《高光譜檢測技術》課件

精選課件ppt1第四章高光譜圖像檢測技術第一節(jié)近紅外光譜檢測技術第二節(jié)高光譜圖像檢測技術精選課件ppt2第一節(jié)近紅外光譜檢測技術一、基本概念二近紅外光譜分析原理四、近紅外光譜定量分析的流程與步驟

三、近紅外光譜的常見分析方法五、近紅外光譜分析技術的優(yōu)缺點六、近紅外光譜技術在食品檢測中的應用七、近紅外光譜檢測系統(tǒng)精選課件ppt31.光與物質(zhì)的作用1、簡單透過2、只改變傳播方向（折射、衍射、彈性散射）3、傳播方向和波長同時改變（非彈性散射）4、被吸收5、發(fā)出不同波長的光6.簡單反射處理方法：1和6屬于宏觀現(xiàn)象，由幾何光學就可很好地說明；2、3、4、5需考慮物質(zhì)的微觀結構及性質(zhì)。一、基本概念精選課件ppt4400-800納米1納米=10米1000納米=0,000001米=0,001毫米可見光200紫外0,2X-射線近紅外1200-2400中遠紅外收音機3mm-20cm10m-30km-9紅外光譜微波精選課件ppt52.光散射的定義及物理解釋光的散射定義:指由于媒質(zhì)中存在的氣體，液體或固體的微小粒子對光束的影響，使光波偏離原來的傳播方向而向四周散射的現(xiàn)象物理解釋:A:強調(diào)粒子概念－－分子場吸收一個光子的同時，發(fā)射一個光子（拉曼散射）B:強調(diào)波動概念－－由于物質(zhì)密度的起伏光被散射瑞利散射）精選課件ppt6散射引起反射，折射及衍射:散射是衍射的一種特殊情況，即散射是細微粒子（比波長要?。┑难苌湫?。使透射光強減弱的原因:光的吸收與光的散射

其中，α:吸收系數(shù)β:散射系數(shù)()leIIba+-=0精選課件ppt73.近紅外光與固體樣品的作用精選課件ppt8食品物料的光學特性主要包括光反射率、光透過率、光吸收率、光密度、光發(fā)射現(xiàn)象等,如圖。精選課件ppt9小麥中各成分的光譜精選課件ppt104.分子吸收能量后發(fā)生的變化分子吸收一個光子后,分子就從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)；反之,當分子釋放一個光子,分子能量降低的程度與光子的能量相當。原子軌道刻劃了原子中的電子的分布,同理,分子軌道描述了分子中電子的分布。在電子躍遷過程中,電子從一個分子軌道躍遷到另一個軌道,并伴隨著分子能量的增加或者減少。精選課件ppt115.光譜測量的基本方法（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:單色光的入射能量I:光通過樣品后的出射能量（3）反射率R（Reflectance）精選課件ppt12Lambert-BeerLaw理想的情況下，濃度為C的某種特定成分對于某波長光（輻射）的吸收可用如下公式描述:其中I:透射光強度；I0:入射光強度c:特定成分的濃度(concentration):特定成分在某吸收波長處的吸收系數(shù)(absorptivity)L:光程長(樣品的厚度,pathlength)??=-==-=clTAIITclIIaaln/)exp(00精選課件ppt13二、近紅外光譜分析原理近紅外光譜主要是由于分子振動的非諧振性使分子振動從基態(tài)向高能級躍遷時產(chǎn)生的，記錄的主要是含氫基團X-H（X=C.N、O）振動的倍頻和合頻吸收。不同基團（如甲基、亞甲基、苯環(huán)等）或同一基團在不同化學環(huán)境中的近紅外吸收波長與強度都有明顯差別，NIR光譜具有豐富的結構和組成信息，非常適合用于碳氫有機物質(zhì)的組成與性質(zhì)的測量。精選課件ppt14對稱伸縮振動---非對稱伸縮振動---搖擺振動---搖擺振動---彎曲振動---剪切振動精選課件ppt15三、近紅外光譜的常見分析方法透射光光譜法反射光譜法可用于定性和定量分析精選課件ppt16透射光譜法就是把待測樣品置于作用光與檢測器之間,檢測器所檢測到的分析光是作用光通過樣品體與樣品分子相互作用后的光,若樣品是透明的真溶液,則分析光在樣品中經(jīng)過的路程一定,透射光的強度與樣品組分濃度由比耳定律決定。精選課件ppt17反射光譜分析時,檢測器與光源置于待測樣品的同一側(cè),檢測器檢測到的分析光是光源發(fā)出的作用光投射到物體后,以各種方式反射回來的光。物體對光的反射分為規(guī)則反射光（鏡面反射）與漫反射。規(guī)則反射光指在物體表面按入射角等于反射角的反射定律發(fā)生的反射。漫反射是光投向漫反射體（顆?；蚍勰┖?在物體表面或內(nèi)部發(fā)生的方向不定的反射。精選課件ppt18定性分析常用的方法聚類分析是典型的無監(jiān)督模式識別方法,利用同類樣本彼此相似,即物以類聚,聚類分析就是使相似的樣本聚在一起,從而達到分類的目的另一種常用方法是Mahananobis距離,其核心是通過多波長下的光譜數(shù)據(jù),定量描述出測量樣本離校正集樣本的位置,因而在光譜匹配、異常點檢測和模型外推方面都很有用。目前國際流行的方法是依靠主成分分析(PCA)結合Mahananobis距離判據(jù),既利用了PCA處理不丟失信息的特點,又利用Mahananobis距離便于建立定量域值的優(yōu)點。精選課件ppt19定量分析常用的方法定量分析是通過多元校正方法建立光譜與組成或性質(zhì)間的校正模型,使用該模型可預測未知樣品的組成或性質(zhì)。各種多元校正技術有多元線性回歸法(multiplelinearregression,MLR)主成分回歸法(principalcomponentregression,PCR)偏最小二乘法(partialleastsquare,PLS)人工神經(jīng)網(wǎng)(artificialneuralnetwork,ANN)拓撲(topology,TP)法精選課件ppt20四、近紅外光譜定量分析的流程與步驟

精選課件ppt21精選課件ppt22優(yōu)點:（1）快速，通常30秒內(nèi)就可給出分析結果，可進行在線分析；（2）制樣簡單；（3）信息量大，可同時測定多組分；（4）經(jīng)定標建模后，無須用其他常規(guī)化學分析手段，不使用有毒有機試劑，無污染；（5）非破壞性分析，可實現(xiàn)產(chǎn)品的無損質(zhì)量檢測；（6）可使用光纖，從而可實現(xiàn)遠程分析檢測。五、近紅外光譜分析技術的優(yōu)缺點精選課件ppt23缺點:（1）建立模型需要大量有代表性且化學值已知的樣品；（2）模型需要不斷的維護改進；（3）近紅外測定精度與參比分析精度直接相關，在參比方法精度不夠的情況下，無法得到滿意結果。精選課件ppt24六、近紅外光譜技術在食品檢測中的應用食品:酒制品、飲料、調(diào)味品、乳制品、食用油、烘焙食品、肉類等成分鑒別、產(chǎn)地鑒別、真?zhèn)舞b別農(nóng)牧:谷類作物、煙草、咖啡、水果、蔬菜、茶葉等成分鑒別、成熟度、品質(zhì)分級、品種鑒定、產(chǎn)地鑒別、真?zhèn)舞b別石油煉制:原油、天然氣、汽油等成分鑒別、重整精選課件ppt25（1）用近紅外光譜技術鑒別蜂蜜真?zhèn)螀⒖嘉墨I:鐘艷萍，鐘振聲，陳蘭珍，葉志華，趙靜．近紅外光譜技術定性鑒別蜂蜜品種及真?zhèn)蔚难芯縖J]．現(xiàn)代食品科技，2010，26(11):1280-1282．應用例精選課件ppt26在12000~4000cm-1范圍內(nèi)采集荊條蜜、槐花蜜、油菜蜜和摻假蜜的近紅外光譜,結合一階導、多元散射校正及變量標準化)三種方法對光譜進行預處理,以主成分分析結合馬氏距離判別法,在不同譜區(qū)建立蜂蜜品種及真?zhèn)味ㄐ澡b別模型。研究發(fā)現(xiàn)6100~5700cm-1譜區(qū)為最佳建模波段,品種判別正確率達90%以上,真?zhèn)舞b別正確率93.10%。精選課件ppt27（2）植物油品質(zhì)分析中的應用1994年Sato采用近紅外光譜技術鑒別大豆、玉米、棉籽、橄欖、花生及油菜等植物油種類。陳永明等結合遺傳算法建立了不同產(chǎn)地的橄欖油近紅外分析模型,可以快速、無損地鑒別出未知產(chǎn)地的橄欖油,將為其他植物油產(chǎn)地鑒別提供了一種便捷手段。精選課件ppt28在油脂植物含油量測定中的應用劉福莉等利用傅里葉變換近紅外透射光譜法掃描食用調(diào)和油中大豆油、花生油以及玉米油的光譜,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分別為99.89%、99.88%、99.76%,RMSEP分別為1.09%、1.17%、1.48%。精選課件ppt29在脂肪酸化學組成測定中的應用Kovalenko等研究了不同統(tǒng)計分析方法對脂肪酸預測準確性的影響,發(fā)現(xiàn)在總飽和脂肪酸(棕櫚酸+硬脂酸)上獲得的預測結果較好(R2EV=0.91~0.94),而在油酸(R2EV=0.76~0.81)、亞油酸(R2EV=0.73~0.76)和亞麻酸(R2EV=0.67~0.74)上的預測效果次之。精選課件ppt30（2）在乳品行業(yè)的研究及應用乳制品液體奶奶粉及奶酪精選課件ppt31液態(tài)奶是多種物質(zhì)組成的混合物,如新鮮牛奶,是包含真溶液、高分子溶液、膠體懸浮液、乳濁液及其過渡狀態(tài)的分散體系。Chen等研究建立了檢測鮮牛奶中脂肪含量的近紅外模型,考察了不同光譜預處理方法及波長范圍(700~1100nm)對模型的影響。精選課件ppt32奶粉及奶酪針對奶粉質(zhì)量問題頻出的現(xiàn)象,近年來國內(nèi)借助近紅外光譜技術對奶粉的化學指標進行檢測的報道較多。丁麗等

建立了奶粉中三聚氰胺的近紅外定量分析模型,。朱俊平等

利用近紅外光譜分析了兒童高鈣奶粉中水分、蛋白、脂肪、乳糖和蔗糖的含量。精選課件ppt33（3）近紅外在無損檢測方面的研究應用水果褐變檢測很早以前已經(jīng)開始,Lord等首先研究了元帥水心病蘋果在貯藏中褐變發(fā)生過程,在冷藏條件下褐變產(chǎn)生在貯藏一個月后,而常溫下褐變僅在采摘7d后就發(fā)生。韓東海等先后對受損蘋果顏色和組織的近紅外光譜特性以及蘋果水心病的光學無損檢測進行了研究。精選課件ppt34利用可見近紅外連續(xù)透射光譜技術(650～900nm)對蘋果內(nèi)部褐變進行了研究。分析了其光譜特性，選擇715nm，750nm，810nm3個特征波長進行了褐變果判別分析，實驗結果表明，樣品的正確判別率達到95.65％利用紅外光譜法可以在不損傷蘋果的前提下，在不到1min的時間內(nèi)快速地判斷出蘋果內(nèi)部是否發(fā)生褐變，檢測準確性高，為實現(xiàn)水果在線分選提供了可行性支持。精選課件ppt35精選課件ppt361.分光系統(tǒng)的性能參數(shù)波長分辯率分光可能的波長范圍能量利用率(亮度)分光所需時間(速度)七、近紅外光譜檢測系統(tǒng)精選課件ppt372.對近紅外光譜系統(tǒng)的要求可靠性:光譜橫軸（波長）及縱軸（能量）穩(wěn)定多用性:靈活可變的測樣方式，寬廣的波長范圍、方便性:對應的計量學軟件快速性:軟、硬件的高速度在線性:自動進樣系統(tǒng)、強抗干擾能力精選課件ppt383.近紅外分光的硬件光源分光元件光電檢測譜圖獲得精選課件ppt39（1）濾光片型近紅外儀器A1A2A3A4A5A6精選課件ppt40（2）光柵旋轉(zhuǎn)分光原理(光柵掃描)精選課件ppt41（3）傅立葉變換式分光法精選課件ppt42光柵固定分光原理(多通道)精選課件ppt43儀器分光系統(tǒng)精選課件ppt44二極管陣列檢測器Array－瞬時多波長檢測－自動波長準確性檢查并自動校準精選課件ppt45附:近紅外檢測技術的建模（校準）

精選課件ppt46校準=教會儀器近紅外光譜定量分析技術又稱“黑匣子”分析技術,是一種間接的測量方法,即通過對樣品光譜和其質(zhì)量參數(shù)進行關聯(lián),建立預測模型,然后通過預測模型和未知質(zhì)量參數(shù)的樣品光譜來預測樣品的組成和性質(zhì)。近紅外是間接檢測必需校準必需有參考分析方法精選課件ppt47近紅外技術應用前提條件一般來講，能否應用近紅外技術定量精確檢測某種成分的含量主要由以下三方面的因素決定:被檢測的樣品是否有很好的近紅外光譜反應特性，即通常所說的“紅外活性”。儀器自身的特性及相關的技術指標:檢測過程中光譜的重復性精度、信噪比以及波長范圍等因素。用于建模定標的樣品的化學值的準確程度。精選課件ppt48什么是校準描述特定近紅外波長光的吸收特性和樣品組成之間的關系。Y=C0+C1*A1+C2*A2+…+Cn*An精選課件ppt49

紅外光譜定量分析流程精選課件ppt50在測量方法一致的情況下,濃度預測誤差(RMSEP)與儀器精度(SNR)成反比例關系,即儀器精度越高,濃度預測誤差越小。在濃度測量精度目標確定時,一定的儀器精度是實現(xiàn)該預測精度目標的必要前提。多變量校正方法測量精度的實驗結論精選課件ppt51建模方法對測量精度與儀器精度的影響結論如果采取有效的建模方法,即使在儀器精度相同的情況下,都可以有效地提高預測精度,而且還可以大大降低實現(xiàn)期望預測精度所必需的儀器精度的要求。選擇有效的建模方法（如優(yōu)選波長變量,改進建模算法等）對于提高復雜近紅外光譜測量情況的預測效果具有重要意義。精選課件ppt52光譜定量分析流程收集樣品加入界外點重新建模檢查分析方法檢修儀器日常分析對模型進行評價建立多元回歸模型選擇驗證集選擇校正集對光譜必要的處理測定全波長譜圖測定全部樣品的物化性質(zhì)檢測結果是否正確儀器及操作是否正確樣品是否為界外點正確不正確不是是正確不正確精選課件ppt53校正模型訓練集樣品的選擇盡可能要覆蓋待分析樣品的范圍對于待測的