基于高光谱的牛奶中真蛋白质含量反演

牛奶蛋白质的分析和监测是奶制品行业中不可或缺的环节利用可见光/近红外反射光谱(350~2 500nm)进行纯牛奶中真蛋白质含量的快速定量反演。分别通过ASD地物光谱仪和CEM真蛋白质测定仪采集牛奶样本的反射光谱数据以及蛋白质含量数据,对比分析不同的光谱预处理方法和波段筛选方法,得到特征波段,最后利用主成分回归(PCR)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)模型建立牛奶反射光谱和蛋白质含量之间的定量校正模型,并对其预测能力进行比较,从而确定最优的牛奶中真蛋白质含量反演模型。实验结果证明:(1)比较不同光谱预处理方法,发现多元散射校正与二阶微分联合使用效果较好;(2)相对于全光谱建模,适当的特征变量优选有助于提高建模精度,缩短建模时间;(3)PCR的验证集决定系数R2P为0.952 2,验证集均方根误差RMSEP为0.048 7,而LS-SVM的R2P为0.958 0,RMSEP为0.048 2,其预测精度要优于PCR。研究表明,可见光/近红外高光谱反射率数据可以为牛奶真蛋白质含量的检测提供一种快速、无损的新方法。     

大容量长距离传输用低非线性效应非零色散位移光纤

利用非等温等离子体化学气相沉积 (PCVD)工艺制备了一种适合于大容量高速率长途干线网与城域网的中芯下陷型纤芯结构非零色散位移光纤。该光纤的有效面积大于 95 μm2 ,在 15 5 0nm波段的色散值约为9ps/(nm·km) ,有效的抑制了传输过程中光非线性效应的产生。通过对光纤剖面结构的优化设计 ,光纤的 15 5 0nm处的传输损耗降到约 0 .2 1dB/km ,与传统单模光纤的熔接损耗低于 0 .11dB ,且在直径为 6 0mm圆筒上绕 10 0圈后在 14 6 0nm到 16 2 5nm波长范围所引起的附加弯曲损耗均低于 0 .0 2dB/km。同时 ,该光纤色散斜率低于0 .0 6 5 ps/(nm2 ·km) ,偏振模色散 (PMD)小于 0 .0 5 ps·km-1/2 。此外 ,由于光纤的零色散点移到了 14 30nm以下 ,使波分复用 (WDM)传输在S波段 (14 6 0～ 15 30nm)、C波段 (15 30～ 15 6 5nm)、L(15 6 5～ 16 2 5nm)波段上都兼容。     

高光谱技术结合特征波长筛选的牛肉品种多波段识别

利用可见/近红外(400～1 000 nm)及近红外(900～1 700 nm)高光谱成像技术结合特征波长筛选方法对安格斯牛、力木赞牛、西门塔尔牛3个品种的牛肉进行鉴别研究,且测定肉样的色泽、嫩度、pH值以及水分、脂肪、蛋白质含量。根据不同波段光谱的特点,分别对原始光谱进行预处理,并利用SPA、IRF和IRF-SPA方法筛选特征波长,建立基于全波段及特征波长下的PLS-DA牛肉品种鉴别模型。结果显示:400～1 000 nm波段采用SNV-IRF-SPA-PLS-DA方法建立的模型最优,校正集与预测集准确率分别为98.56%和97.12%,900～1 700 nm波段采用SG-SPA-PLS-DA方法建立的模型准确率为94.09%和96.04%,说明不同波段高光谱对牛肉品种识别均有较好的效果;400～1 000 nm波段的识别准确率优于900～1 700 nm,说明3种牛肉在色泽纹理上的差异比成分含量显著。研究表明,利用高光谱成像技术结合特征波长筛选方法能够获得较好的牛肉品种鉴别效果。     

可见-近红外光谱的螺旋藻生长品质指标快速无损检测

为了实现微藻生长过程品质指标的快速无损检测，提出了可见-近红外光谱技术检测不同红蓝光源组合培养条件下螺旋藻中叶绿素a和蛋白质的含量。采集不同含量红光和蓝光组合下螺旋藻在325～1 075 nm波段范围内的光谱信息，其中红光与蓝光的含量组合分别是(100%，0%)，(90%, 10%)，(70%，30%)，(50%, 50%)。同时测量叶绿素a和蛋白质的含量，建立偏最小二乘(PLS)预测模型。分别基于连续投影算法(SPA)选择了用于叶绿素a和蛋白质预测的特征波长，分别得到5个(404，440，518，662和875 nm)和4个(411，531，602和1 047 nm)特征波长。基于特征波长建立了PLS和多元线性回归(MLR)预测模型，SPA-MLR模型中叶绿素a和蛋白质预测集相关系数(correlation coefficient, R_p)分别是0.949和0.974，均方根误差(RMSEP)分别是0.018 8和0.006 74。结果表明：可见-近红外光谱检测螺旋藻藻体中叶绿素a和蛋白质含量是可行的，通过测量螺旋藻的光谱结合化学计量学方法可以实现对螺旋藻生长状况的检测。     

短波近红外光谱的整粒小麦蛋白质PLS方法的定量分析

利用漫反射法获得的整粒小麦短波近红外光谱(833～1111nm),采用化学计量学中的偏最小二乘法(PLS)方法,选取不同的波长范围对光谱进行信息提取和分析,给出了不同因子数时PLS方法进行蛋白质分析的结果及其因子数与预测标准偏差平方和(PRESS)关系曲线,确定了最佳回归因子数。并通过选取最佳回归因子和不同波段,对整粒小麦的蛋白质成分进行了定量分析,比较了不同波长范围对分析的影响,并从中获得了较好的预测结果,实验表明,合理选择光谱范围可减少非主要信息的干扰,并以此来提高成分分析精度的方法是切实可行的,在实际应用中有一定的参考价值。     

基于近红外光谱两种植物油过氧化值通用模型研究

过氧化值的快速、准确检测对食用油脂的品质及其食品安全控制具有重要意义。近红外光谱技术是一种理想的过氧化值测量手段,但校正模型的建立需要耗费大量的资源。旨在通过近红外光谱信息与油脂过氧化物间的关系分析,探索对不同种类、不同等级植物油建立同一校正模型的可行性,以不同等级的大豆油和菜籽油为研究对象,结合二维相关光谱技术对两种植物油的近红外光谱进行分析,通过间隔偏最小二乘法选择过氧化值通用模型的最佳检测波段,考察了正交信号校正(OSC)、标准正态变量变换(SNV)和二阶导数(SD)对两种植物油过氧化值校正模型的影响,比较了主成分回归(PCR)、偏最小二乘法(PLS)和支持向量机回归(SVR)三种建模方法的预测效果,构建了大豆油(一级+三级)、菜籽油(一级+三级+四级)、一级油(大豆油+菜籽油)、三级油(大豆油+菜籽油)四种通用模型。结果显示:(1)近红外光谱能够检测植物油过氧化值的变化情况,对应的光谱信息主要分布于1 700～2 200 nm区域;(2)通用模型最佳的波段、预处理方法和建模方法分别为1 700～2 200 nm、 SD法和PLS法;(3)四种通用模型中一级植物油(大豆油和菜籽油)的过氧化值通用模型具有较好预测结果,其预测均方根误差(RMSEP)、决定系数(R~2)分别为0.412和0.920,与一级的大豆油和菜籽油单一模型相比,预测精度相差不大。研究表明生产工艺过程相差不大的一级植物油间有可能建立准确性高的通用模型。此外,为了扩展通用模型的性能,需要不断用新产品对模型进行及时更新。     

基于线性回归算法的春玉米叶面积指数的冠层高光谱反演研究

利用辽宁锦州地区2013年生长季不同土壤水分控制条件下的春玉米冠层高光谱数据,及对应的植株叶面积指数(leaf area index,LAI)数据,分析在不同发育期内不同生长状况下的春玉米冠层高光谱特征及其与植株叶面积指数的关系。采集并计算共313组有效样本,包括350~2 500nm波段范围光谱的反射率、反射率倒数的对数、反射率一阶导数及LAI,应用多元逐步线性回归法和偏最小二乘回归法,对剔除了受大气水分影响较为严重光谱波段的其他波段数据进行降维,构建叶面积指数的全波段冠层高光谱数据模型,并进行精度检验与比较。结果表明,春玉米LAI与光谱反射率在可见光波段(350~680nm)、红外波段(1 430~1 800和1 950~2 450nm)均呈显著的负相关;反射率倒数的对数在对应区间为显著的正相关;反射率一阶导数则在可见光和近红外波段(350~1 350nm)存在较显著相关波段。三种全波段冠层高光谱数据在春玉米LAI的线性回归中,偏最小二乘法在以冠层反射率为自变量的模型构建中,比多元逐步线性回归拟合度好,其总均方根误差为0.480 7;以冠层光谱反射率的倒数的对数及一阶导数为自变量,应用逐步线性回归法建模,拟合度较好,其总均方根误差分别为0.333 5和0.348 8;三种光谱数据的春玉米LAI两种回归算法中,以冠层反射率倒数的对数为自变量,应用逐步线性回归方法建模的拟合度最佳。     

近红外光谱对贮藏期猕猴桃不同深度果肉色泽的变化研究

猕猴桃是我国发展势头和经济效益比较突出的水果之一,其果肉色泽是评价猕猴桃果实品质的重要指标。利用近红外光谱技术对贮藏期猕猴桃不同深度果肉色泽的变化进行研究。以贮藏期"哑特"猕猴桃果皮下0, 5和10 mm处果肉色泽(L~*, a~*和b~*)为研究对象,用近红外光谱(830～2 500 nm)结合化学计量学方法对猕猴桃果肉色泽特征进行预测分析。通过建立基于全波段的偏最小二乘回归(PLSR)模型,发现猕猴挑果皮下5 mm处色泽特征(L~*_5, a~*_5, b~*_5)所建立的校正预测模型效果好,说明该处的色泽数据和近红外光谱信息的相关度较高。运用竞争性自适应重加权采样法(CARS)和无信息变量消除法(UVE)两种算法从高维近红外光谱全波段信息中选取与颜色特征相关的特征波长信息,并与猕猴桃果皮下5 mm处的色泽(L~*_5, a~*_5, b~*_5)分别建立PLSR和多元线性回归(MLR)预测模型。其中对果肉色泽L~*_5所建立的模型中, CARS-PLSR模型的校正和预测效果均为最好,R_C达到0.942 7, RMSEC为1.699 7,R_P达到0.885 0, RMSEP为1.642 4;对猕猴桃果肉色泽a~*_5所建立的模型中, UVE-MLR模型的校正和预测效果最好,R_C达到0.946 3, RMSEC为0.342 4,R_P达到0.854 9, RMSEP为0.629 6;对猕猴桃果肉色泽b~*_5所建立的模型中, CARS-MLR模型的效果最好,R_C达到0.944 3, RMSEC为1.010 1,R_P达到0.839 8, RMSEP为1.354 3。研究表明近红外光谱分析技术检测猕猴桃果皮下5 mm处色泽(L~*_5, a~*_5和b~*_5)具有良好的准确度,为猕猴桃品质评价提供技术支撑。     

基于光谱分析与角度斜率指数的植被含水量研究

植被含水量是植被生长状态的重要指示因子,是农业、生态和水文等研究中的重要参数,其诊断对于监测自然植被群落的干旱状况、预报森林火灾等都具有重要意义。通过对植被光谱反射率与植被含水量的相关性分析,发现植被波谱不同波段的光谱反射率与植被含水量的相关性差异很大,其中可见光红光波段(620~700 nm)、近红外波段(800~1 350,1 600~1 950,2 200~2 400 nm)的光谱反射率与植被含水量具有较好的相关性,选取了660,850,1 630和2 200 nm的光谱反射率作为RED,NIR,SWIR1和SWIR2的波段值来建立角度斜率指数;分析了植被含水量与角度斜率指数的关系,将角度斜率指数(SANI,SASI,ANIR)作为反演植被含水量的参量,建立植被含水量与角度斜率指数之间线性回归模型。通过对近红外角度指数ANIR改进,提出了近红外角度归一化指数NANI(near infrared angle normalized index)与近红外角度斜率指数NASI(near infrared angle slope index),建立植被含水量与NANI和NASI之间线性回归模型,结果显示:NANI与Palacios-Orueta等提出的角度斜率指数(SANI,SASI,ANIR)相比有一定的优势,模型可决系数R~2从原最高0.791提高到0.853,RMSE也从原最小0.047降低到0.039。确定了NANI为反演植被含水量的最佳角度斜率指数,并建立了植被含水量反演模型。该研究主要创新点:在前人研究成果基础上,通过对原角度斜率指数的改进,提出了NANI和NASI角度斜率指数,使其在植被含水量反演上具有更高的精度。     

SVM回归法在近红外光谱定量分析中的应用研究

研究了基于统计学习理论的支持向量机（SVM）回归法在近红外光谱定量分析中的应用。以66个小麦样品为实验材料,由33个小麦样品作为校正样品,采用4种不同核函数方法对小麦样品蛋白质含量与小麦样品近红外光谱进行SVM回归建模。以所建4种不同SVM回归模型对33个小麦预测样品的蛋白质含量进行了预测;不同回归模型的预测结果与凯氏定氮法确定的蛋白质含量的标准化学值间的相关系数均在0．97以上,平均绝对误差小于0．32。为了考察SVM回归校正模型的预测效果,同所建PLS回归模型的预测结果进行了比较,表明所建预测小麦样品蛋白质含量的SVM回归模型亦可通过近红外光谱进行实际样品的定量分析,且有较好的分析效果。     

烤烟的近红外光谱检测模型

对杀青烟叶蛋白质和水溶性总糖含量的光谱检测,发现近红外光谱（1100-2500nm）的检测模型优于可见-近红外光谱（350-2526nm）,烟粉检测模型优于片状烟叶的检测模型.通过对烟叶全部光谱数据不同的预处理来探究其蛋白质和水溶性总糖的近红外光谱的检测模型,并利用近红外有效波长对施木克值的含量进行预测.利用偏最小二乘法（PLS）通过训练集的交叉验证建立回归模型,结果表明：（1）对原始光谱进行二阶导数变换后,得到蛋白质含量预测模型的预测集r=0.9768、RMSE=0.6843;（2）对原始光谱每隔51个点进行移动平滑处理及主成分数为8时,水溶性总糖含量预测模型的预测集r=0.9495、RMSE=0.9049;（3）基于82个波长对施木克值的预测模型的预测集r=0.9356、RMSE=0.1060.     

基于近红外光谱的腐乳白坯硬度检测研究

考察了硬度与腐乳白坯中水分含量和蛋白质含量的相关关系,探讨了利用近红外光谱技术检测白坯硬度的可行性.通过水分以及蛋白质的相关吸收峰建立预测白坯硬度的数学模型;在建模过程中重点讨论了多元散射校正(MSC)、一阶求导和波段选择等优化处理对建模的影响,利用偏最小二乘法得到的最优模型的建模相关系数r=0.935,建模标准差RMSEC=0.019 3,预测标准差RMSEP=0.023 6,其分级正确率达到94.72%;利用主成分分析法结合判别分析法建立的定性判别模型,分级正确率也达到了90.12%.上述分级结果均好于感观评价的方法,表明近红外技术可以实现白坯硬度的快速无损检测.     

近红外漫反射光谱检测赣南脐橙可溶性固形物的研究

研究了应用可见-近红外漫反射光谱技术快速检测赣南脐橙可溶性固形物的方法.以40个赣南脐橙为标准样本,利用漫反射光谱测定法获取完整赣南脐橙的可见-近红外光光谱(350～2 500 nm),采用多种光谱校正算法,选取不同的光谱波段范围对水果样本的漫反射二阶光谱进行有效信息的提取和分析,并结合偏最小二乘法和主成分回归等定量校正方法,建立了赣南脐橙可溶性固形物的定量数学模型.实验结果为:在361～2 488 nm波段范围内,偏最小二乘法校正模型的预测精度最好,校正模型的相关系数为0.929,校正标准偏差和预测标准偏差分别为0.517,0.592,其预测集样本的预测值与真实值的相关系数为0.791.实验结果表明:应用近红外漫反射技术对赣南脐橙可溶性固形物的快速无损检测具有可行性.     

紫外光谱法预测烤烟烟叶中的全氮

利用紫外光谱法测量不同等级烤烟烟叶的光谱,对样品在190～1 100 nm波长范围进行扫描,比较其光谱之间的差异.并利用多元分析中的逐步回归法、主成分分析法和偏最小二乘法来建立烤烟烟叶全氮含量的光谱预测模型.结果表明:(1)用多元分析中的逐步回归法、主成分分析法适合建立全氮预测模型;(2)在230～290 nm波长范围内建立不同等级烤烟的全氮模型,且模型效果较好;(3)主成分分析法预测烤烟烟叶全氮模型的准确性比逐步回归法预测烤烟烟叶全氮模型的准确性要好得多,且用主成分分析法预测烤烟烟叶全氮模型的准确性为78%;(4)不同的数据处理方法,得出的预测模型是不同的;(5)通过选择恰当的全氮特征谱线可以提高预测模型的准确性.说明可以用紫外光谱来预测烤烟全氮的含量,且该模型稳定性好,可用来快速、准确、无污染地测量烟草中的全氮含量.     

水果表面农药污染的可见／近红外光谱识别法

以表面经过喷施不同浓度农药后的脐橙为研究对象,采用可见／近红外漫反射光谱技术定性检测脐橙农药污染的程度。采集脐橙350～1800nm范围的光谱。应用多元散射校正（MSC）,标准正态变量（SNV）变换,一阶微分和二阶微分四种不同预处理方法,分别在430～1000nm、10001800nm和430～1800nm三个光谱范围内建立识别脐橙污染程度的偏最小二乘法（PLS）数学模型。比较分析得出试验结果：波谱范围取430～1000nm,采用一阶微分的预处理方法时应用PLS校正方法的结果最优,其预测值和真实值之间的相关系数和预测均方根误差分别为0．9830和0．1482。研究结果袁明。可见／近红外漫反射光谱技术可以定性检测脐橙的农药污染程度。     

Selection of optimal combinations of inputs in a partial least squares model for prediction of soil organic matter

Abstract

Partial least squares model is widely used in estimation of soil physical and chemical parameters such as soil organic matter and moisture content, due to its advantages in dealing with collinearity of variables like hyperspectral reflectance. However, it is hard to determine optimal combination of partial least squares model input for soil organic matter prediction since there are lots of possibilities such as, different mathematical transformation of spectral reflectance, wavelength ranges, and spectral resolution. Laboratory hyperspectral reflectance of soils in Songnen plain were analyzed in this study, and the orthogonal experimental design method for deriving optimal combination of input variables for soil organic matter prediction models was introduced. For intercalating orthogonal experimental design table, five different levels which commonly used by researchers were assigned to factors. Results show that the optimal combination input for single black soil is using the derivative logarithmic reciprocal reflectance in the wavelength range selected by multiple stepwise regression at a spectral resolution of 5?nm (R²=?0.95, RMSE?=?0.21, and RPD?=?4.49), and different soils is using continuum removed in the wavelength range selected by MSR at a spectral resolution of 5?nm (R²?=?0.77, RMSE?=?0.74, and RPD?=?2.08). With optimal combination input, the partial least squares model prediction ability was evaluated as excellent for single black soil, possible for different soils. This study illustrates the orthogonal experimental design method can be an effective way to identify the optimal input variables of a partial least squares model for soil organic matter prediction, and multiple stepwise regression can be a preprocessing step to reduce hyperspectral data redundancy before using partial least squares to predict soil organic matter. Overall, this study provides a new approach for determining optimal input of partial least squares predicting model.     

小型宽波段凹面全息光栅单色仪的优化设计

随着户外物性分析实验的日渐增多,开发轻小型、便携式,且响应波段范围宽的光谱仪器的需求越来越迫切。根据凹面全息光栅均方根优化理论,设计了一款轻小型宽波段单色仪。该单色仪主要由三块IV型凹面全息光栅和上下两层可旋转的平台组成,三块光栅对称地固定于上层平台上,由一台步进电机带动上层平台旋转实现光栅之间的切换,另一台步进电机带动下层平台旋转实现单块光栅的扫描。三块光栅的响应波长范围分别为400～1000,1000～1700和1700～2500nm,其理论分辨极限分别优于2.5,2.8和4.0nm。并对三块光栅的制作误差和双层平台结构误差进行了分析,结果表明,在能够保证的误差范围内,该单色仪的光谱质量可以较好地满足户外光谱分析的要求。     

VO_2薄膜Vis-NIR及NIR-MIR椭圆偏振光谱分析

采用射频磁控溅射在石英玻璃基底上反应溅射制备单斜相(M相)VO_2薄膜.利用V-VASE和IR-VASE椭圆偏振仪及变温附件分别在0.5—3.5 eV(350—2500 nm)和0.083—0.87 eV(1400—15000 nm)入射光能量范围内对相变前后的VO_2薄膜进行光谱测试,运用逐点拟合的方式,并通过薄膜的吸收峰的特征,在0.5—3.5 eV范围内添加3个Lorentz谐振子色散模型和0.083—0.87 eV范围内添加4个Gaussion振子模型对低温态半导体态的薄膜椭偏参数进行拟合,再对高温金属态的薄膜添加7个Lorentz谐振子色散模型对进行椭偏参数的拟合,得到了较为理想的拟合结果.结果发现:半导体态的VO_2薄膜的折射率在近红外-中红外基本保持在最大值3.27不变,且消光系数k在此波段接近于零,这是由于半导体态薄膜在可见光-近红外光范围内的吸收主要是自由载流子吸收,而半导体态薄膜的d//轨道内的电子态密度较小.高温金属态的VO_2薄膜的折射率n在近红外-中红外波段具有明显的增大趋势,且在入射光能量为0.45 eV时大于半导体态的折射率;消光系数k在近红外波段迅速增大,原因是在0.5—1.62 eV范围内,能带内的自由载流子浓度增加及电子在V_(3d)能带内发生带内的跃迁吸收,使k值迅速增加;当能量小于0.5 eV时k值变化平缓,是由于薄膜内自由载流子浓度和电子跃迁率趋于稳定所致.     

宽光谱棱镜型太阳光谱仪设计

为实现大气层外太阳光谱辐照度(SSI)变化的长期例行监测,设计了一种星载宽光谱太阳光谱仪结构。全系统仅使用单片折反式曲面棱镜实现太阳光谱250～2500 nm的分光,并通过棱镜转动实现谱平面上多探测器的同步扫描探测;同时基于Huygens子波点扩展函数（PSF）仿真了光谱仪的光谱响应函数（SRF）和光谱分辨率。分光棱镜在±2.5°扫描转角内的全谱段子午像差小于8μm;光谱分辨率在紫外谱段(250～400 nm)为0.7～3.5 nm,可见/近红外谱段(400～1000 nm)为3.5～35.0 nm,短波红外谱段(1000～2500 nm)内为28.5～41.2 nm。整个系统结构简单紧凑,性能稳定可靠,分光和像差校正能力满足大气层外太阳光谱辐照度长期监测需求。     

Optical absorption properties of Ge-Sb-Te films

The optical properties of monolayer Ge2Sb2Te5 thin films with three different thicknesses prepared by dc magnetron sputtering method at the range of 400 - 800 nm were studied. The optical absorption coefficients and the optical energy gap (Eg) were calculated. The results gave values for the absorption coefficients in the range of (1.3 - 7.5) × 105 cm-1 which were in the high absorption wavelength region of 400 - 800 nm. The optical energy gaps were 0.684, 0.753 and 0.810 eV corresponding the films thicknesses of 57, 88 and 127 nm, respectively, showing the characteristic of increasing with the increase of the film thickness.