天津市产品质量监督检测技术研究院，天津 300384
现行国家标准中并未规定电感耦合等离子体发射光谱法测量金属眼镜架镍析出量时所用的谱线。选取镍元素波长为231.604 nm和352.454 nm的两条特征光谱谱线测试金属眼镜架的镍析出量，并建立了分析方法。测试结果表明: 两条谱线的测试结果准确，灵敏度高，可作为镍元素的测试谱线。在标准曲线线性范围内，两条谱线的光谱强度和镍元素浓度呈现良好的线性关系，曲线相关系数均大于0.999 9，检出限分别为0.000 8 μg/mL和0.003 5 μg/mL，结果的相对标准偏差(n=11)均小于1.0%，加标回收率为96.4 %~105.6 %。因此，镍元素的231.604 nm和352.454 nm谱线适合作为测试金属眼镜架镍析出量的分析谱线。
镍析出量 电感耦合等离子体发射光谱法 特征光谱谱线 眼镜架
1 中国农业大学信息与电气工程学院, 北京 100083
2 中国农业大学工学院, 北京 100083
3 石河子大学信息科学与技术学院, 新疆 石河子 832003
为提高生鲜羊肉储存期内(4, 8和20 ℃环境)挥发性盐基氮(TVB-N)的近红外光谱(NIR)检测的稳定性和准确性, 选取特征光谱和预测模型是关键步骤。 以121个羊肉样品为实验对象, 采集生鲜羊肉680~2 600 nm波段的近红外光谱。 以多元散射校正(MSC)、 标准正态变换(SNV)等散射校正方法, Savitzky-Golay卷积平滑(SGS)、 移动平均平滑(MAS)等平滑处理方法, 以及归一化(Normalization)、 中心化(Centering)、 标准化(Autoscaling)等尺度缩放方法分别预处理光谱数据后建立偏最小二乘法(PLS)预测模型。 比较发现SGS处理的光谱建模效果最好。 利用蒙特卡洛采样(MCS)法及马氏距离法(MD)消除了羊肉光谱的5个异常数据。 运用光谱-理化值共生距离(SPXY)算法划分总样本的75%(87个)为校正集样本, 剩余29个为验证集样本, 利用竞争性自适应重加权法(CARS)、 无信息变量消除法(UVE)、 改进的无信息变量消除法(IUVE)和连续投影算法(SPA)提取特征光谱得到的波长个数分别为14, 713, 144和15。 将全光谱和4种方法提取的特征波长作为输入变量建立预测模型, CARS提取的波长所建立模型的性能优于UVE、 IUVE和SPA提取的波长所建立模型的性能, 表明CARS方法可以有效简化输入变量并提高预测模型的性能。 改进后得到的IUVE法相比于UVE法, 筛选出的波长数更少且模型性能有所提升。 以提取的特征波长建立PLS, 支持向量机(SVM)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)预测模型, SVM模型得到最优的校正集预测结果, 其中CARS-SVM预测模型的校正决定系数($R_{C}^{2}$)和校正均方根误差(RMSEC)分别为0.939 1和1.426 7, 最优的验证集预测效果为LS-SVM预测模型得到, 其中IUVE-LS-SVM预测模型的验证决定系数($R_{V}^{2}$)和验证均方根误差(RMSEV)分别为0.856 8和1.886 2。 基于近红外特征光谱建立简化、 优化的生鲜羊肉储存期TVB-N预测模型, 为实现快速无损检测生鲜羊肉中的TVB-N浓度提供技术支持。
近红外光谱 挥发性盐基氮 特征光谱 偏最小二乘法 支持向量机 Near infrared spectroscopy Total volatile basic nitrogen Characteristic spectra Partial Least Square method Support vector machine 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3377
1 四川农业大学机电学院, 四川 雅安 625014
2 四川农业大学信息工程学院, 四川 雅安 625014
猕猴桃糖度是重要的猕猴桃内部品质衡量指标。 传统的糖度检测耗时且有损样品, 有效无损检测猕猴桃糖度含量对于其品质分级、 储藏销售具有重大意义。 基于高光谱成像技术的常见果蔬品质无损检测方法多数是采用竞争性自适应重加权算法(CARS)、 连续投影算法(SPA)、 主成分分析(PCA)、 迭代保留信息变量法(IRIV)等算法中的某个单一算法提取特征光谱变量, 而这些算法单独使用易导致预测结果的稳定性不足。 对此, 开展了基于高光谱成像技术的猕猴桃糖度的无损检测方法研究。 以四川省雅安市“红阳”猕猴桃为研究对象, 依次对猕猴桃样本编号并采集其在400~1 000 nm波长范围内的高光谱图像, 计算感兴趣区域的平均光谱作为样本的有效光谱信息; 分别采用多元散射校正(MSC)、 标准正态变量变换(SNV)、 直接正交信号校正(DOSC)等3种光谱数据预处理方法分析对预测模型精度的影响, 对比结果显示DOSC的预处理效果最好; 对预处理后的光谱分别采用一次降维(CARS, SPA, IRIV)、 一次组合降维(CARS+SPA, CARS+IRIV)算法和二次组合降维算法((CARS+SPA)-SPA, (CARS+IRIV)-SPA))等7种算法提取特征光谱变量, 并分别构建了预测猕猴桃糖度的3种模型, 即支持向量回归机(SVR)、 最小二乘支持向量机(LSSVM)和极限学习机(ELM)模型; 最后对比了基于不同特征提取方法的3种模型的预测精度。 研究结果表明: ELM模型具有最好的预测性能, 而SVR模型的预测性能最差; (CARS+IRIV)-SPA所选特征光谱变量输入LSSVM、 ELM模型, 其获得的预测结果均优于其他算法所选特征光谱变量输入对应模型所得的预测结果, 证明了(CARS+IRIV)-SPA算法在提高猕猴桃糖度含量检测精度方面的有效性。 对比不同方法的预测结果可知, (CARS+IRIV)-SPA-ELM对猕猴桃糖度的预测性能最优, 其相关系数Rc=0.945 1, Rp=0.839 0, 均方根误差RMSEC=0.450 3, RMSEP=0.598 3, 预测相对分析误差RPD=2.535 1, 该方法为猕猴桃糖度的检测无损化、 精准化、 智能化发展提供了可靠的理论依据和技术支撑。
猕猴桃 高光谱成像 糖度 特征光谱变量 极限学习机 Kiwi Hyperspectral imaging Sugar content Characteristic wavelength Extreme learning machine 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2188
1 华侨大学机电及自动化学院, 福建 厦门 361021
2 福建工程学院机械与汽车工程学院, 数字福建工业制造物联网实验室, 福建 福州 350118
白光阴道镜图像对比度较低, 不利于医生鉴别不同病变程度组织, 也不利于自动化宫颈癌筛查。 利用癌变组织富含血红蛋白成分及血红蛋白具有特征波段这一特性, 与传统高光谱空间扫描成像及分时获取不同波段多光谱成像方法相反, 利用快照式多光谱窄带成像来加速光谱图像获取过程, 提升不同病变程度组织之间灰度对比度同时, 降低后续图像分析处理算法难度, 实现对宫颈组织病变类型高帧率自动化分类。 首先, 使用微型快照式窄带多光谱摄像方法, 在血红蛋白的两个强吸收峰(415±10)和(525±10) nm、 一个反射带(620±10) nm和一个背景波段(450±10) nm共四个波段对宫颈组织进行快照式零时差获取四幅窄带光谱图像。 而后, 对所获取的光谱图像进行简单代数加减, 以生成突显病变组织的融合图像, 提高不同病变程度组织之间的对比度。 最后, 使用欧式距离分类算法, 对光谱融合图像中不同病变级别进行分类, 建立计算机辅助宫颈癌筛查方法。 创新点在于实现了高帧率计算机辅助光学病理诊断方法。 分别采用临床常规白光阴道镜及微型快照式窄带多光谱摄像对宫颈癌手术切下的新鲜组织进行彩色图像及光谱融合图像的高帧率采集, 并使用同一个欧式距离分类算法对两种图像进行自动分类, 分类结果都以组织病理诊断作为标准来计算正确率。 通过对比两种分类结果正确率来检验光谱融合图像相对于彩色图像是否提升对比度, 及其是否可以实现与组织病理诊断（金标准）结果一致的诊断。 欧式距离分类算法对光谱融合图像分类准确率接近100%, 远高于对白光阴道镜图像约50%的准确率。 多位临床医生对基于微型快照式多光谱摄像头光谱融合图像的计算机自动分类结果表示接受。 微型快照式窄带多光谱成像方法能有效提升光谱融合图像获取帧率及不同病变程度组织之间灰度对比度, 能有效快速地将宫颈组织划分为与组织病理诊断结果一致的病变类型。 由于诊断客观、 无创伤、 结果立等可得, 该方法将有助于实现落后地区宫颈癌筛查的普及以及图像导航下的宫颈癌精准治疗手术。
宫颈癌筛查 血红蛋白特征光谱 快照式窄带多光谱成像 图像对比度 组织病变级别分类 计算机辅助诊断 Cervical cancer screening Hemoglobin characteristic spectral bands Snapshot narrow-band multispectral imaging Image contrast Classification of cervical tissue Computer-aided diagnosis
1 浙江警察学院刑事科学技术系, 浙江 杭州 310053
2 基于大数据架构的公安信息化应用公安部重点实验室, 浙江 杭州 310053
3 浙江省毒品防控技术研究重点实验室, 浙江 杭州 310053
提出一种基于高光谱成像技术的血迹陈旧度无损预测方法。利用高光谱成像仪获取白瓷砖、白纸、白棉布3种介质上不同陈旧度的血迹光谱图像,筛选550~800 nm特征光谱波段,并通过人工神经网络模型实现血迹遗留时间的预测。结果表明:在实验室环境下,30 h内3种介质上的血迹遗留时间预测的回归分析决定系数( RP2)均大于0.9930,预测方均根误差(RMSEP)为18.29 min,中位相对误差(δM)平均值为8.05%,可见该方法能对较短时间内的血迹陈旧度进行有效预测。
光谱学 高光谱成像 血迹 特征光谱 人工神经网络 遗留时间 激光与光电子学进展
2020, 57(5): 053004
1 吉林大学地球探测科学与技术学院, 吉林 长春 130026
2 中国人民解放军32023部队, 辽宁 大连 116000
长石是地表岩石最重要的造岩矿物, 在地壳中的比例高达60%, 几乎是所有火成岩的主要矿物成分。 随着高光谱技术的发展, 国内外众多学者研究主要造岩矿物含量与其特征光谱的响应关系, 对遥感岩矿识别以及矿化蚀变信息提取提供了多种可能性。 该研究以USGS光谱库里18个火成岩样本为基础数据, 研究长石的特征光谱及其与含量之间的定量关系。 通过原始光谱反射率及其变换(包括小波三层分解高频分量、 小波二层分解、 去包络线后光谱、 去包络线后小波三层分解高频分量及去包络线后小波二层分解), 研究其与长石的含量之间的相关关系, 结果表明： (1)分析六种光谱反射率的变换, 去包络线后小波三层分解高频分量的光谱反射率与长石含量的相关关系最好, 且相关系数正负不断变化, 根据相关系数极值获得长石的特征谱带为431, 570, 972, 1 456, 1 856, 2 292.9和2 481 nm; (2)原始光谱反射率与长石含量的相关性曲线趋势较为平缓, 而经小波分解得到的高频分量后, 趋势明显, 经去包络线及小波分解得到高频分量后, 相关性曲线的变化趋势愈加明显, 由此可见, 自变量的微小变化就会引起因变量变化, 当岩石中长石的含量极小时, 小波分解处理能够提高模型的精度。 将长石含量与特征光谱的关系量化, 运用多元逐步线性回归分析以及最小二乘法建模, 建立6个线性回归模型和6个最小二乘法回归模型, 结果表明： (1)去包络线后的光谱比原始光谱建立的回归模型精度更高, 经过小波二层分解后的低频分量建模的回归模型精度优于未进行小波分解的光谱, 其中去包络线后小波二层分解低频分量建立的回归模型效果最佳。 (2)多元线性回归建立的模型精度优于最小二乘法, 同时筛选对因变量影响较大的自变量, 972, 1 456, 1 856, 2 292.9以及2 481 nm。 因此选择去包络线后的光谱进行多元线性回归法进行分析长石含量与光谱反射率之间关系, 考虑到不同的特征吸收波段对长石含量的影响因子不同, 可以利用长石的特征光谱定量反演某一区域内的长石的含量, 对识别矿物具有重要意义。
火成岩 长石 特征光谱 相关性分析 多元回归分析 小波分析 Igneous rock feldspar Characteristic spectrum Correlation analysis Multiple regression analysis wavelet analysis 光谱学与光谱分析
2019, 39(7): 2077
空军工程大学防空反导学院, 陕西 西安 710051
助推段导弹有高温、大面积的尾焰,根据尾焰光谱特征可准确识别导弹。将其应用到天基预警系统能够使导弹防御系统趋于完善,但光谱信息数据量庞大,从获取光谱信息到识别光谱信息需要耗费大量时间。为此,寻找能够代表导弹尾焰光谱的特征光谱,使用模糊算法对特征光谱进行数据处理,以达到准确、快速识别的目的。利用已有的红外图像和大气、云层、导弹及飞机尾焰光谱数据进行特征光谱图像拟合,经信噪比分析后可知,特征光谱图像比全波段红外光谱图像的信噪比高。分别使用模糊算法和光谱角测度对拟合图像进行处理,结果表明模糊算法的实时性和准确性优于光谱角测度。
光谱 特征光谱图 模糊识别 导弹尾焰 云层大气背景
1 北京工商大学计算机与信息工程学院, 北京 100048
2 土壤植物机器系统技术国家重点实验室, 北京 100083
3 中国农业机械化科学研究院, 北京 100083
为了提高近红外光谱技术快速测定小麦种子发芽率的准确度和稳健性, 比较分析了基于全光谱的单一偏最小二乘(PLS)模型和多模型共识PLS模型(cPLS)性能, 并提出了基于特征光谱的多模型共识PLS模型(Si-cPLS) 。 实验收集84份小麦种子, 通过SPXY法将样本集划分为训练集样本66个, 预测集样本18个。 从训练集中随机抽取50个样本作为校正集建立一系列PLS子模型, 选取其中性能较好100个子模型作为成员模型建立cPLS模型, 取成员模型预测结果的均值来分析未知样本。 在此基础上, 采用组合间隔偏最小二乘法(SiPLS)筛选特征谱区建立多模型共识PLS模型(Si-cPLS)。 各模型均采用均值中心化预处理方法, PLS模型、 cPLS模型以及Si-cPLS 模型对预测集的小麦种子发芽率进行50次重复预测的平均相关系数r分别为0.935, 0.949和0.967, 平均预测均方根误差RMSEP分别为13.735%, 12.533%和10.273%, RMSEP 的标准偏差分别为1.144%, 0.096%和0.08%。 实验结果表明cPLS模型较单一PLS模型更加稳定可靠, 而基于特征光谱的Si-cPLS模型则进一步提高了cPLS的稳定性与预测精度, 为建立性能优秀的小麦种子发芽率近红外模型提供了新思路。
近红外 特征光谱 多模型共识 发芽率 Near infrared spectroscopy Characteristic spectrum Consensus modeling Germination rate 光谱学与光谱分析
2017, 37(4): 1114
吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点实验室, 吉林 长春 130012
利用飞秒激光大气成丝高强激光诱导荧光非线性光谱对碘单质升华过程进行了研究。研究结果发现飞秒光丝可诱导升华到空气中的碘分子产生清晰特征荧光谱。通过监测碘分子在341.6 nm(D→X1Σ+g跃迁)处的荧光谱线, 利用时间分辨测量方法观察到碘分子荧光强度随着加热温度以及测量位置与固态碘样品距离的变化而明显变化, 展示了光丝诱导荧光光谱技术应用于物态变化规律探索的可行性。
光谱学 飞秒激光 光丝 碘升华 诱导荧光 特征光谱
空军工程大学防空反导学院, 陕西 西安 710051
天基红外预警卫星远距离探测时获取的弹道目标特征信息匮乏，代表物质固有属性差异的光谱信息可作为目标识别的主要依据。将尾焰特征光谱信息作为识别的重要手段，综合考虑尾焰光谱吸收特性和特征光谱提取原则，采用改进的向前和向后间隔偏最小二乘法建立特征波段提取模型，以新型自适应变权重光谱相似性测度（SAVM）实现目标与特征光谱数据库的匹配，提出了基于尾焰特征光谱的主动段弹道目标识别方法。仿真实验进行了特征波段提取与SAVM优越性的验证，相较于全波段光谱匹配识别法，提出的方法所需数据量更小、识别精度更高。研究内容可为红外预警卫星系统优化探测识别能力提供有意义的参考。
光谱学 红外预警卫星 目标识别 特征光谱 相似性测度
