面粉吸水率是评价面粉质量和预测面制品加工特性的重要品质性状。 面粉吸水率的测定主要参照国际或国家标准利用粉质仪进行, 其测定方法费时费力。 基于此, 提出利用可见近红外光谱分析技术结合多元统计分析进行面粉吸水率快速、 无损检测。 参照国标法测定150份小麦面粉样品的吸水率, 面粉吸水率变幅为53.10%~74.50%。 利用可见近红外分析仪采集面粉样品的光谱信息, 有效光谱范围为570~1 100 nm。 采用偏最小二乘回归(PLSR)、 主成分回归(PCR)和支持向量机回归(SVR)将光谱信息和面粉吸水率进行关联, 分别建立面粉吸水率的定量分析预测模型, 筛选最优的建模方法。 在优选的建模方法的基础上, 采用竞争性自适应重加权(CARS)、 区间随机蛙跳(iRF)、 迭代保留信息变量(IRIV)和连续投影(SPA)算法提取特征波长, 筛选最优的特征波长提取算法。 基于最优的建模方法和最优的特征波长提取算法提取的特征波长, 采用标准化(NL)、 一阶求导(1st Der)、 基线校正(BL)、 标准正态变换(SNV)和去趋势化(DT)5种光谱预处理方法对特征波长的光谱进行预处理, 筛选最优的光谱预处理方法。 结果表明, 采用NL光谱预处理方法对CARS算法提取的24个特征波长(仅占原始波长的2.26%)的光谱进行预处理后建立的PLSR模型性能最佳, 预测集相关系数(R2p)、 预测集均方根误差(RMSEP)和预测相对分析误差(RPD)分别为0.889 4、 1.458 5和2.641 3。 采用CARS算法提取的特征波长所建的模型不仅能提高模型的性能, 还很大程度提高模型运算效率、 降低仪器制造成本和光谱仪微型化的难度, 从而为面粉吸水率可见近红外无损、 快速检测研究奠定了基础。

为实现柑橘可溶性固形物含量(SSC)快速无损检测, 基于可见/近红外技术开发了低功耗手持式柑橘可溶性固形物含量无损检测系统。 以宽谱LED光源结合特征窄带微型光谱仪为核心, 设计了手持式柑橘可溶性固形物含量无损检测终端。 开发了基于物联网技术的水果光谱仪云端数据系统, 该系统主要包括用户库、 设备库、 检测数据库和模型库, 通过通讯模块与手持式无损检测终端相连接, 可以实现光谱采集参数修改、 云端数据上传与下载、 云模型的调用等功能。 利用该检测系统获取的光谱数据, 建立一维卷积神经网络(1D-CNN)模型用于预测柑橘的可溶性固形物含量。 该网络包含输入层、 卷积层、 池化层、 全连接层和输出层等7层结构。 主机采集柑橘的光谱数据并建立1D-CNN柑橘可溶性固形物含量预测模型, 并用该模型与多种传统回归方法进行对比。 1D-CNN模型的预测相关系数和预测均方根误差分别为0.812, 0.488, 优于偏最小二乘法(PLS), 人工神经网络(ANN)和支持向量机(SVM)。 采用基于模型的迁移学习方法, 基于主机的1D-CNN模型对从机进行模型传递, 研究了从机标准样本数量对模型传递的影响。 发现使用少量从机光谱样本即可取得较好的效果, 从机预测集均方根误差为0.531。 研究结果表明, 研发的柑橘SSC云模型的手持式可见近红外无损检测系统具有检测快速、 低成本、 操作简便等优点, 基于该检测系统的1D-CNN网络可以有效提取柑橘光谱的有效特征并进行回归分析。 借助迁移学习算法, 可以实现1D-CNN模型在不同装置间的有效传递, 满足柑橘可溶性固形物含量无损检测的需求。 为手持式水果内部品质无损检测系统的开发与应用提供了借鉴和参考。

可溶性固形物含量（SSC）是反映苹果品质和成熟度的重要生理指标, 能够用于苹果品质分析和成熟度预测。 以新疆阿克苏冰糖心红富士苹果为研究对象, 从果实膨大定形期至完熟期, 以等间隔周期3 d采摘样本, 测其380~1 100 nm的可见/近红外光谱和SSC, 共552个样本。 然后融合分数阶微分（FD）及置换重要性-随机森林（PIMP-RF）算法, 构建成熟期苹果SSC预测的集成学习模型。 结果表明, 基于PLS模型优选的分数阶微分阶次为0阶、 0.4阶、 1.1阶和1.6阶, 且通过PIMP-RF算法进行特征重要性和可解释性分析结果显示, 利用可见/近红外光谱预测成熟期苹果SSC的关键波长主要为可见光波段, 这为今后研发新疆冰糖心红富士苹果的快速无损检测设备提供参考； 基于分数阶微分技术和PIMP-RF算法构建的成熟期苹果SSC集成学习模型具有很好的预测能力, 其训练集的相关系数r等于0.989 2, 平均绝对误差MAE等于0.241 2, 均方根误差RMSE等于0.309 1, 平均绝对百分误差等于0.018 3； 测试集的相关系数r等于0.903 8, 平均绝对误差MAE等于0.549 9, 均方根误差RMSE等于0.740 8, 平均绝对百分误差等于0.043 4, 相比于FD0-PIMP-RF、 FD0.4-PIMP-RF、 FD1.1-PIMP-RF和FD1.6-PIMP-RF模型, 集成学习模型为最优。 故而, 集成分数阶微分技术与PIMP-RF算法, 结合可见近红外光谱技术可有效地实现成熟期苹果的可溶性固形物含量预测。

牙周炎是牙齿周围软硬组织的一种感染性、 破坏性疾病, 主要临床表现为牙周袋的形成, 临床附着丧失以及牙槽骨吸收。 可见近红外光谱技术具有无创、 快速检测等优势, 在医学领域得到了较为广泛的应用。 利用可见近红外光谱技术检测重度牙周炎牙龈组织内含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白含量。 本研究纳入5名健康对照者和5名重度牙周炎患者, 采集健康者20个位点和重度牙周炎20个位点龈缘、 龈缘下4 mm及龈缘下7 mm的牙龈组织光谱（400～1 700 nm）, 研究发现含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白分别在544和576 nm处表现出明显光谱吸收特征。 对原始光谱数据进行包络线去除分析, 并计算含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的相对吸收深度。 结果表明重度牙周炎牙周袋内的含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白含量均显著高于健康组（p<0.05）, 而重度牙周炎深牙周袋内不同深度位置其含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白含量无统计学差异。 研究结果可反映重度牙周炎与健康牙龈组织中血氧含量差异, 为可见近红外光谱技术应用于牙周炎患者牙龈组织中含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白含量的无创检测提供科学依据。

甘蔗的纤维分是甘蔗选育过程和制糖、 造纸等行业生产中不可忽视的因素, 采用透射形式的可见-近红外光谱法对活体甘蔗纤维分进行无损检测具有重要意义。 采集了6个品种不同生长阶段的123个甘蔗蔗茎样本, 将其按2∶1的比例采用Duplex样本集划分方法分为校正集（82个样本）和预测集（41个样本）。 以120°的测量夹角获取了蔗茎在去除蜡质前后两种不同状态下的透射光谱, 并选取噪声较小且幅值变化明显的670～950 nm波段作为实际建模波段。 观察波形发现, 去除蜡质后蔗茎的透光率显著增高, 且建立偏最小二乘（PLS）回归模型分析了蜡质对于模型预测能力的影响, 去蜡后的蔗茎样本建模效果更为良好。 将一阶微分（FD）、 连续小波变换（CWT）、 标准正态变换（SNV）等9种预处理方法分为基线校正、 散射校正、 平滑处理、 尺度缩放四个步骤。 按各步骤的顺序进行排列组合产生108种预处理组合, 分别对处理得到的光谱数据进行PLS建模分析, 最终得到了综合建模效果最优的预处理方法FD+SG。 为筛选得到携带最有效信息的波长, 采取无信息变量消除法（UVE）、 遗传算法（GA）、 竞争性自适应重加权采样法（CARS）以及随机青蛙算法（RF）等有效变量提取算法对最优预处理后的透射光谱进行重要波长筛选。 分别对各算法提取出的重要波长进行PLS建模分析, 其中采用UVE方法提取出来的重要波长建模效果最好, 所选波长的数量为40个, 占全波段的14.3%。 预测集的决定系数（R2p）为0.73, 比相同预处理下的全波段PLS建模结果提升了14.1%, 预测集的均方根误差（RMSEP）为0.88%（%表示甘蔗纤维分的单位）, 比全波段建模结果下降了14.6%。 研究结果表明, 可见-近红外透射光谱能够对活体甘蔗纤维分进行有效预测, 此研究可为相应便携式传感器的开发提供理论依据, 为甘蔗育种、 各行业生产的节本增效提供技术支撑。

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SSCt: SSCt0.9与SSCt0.95。 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个位于置信区间外的异常样本; 进一步采用一阶导数First Derivative（FD）、 归一化Normalization（0, 1）与标准化Standardization（0, 1）3种方式做数据预处理, 求取样本在12个通道下的吸光度A或Kubelka-Munk函数值F（R）。 针对可见/近红外光谱自变量之间具有多重相关性、 光谱信息与糖度信息之间非线性相关的特点, 建立PLS-BP神经网络糖度预测模型（自变量为吸光度A或F（R）值, 因变量为SSCt）。 结果显示, 当t分布的置信概率为0.95、 光谱预处理方式为Standardization（0, 1）、 光谱信息指标为吸光度A时所建立的预测模型精度最高: 决定系数rp2为0.93、 均方根误差RMSEP为0.181、 预测集偏差Bias为-0.01、 残留预测偏差RPD为3.78, 可认为模型具有较高精度与较好适应性对葡萄SSC做出预测。 最后, 结合实验结果, 作了葡萄浆果SSC光谱检测原理的分子尺度分析: 在各分子振动类型中, O—H键伸缩振动的3倍频、 4倍频, O—H键剪式振动与伸缩振动3倍频、 4倍频的合频, CO键伸缩振动的8倍频、 9倍频为可见/近红外光谱检测的有效振动频率。 该研究为未来工业与消费领域在线质量检测设备的高精度化、 便携化、 低成本化提拱了技术参考。

针对传统光谱法检测鸡蛋新鲜度存在的效率低、 准确率不够高等问题, 提出采用可见-近红外光谱结合极度提升树(XGBoost)等算法对鸡蛋新鲜度分类进行研究, 以期在保证足够高准确度的同时大幅提高检测效率。 将不同储存条件下的鸡蛋作为样本, 并分别划分为训练集和测试集, 采用训练集的综合评价指标(F-measure)和准确率(Accuracy)评估分类模型的性能。 具体地, 首先利用可见-近红外光谱系统采集鸡蛋的反射光谱, 将所得的光谱数据经过不同预处理后再结合随机森林(random forest, RF)、 偏最小二乘(partial least squares, PLS)、 支持向量机(support vector machine , SVM)、 多层感知机(muhi-layer perception , MLP)以及XGBoost等分类算法构建鸡蛋新鲜度分类评估模型, 并对比各模型性能指标。 分析结果发现, 经Savitzky-Golay一阶导(Savitzky Golay first-order derivative, SG-1st-Der)预处理后的RF、 SVM、 XGBoost模型和经标准正态变量(standardized normal variate, SNV)预处理后的PLS、 MLP模型具有较好的训练结果。 为进一步提高模型精度和运算效率, 提出利用区间偏最小二乘法(interval partial least squares, IPLS)对SG-1st-Der和SNV预处理后的光谱数据首先进行降维, 然后再分别建立基于RF、 SVM、 XGBoost、 PLS及MLP等算法的预估模型, 最后通过测试集对模型进行验证。 结果发现原始光谱数据经SG-1st-Der预处理后所建立的IPLS-XGBoost分类模型性能最优, 在不同储藏条件下测试集的F-measure分别为92.33%和90%, Accuracy分别达到94.44％和91.67％, 而程序运行时间均不超过0.6 s。 表明, 可见-近红外光谱结合IPLS-XGBoost分类算法可应用于鸡蛋新鲜度评估, 该方法在模型分类性能、 准确度评估、 运行速度等方面比传统方法更具优越性。

柑橘是我国第一大类水果, 氮素对于柑橘的生长发育至关重要, 实时、 无损地监测柑橘氮素营养状况, 对于氮素养分精准管理具有重要意义。 植株体内的氮素可以分为营养性氮素、 结构性氮素和功能性氮素, 不同形态氮素各组分在柑橘叶片中的含量对叶片生理生化反应有一定的指示作用, 其中, 功能性氮含量是指示柑橘氮营养状况的重要指标。 以“春见”橘橙为试验材料, 分别于果实膨大期和转色期, 利用可见-近红外光谱仪测定不同施氮处理的柑橘叶片反射光谱, 并用化学分析方法测定其叶片功能性氮含量。 分析了柑橘果实膨大期和转色期叶片原始光谱和一阶微分光谱与叶片功能性氮含量的相关关系, 筛选出敏感波段, 利用全波段和敏感波段, 结合光谱植被指数法、 光谱化学计量法和机器学习方法, 构建了柑橘果实膨大期和转色期叶片功能性氮含量的无损监测模型, 并对比分析多种光谱变换和光谱预处理方法对于模型精度的影响。 结果表明, 在柑橘果实膨大期, 对全波段原始光谱进行标准正态化变换预处理, 结合反向传播神经网络构建的柑橘叶片功能性氮含量无损监测模型精度较高, 其建模集决定系数R2c和验证集决定系数R2v均为0.78, 建模集均方根误差RMSEC和验证集均方根误差RMSEV均为0.82 g·kg-1; 基于敏感波段原始光谱结合随机森林构建的模型精度也较高, 其R2c和RMSEC分别为0.84和0.67 g·kg-1, R2v和RMSEV分别为0.74和0.83 g·kg-1。 在柑橘果实转色期, 对全波段原始光谱进行标准正态化变换预处理, 结合BPNN构建的柑橘叶片功能性氮含量无损监测模型精度较高, 其R2c和RMSEC分别为0.77和1.04 g·kg-1, R2v和RMSEV分别为0.76和1.13 g·kg-1。 研究表明, 可以利用可见-近红外光谱技术, 实现对柑橘叶片功能性氮含量的无损监测。

“达碧兹”宝石具有由内含物或者致色元素的分布不均导致的类似于“六射星光”的六方对称的特殊现象, 具有该现象的宝石可成两类, 即由内含物将主晶体分隔为不同区域而形成的“达碧兹”宝石, 以及由于内部其他原因形成的外观上与“达碧兹”宝石近似的“类达碧兹”宝石。 紫外可见近红外光谱显示四块样品中均出现的375与450 nm附近的几个窄吸收峰, 均为Fe3+所产生的晶体场场谱。 560 nm附近的宽吸收带则应当为Fe2+与Ti4+两种离子发生电荷转移时产生的电荷移动谱, 这是在黄色蓝宝石之外绝大部分蓝宝石中都会出现的吸收带。 拉曼(Raman)光谱测试发现, 在具有“类达碧兹”图样的山东蓝宝石内部的各个部位的矿物相均为刚玉相。 其拉曼位移峰集中于位于在378、 417及576 cm-1等处, 证明其并没有被矿物包裹体分隔为不同的生长区域, 应当属于“类达碧兹”系列。 能量色散型X射线荧光光谱(EDXRF)分析测试发现其内部各处的铝元素含量远远高于其他元素, 且符合刚玉矿物的理论值97%以上。 激光剥蚀等离子体质谱(LA-ICP-MS)结果证实在的“核心”与“臂”等区域Fe、 Ti等微量元素含量均明显高于其他元素, 造成了上述区域的颜色加深。 山东“类达碧兹”蓝宝石出现“类达碧兹”图样的原因是致色元素差异分布导致的, 故而仍然属于“类达碧兹”系列。