小波阈值降噪模型在红外光谱信号处理中的应用研究

针对近红外光谱经常受到噪声干扰的特点,提出了利用小波阈值降噪方法进行光谱数据的降噪处理,以山羊绒表面油脂的近红外光谱检测为例,对比分析了三种小波阈值降噪模型(Penalty阈值降噪模型、Brige-Massart阈值降噪模型、缺省阈值降噪模型)的降噪性能。对降噪后的光谱数据采用偏最小二乘和支持向量机回归相结合建立了校正和预测模型,通过对比校验参数R2,RMSEC,RMSEP,分析评价了三种小波阈值降噪模型的降噪效果。结果表明: 三种降噪模型都能在一定程度上降低光谱信号的噪声,提高信噪比,改善光谱预测模型的精度,其中,Brige-Massart阈值降噪模型和缺省阈值降噪模型的降噪效果明显优于Penalty阈值降噪模型,与原始光谱信号建模的预测精度(R2=0.793,RMSEC=0.233,RMSEP=0.225)相比较,经过Brige-Massart阈值降噪模型降噪后的光谱信号建模的预测精度(R2=0.882,RMSEC=0.144,RMSEP=0.136)和经过缺省阈值降噪模型降噪后的光谱信号建模的预测精度(R2=0.876,RMSEC=0.151,RMSEP=0.142)均有较大程度的改善和提高,说明提出的小波阈值降噪方法能有效地降低原始光谱噪声作用,使光谱数据多变量分析模型更具有代表性和稳健性, 从而可以提高模型的预测精度。     

苹果糖度近红外光谱分析模型的温度补偿

温度变化对水果品质近红外评价有很大影响,需要补偿温度波动对模型的影响。文章研究了温度变化(2～42 ℃)对苹果近红外漫反射光谱的影响,采用剔除温度变量法和内校正法补偿温度对模型的影响,提高预测精度。研究表明,温度与光谱信息存在一定相关性, 其模型R2=0.985,RMSEC=1.88,RMSEP=2.32;未进行温度校正模型的预测标准偏差达到2.55;采用复合预处理方法和改进的遗传算法对光谱数据优化,剔除温度变量法模型的R2=0.954,RMSEC=0.63,RMSEP₁=0.72,RMSEP₂=0.74;内校正法的模型R2=0.952,RMSEC=0.64,RMSEP₁=0.69,RMSEP₂=0.68;相比未进行温度补偿模型均提高了预测精度。结果显示：温度对苹果近红外光谱影响呈非线性变化,剔除温度变量法和内校正法可用于补偿温度对模型的影响,可提高模型预测精度。     

一种基于近红外光谱的天然产物抗氧化活性预测评价方法

提出了一种基于近红外(NIR)光谱的黄酮类提取物抗氧化活性计算预测新方法。采用1,1-二苯-2-苦肼基(DPPH)法测定28种黄酮类中药材提取物的抗氧化活性,并在4 000～10 000 cm-1范围扫描样品的红外光谱,采用偏最小二乘(PLS)算法建立了黄酮类组分近红外光谱与抗氧化活性之间的校正模型。建模过程中,以交叉验证相关系数(R2),交叉验证误差均方根(RMSECV)为指标,确定了用于建模的最优近红外波段和光谱预处理方法。校正模型的RSECV为9.50%,R2为 0.901 7,预测误差均方根(RMSEP)为14.8%。该方法快速无损、操作简便,可用于中药及天然产物提取物抗氧化活性的快速评价。     

近红外光纤光谱技术检测西红柿果浆总酸及可溶性糖的研究

为了探索一种简捷、快速、高效的西红柿品质检测方法,应用近红外光谱技术与光纤传感技术相结合的新方法,快速测量西红柿果浆样品中营养成分的含量。实验所用的主要仪器为近红外光纤光谱仪,波长范围为900～2 500 nm。以164个西红柿样品为标准样品,进行了光谱采集及相应的化学值测定。实验数据采用偏最小二乘法(PLS)进行回归,建立西红柿果浆中总酸及可溶性糖含量的数学模型,并对回归方法进行统计分析。结果为：西红柿果浆中总酸验证集的决定系数(R2)为0.967,均方根误差(RMSEC)为0.133,预测均方根误差(RMSEP)为0.103;总糖验证集的决定系数(R2)为0.976,均方根误差(RMSEC)为0.463,预测均方根误差(RMSEP)为0.460。均达到了较好的预测结果,表明该方法对定量分析西红柿果浆中多组分含量是可行的。基于该方法快速、简便及可对同一样品多组分含量同时分析的优点,它是一种极具发展前途的传感器,正在逐渐成为国际传感器领域的研究热点。     

近红外光谱用于盐酸左氧氟沙星针剂的定量分析

目前常用的盐酸左氧氟沙星注射液含量的测定方法是高效液相色谱法,但此法不能应用于在线分析。文章利用近红外光谱分析技术分别与偏最小二乘(PLS)以及人工神经网络(ANN)的方法相结合,对同一厂家的35个不同批号的针剂样品分别建立了定量校正模型,并对随机抽取的12个样品进行了预测。首先,利用PLS的方法建立模型,得出模型的决定系数 (R2)和预测集样本的标准偏差(RMSEP)分别为0.964和0.242 8,同时利用小波变换技术对光谱变量进行了高效的压缩,并利用了前馈神经网络建立了盐酸左氧氟沙星针剂的定量分析模型, 利用该模型所得的R2和RMSEP分别为0.944和0.572 2。文章详细比较了两种方法的建模过程,相关参数选取的优化方法,实验结果令人满意,从比较结果来看,PLS方法略优于ANN方法,可以快速准确的给出该针剂的含量,具有无损,简单,快捷的特点,为近红外光谱技术应用于针剂的定量检测提供了一个新的有效方法。     

微型近红外光纤光谱仪用于奶粉中蛋白质脂肪的定量检测研究

提出利用微型近红外光谱仪、结合Y型光纤探头,在900～1 700 nm范围内对奶粉中蛋白质、脂肪含量进行快速、无损检测的漫反射光谱检测方法。基于Unscrambler 9.7化学计量学软件,选择合适的光谱波段,通过PLS算法分别建立了蛋白质、脂肪的校正模型,得到蛋白质、脂肪校正模型的决定系数R2分别为0.987和0.986,均方根误差RMSC分别为0.385和0.419。利用所建模型对预测样本数据集进行预测验证,得到蛋白质的标准差SEP_Protein=0.768、脂肪的标准差SEP_Fat=1.109,表明所建模型具有较高的预测能力,已基本达到实用化要求。     

棉籽油分含量近红外无损检测分析模型与应用

棉花是一种重要的油料作物。建立快速、无损检测棉花种子含油量的方法,对于棉花油分育种工作中的材料鉴定、筛选具有重要意义。利用近红外光谱仪采集118份不同油分含量棉花种籽的近红外漫反射光谱,结合化学方法测定验证,建立了棉籽油分含量快速无损检测的近红外模型。光谱预处理方法采用一阶导数＋多元散射校正(MSC),光谱范围5 446～8 848 cm-1,主成分维数为5,以基本覆盖陆地棉棉籽含油量范围的106份试验材料为校正样品集,利用偏最小二乘法(PLS)建立了棉籽仁油分含量近红外反射光谱(NIR)校正模型。校正模型决定系数R2=0.975,校正标准差SEC=0.67。用外部验证样品集进行外部验证,对所建模型的实际预测能力进行检验。结果表明,油分含量预测值与化学值相关系数r=0.978,预测结果误差范围0.1%～1.7%,建立的模型具有很好的预测性。利用建立的模型对784份育种材料进行了油分含量预测,结果显示,该模型应用可以加快棉花育种材料的油分鉴定。     

可见-近红外光谱的小麦硬度预测模型预处理方法的研究

硬度是评价小麦品质的一个重要质量参数,对小麦的分类、最终用途以及小麦籽粒组成的研究都非常重要。为实现小麦硬度的快速、准确检测,在详细分析小麦籽粒成分对红外光吸收特性的基础上,研究建立径向基函数(RBF)神经网络模型实现对未知样品硬度的准确检测,并着重分析了不同光谱信号预处理方法对模型预测精度的影响。从各小麦主产区收集111个小麦样品,扫描样品获得可见-近红外光谱,采用马氏距离判断并剔除异常光谱;利用优化后的SPXY划分样品集合,得到校正集84个样品,预测集24个样品;利用连续投影算法(SPA)从262个光谱波点中提取47个特征光谱;分别使用一阶导数、二阶导数和标准正态变量变换(SNV)及其不同组合对光谱进行预处理,验证不同预处理方法之间的相互影响,寻找最优的预处理方法组合。校正集预处理后的特征光谱数据作为RBF模型的输入,采用硬度指数法测定的对应样品硬度作为输出建立模型。预测结果显示当采用SNV和SPA处理光谱数据时模型的效果达到最优,评价指标判别系数(R2)、预测标准差(SEP)和相对分析误差(RPD)可分别达到0.90, 3.02和3.11,表明基于可见-近红外光谱的RBF神经网络模型能够准确地预测小麦的硬度,与传统检测方法相比具有方便、快速、无损等优点,为小麦硬度的检测提供一条更为便捷与实用的方法。     

多信息融合的冬小麦地上鲜生物量检测研究

将小麦冠层光谱与小麦冠层图像或者侧面图像进行多信息融合,对冬小麦地上鲜生物量进行预测,提高了冬小麦地上鲜生物量无损检测精度,试验获取苗期93个样本的冠层光谱和冠层图像,中后期(拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期)200个样本的冠层光谱和侧面图像。将光谱反射率作为光谱特征参数,并通过图像处理提取小麦覆盖度作为图像特征参数,建立苗期和中后期基于光谱特征参数和图像特征参数的地上生物量检测模型,将冠层光谱反射率和小麦覆盖度作为多信息融合的输入,利用多元回归分析(MRA)和偏最小二乘法(PLS)建立地上鲜生物量预测模型并进行验证。结果表明,在苗期和中后期,将光谱信息和图像信息融合,采用PLS所建立的预测模型与单独的图像模型和光谱模型相比精度最高。苗期基于信息融合所建立的PLS模型验证集R2为0.881,其RMSE为0.015 kg;中后期基于信息融合所建立的PLS模型验证集R2为0.791,RMSE为0.059 kg。由此可见,相比单一的光谱模型和图像模型,图像信息和光谱信息融合之后,充分提高了光谱信息和图像信息的利用率,使模型的精度得以提高。     

可见/近红外光谱漫透射技术检测西瓜坚实度的研究

西瓜是一种广受世界各国消费者喜爱的水果,坚实度是西瓜的一个重要品质指标,文章利用可见/近红外漫透射光谱技术进行了西瓜坚实度(FM)的无损检测研究。采用偏最小二乘法(PLS)和主成分回归法(PCR)建立了FM与漫透射光谱的无损检测数学模型,对比分析了不同光谱预处理方法(原始光谱%T,一阶微分处理光谱D1(%T ),二阶微分处理光谱D2(%T )以及光谱的Savitsky-Golay法滤波)对模型预测性能的影响。根据模型相关系数(r)及预测平方根标准偏差(RMSEP)进行了不同模型的预测性能对比,结果表明：光谱经二阶微分处理并使用Savitsky-Golay法滤波后,采用PLS法可以得到最好的FM建模结果(r=0.974,RMSEP=0.589 N)。研究表明：应用可见/近红外漫透射光谱技术检测西瓜的坚实度是可行的,为今后快速无损评价大果形厚果皮类水果坚实度提供了理论依据。     

药品近红外光谱通用性定量模型评价参数的选择

为寻找药品近红外通用性定量模型在建立过程中用于确立最优模型的关键评价参数组合,收集整理了目前各种商品化化学计量学软件及文献中的13个常用于评价近红外定量模型的统计学参数,结合人用药品注册技术要求国际协调会对于药品定量分析方法验证基本要求,对92个药品近红外通用性定量分析模型的这些参数进行了计算和分析。通过对各个参数之间相互关系的研究,确定了适合于药品近红外通用性定量分析模型评价的参数组合,并统计出了这些参数的数值范围：用于模型准确性评价的关键参数为交叉验证均方根误差/预测均方根误差、平均相对偏差和相对分析误差;大部分交叉验证均方根误差/预测均方根误差结果在3%以内,其中交叉验证均方根误差在数值上与平均绝对偏差相当,大部分相对分析误差值大于2,而平均相对偏差的数值与所建模型的类型(剂型、样品的包装形式)和待测成分含量的分布有关。模型线性评价关键参数为决定系数;大部分模型的决定系数在80%～100%之间。模型耐用性关键评价参数为预测均方根误差与交叉验证均方根误差的比值,大部分模型该参数在1.5以内。精密度评价关键参数为重复测定结果的标准差;该参数对于规范近红外的操作,以及考核模型能否在不同仪器间传递具有重要的意义,但目前药品近红外通用性定量模型对于分析精密度的关注较少,无法估计出具体数值范围。该研究不仅为药品近红外通用性模型的建立者和使用者提供了评价模型优劣的依据,也为完善药品近红外光谱通用性定量分析模型的参数评价体系提供了基础数据。     

不同生产厂家注射用头孢哌酮钠含量测定的近红外定量模型的建立

采用近红外漫反射光谱法和偏最小二乘回归算法建立了2种测样方式对不同厂家注射用头孢哌酮钠中头孢哌酮的含量进行快速测定的定量分析模型。对9个厂家的19批注射用头孢哌酮钠样品及其降解物中头孢哌酮的含量进行了预测,积分球模型的交叉验证均方根误差(RMSECV)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.636和2.01,光纤模型的交叉验证均方根误差(RMSECV)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.857和3.71。根据ICH指导原则,从专属性、线性、重现性、稳定性、准确性等几个方面对两模型的方法进行了验证,进而说明光纤测样方式建立的模型专属性和适用性均良好,完全可以对不同生产厂家的同一品种的药品进行快速的初步定量分析,适用于药品检验车的快速无损检测。     

涩柿可溶性单宁的可见/近红外漫反射光谱无损检测研究

旨在建立可见/近红外漫反射光谱与涩柿内部可溶性单宁之间的关系,以评价可见/近红外漫反射光谱在测量涩柿内部指标可溶性单宁的应用价值.在可见/近红外光谱区域(570～1848 nm),实验对比分析了不同数学建模算法、不同导数处理方法和不同散射及标准化处理的涩柿可溶性单宁定标模型.结果表明,应用改进偏最小二乘回归算法、一阶导处理和去散射处理所建涩柿可溶性单宁定标模型的预测性能较优,其定标交互验证相关系数(Rcv)和预测相关系数(Rp2)分别为0.722 7和0.678 5,定标交互验证均方根误差(RMSECV)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.148 4和0.176 3.研究表明,可见/近红外漫反射光谱对涩柿可溶性单宁的快速无损检测具有一定的可行性,但模型精度有待提高.     

基于近红外光谱的生药醇提物抗氧化性预测

应用近红外光谱技术,以偏最小二乘算法,计算预测了37种生药药材甲醇提取物的抗氧化活性。以交叉验证相关系数(R2),交叉验证误差均方根(RMSECV)为指标,考察、比较了光谱预处理方法对模型效果的影响,以预测误差均方根(RMSEP)和相对分析误差(RPD)考核了样本的预测效果,采用1,1-二苯基-2-苦肼基(DPPH)法进行了验证。研究表明,采用一阶导数+矢量归一化预处理法和筛选的近红外波段建模,预测性能最优,校正模型的R2为0.896 0,RMSECV为4.35%;预测样本的RMSEP为3.62%,RPD为2.38。近红外光谱分析技术便捷快速,可信度较高,可以用于生药抗氧化性质的整体评价。     

近红外光谱法定量测定小麦粉中的石灰类添加物的研究

小麦粉的质量安全一直备受社会各界关注。在比较生石灰、熟石灰和碳酸钙的近红外光谱特征的基础上,采集了掺入不同含量的生石灰、熟石灰和碳酸钙的小麦粉样品的近红外漫反射光谱。采用偏最小二乘算法结合交互验证算法建立了石灰和碳酸钙的近红外定量校正模型,采用外部检验集对各模型进行外部验证。结果表明,石灰、碳酸钙的模型测定系数(R2)分别为99.80%和96.98%;校正集均方根误差分别为0.19和0.34;交互验证集均方根误差分别为0.26和0.75;预测集均方根误差分别为0.63和0.44;相对预测性能RPD分别为8.57和5.24。模型具有较高的精度,可以满足小麦粉中石灰含量的现场快速检测要求。F检验结果表明,模型的校正集、外部检验集的预测值-化学值之间具有极显著的相关关系。本研究可为小麦粉快速质量安全筛查提供参考方法,对小麦粉质量监控具有重要意义。     

Rapid quantification of stabilizing agents in single-base propellants using near infrared spectroscopy

The standard analytical method (gas chromatography, GC) applied for determination of stabilizing agents including diphenylamine (DPA) and N,N′-Dimethyl carbanilide (C₂) in single-base propellants always costs too much time and toxic regents, and forms harmful wastes. This study investigated the feasibility of using near infrared (NIR) spectroscopy as a fast and green substitute. The samples were partitioned into calibration and validation subsets using the joint x–y distance (SPXY) algorithm. The backward interval partial least squares (biPLS) algorithm was used for wavenumber region selection during the model development. The correlation coefficient of validation (R_val), the root mean square error of prediction (RMSEP) and the ratio of standard deviation of the validation set to standard error of prediction (RPD) of the developed models were 0.987, 0.201 and 5.29 for DPA, and 0.976, 0.227 and 6.12 for C₂, separately. The repeatability of the NIR methods satisfied the requirement of the standard method. The results showed that the developed NIR models exhibited good predictive performance and repeatability, and would have a promising future in predicting stabilizing agents content of single-base propellants due to high speed, convenience and no pretreatment.     

氯化钠近红外光谱检测技术研究

氯化钠(NaCl)近红外光谱分析在生物医学上有着重要的意义。钠离子(Na+)是人体血液中电解质的主要成分,而电解质有助于维持身体的酸碱平衡。采用近红外光谱技术测量氯化钠浓度,在分析钠离子近红外光谱检测机理的基础上,选定波长建立了NaCl浓度线性回归预测模型,同时为了减小温度对水吸收的扰动,使用选定光谱区建立偏最小二乘(PLS)非线性回归模型。结果表明所建立的非线性校正模型决定系数(R2)=99.82%,交叉验证均方误差(RMSECV)=14.5,剩余预测偏差(RPD)=23.7。完全满足日常生化检测精度要求,该技术可以应用于医院实验室钠离子浓度定量分析。     

近红外光谱测定茶叶中茶多酚和茶多糖的人工神经网络模型研究

为了建立近红外光谱测定茶叶中茶多酚和茶多糖的模型,应用了人工神经网络方法,选择了7 432.3～6 155.7 cm-1和5 484.6～4 192.5 cm-1特征光谱范围,以网络结构参数的输入层、隐层、输出层神经元数目分别为(8,4,1)和(7,5,1)来建立茶多酚和茶多糖的测定模型,模型的结果表明建模的茶多酚和茶多糖的ｒ,RMSECV,RSECV分别为0.984 7,0.460,0.123和0.947 0,0.136,0.224;预测集的ｒ,RMSEP,RSEP则分别为0.980 4,0.529,0.017和0.968 2,0.111,0.030。由此说明建立的近红外光谱-人工神经网络模型可用于预测茶叶中茶多酚和茶多糖的含量。     

近红外光谱分析中的高斯过程回归方法

将高斯过程算法引入化学计量学领域,用于挖掘近红外光谱与被测物组分之间的复杂关系.为增加模型的稳健性,首先采用了蒙特卡罗交叉验证方法以去除异常样本,而后多元散射校正、平滑、导数等方法被用于模型的预处理.近红外光谱在经过无信息变量去除算法处理后,在保留有用信息的基础上大大缩减了波长点数,以这些特征波长点作为输入建立的分析模型更具有解释能力和稳健性.为验证算法的有效性,使用了一组公开的数据集,它包含了80个玉米样品的近红外光谱以及油、淀粉、蛋白质的含量值.GP回归算法被用于分析这三种组分的含量,所得模型的评价指标分别采用校正、校正集交叉验证均方根误差、预测均方根误差以及各自的相关系数.结果显示,模型的校正相关系数r达到0.99以上,预测时的相关系数r也在0.96以上,验证了该算法的有效性.     

近红外光谱检测蜂蜜中可溶性固形物含量和水分的应用研究

提出了一种利用近红外光谱技术定量分析蜂蜜中可溶性同形物含量(SSC)的新方法,同时对蜂蜜中的水分也进行了研究.在不同光谱范围内,通过对原始光谱的不同预处理,用偏最小二乘法分别建立了SSC和水分的近红外透反射光谱校正模型,所有模型都有高的的预测精度和水分的最优模型都为在全谱范围内,光谱预处理采用Norris平滑+一阶微分+多元信号校正,SSC模型的交互验证决定系数(RCV2)、交互验证误差均方根(RMSECV)、验证集决定系数(RP2)、验证误差均方根(RMSEP).SSC模型分别为0.998 6,0.190,0.998 5和0.127,水分模型分别为0.998 4,0.187.0.998 6和0.125.近红外光谱能实现蜂蜜中SSC和水分的准确测定.水分模型预测结果略好于相关文献的报道.