1 京市农林科学院质量标准与检测技术研究所, 北京 100097农业农村部农产品质量安全风险评估实验室（北京）, 北京 100097
2 京市农林科学院质量标准与检测技术研究所, 北京 100097
3 延安产品质量安全检验检测中心, 陕西 延安 716099
4 北京市农林科学院质量标准与检测技术研究所, 北京 100097农业农村部农产品质量安全风险评估实验室（北京）, 北京 100097
以番茄可溶性固形物含量（SSC）的无损速测为例， 分别采用线性渐变分光（LVF）、 数字光处理（DLP）近红外光谱仪对大、 小番茄采集近红外光谱数据; 分别基于两种近红外光谱仪数据计算大、 小番茄平均光谱及差谱， 并比较两种近红外光谱仪所采集大、 小番茄近红外光谱数据的特征; 对两种近红外光谱仪的数据分别进行主成分分析（PCA）， 并比较了大、 小番茄前3主成分的得分分布; 按SSC梯度对数据进行分级， 采用偏最小二乘（PLS）回归结合全交互验证算法分别基于两种近红外光谱仪数据建立番茄SSC定量校正模型。 结果表明: （1）大、 小番茄LVF近红外光谱的平均光谱及其差谱的光谱特征分别与DLP近红外光谱的平均光谱及其差谱的光谱特征相似。 （2）大、 小番茄LVF近红外光谱数据PCA前3主成分得分散点分离趋势不明显， 而DLP近红外光谱数据PCA前3主成分得分散点基本上不具有分离趋势。 （3）基于LVF近红外光谱数据所建各模型的相对预测性能（RPD）皆不低于2.11， 其中标准化预处理所建模型具有最佳性能， 模型维数（Nf）、 校正测定系数（R2C）、 校正均方根误差（RMSEC）、 交互验证测定系数（R2CV）、 交互验证均方根误差（RMSECV）、 RPD、 预测相关系数（RP）、 预测均方根误差（RMSEP）分别为8、 0.949 1、 0.27、 0.899 9、 0.38、 3.16、 0.882 6、 0.63; 基于DLP近红外光谱数据所建各模型的RPD皆不低于1.60， 其中标准化预处理所建模型具有最佳性能， Nf、 R2C、 RMSEC、 R2CV、 RMSECV、 RPD、 RP、 RMSEP分别为5、 0.823 5、 0.49、 0.728 6、 0.62、 1.94、 0.788 4、 0.80。 该研究可为番茄SSC的无损快速测定以及果蔬品质无损快速检测的仪器选择与评价提供一定的参考。
番茄 可溶性固形物含量 近红外光谱仪 定量模型 Tomato Soluble solid content Near-infrared spectrometer Quantitative models 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1351
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031
由衬底集成空心波导 (iHWG) 与傅里叶变换红外光谱仪 (FTIR) 结合组成的气体检测系统具有体积小、响应快、光路设计灵活、机械稳定性好等优点, 能够用于污染气体实时在线检测。iHWG的几何参数如波导长度、横截面宽度和波导形状很大程度上影响了FTIR-iHWG系统的检测性能。基于空心波导的传输理论, 理论分析了不同几何参数对iHWG传输特性的影响。以体积比浓度为100×10-6的NO2气体作为样本气体, 设计了四种不同几何参数的iHWG, 实验验证了理论分析的正确性。结果表明, 同等条件下, 横截面宽度越大的波导, 其系统检测性能越高；对于不同形状的 iHWG, 直线型iHWG系统检测性能更好。此研究结果将为 iHWG的进一步优化设计提供借鉴。
波导光学 傅里叶变换红外光谱 衬底集成空心波导 气体检测 几何参数 waveguide optics Fourier transform infrared spectrometer substrate-integrated hollow waveguide gas detection geometric parameter 
1 湖南农业大学食品科学技术学院, 湖南 长沙 410128
2 湖南师范大学医学院, 湖南 长沙 410013
菊花为菊科植物菊的头状花序, 滁菊、 贡菊、 杭菊和亳菊是常见的几类药用品种菊花。 不同品种菊花在外观上具有极大的相似性, 非专业人员仅凭肉眼难以对其进行准确鉴别分析。 常规仪器分析法检测成本较高, 分析时间较长, 且需要对样品进行破坏性处理, 影响了产品的二次销售。 近红外光谱技术作为近年来快速发展起来的一种绿色、 简单、 快速的新型检测技术, 在中药鉴别领域取得了很大的进展。 基于便携式近红外光谱仪结合化学计量学方法建立了一种菊花品种无损鉴别方法。 利用便携式近红外光谱仪采集了滁菊、 贡菊、 杭菊和亳菊完整以及粉末状两种物理形态样品的光谱, 采用单一以及组合光谱预处理方法消除光谱中存在的干扰, 结合不同模式识别方法(主成分分析法、 软独立模式分类法和Fisher线性判别分析法)分别构建了不同品种菊花的鉴别模型。 结果表明: 由于仪器的限制及样品物理性状的原因, 光谱中存在较为明显的背景、 基线漂移以及噪声的干扰, 完整样品由于物理性状的原因, 基线漂移干扰尤为严重; 采用主成分分析法结合光谱预处理方法无法实现不同品种菊花的准确鉴别, 完整样品最佳鉴别正确率仅为8.33%, 粉末样品最佳鉴别正确率为52.38%; 通过软独立模式分类法结合预处理方法可以得到较为准确的鉴别结果, 完整样品光谱数据经一阶导数+多元散射校正优化后鉴别正确率为95%, 粉末状样品数据采用原始数据的鉴别正确率为92.5%; Fisher线性判别分析方法结果最佳, 完整样品数据经连续小波变换优化后可以得到97.5%的鉴别正确率, 粉末状样品采用原始光谱便可得到100%鉴别正确率。 以上结果表明, 当采用合适的预处理和建模方法, 完整样品和粉末状样品鉴别结果较为一致, 基于便携式近红外光谱仪结合化学计量学可实现对不同品种菊花的准确无损鉴别分析, 为食药同源产品的无损鉴别分析提供了新途径。
便携式近红外光谱仪 菊花 无损鉴别 Fisher线性判别分析 Portable near infrared spectrometer Chrysanthemum Nondestructive identification Fisher linear discri-minant analysis 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1129
中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院通用光学定标与表征重点实验室, 安徽 合肥 230031
基于被动傅里叶变换红外光谱仪设计开发了一种新的快速气体识别算法, 利用改进的动量梯度下降法对实测的亮温光谱进行快速的光谱拟合。该方法不需要预先测得背景光谱, 能直接从实测光谱中扣除大气气体和天空等背景的干扰, 在提取出污染气体成分以及浓度的同时, 能实时得到大气中主要气体的浓度程长积, 此方法适用于低空背景下弱信号的污染气体识别分析。
红外光谱仪 遥感探测 大气污染 气体识别 infrared spectrometer remote sensing detection atmospheric pollution gas recognition 大气与环境光学学报
2022, 17(5): 542
1 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230022
2 中国科学技术大学南京天文仪器研制中心, 江苏 南京 210042
3 中科院南京天文仪器有限公司, 江苏 南京 210042
4 上海师范大学数理学院, 上海 200234
为解决中高温条件下材料发射率的测量问题,提出了一种基于半椭球反射镜的高温材料光谱发射率测量技术。该技术使用800 mm口径半椭球反射镜大范围聚焦信号光,利用3种离轴抛物镜来切换不同测试视场,并利用高功率激光器对样品进行加热。仿真研究了所设计系统的测量误差,结果表明,反射率测量偏差最大为0.035,透射率测量偏差最大为0.031。构建了基于800 mm口径半椭球镜的发射率测量系统,测算了某合金材料和某半透明材料的反射率、透射率和发射率,表明所设计的系统可实现常温到中高温(300~1200 K)、多视场(30°、60°、90°)、宽谱段(2~14 μm)的测量。
几何光学 半椭球反射镜 发射率测量 反射率测量 透射率测量 红外光谱仪
1 中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 安徽 合肥 230031
3 南华大学核科学与技术学院, 湖南 衡阳 421001
便携式近红外光谱仪现场快速检测是近红外光谱分析领域的一个重要的发展趋势。 为了实现快速检测, 便携式近红外光谱仪一般不配备温控装置, 因此环境温度的变化会带来较大的测量误差。 如何降低环境温度对检测结果带来的误差, 是便携式近红外光谱仪在现场快速检测领域大规模推广所需要解决的一个重要问题。 柴油的凝点值是评价柴油品质和适用范围的一个重要指标, 对柴油凝点进行快速检测有重要的经济意义。 通过便携式光谱仪采集了50种具有不同凝点的柴油样品在近红外波段(950~1 650 nm)的吸收光谱, 研究了环境温度变化下的基于近红外光谱分析的柴油凝点快速检测方法。 此光谱仪为基于数字微镜设计的便携式光谱仪, 针对现场快检而研发, 未配备温控样品池。 在环境温度T0=25 ℃时基于偏最小二乘法建立了柴油凝点的预测模型, 并分别将不同环境温度(TE=-10, 0, 10, 20, 30, 40和50 ℃)条件下测量的近红外光谱带入上述凝点预测模型, 分析预测偏差随环境温度相对参考值变化(TE-T0)的依赖关系。 通过一次函数对预测误差随环境温度的变化关系进行拟合, 发现凝点预测偏差的平均值随环境温度的变化关系为Δc=-0.019 8(TE-T0)。 将环境温度的修正因子带入25 ℃条件下预测模型, 建立了针对环境温度变化的温度修正模型。 在温度修正以后, 10 ℃条件下预测凝点的均方根误差由原来的14.6降为8.8, 相关系数由原来的0.4提升为0.7。 研究表明, 本温度修正模型可以有效降低环境温度对预测结果带来的误差。 基于此温度修正模型, 可以显著降低近红外光谱分析建模过程的工作量, 在某一特定温度条件下建立预测模型后将此温度修正项带入模型即可用于在其他环境温度条件下进行柴油凝点值的预测, 而不需要在其他多个温度条件下分别建立预测模型, 可显著提高建模效率和便携式近红外光谱快速检测的温度适应性。
便携式近红外光谱仪 温度修正 偏最小二乘法 柴油凝点 Portable near infrared spectrometer Temperature compensation model Partial least square method Condensation point of diesel 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3111
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥230026
3 安徽师范大学物理与电子信息学院, 安徽 芜湖 241002
4 滁州学院机械与电气工程学院, 安徽 滁州 239000
旋转式干涉仪可实现便携式傅里叶红外光谱仪的小型化设计,同时可提供高速光谱输出,但其光程差存在非线性问题。本文详细分析了便携式傅里叶转换红外光谱(FTIR)旋转式干涉仪结构,建立参考坐标系,根据几何光学原理推导了转镜转动光程差方程,并进行了数值模拟仿真分析,阐明了干涉仪光程差与转镜厚度、折射率和转角参数间的设计关系。采用无参考激光采样方式,利用多项式拟合光程差与转角的非线性关系,获得等光程差对应的时间非均匀关系,从而实现非等时间下的等光程差采样。相比等时间采样方式光程差速度的不稳定度降低为原来的1/5.3,这为转镜的速度控制提供更大不稳定裕度,同时也提高了FTIR的抗振能力。该数值模拟仿真分析结果为实现无参考激光的便携式高速FTIR的设计参数确定和优化提供数据支持和理论依据。
傅里叶光学 几何光学 光程差 便携式傅里叶红外光谱仪 数值分析
