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激光器与激光光学
刘宏明  刘玉娟  宋莹  仲志成  [ ... ]孔令胜  刘怀宾  
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摘要
数字微镜器件小型近红外光谱仪器具有检测速度快、灵敏度高、无损伤检测、仪器小型化等优点,广泛应用于化学成分分析和质量检测。然而,作为仪器设计的前提,整个光谱范围的光学优化设计是系统的难点。文中研究了基于数字微镜器件小型近红外光谱仪的光谱成像系统的理论设计方法。该方法采用双配消像差透镜,结合几何像差理论,对小型数字微镜器件近红外光谱仪的设计进行了优化,以降低整个系统的像差。然后,利用光学仿真软件对准直接成像系统进行光学仿真。最终达到设计仿真要求。仿真结果表明,该分光计的整体尺寸小于150 mm×150 mm×150 mm,在工作波段1000~1700 nm范围内,其分辨率优于15 nm。因此,该方法能满足设计要求,在实际应用中具有广阔的应用前景。
红外与激光工程
2021, 50(2): 20200427
王立琦  陈颖淑  刘雨琪  宋 旸  [ ... ]于殿宇  张 娜  
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摘要
针对油脂脱臭过程中的反式脂肪酸(TFAs)含量控制问题, 提出一种基于近红外光谱分析的油脂中TFAs含量快速检测方法。 制备含不同TFAs的大豆油脂样本100个, 利用气相色谱(GC)法精确测定其TFAs含量, 扫描样本近红外光谱, 然后利用不同方法对光谱数据进行降噪处理, 发现多元散射校正的去噪效果最佳。 为了探讨TFAs在近红外区域的吸收特性, 采用多种iPLS方法对比分析, 筛选出7 258~7 443/6 502~6 691/6 120~6 309 cm-1 TFAs的特征波段, 再利用Kalman滤波算法进行特征波长变量的选择, 优选出27个TFAs的特征波长变量; 采用深度信念网络(DBN)建立校正模型, 通过多次对比发现, 当隐含层层数为3并且隐含层节点数为50-35-90时, DBN模型性能最佳。 最后将DBN模型与PLS方法建立的反式脂肪酸含量回归模型进行对比分析, 结果表明: 对降噪后的全谱进行建模, DBN模型的预测效果优于PLS, DBN模型预测集R2为0.879 4、 RMSEP为0.060 3、 RSD为2.18%; 对筛选出的特征波段建模, PLS模型的预测效果优于DBN模型; 对优选出来的27个特征波长变量建模, DBN的预测效果较好, R2为0.958 4、 RMSEP为0.035 0、 RSD为1.31%, 说明DBN模型的泛化能力更好, 并且利用少量的波长变量就能达到较好的预测效果, 能够满足实际检测需求, 为实现油脂加工过程中TFAs含量的在线检测和调控, 生产低/零TFAs油脂产品提供技术支撑。
光谱学与光谱分析
2021, 41(3): 848
王 超  李朋成  杨 凯  张甜甜  [ ... ]刘艺琳  李军会  
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摘要
烤烟等级质量对配方设计和卷烟工业生产的稳定起着重要的作用。 采用传统外观分级法对2018年全国40个地级市产地的768份烤烟烟叶样品进行分类定级, 包括7个不同烟叶质量等级。 应用近红外光谱建立烟叶质量等级预测模型, 分析不同等级烟叶化学基团及相关成分的近红外吸收光谱特征。 结果表明: 不分产区建立全国烟叶等级预测模型, 建模集与预测集的预测标准差不大于1.35。 将样品按五大产区分区后, 建立各产区模型, 发现较全国模型, 分区后各个产区所建模型的预测标准差有所降低, 其中东南、 西南、 黄淮烟区模型提高较大, 检验集与预测标准差均不大于1.07。 对不同质量等级烟叶的平均光谱进行标准正态变量变换预处理后, 依据近红外光在不同频率范围吸收的有机基团及相关物质成分信息, 发现质量等级较好的烟叶, 纤维素含量较低, 淀粉等糖类物质含量较高; 质量等级较差的烟叶, 纤维素含量较高, 淀粉等糖类物质含量较低; 质量等级最差(上部低等)烟叶, 同时具有蛋白质类物质含量较高的特点。 因此, 应用近红外光谱可实现烟叶质量等级的快速预测, 预测偏差基本在相邻等级之间, 满足实际应用要求, 通过建立不同产区预测模型可进一步提高预测准确度; 同时, 不同等级烟叶在以纤维素、 淀粉和糖类、 蛋白质类等物质为主产生的基团吸收特征不同, 这也是应用近红外光谱实现烟叶质量等级快速检测的信息基础。 该研究结果对完善烟叶分级评价体系, 进一步优化分级方案, 为产品质量和维护等方面可提供了更加科学的方法指导和技术支撑。
光谱学与光谱分析
2021, 41(3): 943
遥感与传感器
摘要
采集艾比湖湿地89个典型样点和土壤实测光谱数据,对所测土壤光谱进行一阶微分变换预处理,采用连续投影算法(SPA)、主成分分析(PCA)和稀疏自编码(SAE)对光谱数据进行特征提取,结合偏最小二乘回归与BP(Back Propagation)神经网络构建SOM估算模型。实验结果表明,SAE方法能够有效对光谱进行压缩;相比于PLSR模型,BP模型能够较好地处理光谱中复杂的非线性信息;SAE-BP方法在估算SOM中取得的精度最高。网络模型的建模方式能够显著提高VIS-NIR光谱反演土壤有机质模型的稳定性和精度,当面对光谱中复杂的非线性问题时,具有很强的解析力和较好的模型稳健性,为使用VIS-NIR数据估算SOM提供一种新思路。
激光与光电子学进展
2020, 57(24): 242803
光谱学
王淑贤  肖航  杨振发  姜明顺  [ ... ]隋青美  冯德军  
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摘要
建立一种能够快速、定量检测掺假普洱茶中香豆素、香兰素、乙基麦芽酚三种常见香精的方法。利用傅里叶变换近红外光谱技术结合偏最小二乘法对香精掺假普洱茶进行定量分析。分别建立三种掺假香精成分的定量分析模型,并对比基于不同预处理方法和未经光谱预处理的定量分析模型的预测能力。结果表明:结合不同光谱预处理方法实现的针对香豆素、香兰素和乙基麦芽酚三种香精的预测均方根误差分别为0.1461,0.1678,0.1800,预测决定系数分别为0.7989,0.7350,0.6938,三种香精的检测限为0.2 mg/g。近红外光谱技术结合偏最小二乘定量分析方法可以实现掺假普洱茶中三种香精成分的快速检测分析。
激光与光电子学进展
2020, 57(23): 233005
光谱学
赵启东  葛翔宇  丁建丽  王敬哲  [ ... ]张振华  田美玲  
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摘要
采集新疆渭干河-库车河典型绿洲96个表层土样,测量其光谱反射率和土壤有机碳(SOC)含量,采用分数阶微分技术(阶数的取值范围为0~2,步长为0.2)结合极限学习机、随机森林、多元自适应回归样条函数、弹性网络回归和梯度提升回归树(GBRT)5种机器学习算法,并对SOC含量进行高精度估算。实验结果表明:分数阶微分的预处理效果优于整数阶微分;特定波段处相关性得到明显提高,最大相关性提高了0.220;作为集成学习的GBRT(验证集中决定系数为0.878,相对分析误差为3.142)在不同阶数下均优于其他模型,建议使用基于1.6阶光谱反射率的GBRT估测干旱区绿洲SOC含量。总之,基于可见光-近红外(VIS-NIR)结合分数阶微分技术与机器学习算法,为提高估测干旱区绿洲SOC含量的模型精度提出新方案。
激光与光电子学进展
2020, 57(15): 153001
光谱学
黄珊  朱书缘  赵蒙蒙  冯继宏  
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摘要
糖尿病日益严重地威胁人类健康,但无创血糖检测的方法仍未能在临床上应用,为了解决这一重要问题,从源头进行探索,研究光源随葡萄糖质量浓度变化的光谱特性。在600~1300 nm的波长范围内研究不同葡萄糖质量浓度的溶液的吸收光谱特性和不同葡萄糖质量浓度的2% Intralipid组织模拟液的反射光谱特性,利用单调性、线性度和灵敏度对光谱特性进行分析。实验结果表明,吸收光谱在1140~1210 nm和1130~1200 nm的波长范围内的光波和反射光谱在1010~1130 nm和1150~1300 nm的波长范围内的光波,具有单调性、出色的线性度、灵敏度高的特点。因此认为具有这些特征的光波应用于无创血糖的检测,有助于提高准确性和灵敏度,推动光学无创血糖检测的方法进入临床应用。
激光与光电子学进展
2020, 57(15): 153006
光谱学
刘燕德  张雨  徐海  姜小刚  王军政  
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摘要
基于可见/近红外漫透射光谱技术,探讨了对不同产地石榴的品质进行快速无损检测的可行性。首先,利用能够有效抑制杂散光影响的动态在线检测装置采集石榴的近红外光谱,测试石榴糖度的真值;然后结合主成分分析法对不同产地的石榴进行聚类分析,大致将样品分为两类;最后建立不同产地石榴的偏最小二乘判别分析模型,模型的判别准确率为97%以上。采用多种预处理方法(S-G平滑、归一化、基线校正、MSC等)建立了两类石榴的单一模型,结果表明:基线校正的效果明显优于其他方法,所建立的四川石榴模型的预测集相关系数Rp为0.82,预测集均方根误差(RMSEP)为0.37,建模集相关系数Rc为0.90,建模集均方根误差(RMSEC)为0.31;云南石榴模型的Rp为0.81,RMSEP为0.33,Rc为0.87,RMSEC为0.27。在后期采用未参与建模的样品的分选验证实验中,两个产地石榴的判别率为95%,糖度的分选准确率可达92.5%。结果表明,近红外光谱在石榴产地的判别和糖度的分选上具有重要意义,可为以后的石榴在线分选研究提供依据。
激光与光电子学进展
2020, 57(1): 013002
大气与海洋光学
刘丹丹  黄印博  曹振松  卢兴吉  [ ... ]孙宇松  涂倩思  
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摘要
利用地基傅里叶变换光谱仪EM27/SUN观测了合肥地区H2O、CO2、CH4及CO四种气体分子的柱浓度.观测结果表明:合肥地区XH2O、XCO2在测量期间变化较大,H2O和CO2的变化幅度分别为1 353.17~5 289.43 ppm及409.22~415.05 ppm;XCH4和XCO两种气体分子的变化较小,其标准差均在10-2数量级;XH2O、XCO2、XCH4和XCO的平均值分别为2 109.10 ppm、411.59 ppm、1.87 ppm及0.13 ppm.将地基观测数据XCO2、XCH4分别与WACCM模式、GOSAT卫星数据进行了对比分析.结果表明,WACCM模式计算XCO2、XCH4的浓度比较稳定,仅在平均值附近有微幅变化,GOSAT卫星观测值略低于地基EM27/SUN的观测值,XCO2、XCH4相对偏差分别为0.45%和0.34%.利用GOSAT卫星数据分析了2010~2018年春季XCO2与XCH4的变化趋势,发现XCO2值从390.83 ppm增加到410.30 ppm,相对增长率为4.9%;XCH4值从1.802 ppm增加到1.869 ppm,相对增长率为3.7%.其结果可为追踪合肥及周边地区温室气体的源与汇提供科学依据.
光子学报
2020, 49(3): 0301002
光谱学
肖航  杨振发  张雷  张法业  [ ... ]隋青美  贾磊  姜明顺  
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摘要
通过建立校正集样本不同的模型Ⅰ与模型Ⅱ来研究温度对水泥生料近红外光谱模型的影响,其中模型Ⅰ中的建模样本为温度一致的样本,模型Ⅱ中的建模样本为温度变化的样本,建模方法采用偏最小二乘法。对比两组模型的预测结果可知,模型Ⅱ中SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaCO3的预测方均根误差与模型Ⅰ相比分别减小了78.3%、26.4%、42.9%、60.4%。实验结果表明:温度变化会导致预测结果产生一定的误差。在校正集中加入温度不同的样本进行建模,可以降低预测误差,使近红外光谱模型更好地应用于生产现场。
中国激光
2020, 47(1): 0111001
00 11