基于最小二乘法的动态光谱补偿拟合提取

高信噪比的动态光谱(dynamic spectrum, DS)提取是实现高精度动态光谱血液成分无创检测的一个关键。为了进一步提高提取的精度和速度,从原理上分析了各单波长光电容积脉搏波(photoelectric plethysmography,PPG)的线性相似性,并基于此性质提出了补偿拟合法：首先按照PPG单周期采样点数进行滑动平均得到漂移基线进行补偿,除去基线漂移;其次用各波长对数PPG与全波长叠加平均模板PPG进行最小二乘拟合,提取一次项系数构成DS。利用拟合提取法对近红外和可见光波段各25组PPG数据样本进行DS提取实验验证,并将结果与单沿提取法进行平滑性指标的对比,结果表明：近红外和可见光波段补偿拟合法获取DS的平均方差分别为单沿提取法的77.9%和59.5%,稳定提高了DS的平滑性;近红外和可见光波段补偿拟合法处理时间分别可以达到单沿提取法的10%和20%,处理速度得到显著改善。补偿拟合法在单沿提取法的基础上稳定提高了DS的信噪比,改善了DS提取质量,缩减了提取时间,并简化了处理步骤,有望推动DS无创血液成分检测的发展。     

基于统计方法的动态光谱差值提取

为实现血液成分无创检测,针对动态光谱(dynamic spectrum, DS)时域单拍提取法存在的不足,提出时域差值提取法,即顺序提取各波长对数光电脉搏波上相距理想差值间隔的两对应采样点的绝对差值构成差值DS,利用统计方法优选若干有效差值DS进行叠加平均获取最终DS输出。对48例志愿者的实验数据分别利用差值提取法和单拍提取法进行DS提取,结果表明：差值提取法提取DS的去噪效果略优于单拍提取法;对单一个体可获取有效DS的平均个数由48个改善为130个,有效DS间均方误差的平均值由0.39改善为0.006,运算速度提升了近20倍。新方法显著提高了DS提取的质量。     

基于时频域综合分析的无创血糖检测技术研究

无创血糖检测技术是一种间接测量血液中葡萄糖含量的方法,其不损伤人体组织具有安全、快捷、无创的特点,打破了传统血糖检测的局限性,具有重要的研究价值。光电容积脉搏波信号因携带多种生理病理信息,被广泛应用于各种临床研究,也是目前实现无创血糖检测技术的重点关注对象。目前基于光电容积脉搏波信号的无创血糖检测研究,仅考虑了时间域或频率域单独作用时对系统建模的贡献。信号的时域分析虽能描述PPG信号幅值随时间的变化,却无法直观反映PPG信号频率的能量分布,因此单一域的信号分析不能全面表达PPG信号,从而导致信息丢失。采用频域分析方法提取信号频谱时,需要利用信号的全部时域信息,是一种全局的变换,可能会造成特定时间或特定频率段内的信号特性丢失。提出了一种基于光电容积脉搏波(PPG)时频域综合分析的无创血糖检测新方法,采用时域-频域并行法综合考量光电容积脉搏波信号与血糖间的联系。以时域分析为基准,利用聚类分析法在PPG信号时域中提取代表波形,分析波形特征点与血糖相关性,确定波形时域特征参数。在此基础上,利用快速傅里叶变换将脉搏波时域信号转换至频率域,采取主成分分析手段研究频谱信息,确立频域特征量。通过口服葡...     

基于高光谱图像和偏最小二乘的羊肉pH值特征波段筛选研究

波段筛选方法的选取以及随后的光谱特征波段的提取对高光谱模型效果的影响较大。为了快速准确检测羊肉的pH值,开展并讨论了利用两种特征波段筛选方法对羊肉pH值高光谱模型的影响研究。本研究采用二阶导数(2D)、多元散射校正(MSC)和中心化处理(mean-centering)相结合的方法对所提取纯肌肉部分的代表性光谱进行预处理,利用联合区间偏最小二乘(siPLS)和联合区间偏最小二乘结合遗传算法(siPLS-GA)对全波段473～1000 nm范围光谱进行特征波段的提取,并分别建立相对应特征波段范围羊肉pH的PLS预测模型,同时与全波段的PLS模型效果相比较。结果表明采用siPLS-GA提取的特征波长建立的PLS模型效果最优,其选取的特征波长点数为56,校正集相关系数(R_cal)和均方根误差(RMSEC)分别为0.96和0.043,预测集相关系数(R_P)和均方根误差(RMSEP)分别为0.96和0.048。siPLS-GA方法既能够减少建模使用的光谱变量,又可以提高模型精度,因此利用高光谱图像技术结合siPLS-GA可以实现羊肉pH的特征波段筛选和快速准确检测。     

基于PPG的心率和呼吸频率的测量研究

利用光电容积脉搏波描记法(PhotoPlethysmoGraphy,PPG)测量人体生理参数具有操作简单、性能稳定和适应性强等优点.采用反射式光电测量法获得桡动脉PPG信号,对PPG信号做快速傅里叶变换,分析频域实现人体心率和呼吸频率的检测.实验结果表明利用快速傅里叶变换获得的心率和呼吸频率与监护仪获得的相应数据之间有...     

灰体辐射(火用)分析

以两个无穷大平板组成的系统为例,本文利用Karlsson和Candau对光谱辐射(火用)的定义,通过对系统内光谱辐射(火用)强度的数值求解,获得了灰体光谱辐射(火用)强度随波长和发射率的变化规律,比较了光谱辐射强度、光谱辐射(火用)强度的峰值所对应的波长与发射率的关系,最后从宏观热力学理论分析光谱辐射(火用)强度的定义式.结果表明光谱辐射(火用)强度的峰值波长和光谱辐射强度的峰值波长不一致,光谱辐射能有用度随发射率的增大而增大,光谱辐射(火用)损失与系统熵产间的关系满足宏观热力学中的Gouy-Stodola理论.     

灵武长枣VC含量的高光谱快速检测研究

采用可见-近红外高光谱成像技术结合化学计量学方法检测灵武长枣维生素C(VC)含量，探究一种全新的水果内部成分的快速无损检测方法。采用高效液相色谱法(HPLC)测得长枣的VC含量化学值，可见-近红外高光谱成像系统采集164个灵武长枣400～1 000 nm的高光谱图像，利用ENVI4.8软件提取图像的感兴趣区域(region of interest，ROI)，计算其平均光谱，获得光谱值，将化学值与光谱值通过The UnsecramblerX 10.4软件建立模型。利用蒙特卡洛交叉验证法剔除异常值，采用光谱理化值共生距离法(sample set partitioning based on joint x-y distance，SPXY)进行样本划分以提高模型的预测性能；对光谱采用移动平滑(moving average)、中值滤波(median filter)、归一化(normalize)、基线校准(baseline)、多元散射校正(multiple scattering correction，MSC)、去趋势(detrending)和标准正态变量变换(standard normal variate，SNV)等7种方法进行预处理；为进一步减少数据量，降低维度，提高运算速度，使用竞争性自适应加权算法(competitive adaptive reweighted sampling，CARS)、无信息变量消除算法(uninformative variable elimination ，UVE)和连续投影算法(successive projections algorithm，SPA)提取特征波长，以期实现以少数波段代替全波段；将全波段光谱(full spectrum，FS)以及CARS, UVE和SPA三种方法提取的特征波长分别建立偏最小二乘(partial least squares wavelength regression，PLSR)和支持向量机(support vector machine，SVM)模型，从而确定最优的建模模型。利用蒙特卡洛交叉验证法共剔除7个异常样本，采用SPXY法将剔除异常样本后的157个数据区分为校正集和预测集，校正集中样本个数为117，预测集中样本个数为40。将未经光谱预处理的建模结果与分别经过七种光谱预处理的建模结果相比，选择未经光谱预处理的数据进行后续分析；将未经光谱预处理的光谱值采用CARS，UVE，SPA方法进行提取特征波长，CARS共优选出406，415，487，631，636，655，660，665，670，684，689，694，723，732，747和881 nm下的光谱变量16个，利用CARS提取出的特征波长占总波长的12.8%；UVE共优选出406，415，627，631，636，651，655，660，665，670，675，679，684，689，694，699，703，708，742，747，751，756，761，766，771，775，780，785，790，795，919和924 nm下的32个特征波长，利用UVE提取出的特征波长占总波长的25.6%；SPA共优选出401，665，684 nm三个特征波长，利用SPA提取出的特征波长占总波长的2.4%。将全波段光谱与提取出的特征波长建立PLSR模型和SVM模型，对比模型结果显示UVE-SVM模型最优，其R2_c为0.847 1，R2_p为0.714 9，说明UVE有效地对光谱进行降维，简化了数据处理过程。本研究对高光谱成像技术在水果领域的应用进行了有益探索，探究了一种全新的灵武长枣VC含量的无损检测方法，相应建立的可见-近红外高光谱模型为其他水果成分的快速检测提供了理论基础。     

激发态质子转移分子2-(2'-羟基苯基)苯并噻唑溶液的全光开关效应

研究了激发态质子转移(ESPT)分子2-(2'-羟基苯基)苯并噻唑(HBT)在不同极性溶剂中的光开关行为,探讨了溶剂极性对HBT分子光开光效应的影响.揭示了光开关脉冲信号的形成原因,建立了基于光诱导HBT分子激发态非线性折射效应的皮秒全光开关的理论模型.根据对时间响应函数的理论计算和实验结果分析,确定了光开关脉冲信号下降前沿和上升后沿的形成机理以及影响因素,并提出了增强光开关信号下降前沿的关断深度,提升上升后沿的恢复速度的有效途径和方法.本文工作为制成皮秒量级关断,微秒甚至纳秒量级重新打开的快速全光开关器 关键词： 全光开关 2-(2'-羟基苯基)苯并噻唑(HBT) 激发态质子转移 非线性光学特性     

银纳米阵列直径对SERS增强效果的影响

采用电化学沉积法分别在不同孔径的阳极氧化铝(AAO)模板上沉积一系列直径不同,排列规则的银纳米阵列。以对氨基苯甲酸(PABA)和三聚氰胺两种分子分别作为探针分子, 研究了银纳米阵列的直径大小对其表面增强拉曼散射(SERS)效果的影响。结果表明, 在波长为514.5 nm的激光激发下, 探针分子的SERS信号强度随银纳米阵列直径的改变而明显变化, 并在银纳米阵列直径约为53 nm时, SERS强度达到最大。利用电磁增强机制对此实验结果进行了分析和解释。     

纳米结构的硅绝缘材料(SOI)波导

介绍在纳米(亚微米)量级上的硅波导,包括其结构,性质,和与普通石英光纤相比的优点.再介绍在硅波导内的非线性光学过程(拉曼效应,四波混频,波长转换效应等),以及这些效应所带来的在光器件和技术上的进步.最后总结nm量级上的硅波导的研究现状以及发展潜力.     

利用谐波分量提高动态光谱法的信噪比

为了提高动态光谱法信号的信噪比,从信号和噪声能量的角度分析了动态光谱法以往采用的频域数据处理方法优点和缺陷,研究了了典型动态光谱系统噪声来源、频谱特点及其对动态光谱法信噪比的影响;并由此提出了增加多次谐波分量计入动态光谱的方法,并通过实验方法研究了实验中不同对照组的动态光谱相关系数与谐波次数逐渐增加时的变化趋势、确定了计入动态光谱的最佳谐波次数。实验证明,伴随频域处理中引入的谐波次数的增加,源自两个不同个体的动态光谱数据的相关系数会先减小后增加;而源自同一个体不同部位的动态光谱数据则一直增大。当引入的谐波次数为5时,可以得到最佳信噪比。所得到的动态光谱可以更加准确地反应血液成分信息,从而使动态光谱法的信噪比最大。     

提高DS法无创血液成分检测信噪比的方法与分析

为了提高血液成分无创检测精度,增加预测模型稳定性,对基于动态光谱(dynamic spectrum,DS)的血液成分无创检测仪器和预处理方法进行了定量信噪比分析与实验验证。在DS数据提取时加入boxcar积分器、降低波长分辨率、均衡DS信噪比和剔除粗大误差等预处理方法,使得各个波段上的DS数据信噪比得以均衡,提高了DS的总体信噪比。利用DS数据采集平台对两名志愿者连续多次测试,同一个体的DS数据相关度分别从0.934和0.953分布提高到了0.991和0.987,而不同个体间DS数据相关度与同一个体DS数据相关度差距也显著增加, 结果表明这些方法可以提高DS数据信噪比。无创血液成分检测信噪比定量分析可有效指导预处理方法的选择,为无创血液成分检测的临床应用创造了条件。     

Application of wavelet transform on improving detecting precision of the non-invasive blood components measurement based on dynamic spectrum method

Time-varying noises in spectra collection process have influence on the prediction accuracy of quantitative calibration in the non-invasive blood components measurement which is based on dynamic spectrum (DS) method. By wavelet transform, we focused on the absorbance wave of fingertip transmission spectrum in pulse frequency band. Then we increased the signal to noise ratio of DS data, and improved the detecting precision of quantitative calibration. After carrying out spectrum data continuous acquisition of the same subject for 10 times, we used wavelet transform de-noising to increase the average correlation coefficient of DS data from 0.979 6 to 0.990 3. BP neural network was used to establish the calibration model of subjects' blood components concentration values against dynamic spectrum data of 110 volunteers. After wavelet transform de-noising, the correlation coefficient of prediction set increased from 0.677 4 to 0.846 8, and the average relative error was decreased from 15.8% to 5.3%. Experimental results showed that the introduction of wavelet transform can effectively remove the noise in DS data, improve the detecting precision, and accelerate the development of non-invasive blood components measurement based on DS method.     

动态光谱提取方法的对比研究

针对现有的频域法和单沿法这两种动态光谱提取方法进行了对比与研究.理论及实验结果表明,虽然两种方法提取动态光谱的角度不同,但其本质是相同的:源于动态光谱的基本原理、信号统计特性和平均作用的利用;对于周期、幅值较稳定的脉搏波,两种方法都能够提取高精度的动态光谱;相比较频域法,单沿法能够更好地抑制手指的抖动、光纤探头压力的改...     

基于高光谱成像提取苹果糖度与硬度最佳波长

利用高光谱成像技术提取可同时检测苹果糖度与硬度的最佳波长。首先双面采集苹果的高光谱图像,获取亮度相近感兴趣区域(ROIs)的反射波形,采用二阶导数结合标准正态变量(SD+SNV)的方法平滑波形,测试ROIs的糖度与硬度;之后采用连续投影算法(SPA)提取两项指标的特征波长,根据特征波长的分布提出二次连续投影算法,结合波形集特征与两次投影结果确定不同取样面的最佳波长;最后采用遗传算法开发神经网络(GA-BP)建立预测模型,双面取样波长(543 nm和674 nm)效果最优,糖度相关系数(R)为0.847 6,均方误差(MSE)为3.32;硬度R为0.793 8,MSE为9.6。结果表明,相同波长信息可以检测苹果糖度与硬度。     

Monitoring heart and respiratory rates at radial artery based on PPG

To develop an apparatus for simultaneous monitoring of heart and respiratory rates using photoplethysmography (PPG) and Fast Fourier Transform algorithm (FFT), the PPG waveform was measured at the radial artery with an original based on diffuse reflectance mode photoplethysmographic device. An FFT algorithm was used to extract heart and respiratory information from the PPG waveform. The results good agree with conventional method. The correlation coefficient of heart rate and respiratory rate obtained using PPG waveform and conventional method is 0.988 and 0.976, respectively. The PPG waveform and FFT algorithm can contribute to quicker and more accurate measurement of human heart rate and respiration rate. A portable watch-like device can be made via this method and be utilized to monitor heart and respiratory rates in hospitals or daily life care.     

The high precision positioning algorithm of circular landmark center in visual measurement

For vision measurement in the center circle landmark location problem, an improved center of the ellipse based on Zernike moments sub-pixel positioning algorithm was proposed. First, using Sobel operator edge of the image pixel level positioning and then use the constructed Zernike moments to solve the model, combined with Zernike orthogonal polynomials and completeness and plural moment magnitude rotational invariance calculated edge sub-pixel position; followed by analysis of the principle deviation generated by the moments template and ideals model, a correction formula was proposed to compensate and improved edge criterion used to image sub-pixel edge positioning; finally, using the least-squares ellipse fitting algorithm fitting circle center, reverse edge point, filtered residuals larger point, and then precise positioning of the ellipse center. The experimental results show that this method has good stability and high positioning accuracy can be efficiently used in many applications.     

刚竹毒蛾危害下的毛竹叶片光谱特征波长研究

旨在获取刚竹毒蛾危害下的毛竹叶片光谱特征波长,以助于该虫害的有效、准确识别。将于福建省顺昌县实测的105条高光谱数据随机划分为实验组(71条)和验证组(34条)。基于实验组数据,利用单因素方差分析获取健康、轻度危害、中度危害、重度危害等虫害等级间具有极显著差异的波长;结合常用遥感卫星的波段设置对上述波长进行筛选,采用欧式距离、相关系数及光谱角匹配等3种方法判定其虫害判别能力,获取特征波长,并引入验证组样本对其予以验证。结果表明：(1)受害叶片的光谱反射率明显低于健康叶片,虫害等级越高,其反射率越低;(2)受害叶片的光谱特征变化较大,随着虫害等级的上升,其光谱曲线中的“绿峰”及“红谷”趋于消失,“红边”斜率逐渐减小;(3)确定原始光谱703.43~898.56 nm及一阶微分光谱497.68~540.72,554.53~585.25和596.24~618.23 nm为刚竹毒蛾危害下的毛竹叶片光谱特征波长,其对该虫害具有较强的判别能力。该研究从叶片尺度剖析了寄主对刚竹毒蛾的响应机理,是“地-天”耦合的理论基础,可为虫害遥感监测技术体系的建立提供重要依据。