近红外透射光谱测量中温度校正方法的研究

近红外透射光谱测量中温度校正方法 的研究 目录 课题研究的 背景和意义 温度对于光 谱影响的物 理基础与定 量测量 消除近红外 光谱温度影 响的方法研 究 总结与展望 一、课题研究的背景和意义 课题研究的背景和意义 无 损耗 快速 高 效 可实时 监测 可多次 测量 近红外无创血 糖测量的优势 缺点之一 易受干扰 课题研究的背景和意义 干扰 温度影 响 湿度影 响 其他干 扰 仪器漂 移 测量位 置改变 二、 温度对于光谱影响的物 理基础 与定量测量 温度对于光谱影响的物理基础 与定量测量 在纯吸收介质中 令 以葡萄糖水溶液的吸光度为例，当温度与浓度同时变化，吸光度变化量为 则 因此可将葡萄糖水溶液中的温度影响分为两部分 温度对水的影响部分 温度对葡萄糖的影响部分 温度对于光谱影响的物理基础 与定量测量 4000mg/dL葡萄糖水溶液不同温度下的吸光度曲线 温度对于光谱影响的物理基础 与定量测量 葡萄糖浓度 1 变化对 葡萄糖的影 响 AT,g 基准温度下该 浓度葡萄糖引 起吸光度变化 温度变化引 起的葡萄糖 浓度误差 相对误差百 分比 1000mg/dL -0.000093 -0.00234 37mg/dL 3.7% 2000mg/dL -0.00017 -0.00437 78mg/dL 3.9% 3000mg/dL -0.00020 -0.00742 82mg/dL 2.7% 4000mg/dL -0.00027 -0.0105 109mg/dL 2.7% 5000mg/dL -0.00042 -0.0134 157mg/dL 3.1% 1156nm处葡萄糖水溶液中的吸光度变化量 温度对于光谱影响的物理基础 与定量测量 在 1156nm吸收峰位置处， 1 温度 变化引起的水吸光度变化 量相当于 1000mg/dL的葡萄糖浓度变化，远大于单位温度变 化引起的葡萄糖 吸光度变化 ，在 一定温度范围内， 线性叠加 到原溶液吸光度 上。温度 变化引起吸光度改变部分与葡萄糖 浓度 变化引起的吸光度变化量在一定程度上相互独立。 三、 消除近红外光谱温度影 响的方法研究 消除近红外光谱温度影响的方法研究 1.测量数据 测量光谱数据矩阵 X X=XP+XQ+R XP,XQ,R分别对应有用信息响应，干扰信息响应，及冗余信息 去除冗余信息（光谱漂移等） 2.提取温度 信息 取任一浓度的不同温度的光谱数据分别与其基准温度数据差分建立温度差分矩阵 对于温度协方差矩阵进行奇异值分解，选取右奇异矩阵的前 c列作为温度信息，求取 干扰子空间 Q 3.提取有用 信息 从原始光谱 X中去除干扰响应 XQ得到有用的信息 XP作为新光谱数据 4.新光谱数 据建模 基准温度下新光谱数据与偏最小二乘法结合建模预测所有温度的数据 外部参数正交化方法（ EPO） 消除近红外光谱温度影响的方法研究 1.测量数据 测量光谱数据矩阵 X，并将所有数据进行中心化 2.滤波变换 取任一温度与基准温度的不同浓度的光谱数据建立温度差分矩阵 对于温度协方差矩阵进行奇异值分解，将对角矩阵进行滤波变换 3.提取有用 信息 利用新对角矩阵与左奇异矩阵获得滤波矩阵 G，新光谱矩阵为 GX 4.新光谱数 据建模 基准温度 下新光谱数据用偏最小二乘法建模去预测所有温度的数据 广义最小二乘加权法 (GLSW) 消除近红外光谱温度影响的方法研究 葡萄糖水溶液不同建模方法的预测结果对比 建模预测方法 建模 样品 数量 主成 分数 量 预处理 样品数 量 预测均方根误差（ RMSEP） 30 32 34 36 38 所有温度 直接用 30 的 数据建模 6 2 92.2 165.7 330.5 550.5 886.9 497.0 所有温度的数 据全局建模 30 2 109.2 115.3 101.4 94.8 102.8 104.9 GLSW处理后 30 数据建模 6 1 12 119.5 126.3 111.1 104.2 113.1 106.9 EPO处理后 30 数据 建模 6 1 5 70.3 75.1 62.5 62.0 57.0 65.7 （温度范围是 30,32,34,36,38 ，浓度范围 0,1000,2000,3000,4000,5000mg/dL） 消除近红外光谱温度影响的方法研究 外部参数正交化处理前后的葡萄糖溶液吸光度（ 4000mg/dL） EPO 温度差分 温度差分 约 4% 约 0.04% 化学计量学方法消除近红外光谱温度影响的方法研究 仿 体（脂肪乳溶液）的 吸收光谱测量 化学计量学方法消除近红外光谱温度影响的方法研究 脂肪乳溶液不同建模方法的预测结果对比 建模预测方法 建模样 品数量 主成分 数量 预测均方根误差（ RMSEP） 30 32 34 36 38 所有温度 用 30 的数据 直接 建模 6 2 180.2 237.9 398.4 634.6 892.2 537.9 全温度 数据 的 全局 建模 30 2 210.2 202.5 194.3 194.1 186.4 197.7 EPO处理后 30 数据 建模 6 1 165.5 166.6 163.9 162.2 162.2 164.1 （温度范围是 30,32,34,36,38 ，葡萄糖浓度范围 0,1000,2000,3000,4000,5000mg/dL） 化学计量学方法消除近红外光谱温度影响的方法研究 外部参数正交化处理前后的脂肪乳溶液吸收光谱 EPO 温度差分 温度差分 约 20% 约 5% 四、总结与展望 总结与展望 总结： 1.本文对于溶液中的吸光度进行了理论分析 与分解，分解后定量地分析了温度对于溶质 和溶剂影响 2.采用外部参数正交化方法对于不同温度下 葡萄糖水溶液与脂肪乳溶液的吸收光谱进行 了处理，改善了温度干扰下的近红外光谱预 测精度。 总结与展望 展望 1.本文提及的方法已验证可应用于透射光谱 中的温度校准，可以尝试将本方法应用于混 浊介质或人体的反射光谱测量中 2.本方法可有效消除温度干扰，可进一步实 验将其应用到湿度，测量位置变化等外界干 扰的消除中。 请各位老师批评指正！