基于一维卷积神经网络的雌激素粉末拉曼光谱定性分类

拉曼光谱物质定性鉴别已被广泛应用于诸多行业和研究领域,但传统拉曼光谱分析过程中的预处理主要依赖人为经验,光谱特征提取虽然能够降低信号维度,同时也会造成部分光谱信息损失。特性相近物质本身光谱相似度较高,受到测量过程中环境干扰和分析过程中多种误差影响,导致最终分类效果并不理想。针对此问题,提出基于一维卷积神经网络（one-dimensional convolution neural network,1D-CNN）的拉曼光谱定性分类方法。实验采集雌酮（Estrone）、雌二醇（Estradiol）,雌三醇（Estriol）三种不同雌性激素粉末的拉曼光谱,设计随机平移、添加噪声和随机加权三种光谱数据增强方法,构建数量充足的拉曼光谱数据库用于神经网络模型训练与测试;基于拉曼光谱数据特点提出一维卷积神经网络分类模型,将光谱预处理、特征提取和定性分类的全过程融为一体。通过大量仿真实验,优化所提出的神经网络模型超参数和训练过程并测试分类效果,从预处理对光谱分类结果的影响和模型抗干扰性能两个方面与多种传统拉曼光谱分类算法对比,评价模型性能。实验结果表明,本文提出的一维卷积神经网络模型可实现三类雌性激素粉末拉曼光谱快速准确分类,分类正确率最高可达98.26%,分析过程中无需光谱预处理和特征提取步骤,简化了光谱分析流程,并能保留更多有效信息。同时,当模拟测量噪声强度达到60 dBW时,传统方法分类正确率均明显出现不同程度明显降低,卷积神经网络模型依然能够取得96.81%的分类正确率,说明相比对传统拉曼光谱分类方法,所提出方法受光谱测量噪声影响更小,鲁棒性更强,适用于分析更复杂现场测量的强噪声拉曼光谱信号。该研究结果表明深度学习方法在拉曼光谱的分析与处理领域具有很大的应用潜力和研究价值。     

基于卷积神经网络特征提取的拉曼光谱分类研究

拉曼光谱物质定性识别已被广泛的应用于化工、安防、缉毒等行业和研究领域,但是传统的拉曼光谱分析技术依赖于光谱数据库,通过光谱特征提取进行识别。特征提取是拉曼识别的关键处理步骤,通常利用主成分分析,因子分析等方法进行特征提取,而后通过KNN,SVM和随机森林等方法进行光谱特征定性识别,当拉曼数据库不存在待定性物质时,易造成待检测物质的错误分类。针对此问题,提出一种基于卷积神经网络的对数据库缺少物质光谱识别方法。在实验过程中,采用九类,200余种精神类药品拉曼光谱作为测试对象,通过搭建卷积神经网络自动特征提取并利用Softmax分类器将200余种物质,按照Amphetamine, cathinone, cannabinoids等九种类别进行定性分析。通过与传统机器学习方法如K近邻,支持向量机等方法进行比较,基于卷积神经网络的模型识别准确性有显著提高,该方法可为拉曼光谱数据库的光谱识别检索提供一种新的识别方法。     

卷积神经网络的紫外-可见光谱水质分类方法

水质污染源的及时精确定位和精细化的污染防治措施是打赢水污染防治攻坚战的迫切需求,为解决地表水实际水样高锰酸盐指数准确分类的实际问题,以光谱降噪和光谱有效信息提取为切入点,根据紫外-可见光谱数据的特点,提出使用一维卷积神经网络处理紫外-可见光谱数据。为验证检测一维卷积神经网络对地表水光谱信号分类的可行性,选取长江的某段流域作为取样点。采集当天的长江上游水、某河水、嘉陵江水,生活污水、 500 mg·L^-1邻苯二甲酸氢钾溶液来模拟污染水源。将几种水样按不同的配比来模拟当天该流域的水污染变化情况。采集现有的单一水样及混合配比水样的光谱数据,根据各类水样的特征光谱信息进行区分,实现地表水高锰酸盐指数的预测分类,快速确定异常水样的污染来源,通过仿真实验,优化模型参数并完成优化训练。与K最邻近法、支持向量机等传统分类方法相比,该算法在光谱预处理复杂度和定性分析准确度方面有较大优势,在没有复杂的数据预处理前提下,将获取的350条光谱数据建立水质分类模型,随机选择其中245条数据作为训练集,另105条数据作为测试集,模型的混淆矩阵分类精度达99.0%。不仅简化了整个光谱分析流程,...     

一维空洞卷积神经网络的矿物光谱分类

矿物光谱综合反映了岩矿的物理化学特性、组分和内部结构特征,已被应用于岩矿识别研究.传统的矿物光谱分类方法需要先对矿物光谱进行预处理,再采用不同方法分析光谱特征,从而实现分类目的.但同时也会造成部分光谱信息丢失,导致最终分类精度不高且操作过程繁琐、效率低下,难以应对日益增长的大数据处理需求.因此,建立一个准确、高效的矿物...     

基于扩张卷积注意力神经网络的高光谱图像分类

为了解决训练样本有限情况下高光谱图像分类精度低的问题,提出了一种结合扩张卷积与注意力机制的三维-二维串联卷积神经网络模型.首先,该模型以串联的三维-二维卷积神经网络作为基础结构,利用三维卷积同时提取高光谱图像的空谱特征,并采用二维卷积进一步提取高级空间语义信息;然后,通过引入扩张卷积增大卷积核感受野,构建了多尺度特征提...     

基于一维卷积神经网络的化爆和地震次声分类

次声事件的分类识别方法应用广泛,传统分类方法在很多方面进行了尝试,但由于次声信号具备非线性的特点,致使分类难度较大,分类精度不高,这对次声事件的分类工作提出了挑战.针对次声事件中的化学爆炸与天然地震信号分类问题,文章构建了一种改进的深度卷积神经网络分类模型用于实现两类次声信号的分类.论文采用"全面禁止核试验条约组织"官...     

基于卷积神经网络的恒星光谱自动分类方法

恒星光谱自动分类是研究恒星光谱的基础内容,快速、准确自动识别、分类恒星光谱可提高搜寻特殊天体速度,对天文学研究有重大意义。目前我国大型巡天项目LAMOST每年发布数百万条光谱数据,对海量恒星光谱进行快速、准确自动识别与分类研究已成为天文学大数据分析与处理领域的研究热点之一。针对恒星光谱自动分类问题,提出一种基于卷积神经网络(CNN)的K和F型恒星光谱分类方法,并与支持向量机(SVM)、误差反向传播算法(BP)对比,采用交叉验证方法验证分类器性能。与传统方法相比CNN具有权值共享,减少模型学习参数;可直接对训练数据自动进行特征提取等优点。实验采用Tensorflow深度学习框架,Python3.5编程环境。K和F恒星光谱数据集采用国家天文台提供的LAMOST DR3数据。截取每条光谱波长范围为3 500~7 500 部分,对光谱均匀采样生成数据集样本,采用min-max归一化方法对数据集样本进行归一化处理。CNN结构包括：输入层,卷积层C1,池化层S1,卷积层C2,池化层S2,卷积层C3,池化层S3,全连接层,输出层。输入层为一批K和F型恒星光谱相同的3 700个波长点处流量值。C1层设有10个大小为1×3步长为1的卷积核。S1层采用最大池化方法,采样窗口大小为1×2,无重叠采样,生成10张特征图,与C1层特征图数量相同,大小为C1层特征图的二分之一。C2层设有20个大小为1×2步长为1的卷积核,输出20张特征图。S2层对C2层20张特征图下采样输出20张特征图。C3层设有30个大小为1×3步长为1的卷积核,输出30张特征图。S3层对C3层30张特征图下采样输出30张特征图。全连接层神经元个数设置为50,每个神经元都与S3层的所有神经元连接。输出层神经元个数设置为2,输出分类结果。卷积层激活函数采用ReLU函数,输出层激活函数采用softmax函数。对比算法SVM类型为C-SVC,核函数采用径向基函数,BP算法设有3个隐藏层,每个隐藏层设有20,40和20个神经元。数据集分为训练数据和测试数据,将训练数据的40%,60%,80%和100%作为5个训练集,测试数据作为测试集。分别将5个训练集放入模型中训练,共迭代8 000次,每次训练好的模型用测试集进行验证。对比实验采用100%的训练数据作为训练集,测试数据作为测试集。采用精确率、召回率、F-score、准确率四个评价指标评价模型性能,对实验结果进行详细分析。分析结果表明CNN算法可对K和F型恒星光谱快速自动分类和筛选,训练集数据量越大,模型泛化能力越强,分类准确率越高。对比实验结果表明采用CNN算法对K和F型恒星光谱自动分类较传统机器学习SVM和BP算法自动分类准确率更高。     

基于卷积神经网络的烟叶近红外光谱分类建模方法研究

卷积神经网络(CNN)在图像分类识别领域应用广泛,但其在近红外光谱分类中的研究还未见报道,对基于CNN的近红外光谱分类建模方法进行了研究。针对近红外光谱数据的特点,提出了一种改进的卷积神经网络建模方法,对CNN经典模型LeNet-5所做改进：①将方形矩阵卷积核改为适用于一维近红外光谱的向量卷积核;②简化网络结构,将LeNet-5结构中C5,F6及输出层改为单层感知机。同时,采用隔点采样的方法对近红外光谱降维,加快收敛速度;并对卷积核尺寸对建模结果的影响进行了研究。以我国东北、黄淮、西南三大烤烟产区的600个中部烟叶样本的近红外光谱为实验对象,建立烟叶产区分类NIR-CNN模型。该模型对训练集和测试集的判别准确率为98.2%和95%。实验结果表明,应用卷积神经网络可对近红外光谱数据准确、可靠地判别分类;烟叶产区NIR-CNN建模方法可为卷烟企业烟叶原料科学合理利用提供指导,为维护卷烟产品的质量稳定有重要意义;基于卷积神经网络的近红外光谱判别方法也可推广到其他农产品的分类应用中。     

基于卷积神经网络的工程塑料太赫兹光谱分类识别方法

工程塑料优异的介电性能和金属可替代性,使其成为5G建设的热门材料。对外观相近但性能不同的几种工程塑料的检测与定性分析,有助于工程塑料更好地应用于5G线路板和天线模块的制造。应用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对几种常见的工程塑料PEEK、 PPS、 ABS进行光谱检测,分别得到三种工程塑料在太赫兹波段的光谱数据。通过快速傅里叶变换,将三种工程塑料的THz时域光谱进行转换,获取工程塑料在0.1～1.2 THz下的THz频域光谱,并经过计算提取出相应的吸收光谱。分析THz时域光谱可知,不同种类工程塑料的THz时域谱存在时间延迟线和振幅的差异,可以直观地显示出各种塑料间的差异,这表明工程塑料的THz-TDS分类识别具有一定的可行性。但由于同属工程塑料,在太赫兹波段上表现为峰位、峰值相近,且各个材料无明显的THz特征吸收峰,因此无法直接以指纹谱进行判定。鉴于此,研究将非线性工具卷积神经网络(CNN)应用于无明显特征吸收峰的工程塑料识别研究的可行性,通过对CNN的网络结构和重要权值参数的优化,提出了一种改进的CNN分类模型。该模型使用LeakyRelu激活函数,添加BN层,利用Adams梯度...     

基于三维空洞卷积残差神经网络的高光谱影像分类方法

高光谱影像是典型的高维数据,在光谱维和空间维都包含了大量信息。针对高光谱影像分类时光谱维数据量巨大的特点,提出一种基于三维空洞卷积残差神经网络的高光谱影像分类方法。该方法以高光谱像元立方体作为数据输入,使用三维卷积核同时提取高光谱数据的空间维和光谱维特征,并通过在卷积核中引入空洞结构,在不增加网络参数量和不消减数据特征的情况下提高卷积核的感受野,从而提高神经网络的分类的精度。该方法利用残差结构避免了由网络层数加深导致的梯度消失问题,最终使用Softmax分类器完成高光谱像元的分类工作。实验结果表明:所提方法在Indian Pines和Salinas数据集上分别取得了97.303%和97.236%的总体分类精度,与各对照组相比具有更好的分类效果,由此证明所提方法可以提升高光谱影像的分类性能。     

Automatic ECG Classification Using Continuous Wavelet Transform and Convolutional Neural Network

Early detection of arrhythmia and effective treatment can prevent deaths caused by cardiovascular disease (CVD). In clinical practice, the diagnosis is made by checking the electrocardiogram (ECG) beat-by-beat, but this is usually time-consuming and laborious. In the paper, we propose an automatic ECG classification method based on Continuous Wavelet Transform (CWT) and Convolutional Neural Network (CNN). CWT is used to decompose ECG signals to obtain different time-frequency components, and CNN is used to extract features from the 2D-scalogram composed of the above time-frequency components. Considering the surrounding R peak interval (also called RR interval) is also useful for the diagnosis of arrhythmia, four RR interval features are extracted and combined with the CNN features to input into a fully connected layer for ECG classification. By testing in the MIT-BIH arrhythmia database, our method achieves an overall performance of 70.75%, 67.47%, 68.76%, and 98.74% for positive predictive value, sensitivity, F1-score, and accuracy, respectively. Compared with existing methods, the overall F1-score of our method is increased by 4.75~16.85%. Because our method is simple and highly accurate, it can potentially be used as a clinical auxiliary diagnostic tool.     

基于主成分分析和人工神经网络的激光诱导击穿光谱塑料分类识别方法研究

研究了人工神经网络在激光诱导击穿光谱(LIBS)塑料分类识别方面的应用。选用七种常见的塑料作为实验样品,获得每种样品的170组LIBS光谱数据,利用主成分分析获得前五个主成分的得分矩阵。用每种塑料样品的130组光谱数据的主成分得分矩阵作为训练集,建立反向传播(BP)人工神经网络模型。将其余40组主成分得分作为测试数据输入训练好的模型进行分类识别,其识别准确度达到97.5%。实验结果表明,通过采用主成分分析与BP人工神经网络相结合的方法,可以很好地进行塑料激光诱导击穿光谱的分类识别,对塑料的回收利用有重要价值。     

基于反向传播神经网络的拉曼光谱去噪方法

拉曼光谱技术作为一种典型的光学检测方法,因其独特的非侵入性、快速、原位和极高的特异性,在生物分析、疾病诊断及分子识别等众多领域得到广泛应用.拉曼光谱的指纹特性使其成为生物医学分析领域的重要工具,但拉曼散射信号微弱,数据处理分析大量依赖分析人员、自动化处理能力低等因素都会极大影响该技术在实际中的应用.实验设备、环境产生的...     

基于反向传播神经网络的激光诱导荧光光谱塑料分类识别方法研究

塑料具有成本低、质量好,可塑性强等优点被广泛用于生产生活等领域,但废弃塑料处置不当容易引发二次污染。回收再利用有望成为解决废弃塑料污染问题的关键手段,其前提是对废料的准确分选。传统分选手段耗费时间,效率低下,难以实现废弃塑料的快速、经济、有效分类。激光诱导荧光技术是一种快速灵敏的光谱检测技术。具有操作简便,检测效率高,样品使用量小等优点常被应用于水体、土壤中油类,多环芳烃等有机污染物的快速识别与定量分析。利用激光诱导荧光技术可以快速采集不同塑料的荧光光谱,结合相应的模式识别算法,可实现塑料材质的快速准确识别。实验采集了8种塑料（ABS,HDPE,PA66,PLA,PP,PET,PS,PVC）共358组激光诱导荧光光谱,依据特征峰信息构建358×10的光谱矩阵。利用主成份分析法削减原光谱矩阵中的线性相关量,提高数据精度。结果显示前3个主成分的累计方差贡献值达98.085%,足以表征原光谱矩阵的主要信息。将降维的主成分PC1, PC2, PC3作为输入进行光谱分类,其中同种塑料光谱聚合度高,元素构成不同的塑料如PA66,PLA,HDPE和PVC的光谱分离度较好,而元素构成相同的塑料如PET和PLA的光谱分离度较差。PCA算法并不能准确的对未知塑料进行识别。BP-神经网络具有收敛速度快,预测精度高等特点被广泛用于模式识别和分类研究。将经PCA算法得到的简化特征矩阵作为BP-神经网络算法的输入集,其中随机抽取256组数据作为BP-神经网络算法模型的训练集,剩余的102组数据作为模型检测集。BP神经网络的隐藏层设定值为1,激活函数选择双极性Sigmoid函数,输出层为8种塑料样品。识别结果显示,102组数据中只有一组HDPE光谱数据被错识为PS,其余101组数据全部正确识别。8种塑料荧光光谱的综合识别准确率达到99%。研究结果表明激光诱导荧光技术结合BP-神经网络算法可实现不同材质塑料的快速准确识别。为实现废弃塑料的自动化智能分选,降低回收成本,减少废弃塑料危害提供新的参考。     

拉曼光谱定性和定量检测青蒿素研究

青蒿素是从中药青蒿中提取的含有过氧基团的倍半萜内酯药物,具有良好的抗疟特性,是治疗疟疾的特效药。运用激光拉曼光谱分析了100～3 500 cm-1光谱范围内青蒿素的声子振动特性。指出位于724 cm-1的拉曼峰为与青蒿素中过氧基团直接相关的一个特性声子振动模式,可用于检测过氧桥键的存在。位于1 734 cm-1的拉曼峰为与青蒿素中内酯基团直接相关的一个特性声子振动模式,可用于进一步检测分析青蒿素。由于这两个特征拉曼峰对应于青蒿素分子中特征化学键的振动,而且在实验上较容易观察分析,因而它们可以很好的用于拉曼光谱法快速初步定性检测青蒿素。同时,通过分析比较不同纯度青蒿素样品中724和1 734 cm-1处特征拉曼峰的平均散射信号强度比,拉曼光谱法可以用于定量检测青蒿素样品的纯度。与常用的高效液相色谱法相比,拉曼光谱法更快速方便,检测精度更高,而且可以检测青蒿素样品纯度的均匀性。拉曼光谱法定性和定量检测青蒿素纯度的功能对分析检测中药青蒿的品质也有重要意义。     

卷积神经网络用于近红外光谱古筝面板木材分级

目前,我国乐器制作行业在古筝面板用木材等级的筛选上主要依赖于技师主观评判,但此法缺少科学理论的依据,效率低,客观性及出材率的提高等方面受到限制,无法满足乐器市场的大量需求。实现古筝面板用木材快速、智能化的分级工作是一个急需解决的课题。近红外光谱非常适用于测量含氢的有机物质。古筝面板木材主要化学成分的化学键均由含氢基团组成,不同等级板材的化学成分存在差异,这些差异反映在近红外光谱中,为判断木材等级提供了可能。同时卷积神经网络对非线性数据具有较强的特征提取能力,所以提出一种应用卷积神经网络模型对光谱数据进行分析的方法,进而判别木材的等级。应用了Savitzky Golay一阶、二阶微分两种预处理方法和核主成分分析、连续投影算法两种数据压缩方法,通过所设计的卷积神经网络模型以样本识别准确率和模型构建过程中的损失值作为判定指标选出最佳预处理和数据压缩方法。为了提高模型提取分析光谱数据的能力和避免过拟合现象,应用了多通道卷积核、批量归一化和early stopping策略,将通过两层卷积层提取的特征信息送入全连接层,从而充分提取剩余信息,通过Softmax函数获得板材的最终预测等级,从而确定了最终模型。最终Savitzky Golay一阶微分和核主成分分析为最佳数据处理方法,同时得出用于区分不同等级的古筝面板用木材的主要关键谱带,分别为1 163~1 243, 1 346~1 375和1 525~1 584 nm。将该模型应用于测试集样本,古筝面板用木材的等级识别准确率为95.5%。实验结果表明所提出的方法可以高效地处理光谱数据,有效识别区分不同等级的古筝面板用木材的关键特征,从而为广阔的乐器市场提供一定的技术支持。     

基于可见光谱和卷积神经网络的贝类识别方法

目前卷积神经网络（CNN）在物体种类识别方面取得突破性进展。贝类作为农业经济的重要组成部分,种类繁多,特点复杂,大多贝类存在着相似度高,各类样本分布不均衡情况,以致CNN对贝类分类的准确率偏低。针对这一情况,提出了基于可见光谱和CNN的贝类识别方法,旨在提取更有效的贝类特征,从而提高贝类分类的准确率。首先,提出了一种包含输出熵度量和正交性度量的滤波器信息度量与特征选择方法,重新初始化修剪掉的滤波器并使其正交,捕获网络激活空间中的不同方向,使神经网络模型学习到更多有用的贝类特征信息,提升模型分类准确率;其次,提出了一种包含正则化项和焦点损失项的贝类分类目标函数,通过控制各类别样本对总损失的共享权重,来减少易分类样本的权重,以使模型注意力向预测不准的样本倾斜,均衡样本分布和样本分类难度,进一步提高贝类分类的准确率。贝类图像数据集由74类贝类组成,共11 803张图像。获取原始数据集后,对数据集图像进行水平翻转、垂直翻转、随机旋转、在[0, 30°]范围内旋转、在[0, 20%]范围内缩放和移动等数据增强操作,将图像数量从11 803张增加到119 964张。整个图像数据集按8∶1∶1的比例随机分为训练集95 947张图片、验证集11 996张图片和测试集12 021张图片。在建立贝类图像数据集的基础上进行了实验验证,达到了93.38%的分类准确率,将基准网络（Resnest）的准确率提高了1.18%,相较网络SN_Net和MutualNet,准确率分别提升了4.34%和0.85% ,并且训练时长为22 320 s,将基准网络（Resnest）的训练时长缩短了960 s,训练时长分别比SN_Net和MutualNet短3 180和2 460 s。实验结果证明了该方法的有效性。