应用近红外漫反射光谱快速测定土壤锌含量

采用近红外漫反射光谱和偏最小二乘法(PLS)建立了土壤锌快速分析的定量模型,并进行了波段优选。首先,基于单波长模型预测效果将全体样品划分为定标集和预测集;然后,采用多元散射校正(MSC)和Savitzky-Golay(SG)平滑方法对光谱进行预处理。选取全谱400~2500nm,400~1100nm,1100~1900nm,1900~2500nm,580~900nm等5个波段,每个波段分别采用原谱、一阶导数谱、二阶导数谱,共建立了15个定标模型。同时调整SG平滑点数和PLS因子数,每个模型分别进行PLS数值实验,按照预测效果进行优选。结果显示,采用1900~2500nm波段一阶导数谱的模型效果最好,预测相关系数(RP)、RMSEP、RRMSEP分别为0.806,31.0mg/kg和19.96%。这些结果表明,1900~2500nm波段可以代替全谱波段得到更好的预测效果,可为设计专用土壤近红外光谱仪提供依据。     

基于近红外光谱的老陈醋不同品牌的鉴别分析

应用近红外透射光谱技术,结合化学计量学方法,开展老陈醋不同品牌的定性检测的研究,并对可行性加以分析.在800 nm到2500 nm内对老陈醋进行光谱采集,并通过主成分分析(PCA)和判别分析(DA)建立定性分析模型,对不同波长所建立模型的优劣加以分析.结果表明,在波长800~2500 nm的范围内建立的模型最为稳定,正确率为96.3%.近红外光谱技术可以快速地对陈醋的不同品牌作出分析     

改进相关系数算法在近红外光谱仪器中波段选择的应用

研究基于温度相关系数算法,为近红外光谱仪器提供一种波段选择的方法;有效的波段选择方法能有效节省近红外光谱仪器开发成本,降低模型的复杂性。选择玉米粗蛋白含量高中低的三个样品,开机连续测试其60次的光谱,计算光谱数据与其设备温度的相关系数,设定相关系数谱的阈值,挑选受温度影响最小的最优波段。采用偏最小二乘法,对420条光谱进行建模,全谱波段和最优波段(1 157~1 650 nm)的建模效果SECV分别为0.173%和0.190%;对120条光谱数据进行验证,全谱波段和最优波段的SEP分别为0.297%和0.275%。结果表明温度相关系数算法可以为近红外光谱仪器提供一种有潜力的波段选择方法。     

西洋参原材料近红外光谱精选研究

为确保药物成品质量的稳定均一,作为原材料的西洋参应保证纯正。采用近红外积分球漫反射光谱,首先对西洋参、人参原样光谱运用移动窗口偏最小二乘法(moving window partial least-squares regression,MWPLS)选择特征波段,建立最小二乘支持向量机(least-squares support vector machine,LS-SVM)种类鉴别模型挑选出西洋参样品,判别正确率为100%。然后将样品粉碎,人参以5%、10%、15%、20%掺入西洋参粉末,为增加样品代表性借助线性加和模拟光谱手段于4 000～7 000 cm-1建立主成分判别分析(principal component analysis discriminant analysis,PCA-DA)掺杂判别模型,预测判别正确率由97.2%上升至100%,区分出少量人参掺杂的西洋参样品,最终精选出西洋参原材料纯品。     

发动机润滑油含水量近红外特征波段选取

应用近红外光谱技术结合间隔偏最小二乘法,探讨发动机润滑油中含水率检测的特征波段及检测方法。采用间隔偏最小二乘法对发动机润滑油含水量的近红外光谱特征波段进行选择,结合偏最小二乘回归建模方法对所选波段进行验证。结果表明:选用7 432～6 321 cm-1和5 583～4 846 cm-1 2个波段建模可以得到与全谱一致的预测结果,从而实现了模型的简化,为润滑油中含水率近红外光谱分析提供理论依据。     

煤质近红外分析模型中争议光谱的判别

针对煤质近红外分析模型中光谱样本的特点,提出了基于并行最小二乘回归估计(P-LSRE)方法的争议光谱判别.首先,将光谱的全谱区划分为4个子区间,利用并行最小二乘回归估计方法以中心光谱为基准并行拟合建模光谱数据集;然后,以由相似度与相异度构成的相关性测度为衡量标准判别原光谱与拟合光谱的相关关系;最后,对判别信息进行有机融合标定光谱的属性.实验结果表明,该方法可准确地识别争议光谱,且具有较强的泛化性,适用于不同信噪比的光谱数据检测.     

基于多光谱成像技术的宣纸形态学特征分析

国画艺术品的科技取证与鉴别受到各领域的关注。宣纸作为国画的重要载体,其特征提取和分析方法有较高的研究意义。本文使用多光谱成像技术对宣纸进行形态学特征分析。实验采用多光谱成像系统获取宣纸在不同波长通道下的光谱图片,继而采用纹理参数统计对光谱图像进行测量,获得宣纸特征的敏感波段;采用数学形态学和灰度统计原理建立宣纸形态学特征分析模型,得到一维特征向量。为了评价特征向量的准确度,实验将特征向量输入到支持向量机（SVM）分类器进行检测分类。结果表明,宣纸的差异化特征在550nrn波段下最为明显;由模型输出的特征向量分类正确率为96％。本文提出的宣纸分析模型能够将大部分种类的宣纸特征准确提取,并具有一定的高效性。     

基于近红外光谱法快速鉴别转基因油研究

采用近红外光谱法对转基因油/非转基因油的混合溶液进行研究。对采集到的原始光谱分别进行多元散射校正（MSC）、一阶导数（FD）、移动窗口平滑（MWS）、Savitzky-Golay平滑一阶导数（SG1）预处理。研究比较了不同预处理方法对转基因油/非转基因油支持向量机（SVM）建模判别分析的影响，其中MSC预处理后的模型预测效果最好，准确率为91.6%。为了进一步提高模型的精度与稳定性，采用连续投影算法（SPA）对全波长进行特征波长筛选。利用筛选后的15个特征波长输入到SVM中，预测准确率提高到98.3%。实验结果表明，采用近红外光谱法，可以实现对转基因油/非转基因油快速检测，不仅适用于纯转基因油的鉴别，也适用于非转基因油中掺入转基因油的鉴别。     

小型近红外玉米蛋白质成分分析 仪器设计的波段选择

采用傅里叶变换近红外漫反射光谱技术和偏最小二乘法(PLS)建立了玉米蛋白质含量的定标模型。按照预测效果优选光谱波段,为设计小型近红外玉米蛋白质成分分析仪器提供依据。采用多元散射校正方法对光谱进行预处理,然后利用Savitzky-Golay平滑法对原谱、一阶导数谱和二阶导数谱进行平滑处理。选取全谱、合频、一倍频、二倍频和蛋白质基团等5个波段,每个波段分别采用原光谱、一阶导数谱、二阶导数谱,共建立15个定标模型。同时调整Savitzky-Golay平滑点数和PLS因子数,通过多次PLS数值实验比较,按照预测效果确定每个模型的最优平滑点数、因子数,再从中选优。结果表明,采用一阶导数谱的一倍频波段(7 000~5 500 cm^－1)的定标效果最好,模型的预测相关系数、预测均方根偏差、相对预测均方根偏差分别为0.945,0.357,3.340%。一倍频波段可以代替全谱波段并得到更好的定标效果。     

基于LCTF成像和ABS算法的小白菜光谱特征波段提取研究

基于液晶可调滤波器(LCTF)和CMOS组合的多光谱成像系统,在435~720nm波段范围内,以每隔5nm波段对小白菜叶片进行灰度值信息的提取,然后求出各个波段的灰度值平均值、标准差以及相关系数,并采用自适应波段选择法(ABS)提取出小白菜叶片的波段指数,最后通过波段指数的排序选取出小白菜叶片的有效特征波段。实验结果表明,用ABS的特征波段提取的算法,能够快速有效地获取小白菜叶片的光谱信息,在445nm、450nm、455nm、680nm、685nm、690nm、695nm和710nm波段具有较理想的波段指数值,有较大的光谱信息量。因此,这些波段可以很好地作为识别小白菜叶片的有效特征信息波段。     

Fabrication and evaluation of a near-infrared hyperspectral imaging system

This paper describes modifications to a hyperspectral imaging microscope that extend its capabilities into the near-infrared (950–1300 nm). The major changes include installing a grating, charge-coupled device camera, and lenses and filters appropriate for infrared wavelengths. Calibration of the system and validation with lead sulfide quantum dots of known emission wavelength is reported. Cells from the breast carcinoma cell line SkBr3 were scanned with lead sulfide quantum dots that emit at 1100 nm as the background and an image which contains the integrated spectral data is presented. We also demonstrate that this instrument is capable of detecting the photoluminescence spectra of single-walled carbon nanotubes dispersed in aqueous solution.     

基于傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(FT ICR MS)的超宽波段光解离光谱系统的研制及应用

基于质谱技术的光解离光谱方法具有灵敏度高和可行性好的优势,近年来在气相离子化学和分析化学研究领域得到了快速发展和广泛应用。本工作基于一台7 T的傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(FT ICR MS),搭建了超宽波段的可调谐激光光路系统,获得了气相离子超宽波段的光解离光谱。该系统的光谱可调谐范围为192~3 700 nm,是目前已知在单台质谱仪上可获得最宽波段的光解离光谱系统。超宽波段的波长覆盖范围使用两台宽波段可调谐OPO激光器实现,光路可以在真空传输,提高了紫外和红外激光的传输效率。该系统结合了电喷雾(ESI)电离源和FT ICR MS的高分辨能力以及超强的离子操控能力,可以获得目标离子的紫外-可见光以及中红外区域的光解离光谱,分别对应于分子的电子和振动能级,实现了分子结构信息的互补。以罗丹明110和色胺为例,获得了相应的离子在不同波段中的光解离光谱,初步证明了该仪器实现相关功能的可行性。     

主成分分析在光全散射特征波长选择中的应用

为了能在用光全散射法测量颗粒粒径时选择对粒径影响较显著的特征波长进行测量,通过在可见及可见-红外波段内对粒径服从单峰R-R分布颗粒系的消光光谱,一阶微分以及二阶微分消光光谱进行主成分变换,提出一种特征波长选择方法。该方法首先对颗粒系的一阶微分消光光谱进行主成分变换,然后将每个波长下的一阶微分消光谱对主成分贡献率的大小作为特征波长选择的主要依据,并将光谱范围的边界波长也作为特征波长。分别对粒径服从单峰及双峰R-R分布的颗粒系进行数值仿真,并采用标准颗粒的实测数据进行验证。验证结果显示,采用基于主成分分析的波长选择方法计算方便、易于实现,得到的标准颗粒粒径反演误差均小于3%,表明采用提出的波长选择方法能够保证选出的光谱消光值具有较高的信息量。     

Spatial and spectral performance of a chromotomosynthetic hyperspectral imaging system

The spatial and spectral resolutions achievable by a prototype rotating prism chromotomosynthetic imaging (CTI) system operating in the visible spectrum are described. The instrument creates hyperspectral imagery by collecting a set of 2D images with each spectrally projected at a different rotation angle of the prism. Mathematical reconstruction techniques that have been well tested in the field of medical physics are used to reconstruct the data to produce the 3D hyperspectral image. The instrument operates with a 100 mm focusing lens in the spectral range of 400-900 nm with a field of view of 71.6 mrad and angular resolution of 0.8-1.6 μrad. The spectral resolution is 0.6 nm at the shortest wavelengths, degrading to over 10 nm at the longest wavelengths. Measurements using a point-like target show that performance is limited by chromatic aberration. The system model is slightly inaccurate due to poor estimation of detector spatial resolution, this is corrected based on results improving model performance. As with traditional dispersion technology, calibration of the transformed wavelength axis is required, though with this technology calibration improves both spectral and spatial resolution. While this prototype does not operate at high speeds, components exist which will allow for CTI systems to generate hyperspectral video imagery at rates greater than 100 Hz.     

马铃薯晚疫病害的高光谱图像空谱对比研究

为了快速检测马铃薯晚疫病,采用高光谱成像技术对马铃薯晚疫病的空谱信息进行对比研究以得到最佳判别手段。使用高光谱相机采集病害侵染0～6 d的高光谱图像,同时选取第6 d典型晚疫病病害的高光谱数据作为研究对象。采用二阶导数结合主成分分析和二次主成分分析分别从光谱和空间两个方面进行特征提取,之后基于特征波段反射率和主成分图像灰度值建立K最近邻分类算法、BP神经网络、决策树算法3种识别模型对不同时期病害进行识别。实验结果表明:基于二次主成分图像的灰度值结合BP神经网络建立的模型对马铃薯晚疫病的识别具有良好的成效,其识别率达96.6%。利用主成分图像灰度值建立的3种模型既减少了波段的冗余又提高了识别率,为研究和开发实时在线检测仪器提供了参考。     

面向高光谱图像分类的空谱判别分析

针对传统的基于特征提取的高光谱图像地物分类算法大多只考虑光谱信息而忽略空间信息的问题,提出了一种面向高光谱分类的半监督空谱全局与局部判别分析(S3 GLDA)算法。该算法首先利用少量标记样本保存数据集的线性可分性和全局判别信息,再依靠较多的无标记的空间局部近邻像元来揭示局部判别信息和非线性局部流形,使高光谱遥感图像的光谱域全局判别结构和空间域局部判别结构在低维特征空间同时得以保留,并在输出特征中自动融入了空间信息,构成了半监督的空谱判别分析。在Indian Pines和PaviaU数据集的实验表明,总体分类精度分别达到76.24%和82.96%。与现有几种算法比较,该算法有效提高了输出特征在低维空间的判别能力,更好地揭示了数据集的内在非线性多模本质,有效提升了高光谱图像数据集的地物分类精度。     

基于特征吸收波长板的色散型高光谱传感器光谱定标技术

高光谱传感器的光谱定标是实现高光谱遥感定量化的关键。为了克服传统的基于单色仪扫描的光谱定标方法存在的设备昂贵、耗时等缺点,实现色散型高光谱传感器在野外或飞行中的实时、高精度定标,提出了一种基于特征吸收波长板的色散型高光谱传感器系统级光谱定标方法。分别对特征吸收波长板和漫反射参照体反射信号进行了比对测量,通过优化计算得到了传感器通道的中心波长和带宽。该方法消除了待定标传感器的光谱响应和光源的光谱能量分布带来的影响,能快速准确地实现色散型高光谱传感器的波长定位。运用该技术实现了对野外光谱辐射计FieldSpec(UV/VNIR的光谱定标,并对影响光谱定标精确度的因素进行了分析计算,结果表明,该方法实现的波长准确度0.5 nm,可满足色散型高光谱传感器实时、高精度光谱定标的需要。     

Extending immunofluorescence detection limits in whole paraffin-embedded formalin fixed tissues using hyperspectral confocal fluorescence imaging

A major problem in microscopic imaging of ex vivo tissue sections stained with fluorescent agents (e.g. antibodies, peptides) is the confounding presence of background tissue autofluorescence. Autofluorescence limits (1) the accuracy of differentiating background signals from single and multiple fluorescence labels and (2) reliable quantification of fluorescent signals. Advanced techniques such as hyperspectral imaging and spectral unmixing can be applied to essentially remove this autofluorescent signal contribution, and this work attempts to quantify the effectiveness of autofluorescence spectral unmixing in a tumour xenograft model. Whole-specimen single-channel fluorescence images were acquired using excitation wavelengths of 488 nm (producing high autofluorescence) and 568 nm (producing negligible autofluorescence). These single-channel data sets are quantified against hyperspectral images acquired at 488 nm using a prototype whole-slide hyperspectral fluorescence scanner developed in our facility. The development and further refinement of this instrument will improve the quantification of weak fluorescent signals in fluorescence microscopy studies of ex vivo tissues in both preclinical and clinical applications.     

中阶梯光栅光谱仪的光学设计

为了在更宽波段范围内获得较高的分辨率,实现全谱直读,对中阶梯光栅光谱仪进行了研究。简述了中阶梯光栅及中阶梯光栅光谱仪的基本原理,分析并比较了这种光谱仪与普通平面闪耀光栅光谱仪的区别。利用光学成像原理与消像差理论设计了Czerney-Turner结构形式的中型高分辨率中阶梯光栅光谱仪原理样机的光学系统。该光学系统工作在原子谱线最为密集的200～500nm波长处;为简化计算,在设计中消除了350nm波长的所有像差;光线对中阶梯光栅在准Littrow条件下入射,以获得高衍射效率;使用折反射棱镜作为交叉色散元件来分离重叠的级次,在CCD探测器上获得了二维光谱面。该光学系统有较好的平场特性及点对点成像能力,在整个工作波长分辨率可达到2000～15000,满足设计要求。该仪器可用于原子发射和吸收光谱的研究工作,通过替换不同的探测器及增加外围电路与软件平台,仪器的工作性能可进一步提高。     

Multispectral imaging of the ocular fundus using light emitting diode illumination

We present an imaging system based on light emitting diode (LED) illumination that produces multispectral optical images of the human ocular fundus. It uses a conventional fundus camera equipped with a high power LED light source and a highly sensitive electron-multiplying charge coupled device camera. It is able to take pictures at a series of wavelengths in rapid succession at short exposure times, thereby eliminating the image shift introduced by natural eye movements (saccades). In contrast with snapshot systems the images retain full spatial resolution. The system is not suitable for applications where the full spectral resolution is required as it uses discrete wavebands for illumination. This is not a problem in retinal imaging where the use of selected wavelengths is common. The modular nature of the light source allows new wavelengths to be introduced easily and at low cost. The use of wavelength-specific LEDs as a source is preferable to white light illumination and subsequent filtering of the remitted light as it minimizes the total light exposure of the subject. The system is controlled via a graphical user interface that enables flexible control of intensity, duration, and sequencing of sources in synchrony with the camera. Our initial experiments indicate that the system can acquire multispectral image sequences of the human retina at exposure times of 0.05 s in the range of 500-620 nm with mean signal to noise ratio of 17 dB (min 11, std 4.5), making it suitable for quantitative analysis with application to the diagnosis and screening of eye diseases such as diabetic retinopathy and age-related macular degeneration.