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。     

滤光片型近红外仪器模型传递的研究

模型传递问题是近红外光谱分析技术中解决数据通用性的关键问题。文章以玉米籽粒近红外光谱图(检测其中水分含量)为例,考察了模型传递的问题。使用斜率截距算法,直接校正法和目标因子分析等算法,在5台滤光片型近红外仪器上实现了模型传递,并比较了各种方法的模型传递效果。研究表明,直接校正法的模型传递效果最好,4台从仪器的平均传递差异度为7.01%。文章还研究了标准样品数量对模型传递效果的影响。作为转换集的标准样品数目越多,模型传递效果越好,一般有20个标准样品就能达到稳定的效果。当转换集小于20时,直接校正法的传递效果急剧下降,而标准样品数量对斜率截距法和目标因子分析法的影响不明显。     

一种新的多元校正模型分子光谱传递方法

无论是近红外还是红外光谱,多元校正模型的传递问题都尚未解决。为了实现模型和光谱的传递,提出了一种改进的PDS算法——SA-PDS算法,论方法通过PDS算法进行模型传递,使用光谱间的夹角大小作为判定准则来选择传递参数,使得模型传递过程不受到样品性质参考值的影响,也不再依赖于模型,并且可以双向传递。该方法分别通过在近红外数据和中红外数据中应用来证明模型传递的可行性,实验收集烟叶样本测得其近红外光谱,沥青样本测得其中红外光谱,将烟叶总糖会计师和沥青蜡含量作为模型预测对象。使用光谱夹角作为PDS参数选择标准与使用预测标准偏差作为判定准则相比,实验表明：对于近红外光谱的从机向主机的传递,其验证集预测精密度RMSEP从5.257 4降低至1.337 1,优于RMSEP(1.350 3)方法,预测偏差也同样被改善。对于中红外光谱从机向主机的传递,新方法验证集预测精密度RMSEP从0.525 1降低至0.186 9,优于RMSEP(0.219)方法。主机向从机的传递也取得了满意的传递结果。     

一种新的多元校正模型分子光谱传递方法（英文）

无论是近红外还是红外光谱,多元校正模型的传递问题都尚未解决。为了实现模型和光谱的传递,提出了一种改进的PDS算法——SA-PDS算法,论方法通过PDS算法进行模型传递,使用光谱间的夹角大小作为判定准则来选择传递参数,使得模型传递过程不受到样品性质参考值的影响,也不再依赖于模型,并且可以双向传递。该方法分别通过在近红外数据和中红外数据中应用来证明模型传递的可行性,实验收集烟叶样本测得其近红外光谱,沥青样本测得其中红外光谱,将烟叶总糖会计师和沥青蜡含量作为模型预测对象。使用光谱夹角作为PDS参数选择标准与使用预测标准偏差作为判定准则相比,实验表明:对于近红外光谱的从机向主机的传递,其验证集预测精密度RMSEP从5.257 4降低至1.337 1,优于RMSEP(1.350 3)方法,预测偏差也同样被改善。对于中红外光谱从机向主机的传递,新方法验证集预测精密度RMSEP从0.525 1降低至0.186 9,优于RMSEP(0.219)方法。主机向从机的传递也取得了满意的传递结果。     

近红外光谱模型传递研究

针对不同型号的近红外光谱仪器(主机：SupNIR-2700,从机：Nicolet Antaris Ⅱ)间的模型传递和同一仪器(Nicolet Antaris Ⅱ)不同分辨率的光谱间的模型传递进行研究,提出了一种改进的PDS算法-SP-SG1st-PDS算法,该方法结合三次样条插值、Savitaky-Golay一阶求导和PDS算法。思路是通过三次样条插值拟在不破坏原始光谱固有的信息的前提下实现了主光谱与从光谱之间的匹配,然后对光谱进行S-G一阶求导去除光谱的基线漂移,再通过PDS算法进行模型传递,有效消除主、从光谱之间的差异,提高多元校正模型的预测精度。该方法用于醋酸乙烯酯在乙烯-乙酸乙烯酯共聚物中含量的研究,并且与小波去噪方法和S-G平滑方法作比较。实验表明：对于不同型号的仪器间的模型传递,新方法采用S-G一阶求导较其他方法有明显的优势,其验证集预测精密度RMSEP从20.595 0降低至0.374 8,明显优于S-G平滑(0.522 1)和小波去噪(0.516 7)方法,预测偏差也同样地被改善。对于同一仪器不同分辨率的光谱之间的模型传递,在模型传递前后其模型预测精密度RMSEP从0.272 2减少至0.255 3。通过提出的SP-SG1st-PDS算法,模型传递能应用于不同类型仪器之间,也能用于相同仪器不同分辨率的光谱之间,并且取得了满意的传递结果。     

基于正交信号回归法对中试在线近红外定量模型的模型传递研究

模型传递使在特定条件下建立的模型能够应用于新的样品状态、环境条件或仪器状态。本研究在中药金银花中试在线水提过程中,以水提液中的绿原酸含量为研究对象,建立绿原酸含量的近红外定量模型。针对由金银花来源不同带来的模型失效问题,从光谱背景校正的角度出发,提出以KS算法挑选待传递样本中的代表性样本,结合正交信号回归(OSR)光谱背景校正方法,对不同来源样本的近红外光谱进行光谱背景校正,并深入探讨OSR方法实现近红外定量模型在不同来源中试样本间传递的应用原理。经模型传递后,模型对新批次样本预测的RSEP由14.91%下降到7.11%,RPD由2.95上升到5.36,预测准确度明显提高。实验证明,选择代表性样本的KS算法结合OSR光谱背景校正的模型传递方法不仅能减小不同来源原料药之间的偶然误差,同时消除了中试制剂过程和算法本身的系统误差,因此能够有效地改善因样本来源差异而造成的模型失效现象。该研究充分阐释了OSR模型传递方法的应用原理,以光谱背景校正与挑选代表性样本回归的方法实现了近红外定量模型在不同来源原料药中试样本之间的模型传递,增强了模型应对原料药批次间变动的能力,提高了模型的稳健性,为多来源原料药中试在线制剂过程中有效成分含量的快速实时监测提供了有效方法。     

近红外光谱模型传递研究（英文）

针对不同型号的近红外光谱仪器(主机:SupNIR-2700,从机:Nicolet AntarisⅡ)间的模型传递和同一仪器(Nicolet AntarisⅡ)不同分辨率的光谱间的模型传递进行研究,提出了一种改进的PDS算法-SPSG1st-PDS算法,该方法结合三次样条插值、Savitaky-Golay一阶求导和PDS算法。思路是通过三次样条插值拟在不破坏原始光谱固有的信息的前提下实现了主光谱与从光谱之间的匹配,然后对光谱进行S-G一阶求导去除光谱的基线漂移,再通过PDS算法进行模型传递,有效消除主、从光谱之间的差异,提高多元校正模型的预测精度。该方法用于醋酸乙烯酯在乙烯-乙酸乙烯酯共聚物中含量的研究,并且与小波去噪方法和S-G平滑方法作比较。实验表明:对于不同型号的仪器间的模型传递,新方法采用S-G一阶求导较其他方法有明显的优势,其验证集预测精密度RMSEP从20.595 0降低至0.374 8,明显优于S-G平滑(0.522 1)和小波去噪(0.516 7)方法,预测偏差也同样地被改善。对于同一仪器不同分辨率的光谱之间的模型传递,在模型传递前后其模型预测精密度RMSEP从0.272 2减少至0.255 3。通过提出的SP-SG1st-PDS算法,模型传递能应用于不同类型仪器之间,也能用于相同仪器不同分辨率的光谱之间,并且取得了满意的传递结果。     

桂花酒中山梨酸钾拉曼表面增强预测模型在其他果酒中的传递

自行搭建的拉曼光谱点扫描系统,以柠檬酸钠还原法配制的SC银溶胶为表面增强剂,建立了桂花酒中山梨酸钾的定量预测模型,模型校正集决定系数(R2_C)和均方根误差(RMSEC)分别为0.978 9和0.070 3 g·kg-1,验证集决定系数(R2_P)和均方根误差(RMSEP)分别为0.934和0.165 7 g·kg-1。桂花酒中山梨酸钾的定量预测模型为主光谱模型,结合K/S算法,探讨了基于DS算法和PDS算法将桂花酒主光谱模型向杨梅酒的修正传递方法。结果显示,用K/S算法选取4个杨梅酒样品,基于DS算法传递桂花酒主光谱模型验证结果R_P和RMSEP值分别为0.906 1和0.215 0 g·kg-1。K/S算法选取3个杨梅酒样品(窗口宽度为5),基于PDS算法传递桂花酒主光谱模型验证结果R_P和RMSEP值分别为0.905 5和0.225 0 g·kg-1。DS算法和PDS算法均可以用少量样品将桂花酒中山梨酸钾的主光谱预测模型有效传递给杨梅酒,实现了一种被测物预测模型在同类物种间的传递,具有重要实用意义。     

不同品种冷鲜猪肉pH值高光谱检测模型的传递方法研究

针对目前模型传递方法研究大多在不同仪器之间且均采用近红外光谱建立模型,采用高光谱技术建立猪肉pH值定量检测模型,并针对不同品种间的模型传递提出了一种光谱和预测值同步校正(sync correction of spectrum and prediction value, CSPV)的传递算法,并与模型更新方法进行比较。当模型满足预测相关系数(correlation coefficient of prediction, r_p)r_p≥0.837,且剩余预测偏差(residual prediction deviation, RPD)RPD≥1.9时,表明预测结果可靠。以杜长大、茂佳山黑猪和零号土猪3个品种猪肉样品为研究对象,以杜长大作为主品种,茂佳山黑猪和零号土猪作为从品种,采用偏最小二乘(partial least squares regression, PLS)法建立主品种猪肉pH值定量检测模型,模型校正相关系数(correlation coefficient of cross-validation r_c)和预测相关系数r_p分别达到0.922和0.904,交互验证均方根误差(root mean squared error of cross validation, RMSECV) 和预测均方根误差(root mean squared error of prediction, RMSEP)分别为0.045和0.046,RPD为2.380。用主模型分别对茂佳山黑猪和零号土猪pH值进行预测,r_p仅达到0.770和0.731,RMSEP分别为0.111和0.209,RPD分别为1.533和1.234,预测精度较差。分别采用CSPV传递算法和模型更新方法对主模型进行传递和修正,比较并验证了两种方法的模型传递和修正结果。采用CSPV算法对模型传递后,当标样个数分别为9个和10个时,r_p可提高到0.889和0.900,RPD提高到2.071和2.213,均满足r_p≥0.837,且RPD≥1.9;而采用模型更新方法对模型修正后,当添加的代表性样品分别为11个和9个时,r_p分别达到0.869和0.845,但RPD仅达到1.934和1.804,不满足RPD≥1.9的条件。结果表明,CSPV传递算法能实现主模型对茂佳山黑猪和零号土猪样品的预测,而模型更新方法只能实现对茂佳山黑猪品种的预测,不能实现对零号土猪样品的预测,且CSPV传递算法预测结果优于模型更新方法。     

基于平面导航系的极区传递对准算法研究

针对极区经线快速收敛导致基于传统导航坐标系的传递对准模型和误差方程不适用的问题,提出了基于平面导航力学编排的极区传递对准算法,并设计了"速度+姿态"匹配的传递对准滤波模型。该算法基于Kalman滤波最优估计理论,利用舰艇主惯导高精度姿态、速度信息对局部基准姿态失准角进行估计补偿,以达到局部基准极区动基座条件下快速初始对准的目的。仿真结果表明,在中海况条件下,局部基准可在20s内完成方位精度为5′、水平姿态精度为3′的初始对准。     

用于光谱基准定标传递技术的传递辐射计研究综述

传递辐射计是实现卫星遥感仪器在轨光谱辐射定标传递的核心设备,也是地面实验室高精度光谱定标系统的关键。介绍了不同机构研制的覆盖350～700, 700～2 500 nm谱段的多个传递辐射计的结构组成、工作原理及辐射定标基准传递方式,及其异同点的比对,再通过它们在不同谱段的定标过程中所应用的关键技术的分析,说明每种技术的优缺点和所能达到的精度,及其应用条件。文中通过对国际上标准计量机构采用的光谱辐亮度基准定标传递过程的介绍,突出了传递辐射计系统的重要作用,再结合其对光谱仪等遥感器定标光源的定标监测应用,说明了传递辐射计在航天辐射定标领域的不可或缺性。最后,通过国内设计的新型传递辐射计的介绍,对传递辐射计未来研究的发展方向和关键问题进行了展望,并对传递辐射计搭配低温辐射计组成的未来实现可溯源国际单位制在轨基准定标传递系统所存在的研究难点予以预测分析。     

Reduction of the error of hydrophone calibration with respect to the field in a hydroacoustic tank by the reciprocity method

A hydrophone calibration procedure that considerably reduces the error caused by the acoustic field distortions in a hydroacoustic tank is proposed. The procedure is based on the definition of the reduced electric transfer impedances of transducers (i.e., the electric transfer impedances reduced to the spherical wave propagation law) and consists in measuring the electric transfer impedances for different distances between hydroacoustic transducers. The sensitivity of the hydrophone under calibration is calculated from the far-field values of the reduced electric transfer impedances. The latter are determined using a mathematical model of the hydrophone in the form of a system that contains a point sensing element and a finite number of point sources of acoustic signals (point reflectors). A method of determining the number and coordinates of the point reflectors from the analysis of the acoustic “images” of the hydrophone’s reflecting surface is proposed. The measuring technique, the algorithms of mathematical processing, and the results of experimental studies are considered. A comparative analysis of the results of the hydrophone calibration with respect to the field by the reciprocity method is performed for the cases of using the conventional technique and the proposed method.     

A new calibration method for measuring acoustic transfer matrixes with flow and application to an automotive compressor

A new method for measuring acoustic transfer matrixes with flow has been developed. It is based on two-load technique. Great improvements were obtained on specific calibration of the connections. We present here the calibration principles and validation. Measurements of basic resonating systems, first without flow then with flow up to Mach 0.2 clearly validated the accuracy of the technique, even under extreme flow conditions.     

校正集选择方法对于积雪草总苷中积雪草苷NIR定量模型的影响

近红外光谱定量分析中,采用合适的校正集选择方法是建立预测性能良好的近红外定量模型的关键技术之一。校正集选择方法有RS法、CS法、KS法和SPXY法等,但是对以上校正集选择方法缺乏系统地比较。本文以积雪草总苷中积雪草苷NIR定量模型为载体,对NIR定量模型的7个评价指标进行分类和筛选,比较了CS法、KS法和SPXY法三种校正集选择方法对NIR定量模型的准确性和稳健性两类评价指标的影响。结果表明,SPXY法与CS法、KS法选择校正集样本后所建近红外模型的RPD和RSEP两个准确性评价指标存在显著性差异,模型的稳健性评价指标RMSECV和|RMSEP-RMSEC|不存在显著性差异。因此,建立积雪草总苷近红外光谱的积雪草苷偏最小二乘定量模型时,SPXY校正集选择方法能显著提高该定量模型的预测准确度,但对模型稳健性的评价指标没有显著影响,以上结论为中药固体体系建立近红外定量模型确定校正集选择方法提供参考。     

正交信号校正用于偏最小二乘建模过拟合现象的研究

通过用近红外光谱和PLS建立测定二元、三元调合食用油中花生油含最模型以及二甲亚砜水溶液浓度模型,使用交互验证统计参数,包括决定系数RC,标准偏差SEC,预测值和实际值线性拟合方程的斜率a和截距b,和外部验证统计参数,包括决定系数RV,标准偏差SEP,预测值和实际值线性拟合方程的斜率a和截距b,评价建模效果,比较了分别使用原始光谱和正交信号校正(OSC)处理光谱的PLS建模结果.研究结果表明:OSC校正可明显改善近红外光谱与被测物质浓度的线性相关性.虽然OSC预处理可以改善PLS模型的交互验证结果,似是外部验证结果变差,即正交信号校正用于PLS建模将导致过拟合现象.通过分析算法原理,认为OSC与PLS1对光谱中与性质无关的信息作了重复剔除,误删除了部分有效信息,导致过拟合效应.     

基于集群方法(ER)的近红外光谱转移集优化法

近红外光谱因为具有小成本、易操作、低耗时等优点,所以广泛用于食品领域。作为一种间接的检测方法,近红外光谱检测需要建立光谱和浓度之间的统计模型。但是,一种条件下建立的模型在另一种检测条件下会失效。针对此问题,重新建模可以加以解决,但是重新建立光谱与浓度之间的模型非常繁琐耗时。此时,模型转移可以在避免重新建模的情况下,通过光谱校正,保证预测精度。在模型转移中,已经建立好模型的光谱称为主光谱(A),不用建立模型,而只用主光谱模型预测的光谱称为从光谱 (B)。模型转移方法的步骤是,先在校正集中选择一些样本作为主光谱的转移集(A_t),然后选择从光谱中浓度和A_t相同的光谱,以此作为从光谱的转移集(B_t)。通过A_t和B_t构建模型转移矩阵。最后将需要校正的从光谱(B_v)乘以上述的转移矩阵中,即可获得校正后的从光谱(B_new)。此时,B_new就可以用主光谱的模型来直接预测。在模型转移中,转移集样本的选择对模型校正至关重要。目前,转移集的样本通常从光谱之间的距离而非模型转移误差获得。但是,转移误差对模型转移结果的验证至关重要,故该研究出了基于集群分析的集群优化法(ER)并将其用于优化KS方法产生的转移集样本。ER先用随机方法建立转移集的多个子集合,并计算每个子集合的转移误差。然后,对某一个样本,计算包含这个样本的子集合转移误差均值。最后,选择转移误差均值较低的样本作为新转移集样本进行模型转移。以玉米数据测试了ER算法。结果显示,对于典型相关分析-有信息成分提取法(CCA-ICE)、直接校正法(DS)、分段直接校正法(PDS)、光谱空间转化法(SST)这些常见的模型转移方法,相比于KS样本选择方法,ER方法可以找出重要的转移集样本,进而显著降低模型转移误差。     

计算层析成像光谱技术研究进展

从技术特点和研究热点的角度,综述了近些年来计算层析成像光谱技术的国内外进展,主要包括计算层析成像光谱仪的系统结构改进及与其他技术联用的新集成设计,新器件新设备的研发和应用,仪器定标技术和目标重建算法的优化与改进等;并按照应用范围的特点进行了分类,对在探测波段扩展和应用领域拓展等方面的应用现状进行了总结.介绍了光栅型和旋转棱镜型计算层析成像光谱技术的原理,并展望了计算层析成像光谱技术的发展趋势.     

Experimental Estimation of the Emission Directivity of a Moving Surface Vessel in Shallow Water

The possibility of constructing an acoustic model of a surface ship’s noise emission in the far field using monopole-type emitters uniformly distributed along the hull is investigated. Experimental data obtained in shallow water are used to calculate the characteristics of equivalent monopole emission sources that form a total sound field similar to the sound field from a moving surface ship. The powers of each monopole and the cross-correlations between them are calculated. For the selected discrete components and linear model of an extended source, the directivity patterns are constructed, reduced to the free space. In the experiments and calculations, technical tools and algorithms were used that ensure high-precision positioning of the vessel with respect to the receiving elements of the array. An equivalent model of the waveguide transfer function in the operations area was preliminarily obtained by acoustic waveguide calibration using specially developed equipment, experimental techniques, and processing algorithms. This made it possible to use adequate seafloor models and the waveguide transfer function when calculating the equivalent sound field and directivity pattern. Good agreement is shown between the calculated and experimental data, both of the directivity pattern and field distribution along the transit characteristics. Practical recommendations are given for developing methods to measure the noise fields of surface vessels.

     

充水阻抗管中测量材料声学性能的校准方法研究

提出了一种在充水阻抗管中,应用传递函数测量材料声学性能的三参数校准方法。在双传感器传递函数法的基础上,考虑充水阻抗管中水听器间不一致性和管内结构对声场局部扰动等因素的校准,导出了三个综合的无量纲校准参数。通过改变充水阻抗管中测量面的三个已知反射系数,测量出对应的三个传递函数,可以求出这三个校准参数。在充水阻抗管中分别对水/空气界面和一种水声材料进行了测量试验,应用该方法对测量结果的进行了校准,并对校准前后的结果进行了分析比较。