基于光源发射接收一体化探头的糖度分选线改造研究

传统外部品质分选目前已经无法满足人们对水果口感品质的需求,对传统外部品质分选线进行糖度分选改造,实现糖度分选,对确保水果的口感品质具有重要意义。分别采集两种不同检测方式下获取的脐橙的近红外漫反射光谱,其中环形发射与接收漫反射方式的光谱能量要比多点发射与接收漫反射方式强,波峰与波谷位置大致相同。近红外漫反射光谱经基线校正、多元散射校正、一阶、二阶导数等方法进行光谱数据预处理,以减少杂散光和噪声的影响。分别建立脐橙在两种不同漫反射检测方式下的糖度偏最小二乘(PLS)模型进行对比分析。实验结果表明,采用基线校正预处理方法获得的结果最优;环形发射与接收漫反射检测方式下的糖度模型预测相关系数为0.81,预测均方根误差为0.46°Brix,多点发射与接收漫反射检测方式下的糖度模型预测相关系数为0.76,预测均方根误差为0.53°Brix。研究表明,应用PLS建模结合近红外漫反射光谱对传统外部品质分选线中的糖度分选线功能进行升级改造是可行的。     

近红外漫反射用于检测苹果糖度及有效酸度的研究

提出了应用近红外漫反射光谱技术并结合光纤传感技术快速检测苹果糖度和有效酸度的新方法。以傅里叶变换光谱仪(12 500～4 000 cm-1)为试验仪器,以120个红富士苹果为标准样品并结合偏最小二乘法,建立了苹果糖度、有效酸度的定量预测数学模型。试验结果为：样品预测值和真实值之间的相关系数分别为0.970,0.906,标准校正误差(SEC)分别为0.261,0.0562,标准预测误差(SEP)分别为0.272,0.0562,偏差(Bias)分别为0.011,0.0115。通过本研究表明：应用近红外光谱漫反射技术在10 341～5 461 cm-1光谱波长范围内对苹果糖度的无损检测和在10 341～3 818 cm-1有效光谱范围内对有效酸度的无损检测具有可行性。     

南疆红枣品质近红外光谱在线模型参数的实验研究

为建立南疆红枣品质近红外光谱在线校正模型,分析了在线检测结果的主要影响因素,对相应的参数进行了实验研究。设置红枣不同的光谱采集条件,如测量状态、波段谱区、仪器参数等,利用近红外光谱仪和自行设计的红枣批量采集附件,获取南疆红枣品质光谱,通过光谱预处理和检测精度相结合的办法选择条件参数。通过不同建模参数进行PLS光谱校正和二维相关光谱分析,选择糖度特征光谱参数。结果表明:红枣糖度中心波长9 116,9 418和10 500cm-1,采集分辨率16cm-1,扫描次数8次,糖度相对误差8%～10%,单粒红枣光谱数据量减少为原来的1/10,采集时间减少了3s左右。通过实验参数,压缩了数据量,建立了初级在线校正模型,基本实现南疆红枣品质近红外光谱在线检测。     

用遗传算法快速提取近红外光谱特征区域和特征波长

提出了一种遗传区间偏最小二乘法(GA-iPLS),并用该方法快速提取苹果糖度近红外光谱的特征区域,在此基础上采用遗传偏最小二乘法(GA-PLS)提取苹果糖度近红外光谱的特征波长,进行苹果糖度预测。结果表明,整个光谱等分为40个子区间,遗传区间偏最小二乘法能快速寻找出5个特征子区间(第4,6,8,11,18号);在5个特征子区间的基础上用遗传偏最小二乘法继续优化,从中提取44个特征波长。建立在5个特征子区间和44个特征波长上的偏最小二乘法模型精度均优于全光谱偏最小二乘法模型,对预测集的预测相关系数提高了近10%;且模型得到了很大的简化,用于建模的主因子数减少了7个。这些结果表明,用这两种方法不但可以建立简洁、数据运算量少的模型,还可以快速地提取近红外光谱的特征区域和特征波长。     

基于可见/近红外透射光谱技术的红提糖度和含水率无损检测

本文研究基于可见/近红外透射光谱技术的红提糖度和含水率的无损检测方法。采集360个红提样本,并分别利用标准正态变量变换(Standard Normal Variable transformation,SNV)、SavitZky-Golay卷积平滑处理法(SavitZky-Golay,S_G)等光谱预处理方法处理后的数据建立PLSR模型,分别采用一次降维(GA、SPA、CARS、UVE)和二次降维组合(CARS-SPA、UVE-SPA、GA-SPA)7种数据降维方法对光谱进行特征变量提取,分别建立红提糖度和含水率的偏最小二乘回归算法(Partial Least Squares Regression,PLSR)和最小二乘支持向量机(Least Squares Support Vector Machine,LSSVM)含量检测模型并对比分析模型的优劣。结果表明:红提糖度和含水率的最优PLSR模型波长提取方法为GA-SPAPLSR,最优模型的预测集相关系数分别为0.958、0.938;红提糖度和含水率的最优LSSVM模型波长提取方法分别为CARS-SPA-LSSVM、UVE-SPA-LSSVM,最优模型的预测集相关系数分别为0.969、0.942;LSSVM所建模型的效果好于PLSR所建模型,但模型的运算时间较长。研究结果表明:基于可见/近红外技术无损检测红提糖度和含水率的方法可行,两种最优检测模型的预测精度均较高,都能满足检测要求。在不同应用下,可酌情选择不同模型,PLSR所建最优模型的运算时间较短,适合在线快速检测;LSSVM的检测性能最佳,可更加准确地检测红提糖度和含水率。     

不同产地苹果糖度可见近红外光谱在线检测

为了实现不同产地苹果糖度的快速在线无损检测,减少产地差异对近红外光谱检测模型的影响,建立了不同产地苹果糖度的在线检测通用模型。首先,采用水果动态在线检测设备采集了包括栖霞、洛川与会宁3个产地的红富士苹果的漫透射光谱。其次,采用偏最小二乘算法(PLS),结合无信息变量消除(UVE)方法,筛选出58个特征变量,建立了苹果糖度的UVE-PLS通用模型,该模型对个体产地预测集及总预测集的均方根误差分别为0.50～0.74°Brix与0.63°Brix,较原始个体模型分别提高了23.2%～44.4%与35.7%。最后,提出了一个新的外部验证样本集对模型性能进行评价,其残留预测偏差为2.33,预测值在±1.0°Brix和±1.5°Brix误差范围内的占比分别为85%与100%。实验结果表明:建立多个产地苹果糖度的在线检测通用模型,能够提高其他产地样本糖度的预测稳健性,并且采用合适的波长筛选方法能够简化模型。开发不同产地水果内部品质通用模型在波长有限的光谱设备中具有良好的应用潜力。     

梨和苹果糖度在线检测通用数学模型研究

采用可见/近红外光谱技术在线检测水果糖度,每个水果品种要单独建模,模型升级维护耗时费力。探讨建立苹果、梨等薄皮水果可溶性固形物(SSC)在线检测通用数学模型的可行性。利用自行设计的可见/近红外漫透射光谱在线检测系统,在积分时间80 ms、单线速度5个/s的条件下,采集新梨7号、砀山酥梨、玉露香梨和富士苹果四种水果的可见/近红外漫透射光谱。分析了四种水果的可见/近红外漫透射光谱响应特性,采用变异系数法和连续投影算法,筛选通用数学模型建模用光谱变量,并建立了偏最小二乘和最小二乘支持向量机梨与苹果梨通用数学模型。采用新样品评价模型的预测能力,变异系数法筛选光谱波段建立的偏最小二乘通用数学模型预测精度最高,通用模型预测梨和苹果梨模型预测均方根误差分别为0.49%和0.55%,通用模型预测相关系数分别为0.88和0.93;独立模型预测新梨7号、玉露香梨、砀山酥梨和富士苹果的预测相关系数分别为0.93,0.91,0.88和0.95,预测均方根误差分别为0.40%,0.42%,0.41%和0.46%。通用数学模型的预测精度略低于每个品种的独立数学模型,但是通用模型的通用性高于单一模型。实验结果说明采用变异系数法结合偏最小二乘法建立薄皮水果在线检测通用数学模型,实现四种水果糖度在线检测是可行的。     

猪肉pH值的可见近红外光谱在线检测研究

pH值是猪肉关键品质之一,实施在线检测对优化肉品加工工艺、保证产品质量、提高肉及肉制品的经济价值有重要意义。研究应用可见近红外光谱对新鲜猪肉pH值进行在线检测,实验时样品以0.25 m·s-1的速度运动,采集其可见近红外漫反射光谱(350～1 000 nm),进行反射距离校正后应用偏最小二乘回归法建立猪肉pH值在线检测模型。研究通过Kennard-stone算法划分样品校正集与预测集,对比了不同的光谱预处理方法(多元散射校正,微分等)对预测结果的影响,并对建模所用光谱变量进行优化。研究发现经过多元散射校正结合一阶微分预处理的模型效果最好,模型预测相关系数为0.905,预测均方根误差为0.051,经过优化的模型建模所用波长变量数减少一半,模型的预测相关系数提高到0.926,预测均方根误差下降至0.045。结果表明可见近红外光谱可用于新鲜猪肉pH值的在线检测。     

光程变化对基于近红外光谱的黄酒品质检测的影响

以绍兴酒为研究对象,利用近红外光谱分析技术和化学计量学分析方法,开展了光程变化对基于近红外光谱的黄酒品质检测影响的研究,建立了黄酒酒精度、糖度和pH值3个品质指标的分析模型.通过比较0.5,1,1.5,2,2.5和3 mm 6个不同光程,并比较原始光谱、一阶微分光谱和二阶微分光谱三种光谱预处理方式对模型性能的影响,确定了这3个指标的最佳检测方式.黄酒酒精度和pH的最佳检测方式为:光程2 mm,采用偏最小二乘回归结合原始光谱;糖度的最佳检测方式为光程1mm,采用偏最小二乘回归结合原始光谱.这一研究表明光程变化对基于近红外光谱的黄酒品质检测有影响,选择合适的光程能够有效地提高检测精度.     

基于深度信念网络与混合波长选择方法的蓝莓糖度近红外检测模型优化

利用近红外光谱技术结合组合区间偏最小二乘（SiPLS）、竞争性自适应重加权（CARS）、连续投影算法（SPA）、无信息变量消除（UVE）特征提取方法,运用深度信念网络（DBN）建立蓝莓糖度的通用检测模型,实现蓝莓糖度在线无损快速检测。采集了“蓝丰”和“瑞卡”共280个蓝莓样本的近红外光谱,采用手持折光仪测定其糖度;首先利用联合X-Y的异常样本识别方法（ODXY）检测到蓝丰和瑞卡蓝莓分别有2个和4个样本呈现异常,剔除该6个异常样本,对其余274个样本利用光谱-理化值共生距离算法（SPXY）以3∶1的比例划分出训练集和测试集;其次,对比分析卷积平滑（S-G平滑）、中心化、多元散射校正等预处理对蓝莓原始光谱的改善效果,运用SiPLS对光谱降维,筛选特征波段,利用CARS,UVE和SPA方法对特征波段进行二次筛选,以最优的特征波长建立DBN和偏最小二乘回归（PLSR）模型。结果表明,蓝莓糖度近红外检测模型的最优预处理方法为S-G平滑,SiPLS方法挑选的蓝莓糖度最优波段为593~765和1 458~1 630 nm,UVE算法从SiPLS筛选的346个变量中优选出159个最佳波长。建立蓝莓糖度DBN模型时,分析了不同隐含层数对检测模型的影响,并以交互验证均方根误差（RMSECV）作为适应度函数,利用粒子群算法（PSO）对各隐含层神经元个数在[1,100]之间寻优,发现隐含层为3层且隐含层节点数为67-43-25时,DBN模型的RMSECV达到最小,为0.397 7。无论是以全光谱还是特征波长建模,蓝莓糖度近红外DBN模型均优于常规PLSR方法;尤其以UVE方法二次筛选的特征波长建立的模型大大减少了建模变量,且模型精度更高,蓝莓糖度最优的PLSR模型测试集相关系数（R_P）为0.887 5,均方根误差（RMSEP）为0.395 9,最优DBN模型R_P为0.954 2,RMSEP为0.310 5。研究表明,利用SiPLS-UVE进行特征提取,结合深度信念网络方法建立的蓝莓糖度检测模型可以更好地完成蓝莓糖度在线精准分析,该方法有望应用于蓝莓及其他果蔬内部品质检测。     

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。     

近红外光谱法的甜菜糖度快速测定

为了实现甜菜依据含糖量定等分级,甜菜收购环节的按质论价,促进甜菜制糖行业的良好健康发展,应用近红外光谱技术对甜菜糖度的快速检测进行了系统研究,确定了一种快速、无损、准确的测量甜菜糖度的方法。采集具有代表性的28个甜菜品种,820个甜菜样品作为校正集,70个样品作为预测集,扫描得到甜菜校正集样品的近红外原始光谱,选择合适的光谱预处理方法,采用偏最小二乘法建立甜菜糖度的定量预测数学模型,以校正模型的内部交互验证均方根误差(RMSECV)、决定系数(R2)和外部预测标准误差(SEP)为指标对模型的性能进行评价,并对模型的预测效果进行了比较。采用一阶导数和标准正态变量变换对光谱进行预处理并结合偏最小二乘法所建立的定量预测数学模型的预测能力较好。甜菜糖度定量校正数学模型的模型决定系数为0.908 3,内部交互验证预测均方根误差为0.376 7。用此数学模型对预测集70个样品进行预测,预测值与实测值的相关系数达到0.921 4,预测标准误差为0.439,预测值和实测值之间不存在显著性差异(p＞0.05)。结果表明：近红外光谱法作为一种简单、快速、无损、环保的检测方法,能够良好的评价甜菜的糖度。建立的模型具有很高的精确性,可以满足甜菜糖含量测定的需要,该方法可以实现甜菜收购环节的定等分级和按质论价。     

汽轮机油中含水量的近红外光谱研究

汽轮机油在使用过程中会因为种种原因混入水分,使油液理化性能发生变化,影响系统的正常工作,采取合理的措施有效地对汽轮机油中的含水量进行分析一直是汽轮机油的研究热点之一。应用近红外光谱技术结合连续投影算法(SPA)实现了汽轮机油中含水量的分析,通过对汽轮机油中含水量为0～0.156%的57个油样进行光谱扫描,运用原始光谱、一阶导数光谱和多项式最小二乘拟合求导算法Savitzky-Golay(SG)的不同预处理方法,并应用SPA提取近红外光谱的有效波长,以相关系数(r)和均方根误差(RMSE)作为模型评价指标对汽轮机油中含水量进行了研究。结果表明原始光谱经过一阶导数与SG预处理后,应用SPA提取近红外光谱的16个特征波长,作为最小二乘支持向量机(LS-SVM)模型的输入变量,建立了SPA- LS-SVM模型。运用此模型对验证集样本进行预测的相关系数和均方根误差分别为0.975 9和2.656 8×10-3,说明应用SPA结合近红外光谱技术来检测汽轮机油中含水量是可行的,并能获得满意的预测精度,为进一步应用光谱技术进行汽轮机油中其他污染物的检测提供了新的方法。     

便携式短波近红外光谱仪器检测土壤总氮含量研究

基于便携式短波近红外光谱技术检测了土壤总氮含量。采集浙江省文城地区农田土壤样本243个,将土壤样本分为三组,一组未经过粉碎、过筛等处理,一组做过2 mm筛处理,一组过0.5 mm筛过处理,采用usb4000便携式光谱获取土壤光谱数据,结合(savitzky-golay, SG)平滑算法,波长压缩算法和小波变换对原始数据进行预处理,然后采用竞争性自适应重加权、随机青蛙和连续投影算法进行特征波长选择。基于全光谱建立了偏最小二乘回归和基于特征波长建立了极限学习机和LS-SVM模型。结果表明过筛处理后的样本模型结果优于未过筛的样本模型结果,过0.5 mm筛处理的土壤样本模型预测结果略优于过2 mm筛处理的土壤样本模型预测结果,最优预测集的决定系数为0.63,预测均方根误差为0.007 9,剩余预测偏差为1.58。表明便携式仪器检测土壤总氮含量,经过过筛处理的土壤样品检测结果优于未过筛土壤样品检测结果,建议土壤样品检测总氮含量时需经过过筛处理,这样得到的结果较为理想,在此基础上采用性能较好的光谱仪器采集数据,以减小原始光谱噪声。     

基于高光谱漫透射成像可视化检测脐橙可溶性固形物

厚皮类瓜果内部品质的无损检测是目前水果产业的检测技术瓶颈。本文采用高光谱漫透射技术对脐橙可溶性固形物(SSC)含量进行可视化分析研究。通过基线校正(Baseline)预处理结合连续投影算法(SPA)优选9个特征波长,建立SSC偏最小二乘回归(PLSR)模型,校正集相关系数r_(cal)为0.891,校正集均方根误差RSMEC为0.612°Brix,预测集相关系数r_(pre)为0.889,预测集均方根误差RMSEP为0.630°Brix。最后,计算各个像素点的SSC值结合图像处理技术得出SSC的可视化分布图,直观判断脐橙SSC含量高低。     

Optimized prediction of sugar content in ‘Snow’ pear using near-infrared diffuse reflectance spectroscopy combined with chemometrics

In near-infrared spectroscopy applications, the original spectra often contain redundant information, which will seriously affect the performance of chemometric models. Therefore, preprocessing, effective wavelengths selection, and appropriate regression models are essential. The objective of this study was to optimize the nondestructive determination multivariate calibration model of sugar content in ‘Snow’ pears, using near-infrared diffuse reflectance spectroscopy combined with chemometrics. All data (sugar content reference values and spectra data) from three measuring positions (P1, P2, and P3, marked around the pear’s equator at angular distances of approximately 120°) were divided into four grouped datasets, namely Set-1 (P1), Set-2 (P2), Set-3 (P3), and Set-4 (average of the three measuring positions). All subsequent optimized processes were performed based on each grouped dataset. First, different preprocessing methods were tested and an optimal method was determined. Then, synergy interval partial least squares and synergy interval partial least squares-competitive adaptive reweighted sampling were applied to select effective regions and effective wavelengths from all wavelengths, respectively, and partial least squares regression models were established and analyzed. In addition, support vector regression models were also established for comparative study. After comprehensive analysis of prediction accuracy and model complexity, the partial least squares regression model based on the 16 selected effective wavelengths for Set-4 was optimal, with the correlation coefficient for prediction, root-mean-square error of prediction, and residual predictive deviation of 0.9701, 0.2311, and 4.12, respectively. The results indicated that with these optimized processes, the multivariate calibration model of sugar content in ‘Snow’ pears was effectively optimized for each dataset. In addition, it is concluded that partial least squares regression was superior to support vector regression in this study, although some other researches had found different results in related fields.     

果皮对脐橙可溶性固形物可见/近红外检测精度的影响

利用可见/近红外半透射光谱技术对未剥皮(完整)和剥皮脐橙的可溶性固形物(SSC)进行检测,探索果皮对脐橙SSC检测精度的影响。采用QualitySpec型光谱仪获取未剥皮和剥皮脐橙在350~1 000 nm波段的可见/近红外光谱,并从光谱和模型性能两方面分析果皮的影响。对未剥皮和剥皮脐橙平均光谱进行比较,并提取前20个主成分进行多元方差分析;应用偏最小二乘(PLS)回归结合不同预处理方法分别建立未剥皮和剥皮脐橙SSC的预测模型,对预测模型性能进行比较,并对预测集样本的预测残差平方进行方差分析。结果表明,在5%置信水平下,果皮对脐橙SSC检测精度的影响是显著的。未剥皮和剥皮脐橙SSC的最优PLS模型的预测集相关系数和预测均方根误差分别为0.888,0.456%和0.944,0.324%。     

大白桃糖度的近红外漫反射光谱无损检测试验研究

该研究应用近红外(near infrared, NIR)漫反射光谱定量分析技术开展了金华大白桃的糖度检测试验研究。用偏最小二乘回归(partial least square regression, PLSR)方法在800～2 500 nm光谱范围建模,通过比较果汁和不同部位果肉所对应的相关模型的预测结果发现：用水果3个部位(顶部、中部、底部)共9个检测点的果肉平均光谱和糖度平均值建立的模型的结果比果汁或单独某个部位果肉(3个检测点)所建立的模型的结果要好。在此基础上,分析了光谱微分和散射校正预处理对建模结果的影响,结果显示微分光谱建立的模型不如原始光谱建立的模型的结果好,光谱的散射校正处理(用多元散射校正MSC和标准正态变量变换SNV两种方法)有助于提高模型的预测性能。最终建立桃子果肉平均光谱经MSC和SNV散射校正后与糖度的相关模型,MSC和SNV对建模结果的影响基本一致,MSC-PLSR和SNV-PLSR模型的相关系数Rcal和交互验证相关系数Rcross-v分别为0.997和0.939。该研究表明近红外光谱检测技术可用于金华大白桃糖度的定量分析。