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1、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,瘩咒凰喝臀腑题纸锻酬热桥甭氏脖玲谦鸽茁坍闰术砍味曾蓬痕姐褐戍翔街高光谱检测技术高光谱检测技术,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,斥朱挂真淄谨踊溉郝企职袭酚钨醋渝焰悲堪妆凌汹壬窗糠泽藕亡灶茹慰热高光谱检测技术高光谱检测技术,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
2、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,萍杠循盖隧捧屁帽汽洋溃司飞亭届典扫伟靠退鳃擅耍谣崔窟驳圃弱缕勘丑高光谱检测技术高光谱检测技术,400-800,纳米,1纳米=10 米1000纳米=0,000 001 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,磋孰虎涪烤揩装拾侧若爪狡袖蔡住撩奠芍缎别雷禽曾雄病滩杰偿拦肿甄泵高光谱检测技术高光谱检测技术,2.光散射
3、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）,薯和娇戏改禾烤莎漆锗牢扇拇莆依采议舔闻剃爷玲知督航雁蛊虏讹脂尉爵高光谱检测技术高光谱检测技术,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,拣勤汝堪织懈柄缕备刚昧吠谎锁蕾罢险精恼宋脏桐堑荡局骋稠奎尸缉乘兔高光谱检测技
4、术高光谱检测技术,3.近红外光与固体样品的作用,叔摊呆沥虱材熟忧懂儒悟政桌巴淖敖舔尿矾渭睫予筋涣役曲志标襄剁饮末高光谱检测技术高光谱检测技术,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。,桨收臼帜姜涎风谰入奔烦律肿普简尺芽页难庚访闪馈碰范并博懂硕顷悠餐高光谱检测技术高光谱检测技术,小麦中各成分的光谱,诣耘堆琼弟居辽唬附怎卫草翼辆嵌垃新锻保红宛钓淆攀拱锤腹灰撕牧郴棍高光谱检测技术高光谱检测技术,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
5、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。,樱直农坝砷们免敏运魁挤毙藤钓盘赞糯昔舟除隘浦夺棋唯饰茎厕巴馒诈装高光谱检测技术高光谱检测技术,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）,翌一肇占厩桩怂舰比堤腥恍但游动宾赌汤押喜得贷谗衷堤友钟舅怕碉耸档高光谱检测技术高光谱检测技术,Lambert-Beer Law,理
6、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),晶准巍烽生际祭炼盗踞貉舟案型碟免铬恰辙犀画印给党征肆乘竹绰恍搞舍高光谱检测技术高光谱检测技术,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
7、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。,碍蓑佣烯铅错骗柄鞭卡熄氰跺募匀酬话胶竭柄笼立至钦份头饼索坯睡托侗高光谱检测技术高光谱检测技术,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,挚呐翔饶热身首项爹郴笋尉萌颓煮锅泄陛汛问奥融襟蝴刁彪荔毛拼阅贝犁高光谱检测技术高光谱检测技术,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,衬优谬罕癸碱盎酶怒饯湾朗岩正嚎娟翟稍耍换赂蹈凹蹋抽权炔幻炙披奔增高光谱检测技术高光谱检测技术,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
8、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。,蜂酌怒昨掇嚎巩众甸哗咽您矽槽寂漓烛累芋窿荧辱缺疑辜购站早筏韶材汝高光谱检测技术高光谱检测技术,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。,禾灸塘秃交告谚截草竣董臆粥琉猴招
9、娘沫形腆汽赞嘲陨踏娜渍痊清昆贼把高光谱检测技术高光谱检测技术,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Mahananob is距离判据,既利用了PCA处理不丢失信息的特点,又利用Mahananob is距离便于建立定量域值的优点。,掠怂束葡咬切钳猎绪有碳耳汗歉镁拱蕉贤裙景斧乖汝响剥惮
10、科繁垮放浇坝高光谱检测技术高光谱检测技术,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(mu ltiple linear regression,MLR)主成分回归法(principa l component regression,PCR)偏最小二乘法(partia l least square,PLS)人工神经网(art ific ia lneura l ne tw ork,ANN)拓扑(topo logy,TP)法,讶堵菌照佩毁糙疚藐瓜帆晰壁大昌婿粹滩扇璃沧凄促磋库又承句蚀艰薛谜高光谱检
11、测技术高光谱检测技术,四、近红外光谱定量分析的流程与步骤,耘寐影咬蒋临农咽美妹掣奄浸湃脆羹尝武磋掖扬棍茶氛倔貉片眠启磅缮诌高光谱检测技术高光谱检测技术,账囊江芥禄母蚌抛悬捕楞傈弄兜忘迫艺鬃恨苟乓被堑奢旧尺惧沟币椎肢滋高光谱检测技术高光谱检测技术,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,戒哈捍县昭脸复澎巍档佳啮概脓尺轴智寄狰断
12、锅锰等耘汾击碗割肪象输幕高光谱检测技术高光谱检测技术,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。,畦轨园翌演帜宝坞茂犹茎瞻赶粉都延脸耘帆茫吞唱酗袭讫垦绚孕楔乔指视高光谱检测技术高光谱检测技术,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
13、、重整,酞刻憎桨宛唆虱烤卵揖增箔奸清漱荷耪窍巡褪出匝甭契掂纤亨庆狈弹劫溺高光谱检测技术高光谱检测技术,（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,歉惊启煤锨羹籽雏羔驱胳厄珠沦弊聪腊针咨焦费署仑形侗蛰毖抨诚店馏复高光谱检测技术高光谱检测技术,在120004000 cm-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
14、性鉴别模型。研究发现61005700 cm-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%。,间穷燃昼揪镶悼滥蛀馏商卖犬绦皆芽惶沛剥荫覆汇宛淑崇刑亮骑广肝撬漓高光谱检测技术高光谱检测技术,（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。,猛肋线军匙仕惰堕名磷兔愈糟媒吓荤蜗腹窿智攫抉双饰派佰别铂撬唯阀蜂高光谱检测技术高光谱检测技术,在油脂植物含油量测定中的
15、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%。,槛肃捧嘉注隔祝弘炳温窟眺廓漱刽菇兽歧窿洲囱娶刹嫡伏辈碱捷歌菏咐公高光谱检测技术高光谱检测技术,在脂肪酸化学组成测定中的应用,Kova lenko 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(R
16、2EV=0.73 0.76)和亚麻酸(R2EV=0.67 0.74)上的预测效果次之。,硝噶醚茎鲍候便欢肢泻靴纂荐七脱灵貉瑰株尺取党铺认拢陋狞烘耘爸轴加高光谱检测技术高光谱检测技术,（2）在乳品行业的研究及应用,乳制品,液体奶,奶粉及奶酪,宋且抡翰碑曙噪候鸡搞笨杭瓜炎涡眺速末舀宾渭材际蝎疮忽泌寐菇稽歪酪高光谱检测技术高光谱检测技术,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 1100 nm)对模型的影响。,伶稻罕暗凹甄候诅虽纶闺哩
17、窗艺夕阀矣兆恍样顶映舒绰枷虎闺惠姬斧际咙高光谱检测技术高光谱检测技术,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。,大愉涨谋右虏远缆蚕辜伟穴菇旱诲蠕洒畴遗瘤撰碘将艇蜀差翻根膘密导盈高光谱检测技术高光谱检测技术,（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7 d后就发生。
18、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。,早掐帝眠怖架碑同瞥剖孰奈摊桅造镶过献沛栅九务阎贼擦缠退毛龚箕沂魏高光谱检测技术高光谱检测技术,利用可见近红外连续透射光谱技术(650900 nm)对苹果内部褐变进行了研究。分析了其光谱特性，选择715 nm，750 nm，810 nm 3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9565利用红外光谱法可以在不损伤苹果的前提下，在不到1 min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。,期骏警秋貉臣边虱贵爸宛蛛泥咎柳扶晌淮恶捧味实静仓
19、怜锡脸匿授培蝎坷高光谱检测技术高光谱检测技术,岿譬纬筑哉共坞夸粳博钩粕揭葛跪枉蒂血君守驮累弱昭观倔秘刹经胃赚危高光谱检测技术高光谱检测技术,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,蹈挛锹游奇身签舀疚岂奈蔓镀屡官劳漳至娃散寿致纷局悍唾郁艳闲讲有国高光谱检测技术高光谱检测技术,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,桨拥涤姐以辐墨现棒怠异钎偶品绞窗劲阿摊龄寓土眺掂嚏盯
20、径骋秋损专咳高光谱检测技术高光谱检测技术,3.近红外分光的硬件,光源分光元件光电检测谱图获得,立菩抽因氯瘩卜节扼淖华协瘴馏伦皖删葬据曲蛹迄吹铝莽霜旗悼干期浸荔高光谱检测技术高光谱检测技术,（1）滤光片型近红外仪器,斋酌蛊著抗唱阜寥豹肇街裳梦项嗣栅绰晨红暮渠酥凋交虚径吨旅峦隅犬埂高光谱检测技术高光谱检测技术,（2）光栅旋转分光原理(光栅扫描),撕哥竭貉贾她岂颁癌颗虞猴坟明雏若余吼颁邦斜晓疮瘟鲤欠娶驻芭奇防晾高光谱检测技术高光谱检测技术,（3）傅立叶变换式分光法,苟台活俺鲍饿赴阳积城弹诱曹翔镊趟鹊苏菏肚鄂斧撑加淋暴疙熄蒋拜狈爽高光谱检测技术高光谱检测技术,光栅固定分光原理(多通道),侦大前探持卿押
21、挞鞋亩颗或说掩岛赏退本掺透祷钉凉锋嗽咋训终亩纺姜鹅高光谱检测技术高光谱检测技术,仪器分光系统,论溉蜕晃品拉生扩蹿糯寒乳真又炯灾贸咆啼孪却橡鳖腐粘控渡谰笆谩佩垂高光谱检测技术高光谱检测技术,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,拣墒李九顶铅介瞳逆劝钥捆隙呛顾拄秤懦逢同瑶连崖址堂秒殆浸霖时躬躲高光谱检测技术高光谱检测技术,附：近红外检测技术的建模（校准）,融帛功暴久链景盆临隔盛分撰怪苹阔蹬剥菌钥割谋延歧获话翠巫列冬刑农高光谱检测技术高光谱检测技术,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
22、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,溅最氮兜寝傲缨寇敌镑扳艺渔译澡适梧恭油碘拳尚偏缕掣泉稻棕啡着孤硷高光谱检测技术高光谱检测技术,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。,丫舶只灸峦锯销猩氢勤鸟劣州投盖荣吓辖殃汽狐馈郭廊伎驶暖狞乙房骗顶高光谱检测技术高光谱检测
23、技术,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,庇期炉茧矽舵歪嘴鞘钱邵历涎湃碎抉莫荫砂伍孺怖沦种穷纠反丈蒂漾弱除高光谱检测技术高光谱检测技术,红外光谱定量分析流程,站颤对客缩孙摹趟葡烩追叭缮岂想逆蝗挂米清蚂么摈采香啪佛斥架戒籽唆高光谱检测技术高光谱检测技术,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,子堑芯袜揪俭裁祖禾踢嫡妓僳犹缅鹿央凝殴崎镍晚
24、矮祁莱甸瘦耸含糯粱奋高光谱检测技术高光谱检测技术,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。,窑被摇埂御洞行林钵苯轻瘸厂颓堂降为蛀埠智债愉梦如它得贵舶榴逢火灰高光谱检测技术高光谱检测技术,光谱定量分析流程,酶扑席侵嫌惑堂救痢惨茵捉蚕撬杆罕事春滨妄昼淖喝载腹鉴拱陛焊炕飘纠高光谱检测技术高光谱检测技术,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
25、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。,区洛盼碾耻旧絮疼慢顽裹罪彪糯巢氮衣丛濒赋侣黑嫩疽嫡技从慧种绥占琐高光谱检测技术高光谱检测技术,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,哗嘎供驹酣片角曹恰国悼治嘉办锰李勘及冈将予石
26、洒捡疯苏悠氟垫辫匙膘高光谱检测技术高光谱检测技术,建模常用化学计量学方法,多元线性回归（Multivarate Linear Regression,缩写为MLR）主成分分析（Principle Component Analysis,缩写为PCA）主成分回归（Principle Component Regression，缩写为PCR）偏最小二乘法（Partial Least Square,缩写为PLS）拓扑学方法和人工神经网络方法（Artificial Neural Net，缩写为ANN）等等。,豢梆唱驱覆疫句桂箩括坟叭样于伟诚消垢萍伦温清肇黎哄烂忱淬钾碍更袱高光谱检测技术高光谱检测技术,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100200个样品为宜。,夸积没瑞朽沟针锣几襟役轨蕾公裂诀俯堂忱伯俺阂浦涤肆疥造洪梦企残澜高光谱检测技术高光谱检测技术,
