“赤霞珠”葡萄叶片缺磷胁迫的VIS/NIR光谱快速无损诊断方法

研究旨在明确“赤霞珠(Cabernet Sauvignon, Vitis Vinifera L.)”葡萄健康叶片和缺磷胁迫不同时期下的光谱信号特征变化,构建基于光谱技术的“赤霞珠”葡萄叶片缺磷胁迫快速无损诊断模型,为葡萄园病害防治与管理提供理论参考和技术支持。以酿酒葡萄“赤霞珠”葡萄叶片为研究对象,分别采集了正常、缺磷胁迫初期和末期葡萄叶的VIS/NIR反射率信息。对比Savitzky-Golay卷积平滑(S-G Smoothing)、移动平均平滑(MAS)、标准正态变换(SNV)和多元散射校正(MSC)4种预处理及组合方法对于去除葡萄叶光谱信号中随机噪声的能力,确定最佳预处理方法。采用连续投影法(SPA)筛选与“赤霞珠”葡萄叶缺磷胁迫相关的光谱特征变量,分别构建基于线性核函数(Linear)、多项式核函数(Poly)、径向基核函数(RBF)和二层神经网络核函数(Sigmoid)的支持向量机(SVM)模型,以灵敏度(SEN)和准确率(CCR)为依据评估模型诊断性能,形成基于VIS/NIR光谱的“赤霞珠”葡萄叶片缺磷胁迫快速无损诊断方法。S-G Smoothing预处理后的光谱信号的信噪...     

基于优选NIR光谱波数的绿豆产地无损检测方法

产地是影响农作物生产的重要环境因素,产地溯源对于食品安全具有重要意义.针对传统农产品产地检测一般采用化学分析法,其操作繁琐且存在破坏性和耗时较长等不足的问题,以北方寒地绿豆为研究对象,分别在白城、杜蒙、泰来等优质绿豆主产区,获取绿豆的籽粒和粉末两种状态的近红外光谱数据(NIR),利用优选NIR光谱特征波数,建立了绿豆产...     

土壤全氮田间Vis/NIR光谱测定方法研究

应用Vis/NIR光谱直接测定原始土壤属性具有重要的研究和应用价值。选取我国中部水稻土和潮土共103个土样,对比分析了两种土壤在田间环境下的湿态(R_w)和干态(R_d)光谱特征。采用相对变换光谱方法对湿态光谱进行了处理,结果表明该方法能够有效降低土壤水分的干扰和消除部分噪声,得到的变换光谱(R_n)与干态光谱在信息量和特征方面具有很高的相似度。以此建立了土壤TN的PLS回归估计模型,检验结果表明,R_n对水稻土和潮土TN的估计模型精度均高于R_w,修正判定系数分别从0.26和0.46提高到0.53和0.62。因此,相对光谱变换方法能够有效提高应用田间土壤光谱估计土壤参数的能力,建立的PLS模型可以用于测定TN含量,研究结果可作为实现田间实时分析土壤属性的工作基础。     

NIR光谱的Isomap-PLS非线性建模方法

针对样品的近红外(NIR)光谱与其物理化学性质之间存在的非线性关系,提出了一种结合等距映射(Isomap)和偏最小二乘(PLS)的非线性建模新方法。Isomap是一种新的非线性降维方法,属于流形学习方法,能有效地发现高维数据中的本真低维结构。Isomap-PLS建模方法首先用Isomap对高维NIR光谱数据作非线性降维,再用PLS降维并建立校正模型。将Isomap-PLS建模方法分别应用于两个公开的NIR光谱标准数据集,并与PLS单独建模进行比较。结果表明,在两个数据集上,用Isomap-PLS方法建立的校正模型比单独用PLS算法建立的校正模型具有更小的交叉验证均方根误差(RMSECV);对某些性质数据,Isomap-PLS模型比PLS模型的RMSECV值要小2～5倍。因此,Isomap能够有效反映NIR光谱中存在的非线性结构,Isomap-PLS比PLS具有更好的建模与预测能力。     

基于Vis/NIR光谱传感的鲜食葡萄糖度检测系统

糖度是影响鲜食葡萄品质与风味的关键因素,对其可溶性固形物SSC的检测具有切实需求。近年来,随着芯片级光谱传感器的生产技术趋于成熟,具有高精确性与稳定性的片上光谱传感器为可见/近红外检测技术开辟了新的途径。设计、搭建、测试了一套体积小、易操作、低成本的用于鲜食葡萄糖度无损检测的光学系统。系统以两块搭载芯片级光谱分析技术的新一代可见/近红外光谱传感器AS7263(美国AMS半导体公司)为核心元件。每个AS7263传感器具有6个集成了纳米光干涉滤波器的数字光谱通道和一个可通过单芯片准确控制电流(1～100 mA)的LED光源。传感器光谱通道的中心波长范围610～860 nm;两个LED光源的中心波长分别为730和850 nm,半峰全宽(FWHM)为50 nm。首先,运用此原型在避光环境下采集276颗巨峰葡萄浆果的光谱信息;用手持式PAL-1糖度仪检测样本SSC(°Brix)并计算基于t分布的样本糖度真值SSC_t:SSC_t0.9与SSC_t0.95。其次,针对样本原始光谱数据,采用PCA提取主成分,根据得分因子分布,剔除了16个位...     

NIR光谱的LLE-PLS非线性建模方法及应用

传统的偏最小二乘(PLS)建模方法不能有效反映近红外(NIR)光谱与分析样本的物理化学性质之间存在的非线性关系。局部线性嵌入(LLE)是一种新的非线性降维方法,属于流形学习方法,它能有效地发现高维数据中的本真低维结构。结合LLE和PLS,提出一种近红外光谱非线性建模的新方法,并用于建立丹参多酚酸盐柱层析过程中丹酚酸B含量的回归校正模型。该方法首先用LLE对NIR光谱数据降维,再用PLS建立校正模型。结果表明,与多元散射校正、一阶导等预处理方法结合PLS建模比较,参数优化后的LLE-PLS方法能更准确地预测丹酚酸B的含量,其交叉验证均方根误差为0.128 mg·mL-1、决定系数为0.998 8。基于NIR光谱及LLE-PLS建模,可实现丹参多酚酸盐柱层析过程的在线检测。     

VIS/NIR高光谱成像在中国云冈石窟砂岩风化状况分布研究中的进展

云冈石窟大部分雕凿在长石石英砂岩上,因受环境、岩性等因素影响,目前风化状况严重,其中主要为粉状风化。基于高光谱成像技术研究云冈石窟砂岩风化状况的整体有效评估方式,采集目标物400～1 000nm的高光谱数据,采用对数残差法进行归一化处理,参照归一化处理后的反射率数据,按照这区间的反射率分布范围将风化程度分为强风化和弱风化。同时在envi平台下对砂岩的风化状况分布进行分级可视化表述。将可视化结果与现场病害分布状况比对,结果表明可视化的表述与实际观测结果基本一致,高光谱技术可用于砂岩的粉状风化状况估测。     

稀土与丙氨酸、咪唑三元配合物的FTIR和UV/VIS光谱

用氯化稀土(La,Pr,Eu)与α-丙氨酸、咪唑固体混配体配合物以及对应稀土盐、配体α-氨基酸和咪唑进行了FTIR光谱和固体UV/VIS、水溶液UV/VIS光谱测试,分析了配合物的光谱特性,讨论了配体和Ln(Ⅲ)离子配位方式与配合物光谱的关系.     

二维相关光谱的猪肉TVB-N特征变量优选研究

为了探讨利用二维相关可见/近红外光谱法优选猪肉挥发性盐基氮(TVB-N)特征变量的可行性,以贮藏时间为外扰,研究了不同新鲜程度猪肉样本的二维相关光谱特性。首先,获取56个猪肉样本在贮藏1～14 d的400~1 000 nm范围的可见/近红外反射光谱,经过标准正态变量变换(SNV)处理后,基于全波段光谱建立TVB-N的偏最小二乘回归(PLSR)模型。然后,依据TVB-N实测值,从中挑选出10个具有一定浓度梯度的样本(贮藏时间分别为0,36,72,108,144,180,216,252,288和324 h),利用一阶导数对光谱进行预处理后,根据不同样本之间的光谱差异,选取7个波段用于二维相关光谱解析。分析各个波段的二维相关同步谱和自相关谱,从7个波段范围内共选取23个变量作为不同贮藏时间下与TVB-N相关的敏感波长,并建立简化的PLSR模型。相较于全波段光谱数据所建模型,模型效果有所改善,预测集决定系数R2_p由0.792 1上升至0.865 8,误差从3.658 2 mg·(100 g)-1下降至3.246 0 mg·(100 g)-1。表明基于二维相关光谱对猪肉TVB-N特征变量进行优选的思路是可行的,该方法能够从全光谱数据中筛选出与目标物质相关的敏感变量,这也为近红外光谱特征波长选择提供了一个新的方法。     

水杨酸分子NIR－FT－SERS与VIS－SERS的比较研究

水杨酸分子ＮＩＲ－ＦＴ－ＳＥＲＳ与ＶＩＳ－ＳＥＲＳ的比较研究方炎，汪媛，胡凤霞（首都师范大学实验中心，首都师范大学综合所北京１０００３７）ＴｈｅＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＶＩＳ－ＳＥＲＳｔｏＮＩＲ－ＦＴ－ＳＥＲＳｏｆＭｏｌｅｃｕｌｅｓＡｄｓｏｒｂｅｄｏ...     

波长优选对土壤有机质含量可见光/近红外光谱模型的优化

可见光/近红外光谱模型是土壤属性预测的有效工具。波长优选在光谱建模过程中起着重要作用。文中首先利用从安徽省涡阳县采集的130个砂姜黑土土壤样本获得可见光/近红外光谱,然后利用平滑与多重散射校正联合的光谱预处理方式消除光谱中的无关变量和冗余信息以提高模型预测结果的相关性,再利用SPXY方法挑选建模集样本,分别利用连续投影算法和遗传算法进行波长优选,最后利用留一法进行交互验证建立有机质含量的主成分回归模型。研究结果显示：连续投影算法和遗传算法都可以有效地减少参与建模的波长数并提高模型的准确度,尤其是遗传算法能够更好地提高土壤有机质含量预测精度,其相关系数、预测均方根误差和相对分析误差分别达到0.9316,0.2142和2.3195。通过合适的特征波长选取,不仅计算量可以大大减少,预测精度也会有效提高。     

KF光谱优选的木材抗弯强度预测方法

木材抗弯强度是评价木材力学性质的重要指标,其快速准确预测具有工程应用价值和科学意义。重点研究了使用近红外光谱分析光谱特征优选的卡尔曼滤波(KF)方法进行PLS建模,完成木材抗弯强度的预测。试验用126个蒙古栎无疵试样,依据国家标准《木材物理力学性质试验方法》测量抗弯强度得到力学真值;在900～1 700 nm波段进行近红外光谱采集,一阶导数与S-G卷积结合进行光谱预处理;然后,将光谱及抗弯力学样本视为动态系统,光谱冗余波长视为噪声信号,通过KF迭代得到系数矩阵和标准方差,并运用二者比值实现特征优选;最后建立蒙古栎的偏最小二乘(PLS)抗弯强度近红外模型。结果表明,经过KF优选后,光谱变量数由117减小到18个,预测模型的相关系数ｒ=0.81、预测误差均方根RMSEP=6.59;为了进一步验证方法有效性,与无信息变量消除法(UVE)、连续投影方法(SPA)特征选择方法进行了对比,KF特征优选后的预测相关系数r分别提高了0.05和0.16,预测误差均方根RMSEP降低了2.33和7.66,采用KF特征选择建立的模型预测结果最佳。KF作为特征方法可有效选择近红外光谱特征波长,降低模型维度,提高模型的适用性与准确性。     

基于最小角回归与GA-PLS的NIR光谱变量选择方法

近红外(NIR)光谱一般具有较多的波长变量数,对其直接或间接地进行变量选择是提高模型稳定性能及预测性能的关键。最小角回归(LAR)是一种相对较新和有效的机器学习算法,常用于进行回归分析和变量选择。面向光谱建模应用,提出一种LAR结合遗传偏最小二乘法(GA-PLS)的变量选择方法,可有效筛选出少数特征波长点。首先在全光谱区利用LAR消除变量间的共线性得到初筛波长点,然后用GA-PLS对LAR筛选出的波长点进一步优选从而得到最终建模用的特征波长点。为验证本文方法的有效性,以药片和汽油的近红外光谱回归分析作为应用案例,对原光谱进行预处理后,采用该方法进行变量筛选,然后分别建模其中的活性成分含量和C10含量。结果显示,在这两个应用中,最终优化得到的特征波长点数均只需七个,而两者的预测决定系数R2_p分别达到0.933 9和0.951 9,与全光谱、无信息变量消除法(UVE)和连续投影算法(SPA)等方法相比,特征波长点更少,同时R2_p和预测均方根误差RMSEP值更优。因此,LAR结合GA-PLS,能有效地从近红外光谱中选择出信息变量从而减少建模波数,提高预测精度,拥有较好的模型解释性。该方法可为特定领域的专用光谱仪设计提供有效的波长筛选工具。     

NIR光谱结合稳定等效MW-PLS方法用于高脂血症指标分析

基于稳定性、等效性对移动窗口偏最小二乘(MW-PLS)方法进行改进,应用于高脂血症指标总胆固醇(TC)、甘油三酯(TG)无试剂近红外光谱分析的波长优化。提出兼顾随机性、稳定性的定标、预测、检验框架。从全体人血清样品(阴性145、阳性158,共303)中,随机选取103个为检验集(阴性44、阳性59),余下为建模集(阴性101、阳性99,共200),再将建模集随机划分为定标集(阴性51、阳性49,共100)、预测集(阴性50、阳性50,共100)共50次;基于所有划分的平均预测效果优选模型参数,使得模型具有稳定性;采用样品优选的模型进行检验。TC,TG最优MW-PLS波段分别为1 556～1 852,1 542～1 866 nm;为了解决由于材料性能、成本的因素对仪器分光系统设计的制约,提出等效模型集,并得到TC和TG等效模型集的唯一公共波段1 542～1 852 nm。检验结果表明：采用最优MW-PLS波段,检验样品的TC和TG预测均方根误差(V_SEP)分别为0.177和0.100 mmol L-1、相关系数(V_R_P)分别为0.988和0.996,高脂血症的灵敏度、特异性分别为95.0%和90.5%;基于公共等效波段,TC和TG的V_SEP值分别为0.177和0.101 mmol·L-1、V_R_P值分别为0.988和0.996,灵敏度、特异性分别为92.7%和90.3%。结论：近红外光谱结合稳定等效MW-PLS方法提供了一种有潜力的大人群血脂检测工具。      

全光再生器对波长路由网络性能改善的研究

基于美国自然科学基金网络,通过仿真,研究了全光再生器对40 Gbit/s四波长的波长路由网络阻塞率和业务吞吐率的改善.研究中,再生器的位置有三种情况,分别位于连接度等于4的节点,长度为3 000 km的路径两端节点,以及连接度等于3的节点.研究结果表明,在这三种情况下,再生器的应用可降低由于长距离传输信号质量差接收机无...     

基于SiPLS-SPA波长优选的血红蛋白定量分析研究

血红蛋白是人体的一项重要生理指标,浓度异常会导致人体产生各种疾病。红外光谱技术具有简单、无损、快速等优点,非常适合用于生理参数的定量分析。由于光谱背景复杂、有效信息弱,如何提取有效特征变量,构建精准定量模型是个难题。针对此问题,以血液样本和血红蛋白仿体溶液样本光谱数据为研究对象,采用SPXY法、 K＿S法、 duplex法、等间隔划分法四种数据集划分方法划分数据并通过建模对比,优选出最佳数据集划分方法为SPXY法。遍历了SavitzkyGolay一阶求导滤波(S＿G1)+小波变换、小波变换+S＿G1、标准正态变量变换(SNV)+S＿G1三种预处理方法,优选出SNV+S＿G1预处理方法。结合串联思想,提出组合区间偏最小二乘法(SiPLS)与连续投影算法(SPA)串联的特征波长优选方法,构建SiPLS-SPA-PLS预测模型,用两组数据对模型进行验证,依据评价指标判断模型的优劣,并与全谱PLS, SPA-PLS和SiPLS三种定量模型相比较。实验结果表明：(1)使用SiPLS-SPA-PLS模型进行定量分析,血液样本的R_c,R_p, RMSEC和R...     

波长优选对土壤有机质含量可见光/近红外光谱模型的优化（英文）

可见光/近红外光谱模型是土壤属性预测的有效工具。波长优选在光谱建模过程中起着重要作用。文中首先利用从安徽省涡阳县采集的130个砂姜黑土土壤样本获得可见光/近红外光谱,然后利用平滑与多重散射校正联合的光谱预处理方式消除光谱中的无关变量和冗余信息以提高模型预测结果的相关性,再利用SPXY方法挑选建模集样本,分别利用连续投影算法和遗传算法进行波长优选,最后利用留一法进行交互验证建立有机质含量的主成分回归模型。研究结果显示:连续投影算法和遗传算法都可以有效地减少参与建模的波长数并提高模型的准确度,尤其是遗传算法能够更好地提高土壤有机质含量预测精度,其相关系数、预测均方根误差和相对分析误差分别达到0.931 6,0.214 2和2.319 5。通过合适的特征波长选取,不仅计算量可以大大减少,预测精度也会有效提高。     

中药关键质量属性快速评价(Ⅱ):NIR光谱解析策略例证

近红外光谱(near infrared spectroscopy, NIR)作为目前中药关键质量属性快速评价热门技术,广泛应用于提取、浓缩、醇沉、纯化等中药生产过程质量控制领域。由于谱带严重重叠,谱峰较宽,吸收信号弱等特征,NIR需采用化学计量学建立模型。当前,光谱解析是NIR分析的研究热点,结合作者的研究成果,率先综述国内外NIR光谱解析的研究进展及主要方法。其中包括：物质吸收的光谱差异对特征信号提取的主成分分析法;光谱波段筛选,寻找物质特征吸收波段,解析物质结构与特征波段关系的偏最小二乘法;针对扰动(温度、浓度、压力等)引起的光谱变化,通过同步、异步光谱相关峰对光谱进行分析,解析引起光谱变化的特征基团的二维相关光谱法;用量子力学方法对物质结构的能量变化进行计算,解析分子能量变化与光谱变化关系的密度泛函理论法。最后,结合实例,考虑中药组分复杂性特点,从单一药效指标成分出发,采用氘代DMSO技术指认不同浓度的绿原酸NIR吸收特征,验证金银花提取过程中在线NIR模型绿原酸成分变量筛选的可靠性,阐明间隔偏最小二乘法筛选的特征波段与绿原酸光谱特征吸收的一致性,建立了一种中药NIR关键质量属性的光谱解析策略,为中药NIR关键质量属性快速准确评价提供支撑。     

逆向注入波长转换方式对转换光脉冲畸变的改善

数值模拟分析了在周期域反转结构的铌酸锂光波导中的脉冲抽运波长转换过程,通过对转换过程中光脉冲波形的演化分析,讨论了抽运光和信号光同向和逆向两种注入方式对转换光脉冲波形的影响.研究结果表明在同向注入方式下由于倍频与差频效应是同时进行的,群速度失配导致的走离效应使倍频光脉冲在波导内不断展宽,遗传给差频转换时,使转换光脉冲发生了波形畸变;为防止转换脉冲发生畸变,提出了采用单片光波导用抽运光和信号光逆向注入的方式,将倍频与差频效应分开来,二次非线性效应不再同时进行,从而改善了转换光脉冲的波形畸变,同时提高了转换效率.