分析,并基于X-loading得出737nm波段可作为判断蚜虫的重要波段,采用Boxplot进行两类样本间单波段处的统计分析,同时得出基于737nm波段判断蚜虫侵染油菜角果的线性公式为y=2.917 6-3.345 7x(x为样本在737nm处的光谱值,y为样本的分类预测值)。采用此公式对实验样本进行判别分析,可以发现角果蚜虫识别率为99.0%。同时基于737nm处的油菜角果单波段灰度图进行蚜虫的定位识别,可以得到蚜虫的识别率为81.1%。结果表明,采用737nm处的单波段光谱信息以及图像信息可进行油菜角果蚜虫侵染的定位识别,为进一步开发便携仪检测仪以及精准喷药提供理论和方法依据。     

基于高光谱图像的玉米种子特征提取与识别

玉米种子的形态特征是玉米品种识别的重要因素之一.采用高光谱成像系统获取9个品种共432粒玉米种子的高光谱反射图像,对图像进行校正和预处理,提取每个样本在563.6～911.4nm共55个波段范围内的形状特征.分别利用单波段、多波段和全波段下的玉米种子形状特征结合偏最小二乘判别法进行模型分类.结果显示,全波段范围内训练集和测试集的平均正确识别率达到98.31%和93.98%,均优于多波段和单波段的正确识别率.研究表明,该方法能充分利用高光谱图像中可见光和近红外区域的有效特征信息,较准确地鉴别玉米品种,为玉米品种的自动识别领域提供了一种新方法.     

高浓度气体共振光声光谱信号饱和特性研究

采用恒流驱动耦合机械斩波技术在激光光声光谱装置上系统测量了5%—100%宽浓度范围甲烷气体的共振光声信号,发现在高浓度区共振光声信号呈现异常的饱和特征.基于气体吸收和光声光谱原理定量分析了光声信号饱和的主要原因及影响因素,研究表明,气体样本对入射光强吸收而导致的声源与本征共振模式的耦合系数改变是异常饱和的主要原因,并导出判定光声信号饱和深度的准则以用于判定高浓度气体饱和深度。     

基于人工神经网络的傅里叶变换中红外光谱法对食用油油烟种类识别研究

随着餐饮业的发展,餐饮烟气已经成为某些城市三大空气污染源之一。由于餐饮烟气对人体健康威胁很大,近年来对餐饮烟气的研究愈来愈热。餐饮烟气中包含有大量食用油加热过程中裂解而产生的不饱和烃类,危害着人类健康。不同食用油裂解出来的成分以及含量有所不同,通过构建一定的分类识别数学模型,从而实现对食用油分类识别。采用自主研发的傅里叶变换红外光谱仪,采集了不同食用油油烟烟气红外光谱数据。同时构建了主成分分析(PCA)分别结合概率神经网络(PNN)以及误差反向传播人工神经网络(BPANN)的分类识别算法。将两种分类识别算法对不同食用油油烟烟气的傅里叶变换红外光谱数据进行分析。通过样本数据对数学模型进行训练,将训练好的数学模型对未知光谱数据进行分析,来确定产生油烟烟气的食用油种类。实验结果表明,两种算法都能对不同的油烟种类进行较好地分类识别。在全波段识别时,识别率分别达到90.25%和97.0%。通过对烟气光谱数据的吸收波段进行分析,提取大气窗口并且具有较强可挥发性有机物(VOCs)吸收特征的波段(1 300～700 cm-1以及3 000～2 600 cm-1);将吸光度数据分成两个分离的吸收波段,两种算法在3 000～2 600 cm-1波段都有较好的识别效果,PCA-PNN算法识别率为90.25%,PCA-BPANN算法识别率为92.25%。可见,两种人工神经网络算法都能有效对食用油烟种类进行识别。     

基于光声光谱联合主成分回归法的血糖浓度无损检测研究

利用可调谐脉冲激光器激发联合聚焦超声探测器前向探测模式搭建了一套血糖光声无损检测实验装置。为了测试该装置的可靠性,实验中利用532 nm泵浦Nd∶YAG调Q脉冲激光器激发不同浓度的葡萄糖水溶液产生实时光声信号;采用脉冲激光在近红外波段1 300～2 300 nm内固定间隔波长10 nm扫描方式激发不同浓度的葡萄糖水溶液,获取了不同波长下的葡萄糖光声峰峰值,利用差谱方法筛选出了多个葡萄糖的特性波长;然后采用主成分回归算法优选了三个特性波长,并建立了浓度梯度与对应三个优选波长光声峰峰值之间的数学校正模型。实验表明,葡萄糖水溶液的光声信号符合弱吸收介质的柱状光声源模型;利用建立的校正模型对校正集和预测集的葡萄糖浓度预测结果表明,葡萄糖浓度的校正和预测均方根误差均小于10 mg·dl-1,相似系数为0.993 6。     

基于波段选择的拉曼光谱血痕鉴别

血痕的种属鉴别在刑事技术和检验检疫等领域有重要的实践意义,拉曼光谱技术为血痕种属鉴别提供了思路。实验采集人血及猪、鸡、鸭、牛、鼠5种动物的血样并获取其拉曼光谱,采用Savitzky-Golay方法平滑降噪,airPLS方法进行基线校正,选取100~1 700 cm-1波段进行实验。训练集有600组数据,测试集有300组拉曼光谱数据。第一部分实验对比了PLS-DA,LDA,PCA+LDA,SVM和PCA+SVM等方法,测试集准确率分别为84.0%,49.3%,78%,83.0%和85.7%,验证了降维算法结合SVM分类器的有效性。第二部分采用互信息算法、遗传算法和等间隔组合三种波段选择算法,结合SVM分类器做对比实验,结果显示互信息结合SVM算法的分类准确率最优,在选择波段数为50时,测试集准确率达到86.0%。在波段选择数为300时,三种波段选择算法结合SVM分类器的准确率都达到93%左右,大幅高于传统分类方法。实验结果表明,采用波段选择算法进行光谱降维,可以有效的提高算法的准确率和鲁棒性,同时使拉曼光谱种属鉴定的可解释性更强。波段选择算法确定了血痕鉴别的关键波段位置,对设计用于执法的便携式拉曼系统也有重要意义。     

基于FCM的煤矿突水激光诱导荧光光谱分析

快速识别煤矿突水水源类型对于矿井水害防治意义非凡。鉴于传统水化学方法水源识别耗时较长等诸多不足,提出了将模糊C均值聚类(FCM)算法和多维标度分析(MDS)用于激光诱导荧光光谱识别煤矿突水水源这一新思路。由于FCM算法在光谱分析和模式识别等方面都有着成功的应用,况且激光光谱具有时间响应快、灵敏度高、干扰小等优点,通过实时采集水样的荧光光谱数据,利用FCM和MDS对光谱数据分析后就可以辨别水样类型。以华东地区某矿的老空水和奥灰水以及按比例混合得到水样共7种(每种水样各20个样本)为实验材料,利用405 nm激光打入被测水体,一共采集了140组荧光光谱数据,随后选择合适的波长区间进行分析。取每种水样各15组共105组光谱数据用作训练集,其余35组光谱数据用作测试集。使用MDS建立七种不同水样的模型,再利用FCM算法进行聚类分析得到七种水样的簇中心,最后使用得到的簇中心对测试集进行验证。实验结果表明,不同水样的光谱图有着较大差异,选取合适的波长区间下的光谱数据,在MDS下选择维度为2,利用FCM算法对水样进行分类,全部140组样本的准确率是100%。     

基于小波神经网络的振动速度传感器幅频特性补偿研究

为了实现超低频振动速度测量, 提出补偿其幅频特性的小波神经网络方法.该方法以振动速度传感器动态实验数据为基础, 通过小波神经网络训练来确定传感器幅频特性补偿网络.介绍振动速度传感器幅频特性补偿原理, 分析网络的拓扑结构, 给出网络参数训练和初始化方法.采用引入动量项的最速下降法训练网络权值、尺度因子和平移因子, 将小波网络参数的初始化与小波类型、小波时频参数和学习样本等联系起来.结果表明, 采用小波神经网络进行振动速度传感器幅频特性补偿具有良好的鲁棒性,并能实现在线补偿,网络训练的速度和精度优于同等规模的BP网络,在测试领域有重要的实用价值. 关键词： 振动速度传感器 小波神经网络 幅频特性 补偿     

荧光光谱成像技术结合主成分分析与Fisher判别快速鉴别肉苁蓉

为探究一种快速、可靠的肉苁蓉属中药材检测方法,实验采用荧光光谱成像技术结合模式识别方法对肉苁蓉属三种中药材：荒漠肉苁蓉、管花肉苁蓉和沙苁蓉进行鉴别研究。实验中发现肉苁蓉样品存在较显著的荧光特性,采集来自不同产地、不同批次以及不同超市购买的三种肉苁蓉属药材的40个样品的荧光光谱图像,对图像进行去噪、二值化处理后,根据光谱立方体绘制每个样本的光谱曲线,将所得450～680 nm波段范围内的光谱数据作为鉴别分析的研究对象,应用主成分分析法(PCA)对三种肉苁蓉的光谱数据进行降维处理,再结合Fisher判别方法对三种肉苁蓉进行鉴别。分别比较多元散射校正(MSC)、标准正态变量校正变换(SNV)以及一阶微分(FD)三种数据预处理方法对鉴别模型的影响,并根据主成分的累积贡献率和主成分因子数对判别模型效果的影响对主成分因子数进行优化。分析结果表明：一阶微分预处理后提取前四个主成分进行Fisher判别的鉴别效果最佳,PCA结合Fisher判别建立肉苁蓉属三种药材的判别模型原始判别的准确率达到100%,交叉验证的准确率达到95%。由此可见,利用荧光光谱成像技术结合主成分分析及Fisher判别对肉苁蓉属三种药材的鉴别分析是可行的,而且具有操作简便、快速、可靠等优点。     

基于空间特征的光谱分类算法研究

随着成像光谱仪器的广泛应用,利用数据立方体进行物质分类与识别成为一项重要的研究内容,分类算法对最终的目标识别准确度与精度具有很大的决定作用。目前常见的分类算法主要利用了光谱维信息,从光谱匹配的角度进行物质分类。由于仪器探测的物质反射光谱不仅反映了物质种类,还与物质表面的几何结构,表面粗糙度等有关,因此仅仅利用物质的反射光谱进行物质分类识别具有一定的误差。该文在利用可见光反射光谱进行分类的基础上,结合图像空间特征,对分类过程进行控制,达到提高分类准确度的目的。利用该分类算法进行真假叶片识别,结果表明其具有较好的空间连续性,很大程度上克服了"麻点"效应,验证了算法的有效性。     

拉曼光谱结合模式识别方法用于大豆原油掺伪的快速判别

大豆原油是我国的战略储备物资,然而目前储油市场上频繁出现大豆原油掺混的现象严重影响了食用油储备安全。基于此,通过大豆原油与部分植物精炼油拉曼谱图的特征差异,并结合主成分分析-支持向量机(PCA-SVM)模式识别建立了大豆原油是否掺伪的快速判别方法。以28个大豆原油、46个精炼油、110个掺伪油的拉曼谱图为模型样本;选择位于780～1 800 cm-1波段的谱图,预处理方法同时采用Y轴强度校正、基线校正和谱图归一化法;在此基础上应用PCA法提取特征变量,即以贡献率最高前7个主成分为变量进行SVM分析。SVM校正模型的建立是以随机选取的20个大豆原油和75个掺伪油样组成校正集,以8个大豆原油和35个掺伪油样组成验证集,分别运用并比较四种核函数算法建立的大豆原油SVM分类模型,并采用网格搜索法(grid-search)优化模型的参数,以四种模型的分类性能作为评判标准。结果表明：应用线性核函数算法构建的SVM分类模型可以很好地完成掺伪大豆原油的判别,校正集识别准确率达到100%,预测结果的误判率为0,判别下限为2.5%。结果表明应用拉曼光谱结合化学计量学能够用于大豆原油掺伪的快速鉴别。拉曼光谱简便、快速、无损、几乎没有试剂消耗,适合现场检测,从而为大豆原油的掺伪分析提供了一种新的备选方法。     

近红外光谱的通用聚苯乙烯牌号在线识别方法

在聚合物加工过程中,如果在同一生产线上混用不同牌号的原材料,可能会影响产品性能,降低产品合格率。然而采用传统方法识别相同类型不同牌号的聚合物往往耗时长且具有滞后性,目前还缺乏一种快速实时的牌号识别方法。因此,以5种不同牌号的通用聚苯乙烯(GPPS)为研究对象,利用自主开发的安装于挤出机上的在线近红外光谱测量系统,将近红外光谱与化学计量学、机器学习算法相结合,实现对挤出过程中GPPS牌号的快速在线识别。首先利用在线近红外光谱测量系统实时采集5种不同牌号GPPS熔体的在线近红外光谱,波长范围为900~1 700 nm。经过谱图分析后,利用主成分分析结合K均值聚类算法验证在线近红外光谱数据对于不同牌号的可分性。最后采用偏最小二乘判别分析和随机森林两种算法分别建立GPPS牌号识别模型并进行对比。结果表明：①经过基线校正、最大最小归一化、7点移动平均平滑预处理后,在线近红外光谱在1 207,1 388,1 407和1 429 nm处的特征峰峰值会随着牌号的变化呈阶梯状改变,以前3个主成分得分作为K均值聚类的输入变量得到聚类正确率为88%,说明了不同牌号GPPS在线近红外光谱数据的可分性;②所建立的两种预测模型均能够对GPPS牌号有效识别,最佳主因子数为3的偏最小二乘判别分析模型对验证集的分类正确率为90.4%,以前5个主成分得分作为输入变量建立的随机森林模型对验证集的分类正确率达95.6%,所以随机森林模型的牌号识别性能更好。因此,在线近红外光谱测量系统结合化学计量学、机器学习算法可以实现GPPS牌号的快速在线识别,为在生产线上利用近红外光谱识别同种聚合物的不同牌号提供参考。     

激光诱导击穿光谱技术结合神经网络和支持向量机算法的人参产地快速识别研究

利用激光诱导击穿光谱技术结合机器学习算法,对东北5个产地(大兴安岭、集安、恒仁、石柱、抚松)的人参进行产地识别,建立了主成分分析算法分别结合反向传播(BP)神经网络和支持向量机算法的人参产地识别模型.实验采集了5个产地人参共657组在200-975 nm的激光诱导击穿光谱,经光谱数据预处理后,对C,Mg,Ca,Fe,H,N,O等元素的8条特征谱线进行主成分分析,原光谱数据的前3个主成分累积贡献率达到92.50%,且样品在主成分空间中呈现良好的聚集分类.降维后的前3个主成分以2∶1进行随机抽取,分别作为分类算法的训练集和测试集.实验结果表明主成分分析结合BP神经网络及支持向量机的平均识别率分别为99.08%和99.5%.发生误判的原因是集安和石柱两地地理环境的接近而导致的H,O两元素在Ca元素离子发射谱线下的归一化强度相似.本研究为激光诱导击穿光谱技术在人参产地的快速识别提供了方法和参考.