在近红外光谱数据分析中, 全光谱数据具有波长点多、 冗余量大、 共线性关系严重的特点, 导致了部分波长点对建立校正模型没有积极作用, 甚至还会降低模型的预测能力。 波长选择被证明是有效避免上述问题的重要方法。 针对近红外光谱的特性, 提出了一种基于直接正交信号校正(DOSC)与蒙特卡罗方法(Monte Carlo, MC)结合的波长选择算法。 与大多数根据波长的“重要性”进行选择的方法不同, MC-DOSC依据波长的“不重要”性进行选择。 波长“不重要”性通过DOSC的权重w来度量。 首先将w归一化作为波长被滤除的概率, 以此建立波长选择的概率模型, 并使用蒙特卡罗随机抽样得到N个波长子集的集合。 在每一次抽样过程中, 用选择的波长点建立PLS模型, 计算相应的交叉验证均方根误差(RMSECV)。 经过N次随机抽样后, 以RMSECV最小时的PLS模型对应的波长子集作为备选子集。 将备选子集包含的光谱数据作为新的光谱阵, 重复上述过程直到RMSECV不再下降为止。 迭代停止后, 将RMSECV最小的备选子集作为最佳波长子集。 采用玉米数据集和汽油数据集对该算法进行测试, 同时与蒙特卡罗无信息变量消除法(MCUVE)、 遗传算法(GA)、 竞争性自适应权重取样法(CARS)三种算法进行比较。 实验结果表明: 该算法能大幅度减少波长点个数, 并且相应的PLS模型的预测能力也提高了。 玉米数据集的实验运行结果, 波长点个数从全光谱的700个减少到15个, 预测集相关系数从0.828 2提高到0.931 4, RMSEP从0.109 8减少到0.071 3。 汽油数据集的实验运行结果, 波长点个数从全光谱的301个减少到31个, 预测集相关系数从0.987 5提高到0.993 9, RMSEP从0.255 5减少到0.178 8。 该算法在2个数据集中的表现均优于对比的三种算法。
近红外光谱 波长选择 正交信号校正 蒙特卡罗 偏最小二乘 Near-infrared spectroscopy Wavelength selection Direct orthogonal signal correction Monte Carlo Partial least squares
中国农业大学信息与电气工程学院, 北京 100083
为了提升虾新鲜度判别的准确性, 提出了一种基于宽度学习(BLS)的虾新鲜度检测方法。 首先采用多元散射校正(MSC)、 标准正态变量校正(SNV)和直接正交信号校正(DOSC)对不同冷藏天数虾的原始高光谱进行预处理, 再使用t分布随机邻域嵌入(t-SNE)将预处理之后的数据可视化, 可视化结果表明DOSC聚类效果最佳。 然后使用随机森林(RF)、 主成分分析(PCA)和二维相关光谱分析(2D-COS)对经DOSC预处理之后的光谱数据进行特征选择。 最后基于选择的特征波长对虾新鲜度进行建模分析。 将宽度学习(BLS)首次用于虾新鲜度建模, 同时与偏最小二乘判别(PLS-DA)和极限学习机(ELM)等经典判别模型做比较。 研究结果表明RF方法最大限度地消除了光谱中的冗余信息, 而BLS与线性建模方法PLS-DA以及非线性建模方法ELM相比, 准确率更高并且判别时间更短, 因此RF-BLS组合模型获得了最佳新鲜度判别效果, 表明高光谱成像技术结合宽度学习识别虾的新鲜度是可行的, 可以为在线检测虾新鲜度系统的开发提供理论依据。
虾新鲜度 直接正交信号校正 随机森林 宽度学习 高光谱成像技术 Freshness of shrimp Direct orthogonal signal correction Random forest Broad learning system Hyperspectral imaging technology 
山东师范大学地理与环境学院, 山东 济南 250014
滨海盐碱区土壤盐分的快速、 准确监测对土地合理利用和保护具有重要意义。 可见光近红外(Vis-NIR)光谱技术已广泛用于土壤属性的高效估测。 然而, 水分对含盐土壤光谱的干扰导致传统土壤盐分估测模型的精度降低。 旨在探究分段直接标准化(PDS)和正交信号校正(OSC)在含水条件下土壤盐分估测中的应用, 从而建立面向滨海盐碱区的“除水”Vis-NIR定量模型。 为此, 将获取的144份黄河三角洲滨海盐碱区表层(0~20 cm)土壤盐分数据划分为建模集(17个样本)和验证集(127个样本)。 通过严格加水控制实验, 测量10个含水率梯度(0%, 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 40%和50%)的建模集土壤光谱数据, 验证集的土壤光谱则是根据生成的1~50随机整数, 通过随机加水实验测量获取。 采用PDS和OSC与偏最小二乘回归(PLSR)结合的建模策略, 构建土壤盐分估测模型, 并进行性能验证和比较。 结果表明, OSC比PDS更能有效减轻水分在土壤盐分估测中的建模干扰。 具体来说, 光谱校正前后生成的所有PLSR模型均取得一定的成功($R^{2}_{p}$=0.79~0.91, RMSEP=2.6~3.98 g·kg-1, RPD=1.98~2.37)。 OSC-PLSR模型的土壤盐分估测精度提高, $R^{2}_{p}$, RMSEP和RPD分别为0.91和2.6 g·kg-1和2.37。 而PDS-PLSR模型效果不理想, $R^{2}_{p}$, RMSEP和RPD分别为0.79, 3.98 g·kg-1和1.98。 模型整体表现出了OSC-PLSR>PLSR>PDS-PLSR的土壤盐分估测性能。 此外, 提出了变量投影重要性(VIP)和Spearman相关系数(r)结合的分析策略, 进一步探究了模型的估测机理。 模型的重要波长(VIP>1)与土壤盐分敏感波长(|r|>0.4)吻合, 对估测模型有重要意义。 比较而言, OSC-PLSR精确提炼了位于830, 1 940和2 050 nm附近的模型估测的关键波长, 而常规的PLSR和PDS-PLSR包含了大量的冗余信息。 综合来看, OSC-PLSR模型在Vis-NIR土壤盐分估测中具有较好的除水效果, 为土壤含水状态下的土壤盐分研究提供可靠方法。
Vis-NIR光谱 土壤盐分 水分校正 正交信号校正 滨海盐碱区 Vis-NIR spectroscopy Soil salinity Moisture correction Orthogonal signal correction Coastal saline region 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3077
研究了基于3×3耦合器的光纤马赫-曾德尔干涉仪的三路输出干涉信号的特点,针对相位衰落问题,提出了一种根据所得的正交信号来判断反馈正负性的方案。实验通过LabVIEW软件来实现正交信号的获得及反馈输出信号的处理。测量和分析得到了直接输出反馈信号时会出现干涉信号短暂偏离稳定点的情况,整个过程的时间约为35 ms,而采用所提反馈正负判断方案后,相位稳定所需时间约为18 ms。通过一个光纤准直聚焦系统把光入射到被测物体表面并接收反射光,探测到了与输入信号频率一致的1.5 MHz的高频振动信号。验证了正负反馈判断方案及设计干涉系统的可行性和有效性。
光纤光学 反馈正负性 正交信号 高频振动
1 北京中医药大学中药学院, 北京 100102
2 中国中医科学院中药资源中心道地药材国家重点实验室培育基地, 北京 100700
3 国家中医药管理局中药信息工程研究中心, 北京 100102
模型传递使在特定条件下建立的模型能够应用于新的样品状态、 环境条件或仪器状态。 本研究在中药金银花中试在线水提过程中, 以水提液中的绿原酸含量为研究对象, 建立绿原酸含量的近红外定量模型。 针对由金银花来源不同带来的模型失效问题, 从光谱背景校正的角度出发, 提出以KS算法挑选待传递样本中的代表性样本, 结合正交信号回归(OSR)光谱背景校正方法, 对不同来源样本的近红外光谱进行光谱背景校正, 并深入探讨OSR方法实现近红外定量模型在不同来源中试样本间传递的应用原理。 经模型传递后, 模型对新批次样本预测的RSEP由14.91%下降到7.11%, RPD由2.95上升到5.36, 预测准确度明显提高。 实验证明, 选择代表性样本的KS算法结合OSR光谱背景校正的模型传递方法不仅能减小不同来源原料药之间的偶然误差, 同时消除了中试制剂过程和算法本身的系统误差, 因此能够有效地改善因样本来源差异而造成的模型失效现象。 该研究充分阐释了OSR模型传递方法的应用原理, 以光谱背景校正与挑选代表性样本回归的方法实现了近红外定量模型在不同来源原料药中试样本之间的模型传递, 增强了模型应对原料药批次间变动的能力, 提高了模型的稳健性, 为多来源原料药中试在线制剂过程中有效成分含量的快速实时监测提供了有效方法。
正交信号回归(OSR) 模型传递 近红外 中试在线水提过程 Orthogonal signal regression (OSR) Model transfer Near infrared spectroscopy On line pilot-scale water extraction process 光谱学与光谱分析
2018, 38(4): 1082
1 新疆大学理化测试中心, 新疆 乌鲁木齐830046
2 新疆大学物理科学与技术学院, 新疆 乌鲁木齐830046
为建立快速测定新疆薰衣草精油中芳樟醇(linalool)、 乙酸芳樟酯(linalyl acetate)含量的定量分析模型, 采用近红外吸收光谱法(NIR)测定了165个精油样品, 通过对近红外光谱吸收峰分析, 在7 100～4 500 cm-1波数范围内化学信息量比较丰富且噪音低, 可选择此波数段为分析区间。 剔除8个异常样本后, 通过聚类方法划分为105个校正集样本和52个验证集样本, 结合气相色谱质谱(GC-MS)法测定的薰衣草精油linalool和linalyl acetate的含量, 建立原始数据矩阵。 对比不同的预处理方法对原始近红外光谱的过滤作用, 其中正交信号变换(OSC)方法效果明显, 对两种化合物的预测均方根误差(RMSEP) 分别为0.226和0.558, 再用向前间隔偏最小二乘法(FiPLS)剔除与待测成分无关或呈非线性关系的波长点, 最终得到8个间隔区间共160个波长点的数据子集。 使用OSC-FiPLS优化处理的数据子集结合偏最小二乘法(PLS)建立新疆薰衣草精油中linalool和linalyl acetate的快速定量分析模型, 在模型中二成分的隐变量数都为8。 交互验证均方根误差(RMSECV)分别为0.170和0.416; 预测均方根误差(RMSEP)分别为0.188和0.364。 结果表明, 经OSC和FiPLS预处理建立的PLS-NIR定量分析模型稳健性好, 测定精度高, 能快速测定薰衣草精油中linalool和linalyl acetate含量, 并且具有良好的预测能力。 可为新疆薰衣草精油主要成分的快速定量分析提供一种新的有效方法。
薰衣草精油 近红外光谱 正交信号校正 向前间隔偏最小二乘法 Lavender essential oil Near infrared spectroscopy Orthogonal signal transformation Forward interval partial least squares 光谱学与光谱分析
2015, 35(9): 2526
1 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海200000
2 许继集团有限公司,河南 许昌461000
采用一套光电转换系统并增加一个正交信号发生器,设计了正交相关的双光束分光光度计.光电转换系统包括一个光电二极管、一个信号滤波放大和一个AD转换;正交信号发生器是一个部分直通的旋转圆盘,每一个周期它将参考信号和样品信号以正交相关的编码形式同时投射到光电转换系统上,转换得到的复合信号除了参考信号和样品信号,还包括光电二极管的暗电流信号.主控制系统按照三个信号各自的编码将它们分别分离并还原出来供后续分析计算用.由于正交相关的双光束分光光度计只采用一套光电转换系统且正交信号发生器每一个旋转周期都可以检测参考信号、样品信号、暗电流信号,避免了由于转换器件个体差异和检测时间的不同而产生的测量误差.实验验证了正交相关的双光束分光光度计在稳定性和测量精度上具有一定的优势.
正交相关的双光束分光光度计 正交信号发生器 光电转换系统 正交编码 参考信号 样品信号 暗电流信号 Orthogonal double beam spectrophotometer Producer of orthogonal signal Photodiode Photoelectric conversion system FPGA Orthogonal encoding FPGA Reference signal Sample signal Dark current signal 光子学报
2015, 44(11): 1123002
浙江大学生物系统工程与食品科学学院, 浙江 杭州 310058
用高光谱图像技术结合化学计量学方法, 实现了番茄叶片中过氧化物酶(POD)活性的快速检测。 利用高光谱图像的光谱特征建立预测模型步骤为: 采集高光谱图像数据、 获取光谱曲线、 光谱数据预处理、 提取特征波段、 建立POD酶活性预测模型。 与预处理方法(SG, SNV, MSC, 1-Der和2-Der)相比, DOSC预处理对POD酶活性预测效果最好。 研究表明: 以443, 464, 413, 410, 401, 402, 426和926 nm这八个特征波段的光谱数据建立的DOSC-SPA-PLS模型对POD酶活性预测结果为Rp=0.935 3, RMSEP=37.80 U·g-1。 这说明高光谱图像技术测定番茄叶片POD活性具有可行性, 且预测结果令人满意, 这为抗氧化酶活性和番茄植株生长状况的动态检测提供了新的方法。
高光谱图像技术 番茄 直接正交信号校正 连续投影算法 偏最小二乘法 过氧化物酶 Hyperspectral imaging technology Tomato Direct orthogonal signal correction (DOSC) Continuous projection algorithm (SPA) Partial least squares (PLS) Peroxidase (POD) 光谱学与光谱分析
2012, 32(8): 2228
1 集成光电子国家重点联合实验室吉林大学实验区, 吉林大学电子科学与工程学院, 吉林 长春 130012
2 吉林大学化学学院, 吉林 长春 130012
3 吉林大学通信工程学院, 吉林 长春 130012
短波近红外光谱结合多元校正方法测量酒精度具有快速、 无损的特点, 可以现场应用和在线检测。 但是温度对预测模型的性能影响很大。 作者研究了温度变化对乙醇水溶液的短波近红外光谱的影响, 采用四种方法建立了温度变化下的偏最小二乘(PLS)传递校正模型: 直接校正、 全局校正、 正交信号处理(OSC)和广义最小二乘加权法(GLSW)。 结果表明, 温度变化时直接传递校正存在很大的预测系统偏差, 而采用全局校正、 OSC和GLSW均能在一定程度上减小系统误差。 全局校正需要较多的建模样品数量, 得到的模型也更为复杂。 而OSC和GLSW方法能得到更为简洁的模型和优良的预测结果。 相比之下, GLSW算法得到的预测误差和使用的建模隐含变量数目均小于OSC方法, 能够建立更为稳健的传递校正模型。
短波近红外 温度校正 正交信号处理 广义最小二乘加权法 Short-wave near infrared Temperature correction Orthogonal signal correction Generalized least squares weighting 光谱学与光谱分析
2012, 32(8): 2080
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林 长春130033
近红外无创生化检测中采用不同血流容积光谱相减的方法理论上能够消除人体组织产生的强背景干扰, 但人体光谱相减后得到的血液光谱的光程是未知的, 这给校正模型的建立带来了困难。 通过设计模拟实验并采用正交信号校正的方法对光程信息进行校正, 提高不同光程的光谱建立校正模型的预测精度。 分别建立了光程校正前后的模型, 模型的交叉验证标准偏差从90.17 mg·dL-1下降到31.62 mg·dL-1, 相关系数从0.978 7提高到0.996 8。 实验结果表明, 采用正交信号校正的方法能够有效抑制光程信息的干扰, 提高模型的预测精度, 这为不同血流容积光谱相减法的实际应用提供了基础。
近红外光谱 无创生化检测 光程差异 正交信号校正 Near-infrared spectroscopy Noninvasive biochemical sensing Different pathlength Orthogonal signal correction 光谱学与光谱分析
2012, 32(5): 1423
