《高光谱检测技术》PPT课件.ppt

第四章高光谱图像检测技术 第一节近红外光谱检测技术第二节高光谱图像检测技术 第一节近红外光谱检测技术 一 基本概念 二近红外光谱分析原理 四 近红外光谱定量分析的流程与步骤 三 近红外光谱的常见分析方法 五 近红外光谱分析技术的优缺点 六 近红外光谱技术在食品检测中的应用 七 近红外光谱检测系统 1 光与物质的作用 1 简单透过2 只改变传播方向 折射 衍射 弹性散射 3 传播方向和波长同时改变 非弹性散射 4 被吸收5 发出不同波长的光6 简单反射处理方法 1和6属于宏观现象 由几何光学就可很好地说明 2 3 4 5需考虑物质的微观结构及性质 一 基本概念 400 800 纳米 1纳米 10米1000纳米 0 000001米 0 001毫米 可见光 200 紫外 0 2 X 射线 近红外 1200 2400 中远红外 收音机 3mm 20cm 10m 30km 9 红外光谱 微波 2 光散射的定义及物理解释 光的散射定义 指由于媒质中存在的气体 液体或固体的微小粒子对光束的影响 使光波偏离原来的传播方向而向四周散射的现象物理解释 A 强调粒子概念 分子场吸收一个光子的同时 发射一个光子 拉曼散射 B 强调波动概念 由于物质密度的起伏光被散射瑞利散射 散射引起反射 折射及衍射 散射是衍射的一种特殊情况 即散射是细微粒子 比波长要小 的衍射效应 使透射光强减弱的原因 光的吸收与光的散射其中 吸收系数 散射系数 3 近红外光与固体样品的作用 食品物料的光学特性主要包括光反射率 光透过率 光吸收率 光密度 光发射现象等 如图 小麦中各成分的光谱 4 分子吸收能量后发生的变化 分子吸收一个光子后 分子就从基态跃迁到激发态 反之 当分子释放一个光子 分子能量降低的程度与光子的能量相当 原子轨道刻划了原子中的电子的分布 同理 分子轨道描述了分子中电子的分布 在电子跃迁过程中 电子从一个分子轨道跃迁到另一个轨道 并伴随着分子能量的增加或者减少 5 光谱测量的基本方法 1 透射率 Transmittance T I I0 一般采用百分比 2 吸光度 Absorbance A lg I0 I I0 单色光的入射能量I 光通过样品后的出射能量 3 反射率R Reflectance Lambert BeerLaw 理想的情况下 浓度为C的某种特定成分对于某波长光 辐射 的吸收可用如下公式描述 其中I 透射光强度 I0 入射光强度c 特定成分的浓度 concentration 特定成分在某吸收波长处的吸收系数 absorptivity L 光程长 样品的厚度 pathlength 二 近红外光谱分析原理 近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的 记录的主要是含氢基团X H X C N O 振动的倍频和合频吸收 不同基团 如甲基 亚甲基 苯环等 或同一基团在不同化学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别 NIR光谱具有丰富的结构和组成信息 非常适合用于碳氢有机物质的组成与性质的测量 对称伸缩振动 非对称伸缩振动 摇摆振动 摇摆振动 弯曲振动 剪切振动 三 近红外光谱的常见分析方法 透射光光谱法 反射光谱法 可用于定性和定量分析 透射光谱法就是把待测样品置于作用光与检测器之间 检测器所检测到的分析光是作用光通过样品体与样品分子相互作用后的光 若样品是透明的真溶液 则分析光在样品中经过的路程一定 透射光的强度与样品组分浓度由比耳定律决定 反射光谱分析时 检测器与光源置于待测样品的同一侧 检测器检测到的分析光是光源发出的作用光投射到物体后 以各种方式反射回来的光 物体对光的反射分为规则反射光 镜面反射 与漫反射 规则反射光指在物体表面按入射角等于反射角的反射定律发生的反射 漫反射是光投向漫反射体 颗粒或粉末 后 在物体表面或内部发生的方向不定的反射 定性分析常用的方法 聚类分析是典型的无监督模式识别方法 利用同类样本彼此相似 即物以类聚 聚类分析就是使相似的样本聚在一起 从而达到分类的目的另一种常用方法是Mahananobis距离 其核心是通过多波长下的光谱数据 定量描述出测量样本离校正集样本的位置 因而在光谱匹配 异常点检测和模型外推方面都很有用 目前国际流行的方法是依靠主成分分析 PCA 结合Mahananobis距离判据 既利用了PCA处理不丢失信息的特点 又利用Mahananobis距离便于建立定量域值的优点 定量分析常用的方法 定量分析是通过多元校正方法建立光谱与组成或性质间的校正模型 使用该模型可预测未知样品的组成或性质 各种多元校正技术有多元线性回归法 multiplelinearregression MLR 主成分回归法 principalcomponentregression PCR 偏最小二乘法 partialleastsquare PLS 人工神经网 artificialneuralnetwork ANN 拓扑 topology TP 法 四 近红外光谱定量分析的流程与步骤 优点 1 快速 通常30秒内就可给出分析结果 可进行在线分析 2 制样简单 3 信息量大 可同时测定多组分 4 经定标建模后 无须用其他常规化学分析手段 不使用有毒有机试剂 无污染 5 非破坏性分析 可实现产品的无损质量检测 6 可使用光纤 从而可实现远程分析检测 五 近红外光谱分析技术的优缺点 缺点 1 建立模型需要大量有代表性且化学值已知的样品 2 模型需要不断的维护改进 3 近红外测定精度与参比分析精度直接相关 在参比方法精度不够的情况下 无法得到满意结果 六 近红外光谱技术在食品检测中的应用 食品 酒制品 饮料 调味品 乳制品 食用油 烘焙食品 肉类等成分鉴别 产地鉴别 真伪鉴别 农牧 谷类作物 烟草 咖啡 水果 蔬菜 茶叶等成分鉴别 成熟度 品质分级 品种鉴定 产地鉴别 真伪鉴别 石油炼制 原油 天然气 汽油等成分鉴别 重整 1 用近红外光谱技术鉴别蜂蜜真伪 参考文献 钟艳萍 钟振声 陈兰珍 叶志华 赵静 近红外光谱技术定性鉴别蜂蜜品种及真伪的研究 J 现代食品科技 2010 26 11 1280 1282 应用例 在12000 4000cm 1范围内采集荆条蜜 槐花蜜 油菜蜜和掺假蜜的近红外光谱 结合一阶导 多元散射校正及变量标准化 三种方法对光谱进行预处理 以主成分分析结合马氏距离判别法 在不同谱区建立蜂蜜品种及真伪定性鉴别模型 研究发现6100 5700cm 1谱区为最佳建模波段 品种判别正确率达90 以上 真伪鉴别正确率93 10 2 植物油品质分析中的应用 1994年Sato采用近红外光谱技术鉴别大豆 玉米 棉籽 橄榄 花生及油菜等植物油种类 陈永明等结合遗传算法建立了不同产地的橄榄油近红外分析模型 可以快速 无损地鉴别出未知产地的橄榄油 将为其他植物油产地鉴别提供了一种便捷手段 在油脂植物含油量测定中的应用 刘福莉等利用傅里叶变换近红外透射光谱法扫描食用调和油中大豆油 花生油以及玉米油的光谱 采用偏最小二乘法 PLS 建立了各自含油量的定量分析模型 其R2EV分别为99 89 99 88 99 76 RMSEP分别为1 09 1 17 1 48 在脂肪酸化学组成测定中的应用 Kovalenko等研究了不同统计分析方法对脂肪酸预测准确性的影响 发现在总饱和脂肪酸 棕榈酸 硬脂酸 上获得的预测结果较好 R2EV 0 91 0 94 而在油酸 R2EV 0 76 0 81 亚油酸 R2EV 0 73 0 76 和亚麻酸 R2EV 0 67 0 74 上的预测效果次之 2 在乳品行业的研究及应用 乳制品 液体奶 奶粉及奶酪 液态奶是多种物质组成的混合物 如新鲜牛奶 是包含真溶液 高分子溶液 胶体悬浮液 乳浊液及其过渡状态的分散体系 Chen等研究建立了检测鲜牛奶中脂肪含量的近红外模型 考察了不同光谱预处理方法及波长范围 700 1100nm 对模型的影响 奶粉及奶酪 针对奶粉质量问题频出的现象 近年来国内借助近红外光谱技术对奶粉的化学指标进行检测的报道较多 丁丽等建立了奶粉中三聚氰胺的近红外定量分析模型 朱俊平等利用近红外光谱分析了儿童高钙奶粉中水分 蛋白 脂肪 乳糖和蔗糖的含量 3 近红外在无损检测方面的研究应用 水果褐变检测很早以前已经开始 Lord等首先研究了元帅水心病苹果在贮藏中褐变发生过程 在冷藏条件下褐变产生在贮藏一个月后 而常温下褐变仅在采摘7d后就发生 韩东海等先后对受损苹果颜色和组织的近红外光谱特性以及苹果水心病的光学无损检测进行了研究 利用可见近红外连续透射光谱技术 650 900nm 对苹果内部褐变进行了研究 分析了其光谱特性 选择715nm 750nm 810nm3个特征波长进行了褐变果判别分析 实验结果表明 样品的正确判别率达到95 65 利用红外光谱法可以在不损伤苹果的前提下 在不到1min的时间内快速地判断出苹果内部是否发生褐变 检测准确性高 为实现水果在线分选提供了可行性支持 1 分光系统的性能参数 波长分辩率分光可能的波长范围能量利用率 亮度 分光所需时间 速度 七 近红外光谱检测系统 2 对近红外光谱系统的要求 可靠性 光谱横轴 波长 及纵轴 能量 稳定多用性 灵活可变的测样方式 宽广的波长范围 方便性 对应的计量学软件快速性 软 硬件的高速度在线性 自动进样系统 强抗干扰能力 3 近红外分光的硬件 光源分光元件光电检测谱图获得 1 滤光片型近红外仪器 2 光栅旋转分光原理 光栅扫描 3 傅立叶变换式分光法 光栅固定分光原理 多通道 仪器分光系统 二极管阵列检测器 瞬时多波长检测 自动波长准确性检查并自动校准 附 近红外检测技术的建模 校准 校准 教会仪器 近红外光谱定量分析技术又称 黑匣子 分析技术 是一种间接的测量方法 即通过对样品光谱和其质量参数进行关联 建立预测模型 然后通过预测模型和未知质量参数的样品光谱来预测样品的组成和性质 近红外是间接检测必需校准必需有参考分析方法 近红外技术应用前提条件 一般来讲 能否应用近红外技术定量精确检测某种成分的含量主要由以下三方面的因素决定 被检测的样品是否有很好的近红外光谱反应特性 即通常所说的 红外活性 仪器自身的特性及相关的技术指标 检测过程中光谱的重复性精度 信噪比以及波长范围等因素 用于建模定标的样品的化学值的准确程度 什么是校准 描述特定近红外波长光的吸收特性和样品组成之间的关系 Y C0 C1 A1 C2 A2 Cn An 红外光谱定量分析流程 在测量方法一致的情况下 浓度预测误差 RMSEP 与仪器精度 SNR 成反比例关系 即仪器精度越高 浓度预测误差越小 在浓度测量精度目标确定时 一定的仪器精度是实现该预测精度目标的必要前提 多变量校正方法测量精度的实验结论 建模方法对测量精度与仪器精度的影响结论 如果采取有效的建模方法 即使在仪器精度相同的情况下 都可以有效地提高预测精度 而且还可以大大降低实现期望预测精度所必需的仪器精度的要求 选择有效的建模方法 如优选波长变量 改进建模算法等 对于提高复杂近红外光谱测量情况的预测效果具有重要意义 光谱定量分析流程 校正模型训练集样品的选择 尽可能要覆盖待分析样品的范围对于待测的物化性质 样品应均匀分布样品的基底应相同 如PH值或水分 若各组分间相互反应 要注意光谱采集合采集瞬间的组成变化包括尽可能多的有代表性的样本样本变化范围越大 模型的适用范围越宽 但分析结果的精度可能变差 模型适用范围小时 分析结果的精度相对较高 但适用面变窄 对样品物化性质的测定 对于人工合成样品 比较简单对于复杂的天然产品 必须选用被大家接受权威的分析方法 模型预测结果的准确性在很大程度上取决于标准测量结果的准确性 用多次分析结果的平均值来降低误差 建模常用化学计量学方法 多元线性回归 MultivarateLinearRegression 缩写为MLR 主成分分析 PrincipleComponentAnalysis 缩写为PCA 主成分回归 PrincipleComponentRegression 缩写为PCR 偏最小二乘法 PartialLeastSquare 缩写为PLS 拓扑学方法和人工神经网络方法 ArtificialNeuralNet 缩写为ANN 等等 快速建模的基本过程 1 选取少量样品 如20个 建立基础模型 注意实时性 样品选择 环境控制 化学参考值精度控制等 2 使用基础模型预测新的样品 粗选特异点 补充基础数据库 3 使用新的数据库建立新的校准 更新模型 提高精度与适用度 4 使用初期要养成将比对样品加入基础数据库中的习惯 5 本地化模型以100 200个样品为宜