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3秒自动关闭窗口连续投影算法及其在小麦近红外光谱波长选择中的应用 - 色谱世界
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- 连续投影算法及其在小麦近红外光谱波长选择中的应用
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连续投影算法,偏最小二乘,波长选择,近红外光谱,定量分析,小麦
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摘　要　采用全谱建立多元校正模型时, 通常计算量大, 模型不够稳健, 而且模型的预测精度往往也不能达到最优。文章介绍一种新的波长选择方法: 采用连续投影算法( successive projections algorithm) , 并将其集成偏最小二乘(partial least squares) 多变量校正技术构成SPA2PLS 方法, 用于谷物小麦近红外光谱波长优化选择及其与水分含量的定量分析。结果表明: 在经SPA 算法后, 光谱波数可削减97172 % , 后继的定量校正模型结构得到显著简化, 模型的稳健性也大大增强; 同时, 被选取的波长物理意义明确, 模型的解释能力增强, 而模型的预测性能也与GA2PLS 方法相当。
&&& 近年来, 随着计算技术的进步和测试技术的提升, 现代近红外光谱(NIR) 分析技术以其分析速度快、效率高、成本低和易于实现在线分析等特点, 在农业、医药、石化、烟草和食品等行业得到广泛应用[123 ] 。NIR 光谱区(700～2 500nm) 主要是由含氢基团的倍频和组频吸收峰组成, 吸收强度弱灵敏度相对较低, 吸收带较宽且重叠严重, 光谱信息存在多重相关性等。因此, 在利用光谱建立校正模型前, 通常需对其预处理或波长选择[4-6 ] , 即针对特定的样品体系, 通过对光谱的适当选择、处理或变换, 削弱以至于消除各种非目标因素对光谱的影响, 提高物系性质参数对光谱的分辨率和灵敏度。&&& 另外, 在NIR 结合偏最小二乘(partial least squares ,PLS) 方法建模中, 传统观点认为PLS 具有较强的抗干扰能力, 可全波长参与多元校正模型的建立。随着对PLS 方法的深入研究和应用, 通过特定方法筛选特征波长或波长区间有可能得到更好的定量校正模型[7 ] 。因此, 波长选择一方面可以简化模型, 更主要的是由于不相关或非线性变量的剔除,可以得到预测能力强、稳健性好的校正模型[8 ] 。目前, 在多元校正分析中, 波长选择方法主要有相关系数法、方差分析法、逐步回归法、无信息变量的消除法(UVE) 、间隔偏最小二乘法(iPLS) 、遗传算法( GA) 等[4 ] 。现本文介绍一种新的波长选择方法: 采用连续投影算法( successive projections al2gorithm , SPA) , 将其用于光谱冗余信息的剔除。而后, 基于选取波长的低维光谱矩阵, 实施PLS 多元校正技术, 负责光谱矩阵特征的进一步提取和回归建模。最后, 示例谷物小麦近红外光谱定量分析其水分含量以考察该方法的性能。
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近红外光谱的光谱分辨率, 波长准确度和信噪比
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长波红外成像光谱仪的设计与研究
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3秒自动关闭窗口消谱线弯曲长波红外成像光谱仪器的研究--《中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)》2014年博士论文
消谱线弯曲长波红外成像光谱仪器的研究
【摘要】：成像光谱技术是一种新兴的光电探测技术，能够同时获得目标的图像和光谱信息。由于长波红外波段独特的光谱特性，长波红外成像光谱仪器在地理遥感、化学气体流检测、军事目标侦查、热流分析等军事和民用领域有广泛的应用。
分光元件为成像光谱系统的核心器件之一，基于平面闪耀光栅的成熟性、高效性和在长波红外波段能量及成本优势，本文选择平面反射式闪耀光栅作为系统的分光元件。为了保证系统采集数据的准确性和后续图像处理的可行性，在成像光谱系统中要求具有很小的谱线弯曲和色畸变，但平面光栅本身固有的谱线弯曲和色畸变比较大，难以满足光谱仪器的使用要求，因此解决基于平面闪耀光栅成像光谱仪器的谱线弯曲和色畸变问题，具有重要的理论和应用价值。
本文主要研究内容包括：
1.详细介绍了共轴三反系统初始结构的计算方法，讨论分析了离轴三反系统中间成像情况与轮廓参数和系统焦距的取值之间的关系，并进行了软件模拟和离轴优化设计，根据应用要求设计了无中间像的离轴三反系统。
2.计算了平面光栅产生的谱线弯曲和色畸变，首次提出了离轴透镜消谱线弯曲和色畸变的设计思路，分析了离轴透镜的消谱线弯曲和色畸变特性。根据矢量衍射理论分析平面光栅的衍射特性，再通过分析倾斜成像系统在二维视场的像高公式，计算得到了理想成像系统和倾斜成像系统中平面光栅产生的谱线弯曲和色畸变，最后利用空间光线追迹方法分析了离轴透镜的消谱线弯曲和色畸变特性，这为消谱线弯曲平面光栅成像光谱仪器的设计提供了理论依据。
3.设计得到了小畸变的准直物镜和具有100%冷光阑效率的二次成像物镜。对比分析了反射式和折射式光谱成像系统，证明了反射式光谱成像系统存在消除挡光和冷光阑设计困难、结构不合理的缺陷，而折射式结构可通过二次成像实现100%冷光阑效率，无挡光、结构合理。
4.完成了整个成像光谱系统的优化设计并进行了像质评价和公差分析，系统具有成像质量接近衍射极限、结构紧凑、公差分配宽松的优点。设计的系统谱线弯曲和色畸变最大值分别为8.17μm和13.64μm，小于探测器像元尺寸(30μm)的一半。系统采用平面闪耀光栅分光，推扫式工作方式，其主要性能指标为：光谱分辨率32nm，空间分辨率0.15mrad，焦距200mm，F数为2。
【关键词】：
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)【学位级别】：博士【学位授予年份】：2014【分类号】：TH744.1【目录】：
摘要5-7Abstract7-9目录9-12第1章 绪论12-28 1.1 成像光谱技术的应用与发展12-14 1.2 成像光谱仪的工作原理和分类14-20
1.2.1 光机扫描和推帚式成像光谱仪15-16
1.2.2 色散型成像光谱仪16-18
1.2.3 干涉型成像光谱仪18-19
1.2.4 其它类型成像光谱仪19-20 1.3 长波红外成像光谱仪的发展历史和研究现状20-23 1.4 论文的研究意义和内容23-28第2章 长波红外光栅成像光谱仪基础理论28-44 2.1 长波红外反射光栅成像光谱仪器的组成和设计原理28-29 2.2 平面反射式闪耀光栅的色散原理29-31 2.3 成像光谱仪器主要指标参数分析31-34 2.4 光谱成像系统像差理论34-36 2.5 反射式平面光栅的衍射特性36-38 2.6 平面光栅产生的谱线弯曲和色畸变38-41 2.7 小结41-44第3章 离轴三反望远物镜研究44-60 3.1 共轴三反系统初始结构的计算和分类44-54 3.2 离轴三反系统的优化及像质分析54-59 3.3 小结59-60第4章 光谱成像系统的研究60-90 4.1 光谱成像系统参数的计算60-65
4.1.1 倾斜成像系统像高公式61-63
4.1.2 光栅光谱仪器成像系统参数的计算63-65 4.2 空间光线追迹法计算离轴透镜的谱线弯曲和色畸变65-72 4.3 反射式光谱成像系统的设计72-74 4.4 折射式光谱成像系统的设计分析74-88
4.4.1 设计思路75
4.4.2 二次成像物镜的设计75-81
4.4.3 准直物镜的设计81-83
4.4.4 光谱成像系统的优化设计83-88 4.5 小结88-90第5章 成像光谱仪光学系统的设计和分析90-104 5.1 成像光谱仪光学系统的设计90-93 5.2 成像光谱仪综合性能93-97 5.3 公差分析97-103
5.3.1 公差分析的制定原则98-99
5.3.2 成像光谱系统公差变量的分析99
5.3.3 公差优化的分配结果99-103 5.4 小结103-104第6章 总结与展望104-106 6.1 总结104-105 6.2 展望105-106参考文献106-116在学期间学术成果情况116-118指导教师及作者简介118-120致谢120
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