蛋白饲料原料粗蛋白含量近红外光谱模型转移研究

建立良好的蛋白饲料近红外光谱定量分析模型及实现在不同仪器间的模型共享,能极大提高模型的利用效率,满足饲料行业快速发展的需要。针对蛋白饲料原料粗蛋白含量近红外分析模型适用性问题,首次采用光谱差值转移、直接校正和分段直接校正法进行了三台不同类型的近红外光谱仪之间的模型转移研究。实验样品为四种蛋白饲料原料：玉米蛋白粉、菜粕、酒糟和鱼粉。实验仪器包括MATRIX-Ⅰ傅里叶变换型近红外光谱仪(主仪器),Spectrum 400傅里叶变换型近红外光谱仪(从仪器1)和SupNIR-2750光栅扫描型近红外光谱仪(从仪器2)。研究表明,同一样品体系在主仪器和从仪器2上所得光谱数据的差异性相对较小,且均与从仪器1所得光谱数据的差异性相对较大。除分段直接校正法对玉米蛋白粉从仪器2的预测结果无促进作用之外,其他模型的预测均方根误差和系统偏差均明显低于转移前。玉米蛋白粉、菜粕和酒糟样品采用三种方法转移后的模型预测相对分析误差(RPD)均大于3.0,预测效果良好。鱼粉样品模型转移后的预测RPD均大于2.5,预测效果较好。三种方法对于蛋白饲料原料不同仪器间的光谱差异进行了有效校正。该研究结果对于蛋白饲料品质近红外快速分析模型的广泛应用具有重要意义。     

不同傅里叶近红外仪器间(积分球漫反射测量)的模型传递及误差分析

模型传递是近红外光谱分析技术中一个关键的共性基础技术问题,通过在同一工作原理的两台仪器之间寻求可行的数学方法, 使得在一台仪器上建立的模型能够应用于另外一台仪器样品光谱响应的预测,对近红外技术的实际应用具有重要意义。以150份烤烟作为试验样品,以两台布鲁克公司MPA近红外光谱仪,一台热电公司Antaris近红外光谱仪作为研究对象,通过积分球漫反射检测技术获得光谱数据。采用一阶导数(first-order derivative,1st Der)和标准正态变量变换(standard normal variate, SNV)对光谱数据进行处理分析,计算不同仪器间光谱的残差值、残差一阶矩、残差信号概率密度和最大信噪比等参数,并采用偏最小二乘法(partial least squares, PLS)建立烤烟总糖含量数学模型,检验模型传递效果。结果表明,一阶导数具有降低残差一阶矩,将仪器偏差信号转换为标准高斯分布的优点,但同时会降低信噪比。标准正态变量变换同样可以降低一阶矩,同时可大幅度提高信噪比,但无法将仪器偏差信号转换为标准高斯分布,需要进一步的信号处理。一阶导数与SNV相结合可保留两种方法的优点,同时在一定程度上弥补每种方法单独处理的缺点,是一种可以消除以积分球漫反射作为光谱测量方式的因仪器厂家或型号不同、使用年限不同等原因所产生的噪声的处理方法,可实现傅里叶型近红外光谱仪之间的模型传递效果的明显改善。     

两种近红外光谱仪的番茄可溶性固形物含量定量模型比较研究

以番茄可溶性固形物含量(SSC)的无损速测为例,分别采用线性渐变分光(LVF)、数字光处理(DLP)近红外光谱仪对大、小番茄采集近红外光谱数据;分别基于两种近红外光谱仪数据计算大、小番茄平均光谱及差谱,并比较两种近红外光谱仪所采集大、小番茄近红外光谱数据的特征;对两种近红外光谱仪的数据分别进行主成分分析(PCA),并比较了大、小番茄前3主成分的得分分布;按SSC梯度对数据进行分级,采用偏最小二乘(PLS)回归结合全交互验证算法分别基于两种近红外光谱仪数据建立番茄SSC定量校正模型。结果表明：(1)大、小番茄LVF近红外光谱的平均光谱及其差谱的光谱特征分别与DLP近红外光谱的平均光谱及其差谱的光谱特征相似。(2)大、小番茄LVF近红外光谱数据PCA前3主成分得分散点分离趋势不明显,而DLP近红外光谱数据PCA前3主成分得分散点基本上不具有分离趋势。(3)基于LVF近红外光谱数据所建各模型的相对预测性能(RPD)皆不低于2.11,其中标准化预处理所建模型具有最佳性能,模型维数(N_f)、校正测定系数(R_C²)、校正均方根误差(...     

DS算法在近红外光谱多元校正模型传递中的应用

模型传递问题是近红外光谱分析技术中一个关键的共性基础技术问题。模型传递通过在同一型号的两台仪器之间寻求一种变换关系,使得在一台仪器上建立起的模型能够应用于另外一台仪器样品光谱响应的预测。文章将直接校正(direct standardization,DS)算法应用于化学计量学多元校正中的模型传递,并研究了模型转换集样品的选择方法。在两台AOTF近红外光谱仪上进行了模型传递实验,首先采用Kennard/Stone算法选择转换集样品,然后采用DS方法进行模型传递。实验结果表明采用DS算法取得了较好的模型传递效果。DS算法不仅可以应用于不同仪器之间的光谱分析模型传递,而且该方法对于同一仪器的长时间漂移或者由于部件的更换、测量环境的改变等引入的光谱差异校正也是适用的。     

基于便携式近红外光谱仪的重金属离子定量分析研究

近红外光谱分析技术凭借分析速度快、样品预处理简单等特点,被广泛用于农业、医药、环境、石油化工等领域。为实现高效率的现场检测,便携式的近红外光谱仪越来越备受关注。由于近红外光谱分析技术能够对多组分同时进行测定,因此在该研究中使用便携式近红外光谱仪探索同时对稀溶液中多种重金属离子定量分析的可行性。使用胺基改性聚合淀粉富集水中的镍离子和铜离子,然后使用便携式近红外光谱仪直接采集胺基改性聚合淀粉的近红外漫反射光谱,再借助光谱预处理方法和偏最小二乘回归法建立模型,最后通过交叉验证和外部验证证明所建立模型的稳定性。结果表明,在其他干扰离子存在下,氨基改性聚合淀粉仍能分别以99.5%和99.8%高效率地富集稀溶液中的镍离子和铜离子。便携式光谱仪采集的近红外漫反射光谱分别经连续小波变换和多元散射校正结合卷积求导光谱预处理之后,使用偏最小二乘回归能够得到相关系数分别为0.981 9和0.965 4的稳健模型,实现了对稀溶液中镍离子和铜离子的同时测定,并且检测到的镍离子和铜离子的最低浓度均为3.0 mg·L-1。该方法不仅提高了近红外光谱分析技术的检测灵敏度,同时也表明了便携式近红外光谱仪对多种重金属离子同时定量分析的可行性,是一种拓宽近红外光谱分析技术的有益探索。     

基于近红外光谱的北方潮土土壤参数实时分析

选取中国北方潮土作为研究对象,探索利用近红外光谱分析技术分析土壤参数的可行性和可能性。从一块试验麦田共采集了150个土样,土样在采集回试验室后,在保持其原始状态的条件下利用傅里叶变换近红外光谱仪迅速测定了其近红外光谱。近红外光谱变量为原始吸收光谱和一阶微分光谱,分析的土壤参数有土壤水分、有机质和全氮的含量。对于土壤水分,在相关分析的基础上建立了一元线性模型,所采用的波长为1 920 nm,模型的相关系数达到0.937,模型可以直接用于土壤水分的实时预测。对于有机质和全氮含量建立了多元回归模型,有机质预测模型所采用的波长是1 870和1 378 nm,全氮预测模型所采用的波长则是2 262和1 888 nm。分析结果表明土壤有机质和全氮含量可以利用田间土样的近红外光谱特性进行分析和检测,建立的线性模型是有效的。     

实木板材抗弯强度的SWCSS-GFK-SVM数据迁移建模方法

木材的抗弯强度是木材重要的力学指标。光谱分析操作简单、方便、快速,已成为木材检测的重要手段。但是在应用中,面对检测环境的温湿度变化、仪器部件老化和附件更换等情况,采集到的光谱数据会发生一定程度的偏移。为了解决这一问题,以落叶松抗弯强度的近红外光谱预测模型为研究对象,针对不同类型光谱仪数据差异而导致主机模型泛化能力差的问题,提出了一种迁移学习与光谱转移校准结合的近红外光谱建模方法。加工200组落叶松板材试件样本,以NIRQuest512光谱仪为主机、One-chip微型集成光谱仪为从机,分别采集落叶松试材光谱数据,利用力学万能测试机检测试件力学真值;2类数据经过SNV、S-G、光谱剪切预处理后,从机数据使用PDS转移校正完成从机到主机光谱线性变换;然后,利用SWCSS对2类光谱数据进行特征提取,优选出主机与从机相关的稳定性一致光谱波段;最后,采用100组试件的2类近红外光谱数据进行GFK-SVM建模,得到适用于主机、从机设备的通用模型。为了验证模型方法的有效性,应用100组数据进行测试并对比了DS-PLS,PDS-PLS,DS-SWCSS-GFK-SVM和PDS-SWCSS-GFK-SVM等建模方法;结果表明,PDS采用了滑窗技术,方法相较DS方法可以更好地完成光谱数据的线形映射,在一定程度上提高了建模精度,统一了两组光谱仪之间的光程与波长数;SWCSS特征提取方法能够根据2组光谱数据集之间的差异与共性优选波段,保证特征选择的有效性与稳定性,提升建模精度;GFK-SVM适合不同光谱数据的迁移,能够通过合理的核函数参数优选实现不同类型光谱数据的高维映射,在高维空间中构建不同数据集的通用模型,实现主机模型在从机光谱预测上的泛化,提升了数据的使用效率,测试集相关系数R_p达到0.875,均方根误差RMSEP为11.975。     

宽波段高光谱成像技术在物证检验中的应用

高光谱成像技术在物证检验领域的应用具有非常重要的意义,其不仅能够记录物证的光谱特征用以分析物质成分,而且能够准确记录不同成分的空间分布情况,从而实现无损、快速、定位分析物证成分的功能。高光谱成像物证检验技术的光谱检测范围通常集中在可见-近红外区域,而现有基于高光谱成像技术的物证检测设备基本只能单独覆盖可见波段或者近红外波段,无法实现可见-近红外的宽波段检测需求。为了拓宽成像光谱仪的检测波段范围从而实现提高物证检验精度和增加物证检验种类的目的,首先分析了推扫式成像光谱仪的组成结构及工作原理,剖析了直接研制宽波段成像光谱仪的技术难度和高昂成本,最后提出了将短波段范围的400～1 000 nm可见高光谱成像仪和900～1 700 nm近红外高光谱成像仪相结合的方式实现宽波段范围的方法。通过2台高光谱成像设备线视场匹配将独立的2台设备联合作为1台设备使用,采用定标板辅助装调的方法实现2台高光谱成像仪线视场的像素级拼接,将设备拼接带来的误差降低到不影响输出结果的程度,最终研制出一种波段范围可达400～1 700 nm的可见-近红外宽波段高光谱物证检测设备。搭建实验系统,分别固定2台独立的短波段范围高光谱成像光谱仪,利用平移台带动检材沿着垂直于线视场的方向移动实现推扫,所获取的数据立方体具有400～1 700 nm的宽光谱范围, 400～1 000 nm的光谱分辨率为2.5 nm, 1 000～1 700 nm的光谱分辨率为4 nm。实验结果表明该方法的可行性,对于宽波段高光谱成像仪的研制具有指导意义,使高光谱成像仪在物证检验领域具有更高的应用价值和更广的应用范围。     

互相关分析在近红外光谱预处理中的应用

采用互相关分析的光谱预处理方法与一元线性回归结合 ,利用近红外光谱法定量检测了苯和甲苯混合物溶液中苯的体积百分比含量 ;从理论和实验两个方面证明了在一定的条件下经过互相关变换后的光谱信号与目标物质浓度含量呈正比例关系 ,利用这个正比例关系建立一元线性回归方程可以定量检测混合物中目标物质的含量。并且深入探讨了互相关分析作为一种近红外光谱预测量方法的优缺点     

栽培和野生中药材灯盏花的近红外光谱鉴别模型

分别在2台傅里叶变换近红外光谱仪上采集了43个栽培和野生中药材灯盏花样品的近红外漫反射光谱,提取光谱信息的15个主成分,方差贡献率达到99%以上。以20个灯盏花样品作为建模集,15个主成分作为网络学习输入层的15个节点,在2台仪器上用2套光谱分别建立了识别栽培和野生灯盏花样品的BP-神经网络模型,并对预测集的23个样品用于实际鉴别分析。两台仪器上的建模集样品模型回代正确识别率均为100%,预测集样品的正确识别率分别为100%和95.7%,结果表明,利用近红外光谱法进行栽培和野生中药材灯盏花的快速鉴别是可行的。     

旋转圆柱目标的动态散斑统计特性(英)

高斯光束照射以固定角速度旋转的粗糙圆柱体表面,反射空间形成随着被测表面运动变化的动态散斑。研究了照射面积大于圆柱曲面条件下在远场衍射区形成的动态散斑统计特性,得到了不同入射条件及不同圆柱时动态散斑强度起伏空间-时间归一化相关函数。结果表明:随着圆柱半径、旋转速度以及照射光斑有效面积的增大,动态散斑强度起伏相关性快速减小;当圆柱旋转速度恒定,动态散斑光强起伏相关函数的峰值随着探测点之间距离的增大而减小,但峰值的位置随之而增大;在近似点照射情况下随着圆柱半径的增大空间相关长度基本不变,而相关时间性明显增大。     

Nondestructive evaluation of cylindrical parts using laser ultrasonics

We applied the laser ultrasonic technique for detecting surface breaking slots in steel cylinders (25 mm in diameter). The observation of the detected signal over a long time (500 micros), shows that the interaction of the two contra-propagating incident Rayleigh waves reinforce the echoes coming from the defect. These echoes are slowly growing with time whereas the main signals decrease. This energy transfer occurring at each revolution of the waves around the cylinder allows the detection of cracks having a depth (h approximately 80 microm), very small compared to the Rayleigh wavelength (lambda approximately 2 mm). The evaluation of the material was performed by processing the detected signal in a sliding time window. A cross-correlation is made either between a reference signal and the signal from the tested sample or between two signals probed for two different positions of the sample. In both cases, the slope of the cross-correlation coefficient versus the number of turns is proportional to the depth of the slot.     

噪声交叉关联强度的时间周期调制对线性过阻尼系统的随机共振的影响

针对由加性、乘性噪声和周期信号共同作用的线性过阻尼系统, 在噪声交叉关联强度受到时间周期调制的情况下,利用随机平均法推导了系统响应的信噪比的解析表达式. 研究发现这类系统比噪声间互不相关或噪声交叉关联强度为常数的线性系统具有更丰富的动力学特性, 系统响应的信噪比随交叉关联调制频率的变化出现周期振荡型随机共振, 噪声的交叉关联参数导致随机共振现象的多样化.噪声交叉关联强度的时间周期调制的引入有利于提高对微弱周期信号检测的灵敏度和实现对周期信号的频率估计. 关键词： 随机共振 周期振荡型共振 噪声交叉关联强度 信噪比     

飞秒脉冲非对称互相关绝对测距

光学频率梳是一种重复频率与偏置频率锁定的新型光源,在频域上为频率间隔稳定的频率梳齿,在时域上为相对距离稳定的飞秒脉冲激光.光学频率梳在测距中的应用广泛,能够实现远距离高精度的测量.本实验使用飞秒激光脉冲作为光源,基于谐振腔扫描光学采样测距原理得到非对称的互相关干涉条纹,实现了远距离高精度的绝对测距.非对称互相关条纹可通过色散补偿与调节光学频率梳的重复频率得到,并通过得到的非对称的互相关干涉条纹对测距结果进行补偿.实验结果表明测距系统能够实现在50 m范围内误差为2 μm的绝对测距,测量相对误差为1.9×10^-7.     

Upper bound for the time derivative of entropy for a dynamical system driven by coloured cross-correlated white noises

It is shown how the cross-correlation time and strength of coloured cross-correlated white noises can set an upper bound for the time derivative of entropy in a nonequilibrium system. The value of upper bound can be calculated directly based on the Schwartz inequality principle and the Fokker--Planck equation of the dynamical system driven by coloured cross-correlated white noises. The present calculations can be used to interpret the interplay of the dissipative constant and cross-correlation time and strength of coloured cross-correlated white noises on the upper bound.     

混沌激光实现异质物大小和位置的光学检测

利用混沌激光实现一定浓度脂肪乳液中异质物大小和位置的光学检测,实验采用混沌激光作为光源,并将光信号分为两路,一路信号用于探测脂肪乳液中的异质物信息,另外一路直接经过光电探测器作为参考信号,将两路光信号由光电探测器接收,通过信号处理系统进行互相关,分析混沌激光的互相关峰值信息,可得到异质物的大小和位置信息;通过混沌激光实现异质物信息分析的理论模型,建立混沌相关信号峰值信息与异质物大小和位置之间的关系,并且通过实验验证。结果表明:采用混沌互相关法可以对异质物大小和位置坐标进行探测。     

超薄栅下LDD nMOSFET器件GIDL应力下退化特性

对1.4nm超薄栅LDD nMOSFET器件栅致漏极泄漏GIDL(gate-induced drain leakage)应力下的阈值电压退化进行了研究.GIDL应力中热空穴注进LDD区界面处并产生界面态，这导致器件的阈值电压变大.相同栅漏电压V_DG下的不同GIDL应力后阈值电压退化量的对数与应力V_D/V_DG的比值成正比.漏偏压V_D不变的不同GIDL应力后阈值电压退化随着应力中栅电压的增大而增大，相同栅偏压V_G下的不同GIDL应力后阈值电压退化也随着应力中漏电压的增大而增大，这两种应力情形下退化量在半对数坐标下与应力中变化的电压的倒数成线性关系，它们退化斜率的绝对值分别为0.76和13.5.实验发现器件退化随着应力过程中的漏电压变化远大于随着应力过程中栅电压的变化. 关键词： 栅致漏极泄漏 CMOS 阈值电压 栅漏电压     

Increase of temperature of an ideal nondegenerate quantum gas in a suddenly expanding box due to energy quantization

We show that due to energy quantization the temperature of an ideal nondegenerate quantum gas in a rectangular box always increases after a sudden expansion of the box and a subsequent thermalization. The maximal increment of temperature is proportional to the square root of the product of the initial absolute temperature by the energy of the first discrete quantum level, i.e., it is proportional to the first power of the Planck constant.     

Passive acoustic tomography of the ocean using arrays of unknown shape

It was recently established that ocean acoustic tomography based on an inversion of ray travel times can be implemented without use of any dedicated sound sources by cross-correlating the ambient noise recorded on two line arrays, the shapes of which are known. In contrast to active tomography, the amount of useful information from noise interferometry is proportional to the product of the numbers of receivers in the two arrays. In our study based on the 2D and 3D numerical experiments, we examine a hypothesis concerning the feasibility of simultaneous performance of a passive ray tomography and passive positioning of arrays through cross-correlation of ambient or shipping noise. The numerical experiments are conducted under conditions close to those of a field experiment on passive ocean tomography. It is demonstrated that, when using arrays of 20–40 hydrophones, the sound velocity profile and the array shape can be found from noise correlation to an accuracy adequate for oceanological and acoustic applications.