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 西南大学物理科学与技术学院, 重庆 400715
2 重庆理工大学理学院, 重庆 400054
3 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400030
近红外光谱分析技术在航空航天、 生物医药、 环境检测、 食品安全等众多领域均有广泛应用。 高性能、 微型化、 低成本近红外光谱仪是制约基于近红外连续光谱分析的微小型检测装备发展的主要瓶颈, 是当前光谱仪发展的主要研究方向。 提出了一种基于微光机电系统(Micro-optical electro-mechanical system, MOEMS)集成扫描光栅微镜和改进型非对称式切尼-特纳(Czerny-Turner, C-T)光学结构的微型近红外光谱仪系统结构, 分析了光谱仪系统和集成扫描光栅微镜的工作原理, 基于光栅相关参数和光谱仪性能指标要求确定了集成扫描光栅微镜最大扫描角度。 分析了改进型非对称式C-T初始光学结构像差, 基于ZEMAX光学设计平台完成了光谱仪光学系统的仿真和优化设计, 确定了系统关键参数。 仿真分析了平凸柱面透镜对改进型非对称式C-T光学结构系统分辨率、 检测灵敏度等性能参数的影响。 基于仿真优化结果, 完成了微型近红外光谱仪机械结构设计、 加工与装调, 搭建实验平台完成了光谱仪相关性能参数测试。 结果表明, 设计的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T光学结构的微型近红外光谱仪, 采用重庆大学自主研发的谐振频率为677.1 Hz的MOEMS集成扫描光栅微镜来实现同步扫描和分光, 0.8 ms时间内即可完成一次波长范围800～1 800 nm的光谱测量, 光谱准确性与国外品牌光谱仪比较无明显差异, 光谱整体分辨率半峰全宽（FWHM）≤11 nm, 波长稳定性≤±1 nm; 基于平凸柱面透镜的光学结构设计可将探测输出光强值提高15%以上, 可有效提高光谱测量的灵敏度; 同时, 经过平凸透镜二次聚焦后的光斑尺寸更小, 可选用感光面积小、 截至频率大的单管探测器实现光谱探测, 可降低系统成本、 抑制外部光噪声, 满足扫描频率较高的扫描光栅式光谱仪的光谱分辨率需求。 因此, 提出的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T结构的近红外光谱仪满足高性能、 微型化和低成本的光谱仪发展需求。
集成扫描光栅微镜 微型近红外光谱仪 光谱分辨率 C-T光学结构 Integrated scanning grating mirror MOEMS MOEMS Near-infrared micro-spectrometer Spectral resolution C-T optical structure
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
山东石油化工学院机械与控制工程学院, 山东 东营 257061
近红外光谱分析技术虽在多领域获得广泛应用, 但应用时仍以实验室仪器为主, 目前光谱仪存在体积大、 功耗高、 价格贵等问题, 有能力购买与使用此类仪器的主要是高校、 科研院所、 大型企业等, 常用的基于傅里叶变换或光栅原理的光谱仪价格通常高达几十万元, 超出中小企业、 普通百姓的经济承受能力, 因此近红外光谱仪的进一步推广应用仍有难度。 降低仪器造价并实现微型化, 是推广近红外光谱技术应用的一个重要方向, 近红外光谱仪小型化的努力方向有CT正交型光栅技术以及微机电系统技术, 但这两种技术方案对光谱仪体积缩小幅度有限, 仍存在价格高、 内部有移动部件等问题, 难以做到真正微型化。 据光谱仪的工作原理可知, 其价格高低及微型化难度与仪器所能检测波段以及分辨率密切相关, 以线性渐变滤光片与InGaAs探测器为例, 分辨率越高, 检测的波长点越多, 其价格越高, 制造难度越大。 针对某一特定的定性分析任务, 若能从大量波长点中挑选出少量特征波长点, 并利用挑选得到的少量特征波长点完成对被测样本的定性分析任务, 则可降低仪器制造成本, 并降低光谱仪微型化难度, 从而有利于近红外光谱分析技术的推广与应用。 以玉米单倍体和多倍体籽粒作为研究对象, 针对两类籽粒分类任务, 分多天以漫透射方式采集被研究对象的近红外光谱, 按时间顺序将所采数据分为5个数据集, 对第1个数据集使用遗传算法提取出10个特征波长点, 再将提取得到10个特征波长点, 用于剩余4个数据集的单倍体、 二倍体鉴别, 以检验方法的有效性。 实验结果表明使用10个特征波长点能够获得与全光谱基本一致的鉴别效果, 说明使用少量特征波长点上的吸光度值也能够有效鉴别单倍体, 可为其他领域某特定任务开发低成本便携式微型近红外光谱仪提供借鉴。
遗传算法 近红外光谱 特征波长 微型近红外光谱仪 Genetic algorithm Near infrared spectroscopy Characteristic wavelength Micro near infrared spectroscopy 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2437
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
