基于反射光谱技术的植物叶片SPAD值预测建模方法研究

植物叶片SPAD值反映了植物叶绿素含量,对特定的植物也反映了氮含量。为了实现植物叶绿素含量的快速无损检测,利用光纤反射光谱技术对植物叶片SPAD值进行了预测建模研究。实验中选取70个样本作为建模集,50个样本作为校验集。通过叶片光谱比对,发现光谱红边段650～750 nm对SPAD预测建模有直接关系。实验确定了光强调节因子和叶片厚度影响因子。首先通过待定系数法构造出SPAD预测公式,然后用Visual Basic6.0设计的遗传算法进行参数寻优,最后确定最佳敏感波段为683.24～733.91 nm。分析表明,叶片厚度对SPAD反射光谱模型精度有显著影响。经过叶片厚度修正后的建模集拟合因子R2为0.865 8, 校验集拟合因子R2为0.916 1。结果表明, 利用反射光谱技术建立的SPAD预测模型是成功的, 从而可为仪器开发提供方法指导。     

高光谱成像技术的库尔勒梨早期损伤可视化检测研究

利用高光谱成像技术对库尔勒梨早期损伤进行快速识别检测。以60个库尔勒梨为研究对象,采集380～1 030 nm波段范围内完好样本和损伤后1～7天样本的480幅高光谱图像。提取图像中感兴趣区域(ROI)的平均光谱信息,利用小波变换(WT)对光谱数据进行去噪平滑,将去噪后的全部样本按2∶1的比例分成建模集(320个)和预测集(160个)。利用二阶导数从全谱信息中提取出19个特征波长,分别基于全谱和提取出的特征波长对建模集和预测集进行支持向量机(SVM)建模分析。结果表明,基于全谱和特征波长的判别分析模型中,两者预测集的识别率都达到93.75%,表明提取的特征波长包含了光谱数据中的关键信息。然后,基于特征波长运用波段比运算挑选最佳波段比,根据波段比F值的分布确定光谱图像分割的最佳波长684和798 nm。对最佳波段比(684/798 nm)下的图像,利用选择性搜索(SS)对高光谱图像中样本的完好和损伤区域进行分割,从分割结果来看,1～7天损伤样本的受损区域能够被准确检测出来。研究结果表明：基于高光谱成像技术对库尔勒梨进行损伤鉴别是可行的,该研究所获得的特征波长和波段比为研发在线实时的库尔勒梨损伤检测系统提供支撑。     

基于独立主成分和BP神经网络的干红葡萄酒品种的鉴别

为了实现葡萄酒品种的快速无损鉴别,选用五种干红葡萄酒,进行可见和近红外光谱实验,提出了一种用可见和近红外光谱技术快速鉴别葡萄酒品种的新方法.采用独立主成分分析进行模式特征分析,经过选用不同的独立主成分数进行建模和预测,确定最佳独立主成分数为20.将这20个主成分作为神经网络的输入变量,建立三层BP神经网络,实现类别预测的同时也完成了数学建模与优化分析工作.5个品种的葡萄酒样本数均为35,共计175个样本.在神经网络学习中,将其分成训练集样本150个和预测集样本25个.对25个未知样本进行预测,准确率为100%.该研究在独立主成分分析的基础之上,根据干红葡萄酒各独立主成分的混合矩阵向量载荷图,选取了两个波段(400～430 nm与512～532 nm)作为葡萄酒的独立主成分分析的特征波段.说明该文提出的基于光谱技术和模式识别的方法不仅对葡萄酒具有很好的分类和鉴别能力,并且可以提取出葡萄酒的指纹特征,可用于葡萄酒的检测与技术开发.     

近红外漫反射光谱法快速鉴别石斛属植物

通过采集15种石斛171份样品的近红外漫反射光谱,结合化学计量学统计分析方法建立预测模型,对不同种石斛进行快速无损鉴别。应用Hotelling T2对随机抽取的5份样品的近红外光谱进行稳定性分析,结果表明,样品的近红外光谱具有较好稳定性。设计正交试验L24(2×4×3×8),对光程类型、光谱波段、导数和平滑四个因素进行优化处理。利用主成分分析对正交试验结果进行分析,结果显示,选择6 500～4 000cm-1的光谱波段,采用多元散射校正、二阶导数和Norris平滑对光谱预处理,提取的主成分数为7时,光谱判别正确率为100%。将正交试验优化条件作为偏最小二乘法判别分析的输入值,随机选取123份样本作为校正集建立预测模型,其余48份样本为预测集,评估预测模型的性能。结果表明,该模型前3个主成分累积贡献率为99.36%,设定鉴别标准偏差为±0.1时,该方法的正确识别率为97.92%,获得满意的结果。该方法的建立为不同种石斛的快速鉴别提供了一种新的方法,同时为药用植物的鉴别提供参考。     

不同贮藏温度下滩羊肉pH值的近红外高光谱动力学模型建立

为了比较4℃、15℃两种贮藏温度下滩羊肉pH值的变化,优选出滩羊肉贮藏期间的最优模型,采用pH酸度计测量样本pH值,建立两种贮藏温度下传统动力学的零级和一级模型;应用近红外(900～1 700 nm)高光谱成像采集两种贮藏温度下滩羊肉的光谱数据,剔除异常值后进行光谱预处理;使用连续投影算法(SPA)提取特征波长,建立全波段和特征波长的偏最小二乘(PLSR)预测模型;对比分析得到的最优光谱模型与动力学模型相结合,确定滩羊肉光谱动力学模型。结果表明,4℃和15℃的传统动力学模型的相关系数分别为0.502和0.912;4℃下原始光谱经PLSR建模后效果最优,相关系数R_c为0.821,R_p为0.863,15℃经SG-S(3,7)+De-trending(4)预处理后经PLSR建模效果最优,相关系数R_c为0.876,R_p为0.819。因此,高光谱结合传统动力学的模型检测羊肉pH值的方法是可行的,该模型可以预测15℃下滩羊肉的贮藏期。     

基于高光谱技术融合图像信息的脱绒棉种品种分类检测研究

开展种子品种的识别研究是保证种子质量的重要手段。利用高光谱图像技术融合图像特征信息对脱绒棉种的品种进行判别分析。采集4个品种共240粒脱绒棉种样本的高光谱图像数据(400～1 000 nm),提取样本的光谱信息及长、宽、面积、圆形度、等12个形态特征。采用连续投影算法(SPA)选出11个特征波段作为输入结合偏最小二乘判别分析法(PLS-DA)、软独立模式识别法(SIMCA)、最邻近节点算法(KNN)、主成分分析结合线性判别(PCA-LDA)及二次判别(PCA-QDA)进行建模分析,得出PLS-DA建模集和预测集的总体识别率分别为93%和90%。利用图像信息进行建模分析,模型整体的识别率均不高,说明单独使用高光谱图像的形态特征进行分类效果不佳。将特征波段的光谱和形态特征信息进行融合作为输入,建立基于PLS-DA,SIMCA,KNN,PCA-LDA及PCA-QDA的信息融合模型,其精度均比基于光谱或形态信息模型高,其中PLS-DA模型识别效果最好,建模集和预测集总体识别率分别为98%和97%。表明融合高光谱图像的光谱与图像信息可以在少量波段情况下有效的提高脱绒棉种品种的分类检测精度。     

可见近红外光谱的甘蓝叶片毒死蜱农药残留定性分析

有机磷农药毒死蜱是目前农业生产中使用最广泛的农药之一,但有机磷农药过度使用导致的农药残留却给自然环境和人类生命健康造成严重威胁,因此,开发一种快捷、准确、经济的毒死蜱农药在农产品表面残留的直接检测方法意义重大。配制4组不同体积浓度（1∶200, 1∶500, 1∶800, 1∶1 000）的毒死蜱农药溶液,对照组为纯净水,分别浸泡甘蓝叶片3 min,每组采集30个叶片样本,5组共计150个样本。采用可见近红外光谱仪获取其谱图信息,然后开展不同浓度毒死蜱农药在甘蓝叶片上残留的可见近红外光谱定性分析研究。建模时,将每组数据中24个样本,5组共计120个样本作为建模训练集,剩下每组6个样本,5组共计30个样本作为预测集。鉴于甘蓝叶面不平整、皱褶较多,叶片颜色深浅不一等因素会给近红外光谱分析带来干扰,给预测模型的建立增加难度,提出一种光谱全波段平均分组积分（求和）预处理方法,将光谱波段平均分成n组,再对分组后每组数据积分求和,用预处理后的数据训练BP神经网络。实验表明,光谱全波段平均分组积分（求和）预处理方法,对光谱反射率一阶导数（FD）且分组数为25的神经网络训练效果最好,建模集识别准确率为97.50%,预测集识别准确率为96.67%,建模效果优于通常采用的提取光谱敏感、特征波段建模方法（建模集识别准确率为91.67%）。光谱全波段平均分组积分预处理方法在保留光谱数据更多特征波段的同时探索更多潜在敏感波段,能够降低光谱数据维度,减小单个光谱数据噪声对建模效果的影响,选择合适的分组数n,能取得较好的建模预测效果。     

基于近红外光谱与误差反向传播神经网络技术的三种人工林木材识别研究

利用近红外光谱结合误差反向传播神经网络(BP)对三种人工林木材(尾叶桉、马尾松、南方无性系I-72杨)进行识别,探讨隐含层神经元个数、光谱预处理方法、光谱范围对BP网络模型的影响,并与SIMCA法所建模型做比较。结果表明：(1)BP网络结合全波段(780～2 500 nm)近红外光谱数据建模,识别正确率达到97.78%,并确定隐含层神经元数为13;(2)全波段光谱建模比短波段(780～1 100 nm)和长波段(1 100～2 500 nm)光谱建模识别效果好,其识别正确率分别为97.78%, 95.56%和96.67%,用一阶导数和二阶导数对全波段光谱进行预处理后,BP网络模型识别正确率分别为93.33%和71.11%;用多元散射校正(MSC)对全波段光谱进行预处理后,BP网络模型识别正确率为98.89%,(3)在三种波段(780～2 500,780～1 100和1 100～2 500 nm)光谱建模的情况下,BP网络建模识别正确率分别为95.56%, 96.67%和97.78%,SIMCA模型识别正确率分别为76.67%, 81.11%和82.22%,BP网络建模比SIMCA法建模对三种人工林木材的识别正确率高。     

基于波段注意力卷积网络的近红外奶粉皮革水解蛋白掺假检测

近年来,深度学习技术在近红外光谱、拉曼光谱、荧光光谱等的光谱学数据建模上取得一系列突破。由于深度学习方法对于样本数量的需求高,而在分析化学领域获得大量有标签样本较为困难,因此过拟合问题一直是深度神经网络在化学计量学中应用时研究者高度关注的问题。该工作提出基于波段注意力卷积网络(WA-CNN)的近红外数据建模方法,并应用于婴儿配方奶粉皮革水解蛋白(HLP)掺假定量分析。WA-CNN在传统卷积网络的基础上加入波段注意力模块,该模块采用卷积操作自训练波段注意力权值,并以乘法加权形式对有效波段进行激活,从而有效缓解深度神经网络在近红外数据建模中的波段信息冗余问题,达到抑制过拟合,提升预测精度的目的。研究中共测试100个皮革水解蛋白掺假婴儿配方奶粉样本的近红外光谱数据,其中皮革水解蛋白的掺假比例范围是0%～20%。采用60%的样本训练,剩余40%样本测试,随机采样10次,通过测试集均方根误差(RMSEP)、决定系数(R²)以及相对分析误差(RPD)的均值来进行模型评价。并建立偏最小二乘回归(PLS)、支持向量机回归(SVR)和常规的一维卷积神经网络(CNN)三种传统模型用于...     

基于高光谱技术的玉米种子可视化鉴别研究

种子纯度是衡量种子品质的重要指标。提出一种基于近红外(874～1 734 nm)高光谱技术实现玉米种子可视化鉴别的方法。采集4个品种共384个玉米种子样本的高光谱图像数据,随机选择288个样本作为建模集,剩余96个样本作为预测集。对玉米种子光谱曲线进行分析后,通过连续投影算法（SPA）选取7个特征波段作为输入,结合偏最小二乘法判别分析(PLS-DA)模型,对预测集进行预测,获得较好的分类效果,其中R_C=0.917 7,RMSECV=0.444 2; R_CV=0.911 5,RMSECV=0.459 9,建模集和预测集的总体鉴别率分别为78.5%和70.8%。通过图像处理技术提取高光谱图像中每个玉米颗粒的平均光谱数据,输入建立的SPA-PLS-DA模型,在计算生成的鉴别图中以不同颜色标识不同类别,实现了混杂玉米种子样本的可视化鉴别。对3份不同组成的混杂种子样本进行鉴别,达到了较好的可视化效果。结果表明,通过可视化鉴别技术,可以直观方便地观察混杂种子样本中不同品种种子的分布和数量,为农业生产中种子的纯度鉴别和筛选提供了帮助。     

可见/近红外光谱快速测定土壤中的有机碳含量和阳离子交换量

为实现土壤中有机碳(TOC)含量和阳离子交换量(CEC)的快速检测, 对300个土壤样品的可见/近红外光谱数据进行了分析。使用快速独立分量分析(FastICA)算法对光谱数据矩阵进行分解, 得到独立成分和相应的混合系数矩阵, 再利用误差反向传播算法(back-propagation, BP)构造三层神经网络结构。为了克服传统BP神经网络结构难以确定和易于陷入局部极小点的缺点, 采用遗传算法优化BP神经网络结构和初始权值, 得到ICA-GA-BP模型。利用此模型对土壤中TOC含量和CEC进行预测, 根据预测相关系数(R2)和预测标准偏差(RMSEP)来评价预测模型的性能, 表明该模型对TOC含量和CEC测定的相关系数R2均达到0.98以上。说明文章提出的ICA-GA-BP建模方法具有很好的预测效果, 为土壤品质的鉴别提供了一种新方法。     

First principles investigation on Li or Sn codoped hexagonal tungsten bronzes as the near-infrared shielding material

The 52% energy of the solar radiation is contributed by near-infrared radiation (NIR, 780-2500 nm). Therefore, the material design for the energy-saving smart window, which can effectively shield NIR and has acceptable visible transmittance, is vital to save the energy consumed on the temperature control system. It is important to find a non-toxic stable material with excellent NIR-shielding ability and acceptable visible transmittance. The systematic first-principles study on Li_xSn_yWO₃ (x=0, 0.33, 0.66, and y=0, 0.33) exhibits that the chemical stability is a positive correlation with the doping concentration. After doping, the Fermi-energy upshifts into the conduction band, and the material shows metal-like characteristics. Therefore, these structures Li_xSn_yWO₃ (except the structure with x=0.33 and y=0) show pronounced improvement of NIR shielding ability. Our results indicate that when x=0 and y=0.33, the material exhibits the strongest NIR-shielding ability, satisfying chemical stability, wide NIR-shielding range (780-2500 nm), and acceptable visible transmittance. This work provides a good choice for experimental study on NIR shielding material for the energy-saving window.     

掺杂的Bi4Ge3O12晶体的近红外发光性能

生长了Mg、Ca离子掺杂(提拉法)和Cl离子掺杂(坩埚下降法)的Bi₄Ge₃O₁₂(BGO)晶体,测试了晶体样品的吸收谱、光致发光谱和发光衰减时间等。这些掺杂的BGO晶体的可见光发光比纯BGO有所减弱,但在808 nm和980 nm激光二极管(LD)激发下出现了纯BGO几乎没有的近红外发光,归因于改变了能级的Bi离子或可能出现的低价态Bi离子。掺杂对近红外发光的影响跟掺杂离子价态有关,同价态的掺杂离子对近红外发光的影响相差不大。     

Encapsulation of Photosensitizers and Upconversion Nanocrystals in Lipid Micelles for Photodynamic Therapy

Photodynamic therapy (PDT) is a promising method for cancer therapy. However, it is constrained by limited penetration depth of visible light, hydrophobicity of photosensitizers, and lack of tumor targeting. In this work, the photosensitizer zinc phthalocyanine (ZnPc) and upconversion nanocrystals (UCNs) are encapsulated into OQPGA‐PEG/RGD/TAT lipid micelles. The UCNs acting as a nanotransducer convert deep‐penetrating near‐infrared (NIR) light to visible light for activating the photosensitizer. OQPGA‐PEG/RGD/TAT lipid micelles are used as a carrier for the photosensitizer, with improved biocompatibility and cancer‐targeting ability. The results show that the photosensitizer ZnPc‐ and UCNs‐loaded OQPGA‐PEG/RGD/TAT lipid micelles are nanoparticles with an average size of 25 nm. The lipid micelle nanoparticles are stable in water with low leakage of photosensitizer. The absorption peak of the photosensitizer overlaps with the emission peak of UCNs, so the visible fluorescence emitted from the UCNs upon excitation by the NIR laser at 980 nm can activate the photosensitizer to produce singlet oxygen for PDT. The targeting RGD peptide and cell‐penetrating TAT peptide on the surface help the nanoparticles getting into cancer cells. The OQPGA‐PEG/RGD/TAT lipid micelles encapsulated with both the photosensitizer ZnPc and UCNs could be used for targeted PDT by using deep‐penetrating NIR light as the light source.     

空间分辨光谱和可见/近红外光谱的番茄颜色等级判别

比较分析空间分辨光谱和单点可见/近红外光谱（可见/短波近红外光谱和中波近红外光谱）对番茄颜色的识别能力。根据番茄表面和内部颜色将600个样品分为6个等级（green, breaker, turning, pink, light red和red）。分别利用新型空间分辨光谱系统（550~1 650 nm）,可见/短波近红外光谱仪（400~1 100 nm）和中波近红外光谱仪（900~1 700 nm）采集番茄的空间分辨（spatially-resolved, SR）光谱和单点可见/近红外（SP Vis/NIR）光谱,建立番茄等级的偏最小二乘判别（PLSDA）模型,比较其对番茄颜色等级的预测效果。结果表明, SR光谱组合可在最佳单一SR光谱基础上进一步提高番茄颜色的识别能力,对番茄表面颜色和内部颜色的识别率可分别达到98.8%和84.6%。光源-检测器距离较近的SR光谱对番茄表面颜色的识别有帮助,而光源-检测器距离较远的SR光谱能较好的判别番茄内部颜色。SP NIR光谱在对番茄表面颜色判别中与SR光谱具有一定可比性,其分类准确率可达到95%,但SP Vis/NIR光谱在对番茄内部颜色识别中具有较低的分类准确率,分类结果远不如SR光谱,说明SR光谱比SP Vis/NIR光谱对番茄颜色的判别更具潜力。     

Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu2+,Nd3+的近红外发光

用高温固相法制备了Ca<,8>Mg(SiO<,4>)<,4>Cl<,2>:Eu<'2+>,Nd<'3+>近红外发光材料,通过X射线衍射仪,近红外,可见发射光谱和激发光谱,荧光寿命等对样品进行了测试.研究了Eu<'2+>、Nd<'3+>的掺杂浓度对近红外发光性能的影响及相对强度变化的规律,结果表明,Ca<,8>Mg(Si...     

化学镀铜天然高分子材料表面特征的近红外光谱分析

通过对天然高分子材料木材进行化学镀的方法制成的木质电磁屏蔽材料既可以保留木材的一些优良特性,又能有效改善木材导电、 导热和电磁屏蔽性,不仅为木材的增值利用开辟了新道路,还为电磁屏蔽材料的加工利用拓宽了领域。本研究利用近红外光谱结合主成分分析法对化学镀铜处理前后样品进行了分析研究,旨在探讨利用近红外光谱技术研究该材料表面特性的可行性。结果表明：(1)化学镀铜前后样品表面的近红外光谱在形状和吸收强度上存在显著差异,而不同镀铜时间的样品之间也存在差异,尤其是反应未充分的样品。(2)经过主成分分析后,镀铜前后样品沿PC1轴、 PC2轴大致分成了6类,其中未处理样品、 活化处理样品性质较接近,镀铜时间25和40 min样品因反应充分,性质也比较类似,说明近红外光谱中包含反映材料处理前后的重要特征信息。(3)比较近红外区域和可见光区域光谱的主成分分析效果,发现近红外光谱区比可见光光谱区对镀铜处理前后样品的分类效果好,可见光光谱在突出样品的表面颜色特征信息方面表现更好,这说明两者结合运用更有利于样品表面特征信息的表征。     

基于光谱和神经网络模型的作物与杂草识别方法研究

利用光谱技术来识别作物与杂草是精细农业中一个非常重要的研究内容,但光谱数据中含有大量冗余数据,如何预处理以及建立识别模型,是决定识别准确率的关键。利用在325～1 075 nm波段的光谱识别了三种杂草（牛筋草、凹头苋、空心莲子草）与大豆幼苗。在幼苗生长的第三周与第六周分别采集杂草与作物的光谱,共378个样本。用其中的250个光谱样本,包括第一期和第二期采集的光谱样本,在采用db12小波经过三层分解后,将其小波系数作为输入数据建模,构造了一个径向基函数神经网络。然后,利用余下的光谱样本检验该模型的识别能力。结果表明,该模型对作物与杂草光谱具有极强的识别能力,只有3个第二期的牛筋草样本被判断为空心莲子草,其余的样本全部正确识别。这个结果表明,采用可见/近红外光谱识别大豆幼苗与三种伴随生长的杂草是可行的,同时也说明,随着作物的生长阶段的不同,其光谱的变化不会影响到种类识别。     

Variation in luminescence behavior of Yb3+ doped GdAlO3 phosphor with gradual increase in Yb3+ concentration

The present paper reports the combustion synthesis of Yb³⁺ doped GdAlO₃ phosphors. The structural characterization and luminescence spectra of Yb³⁺ doped GdAlO₃ phosphors have been discussed. The effects of variable concentration of Yb³⁺ on Photoluminescence (PL) behavior were studied. The structural characterization was done by X-ray diffraction (XRD) and Transmission electron microscope technique (TEM). The good connectivity with grains and the semi-sphere line structure was found by TEM. The functional group analysis was carried out by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopic techniques. The prepared phosphor gives emission spectra in visible as well as NIR region. Both emissions were studied as a function of Yb³⁺ concentration. The emission intensity variation with Yb³⁺ ion concentration for visible and NIR region were discussed separately. The NIR emission luminescence of GdAlO₃:Yb³⁺ phosphor luminescence continuously increases with increasing Yb³⁺ ion concentration.     

Synthesis of bismuth nanocap arrays on quartz substrates and their surface plasmon resonance properties

Bismuth nanocap arrays have been prepared by vacuum depositing Bi films onto the surfaces of self-assembled monolayer arrays of SiO₂ nanoparticles. The surface morphologies, structures, and optical properties of the obtained samples have been characterized by transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscope (AFM), X-ray diffraction (XRD), and ultraviolet–visible–near infrared (UV–vis–NIR) spectrophotometer. TEM and AFM images indicated that the SiO₂/Bi composite nanoparticles were incompletely encapsulated and their surfaces were relatively rough. UV–vis–NIR absorption spectra showed that Bi nanocap arrays had strong and tunable surface plasmon resonance peaks in the visible and near infrared regions, which were dependent dramatically on the relative ratio of the SiO₂ core diameter to the Bi cap thickness.