近红外稳健分析校正模型的建立(Ⅰ)--样品温度的影响

样品温度对近红外光谱分析模型稳健性有明显影响 ,消除其影响的三类方法包括光谱预处理、波长选择和温度补偿校正集。文章以重整汽油 /辛烷值 /苯含量为研究体系 ,考察了这三类方法对建立稳健分析模型的有效性 ,并详细研究了温度补偿校正集样品数量及性质分布对温度混合模型稳健性的影响规律。结果表明 ,仅通过光谱预处理方法难以消除温度对模型稳健性的影响 ;遗传算法波长选择和温度补偿校正集对消除温度影响是有效的 ,而后者更容易实现 ,但在实际应用中应考虑非线性问题     

三维漫射光谱法检测猪肉嫩度的初步研究

猪肉是光的强散射物质,嫩度是评价猪肉品质优劣的重要标准之一,提出一种基于三维漫射光谱法的猪肉嫩度检测方式。将猪肉样本更多的散射信息引入光谱分析中。利用实验室搭建的数据采集系统,通过采集距光源入射点不同距离处的样本漫反射光信号构建了64个猪肉样本的三维漫射光谱。经过小波消噪处理后,利用多维偏最小二乘法(NPLS)建立了三维漫射光谱与猪肉嫩度之间的分析模型,模型的校正决定系数R2_Cal是0.883 1,校正标准差RMSEC是3.685 0N,预测决定系数R2_Pred是0.874 7,预测标准差RMSEP是3.9756N。实验结果表明, 与常规的漫反射光谱法相比,三维漫射光谱法所建立的猪肉嫩度NPLS模型具有更高的校正精度和预测稳健性,有望为猪肉嫩度及其他品质的快速检测提供一种新的途径。     

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。     

应用数字傅里叶滤波方法提高近红外光谱多元校正模型稳健性的研究

在近红外光谱多元校正方法实际应用中,经常遇到这样的情况,近红外光谱校正模型仅适用于建模时的测量条件,而在测量条件稍有变化时就无法实现样品的准确预测。文章主要研究采用数字傅里叶滤波预处理方法提高近红外光谱多元校正模型稳健性。文章将数字傅里叶滤波预处理方法应用于葡萄糖水溶液的温度实验,实验1和实验2分别在恒温25 ℃和恒温30 ℃进行光谱测量;实验3在未控温的室内环境下进行光谱测量。采用实验1和实验2的样品作为训练集进行模型训练和优化,模型建立完毕之后,采用实验3的样品作为验证集进行模型预测能力评价。结果表明,如果训练集样品未经过预处理而直接建立偏最小二乘(PLS)多元校正模型,则验证集样品均方根预测误差(RMSEP)为664.47 mg·dL-1。而训练集和验证集样品经过傅里叶滤波预处理之后分别进行PLS建模和预测,验证集样品均方根预测误差(RMSEP)降低为58.43 mg·dL-1,样品预测值与参考值的相关性也得到提高。可见,采用数字傅里叶滤波预处理方法可以提高多元校正模型的稳健性。     

温度影响下短波近红外酒精度检测的传递校正

短波近红外光谱结合多元校正方法测量酒精度具有快速、无损的特点,可以现场应用和在线检测。但是温度对预测模型的性能影响很大。作者研究了温度变化对乙醇水溶液的短波近红外光谱的影响,采用四种方法建立了温度变化下的偏最小二乘(PLS)传递校正模型：直接校正、全局校正、正交信号处理(OSC)和广义最小二乘加权法(GLSW)。结果表明,温度变化时直接传递校正存在很大的预测系统偏差,而采用全局校正、OSC和GLSW均能在一定程度上减小系统误差。全局校正需要较多的建模样品数量,得到的模型也更为复杂。而OSC和GLSW方法能得到更为简洁的模型和优良的预测结果。相比之下,GLSW算法得到的预测误差和使用的建模隐含变量数目均小于OSC方法,能够建立更为稳健的传递校正模型。     

近红外无创生化检测中不同光程的光谱校正模型研究

近红外无创生化检测中采用不同血流容积光谱相减的方法理论上能够消除人体组织产生的强背景干扰,但人体光谱相减后得到的血液光谱的光程是未知的,这给校正模型的建立带来了困难。通过设计模拟实验并采用正交信号校正的方法对光程信息进行校正,提高不同光程的光谱建立校正模型的预测精度。分别建立了光程校正前后的模型,模型的交叉验证标准偏差从90.17mg.dL-1下降到31.62mg.dL-1,相关系数从0.978 7提高到0.996 8。实验结果表明,采用正交信号校正的方法能够有效抑制光程信息的干扰,提高模型的预测精度,这为不同血流容积光谱相减法的实际应用提供了基础。     

近红外水分稳健分析模型研究

样品水分含量差异对近红外光谱分析模型的稳健性影响最为严重。文章以全籽粒小麦蛋白质含量为研究对象,分析了光谱预处理、有效波数区间的选取和全局校正模型应用对建立近红外水分稳健分析模型的可行性。结果表明,仅通过光谱预处理方法不能减少样品水分差异对预测结果的影响;选择有效波数区间和建立全局校正模型对消除水分的影响均有效,建立全局校正模型的效果最佳。并从理论上初步分析了各种方法的作用机理。     

苹果可溶性固形物近红外光谱检测的偏最小二乘回归变量筛选研究

为了提高苹果可溶性固形物含量近红外光谱校正模型的预测能力和稳健性,分别采用反向区间偏最小二乘法、遗传算法和连续投影算法,筛选苹果可溶性固形物的近红外光谱变量,并建立了偏最小二乘回归模型。利用遗传算法筛选的141个变量建立的校正模型,预测效果最好,与全谱建立的校正模型比较,预测相关系数,从0.93提高到0.96,预测均方根误差,从0.30°Brix降低到0.23°Brix。实验结果表明遗传算法结合偏最小二乘回归方法,有效地提高了苹果可溶性固形物近红外光谱检测模型的预测精度。     

基于可见光和近红外光谱鲜猪肉蒸煮损失和嫩度检测的研究

蒸煮损失和嫩度是决定猪肉的食用品质的重要指标,文章提出了可见光/近红外漫反射光谱检测真空包装猪肉的蒸煮损失和嫩度的新方法,从而实现对其快速、无损、无污染测定。利用光谱专用分析软件Unscrambler9.6对采集的近红外漫反射光谱分别进行卷积平滑、二阶微分法和多元散射校正预处理,用偏最小二乘法(PLS)建立其定量校正模型。结果表明近红外光谱漫反射法的预测值与常规方法测定值的相关系数分别为0.81和0.78。该研究结果说明基于可见光/近红外光谱漫反射光谱的检测方法简便易行,是无损检测猪肉的蒸煮损失和嫩度的较好方法。     

正交信号校正在人体血糖近红外光谱分析中的研究

本文以血清的近红外光谱为研究对象,首先运用载荷向量分析确定最佳定标谱区为4192-4943 cm-1与5294-7200 cm-1两个波段,然后分别用平滑、一阶导数、正交信号校正(OSC)预处理方法,结合偏最小二乘回归方法建立了血清中血糖的模型.用平滑、一阶导数所建立模型的预测标准偏差(RMSEP)分别是0.545、0.568,用OSC校正后所建立模型的RMSEP是0.390,结果表明使用OSC校正对光谱进行合理的校正,能够滤除光谱矩阵与浓度矩阵无关的信号,降低模型的因子数,从而降低模型的复杂性,提高模型的稳健性.     

Calibration and data restoration of light field modulated imaging spectrometer

A light field modulated imaging spectrometer(LFMIS) can acquire the spatial-spectral datacube of targets of interest or a scene in a single shot. The spectral information of a point target is imaged on the pixels covered by a microlens.The pixels receive spectral information from different spectral filters to the diffraction and misalignments of the optical components. In this paper, we present a linear spectral multiplexing model of the acquired target spectrum. A calibration method is proposed for calibrating the center wavelengths and bandwidths of channels of an LFMIS system based on the liner-variable filter(LVF) and for determining the spectral multiplexing matrix. In order to improve the accuracy of the restored spectral data, we introduce a reconstruction algorithm based on the total least square(TLS) approach. Simulation and experimental results confirm the performance of the spectrum reconstruction algorithm and validate the feasibility of the proposed calibrating scheme.     

一种三维矩阵的奇异值分解算法

提出了一种三维矩阵的奇异值分解算法,该法适合处理具有三维矩阵数据的模式识别和分类模型等领域实际问题,该算法与二维矩阵奇异值分解算法类似,通过求解约束条件极值问题获得,该算法与已有的三线性分解算法比较,相对简单,计算速度快,适合处理数据量大的实际问题,该算法也很容易推广到更高维阵列的光谱数据。     

基于3D荧光光谱分析和多维偏最小二乘的PAHs浓度优化检测

多环芳烃(PAHs)具有强致癌性,威胁人类身体健康。在复杂水质检测环境中,利用荧光光谱检测PAHs浓度时,由于测量光谱中存在瑞利散射影响,使得PAHs光谱信号包含明显的非平稳噪声,常用的多次采样求均值法容易使PAHs光谱存在明显的测量误差,导致PAHs检测精度下降。为此,提出了一种基于3D荧光光谱分析和多维偏最小二乘(N-PLS)的PAHs浓度优化检测方法,首先分析了菲、芴、苊与荧蒽4种PAHs溶液的光谱特性,通过拟合散射带数据点值消除光谱中的瑞利散射噪声,同时尽可能地保留原光谱信息。提取4种PAHs光谱的均值、方差和一维边际分布等特征参数,利用聚类分析方法对其光谱数据做样本分类,将相似光谱数据样本进行合并;然后根据校正集的光谱信号与不同PAHs浓度之间的关系,建立N-PLS模型,对各类PAHs的浓度进行预测分析,并且验证PAHs浓度与光谱数据荧光强度的关系;最后利用双线性分解对浓度残差进行修正,对含有各类PAHs的水溶液与实际水样进行浓度残差验证,分析了不同参数下PAHs的预测误差。实验结果表明,溶剂菲有2个明显的荧光峰值,激发与发射波长分别为285/245和315/345 nm;芴与荧蒽均存在6个明显的荧光特征峰值,分别为265/255,325/345,335/325,365/355,385/395和405/415 nm,且与其他PAHs的荧光峰值相距较远; 溶液苊在发射波长300~485 nm的范围内存在连续波峰,且对应激发波长在255~360 nm范围内;N-PLS方法对不同水质环境下的PAHs预测误差较小,其中菲与芴均方根误差均小于0.4 μg·L-1,相对误差小于6%,苊与荧蒽均方根误差均小于1.0 μg·L-1,相对误差均小于9%。对4种不同的PAHs在河流中的扩散趋势进行了仿真分析,确定出了其扩散程度,其中芴与菲扩散速率约为51 mg·L-1,苊与荧蒽扩散速率为21 mg·L-1,且扩散速率在一定范围内呈线性增长趋势,PAHs与其浓度之间符合朗伯比尔定律的线性关系; 通过不同迭代次数下N-PLS方法的均方根误差分析,得到了均方根误差精度最高时的迭代次数;对比了不同主因子数时N-PLS方法对PAHs预测的适应度与相关系数,结果表明当主因子数为3时,适应度可达96.5%,此时N-PLS预测模型效果最佳。相比其他检测方法,本文方法检测精度较高,回收率较好,具有较强的鲁棒性。     

水中矿物油三维荧光谱的特征提取与光谱重构

基于荧光激发-发射矩阵的奇异值分解方法,提取矿物油三维荧光谱的特征序列并进行光谱重构研究。对数十个水中污染油的三维荧光谱进行了奇异值分解和参数计算,表明奇异值参数具有明显的能量聚拢特性; 在适当截取奇异值特征参数后,将奇异值与相应的伴随特征向量组合构成三维荧光谱泛基因序列,实现了三维光谱反演重构。作为比较典型的示例,给出了水中柴油的原始三维荧光谱和重构三维荧光谱的对照图。重构的三维荧光谱与原始三维荧光谱基本相同。研究表明,矿物油三维荧光谱的奇异值特征谱能够代表三维荧光谱主能量的分布特征,有限的奇异值泛基因序列具有三维光谱反演重构能力。该结论对于水环境中的污染油模式识别以及矿物油荧光信息文库的建设有重要意义。     

Inverse vibration problem for un-damped 3-dimensional multi-story shear building models

Various researchers have contributed to the identification of the mass and stiffness matrices of two dimensional (2-D) shear building structural models for a given set of vibratory frequencies. The suggested methods are based on the specific characteristics of the Jacobi matrices, i.e., symmetric, tri-diagonal and semi-positive definite matrices. However, in case of three dimensional (3-D) structural models, those methods are no longer applicable, since their stiffness matrices are not tri-diagonal. In this paper the inverse problem for a special class of vibratory structural systems, i.e., 3-D shear building models, is investigated. A practical algorithm is proposed for solving the inverse eigenvalue problem for un-damped, 3-D shear buildings. The problem is addressed in two steps. First, using the target frequencies, a so-called normalized eigenvector matrix, which is a banded matrix containing the information related to the frequencies and mode shapes of the target structural system, is determined. In this regard, similar to the solution of inverse problem for 2-D shear building structural models in which an auxiliary structure is constructed by adding constraints (or springs) to the original system, three auxiliary structures are proposed to solve the problem for 3-D cases. In the second step, the normalized eigenvector matrix is utilized to obtain the normalized stiffness matrix; in turn, this matrix is decomposed into the stiffness and mass matrices of the system. Finally, a numerical example is presented to demonstrate the efficiency of the proposed algorithm in determining the mass and stiffness matrices of a 3-D structural model for a given set of target vibrational frequencies.     

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。     

基于预条件LANCZOS算法快速实现三维地电场正演计算

针对三维地电场正演计算过程中形成的超大规模稀疏线性方程组,采用不完全Cholesky分解方法进行预条件处理,经过条件数改善后形成的新线性方程组的系数矩阵变为一个近似的单位矩阵,再应用Lanczos算法将会提高数值计算的稳定性,加快迭代收敛的速度,通常在迭代次数远小于系数矩阵阶数时就能得到较好精确解的近似值,为下一步的电阻率三维反演计算打下了非常好的基础.     

基于同色异谱黑理论的非线性复合模型光谱重建研究

同色异谱现象是光谱反射率重建与颜色再现中的一个重要问题。采用三基色CCD相机采集CIE标准光源D65下的颜色样品信号,建立非线性复合模型,使用主成分分析结合神经网络的方法(PCA-NET)改进基于同色异谱黑理论的R矩阵算法,对标准Munsell色卡光谱重建进行研究。在保证给定照明条件下的色度精度同时,对光谱重建的结果进行了实验评价和讨论。实验结果表明,在给定的照明条件下,PCA-NET算法能够准确的拟合相机输出信号与主成分系数之间的非线性关系, 将其代替线性算法应用于R矩阵算法中时,测试集的平均均方根值是未改进R矩阵算法的0.76,平均标准差是R矩阵算法的0.85,可有效提高光谱反射率的重建精度。改进后的R矩阵算法具有精度较高、操作简单易实现的特点, 可用于对重建色度精度及光谱精度均要求较高的领域。     

Sound transmission prediction by 3-D elasticity theory

The problem of sound transmission through layered panel structures is studied with the exact theory of three-dimensional (3-D) elasticity. The exact solution to the 3-D elasticity equations is obtained by the use of the Fourier spectral method. Based on this analytical solution, a transfer matrix is derived that relates the spectral displacements and stresses on the one surface of the panel to those on the opposite panel surface. The transfer matrix is then used to develop the analytical solutions for sound reflection and transmission coefficients. Explicit, concise expressions are obtained for the analytical solutions of the acoustic transmission and reflection coefficients under the general conditions of layered anisotropic panels. Examples are given for both single-layer and sandwich panels. Predictions on sound transmission from the 3-D elasticity theory are compared with available data from other methods, and the results are discussed.     

可见-近红外光谱的模型转移分类方法

基于光谱技术建立的多元校正模型通常条件下只适用于同一台仪器、相同的测试条件及同批次或同类别的样品。在仪器、测试环境、样品发生变化后,已建光谱模型不再适配,需要进行模型转移。模型转移是限制光谱技术推广应用的关键技术瓶颈,模型转移是否成功直接影响到可见-近红外光谱技术的推广应用,为此,综述了其研究现状,并探讨了其未来发展方向。首先,将模型转移问题分成了两类：第一类是相同样品在不同仪器或不同测试环境（不同温度/不同湿度）等条件下产生的模型不适配问题;第二类是不同批次、不同物理形态、不同种类间产生的模型不适配问题。这两类问题性质不同,解决第一类模型转移,能够保证同源样品的准确性和稳定性;解决第二类,能够实现光谱模型在不同样品间的自动传递和匹配应用。然后,梳理了常用的模型转移算法并进行了分类,包括模型更新、基于光谱校正算法、基于结果校正算法等,并列举了每个类别的模型转移算法的应用。模型更新是一种重新计算模型系数最直接的方法,通过扩展和调整模型来满足新的变化;基于光谱校正算法是通过算法计算转移矩阵,实现对光谱的校正;基于结果校正算法是通过算法计算预测结果和实际结果系数,从而实现预测结果的校正。最后,指出未来应着重研究第二类模型转移问题,并且要寻找能够实现机器自动校正的模型转移,从根本上解决模型转移这一限制光谱速测应用的主要技术瓶颈。