CN110632021A - 基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光谱检测领域，本发明旨在解决现有便携式近红外光谱仪检测的光谱数据不准确的问题，提出一种基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，包括以下步骤：检测多个近红外光谱波长对应的空气的第一光谱信息；检测所述多个近红外光谱波长对应的待测样本的第二光谱信息；根据所述第二光谱信息和第一光谱信息的对应差值分别获得待测样本的每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息；根据每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息绘制待测样本的光谱信息图。本发明消除了设备内壁反射光线对光谱检测的影响，有效解决了光谱仪本身带来的测试误差，能够最大程度的获取待测样本的真实光谱信息，提升了光谱信息的可靠性与准确性。
Description
技术领域
本发明涉及光谱检测领域，具体来说涉及一种光谱检测方法及系统。
背景技术
近年来，近红外光谱分析技术发展十分迅速，已在化工，制药，军工，食品等多个领域都获得了应用。近红外光谱技术属于分子光谱技术，可以在分子水平上表明物质成分和性质信息，不论对经济还是社会影响来说，都取得了非常高的效益，极具发展潜力。
然而，目前大多数物质成分和性质信息检测主要使用大型实验室近红外光谱仪器进行，这些方法虽然定量准确灵敏度高，但所需设备体积庞大，设备费用昂贵，样本制备时间长且样本制作方法严格，检测设备和样本制备需要专业人员操作，检测环境固定，且分析时间长，不适用于现场检测，不便于推广使用。
便携式近红外光谱仪体积小巧，价格低廉，操作简单，适合大面积覆盖使用。目前大多数便携式近红外光谱仪在对样本进行测试时，由于光谱仪本身设备的限制，光谱仪不仅会吸收经过待测样本表面反射回来的光线，同时还会吸收设备内壁反射回来的光线，对检测的光谱数据造成极大的干扰，检测结果不够准确，可靠性不高。
发明内容
本发明旨在解决现有便携式近红外光谱仪检测的光谱数据不准确的问题，提出一种基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法及系统。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，包括以下步骤：
步骤1.检测多个近红外光谱波长对应的空气的第一光谱信息；
步骤2.检测所述多个近红外光谱波长对应的待测样本的第二光谱信息；
步骤3.根据所述第二光谱信息和第一光谱信息的对应差值分别获得待测样本的每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息；
步骤4.根据每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息绘制待测样本的光谱信息图。
为进一步提高光谱检测的准确性，所述步骤1之前还包括：对便携式近红外光谱仪进行空腔校准。
进一步的，为实现对便携式近红外光谱仪的空腔校准，所述对便携式近红外光谱仪进行空腔校准具体包括：
将便携式近红外光谱仪竖直放在空腔校准底座上，检测空腔校准底座的第三光谱信息，比较所述第三光谱信息与存储的空腔校准底座的标准光谱信息是否一致，若不一致，则将标准光谱信息更新为第三光谱信息。
进一步的，为提高第一光谱信息的准确性，所述步骤1还包括：对每个近红外光谱波长对应的空气的光谱信息进行多次检测，分别计算每个近红外光谱波长对应的多次检测的空气的光谱信息的平均值，并将其作为第一光谱信息。
进一步的，为提高第二光谱信息的准确性，所述步骤2还包括：对每个近红外光谱波长对应的待测样本的光谱信息进行多次检测，分别计算每个近红外光谱波长对应的多次检测的待测样本的光谱信息的平均值，并将其作为第二光谱信息。
进一步的，为提高光谱信息图的准确性，步骤4中，所述根据每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息绘制待测样本的光谱信息图具体为：
根据五点三次平滑方法对每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息进行平滑处理，根据平滑处理后的每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息绘制待测样本的光谱信息图。
进一步的，为获得较为完整的光谱信息图，所述多个近红外光谱波长的波长范围为1450-1845nm，分辨率为5nm。
另一方面，本发明还提出一种基于便携式近红外光谱仪的光谱检测系统，包括：
便携式近红外光谱仪，用于检测多个近红外光谱波长对应的空气的第一光谱信息，以及检测所述多个近红外光谱波长对应的待测样本的第二光谱信息；
计算单元，用于根据所述第二光谱信息和第一光谱信息的对应差值分别获得待测样本的每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息；
绘制单元，用于根据每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息绘制待测样本的光谱信息图。
进一步的，还包括比较单元和更新单元，所述便携式近红外光谱仪还用于检测空腔校准底座的第三光谱信息；
所述比较单元，用于比较所述第三光谱信息与存储的空腔校准底座的标准光谱信息是否一致；
所述更新单元，用于当所述第三光谱信息与存储的空腔校准底座的标准光谱信息不一致时，将标准光谱信息更新为第三光谱信息。
进一步的，所述绘制单元还用于：根据五点三次平滑方法对每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息进行平滑处理，根据平滑处理后的每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息绘制待测样本的光谱信息图。
本发明的有益效果是：本发明所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法及系统，根据待测样本的第二光谱信息与空气的第一光谱信息的对应差值来获得待测样本的真实光谱信息，在对待测样本进行光谱检测时，消除了设备内壁反射光线对光谱检测的影响，有效解决了光谱仪本身带来的测试误差，能够最大程度的获取待测样本的真实光谱信息，提升了光谱信息的可靠性与准确性。
附图说明
图1为本发明实施例所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本发明所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，包括以下步骤：步骤1.检测多个近红外光谱波长对应的空气的第一光谱信息；步骤2.检测所述多个近红外光谱波长对应的待测样本的第二光谱信息；步骤3.根据所述第二光谱信息和第一光谱信息的对应差值分别获得待测样本的每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息；步骤4.根据每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息绘制待测样本的光谱信息图。
具体而言，在对空气的光谱信息进行采集时，空气中的小颗粒会对仪器发出的光产生漫反射作用，但是相较于仪器设备内壁的反射光强，空气中漫反射光强可以忽略。由此对空气的光谱信息进行采集实际为对仪器内部反射光谱信息的采集。因此，在对待测样本进行光谱检测之前，先检测多个近红外光谱波长对应的空气的第一光谱信息，即不存在待测样本时进行光谱检测，获得第一光谱信息，然后，检测上述多个近红外光谱波长对应的待测样本的第二光谱信息，最后，根据每个近红外光谱波长的第二光谱信息与第一光谱信息的对应差值得到每个近红外光谱波长的待测样本的真实光谱信息，进而消除仪器内部反射光谱信息对检测结果的影响，再根据该真实光谱信息绘制光谱信息图，实现对待测样本可靠的光谱检测。
实施例
本发明实施例以烟草粉末样本为待测样本为例，首先将烟草叶粉碎至40目，然后将大约200克样本放入烟草测试专用工装器皿中，最后向下压实使得烟草粉末样本表面平整且有一定厚度，保证近红外光谱仪发出的光线经过烟草粉末样本能形成良好的漫反射效果。
其中，便携式近红外光谱仪的工作原理为：仪器内的卤钨灯向外发出光线，光线经过样本及设备内壁漫反射作用重新返回仪器的光线接收装置，接收装置采用两片非球面透镜改变光路方向，使得反射光接近于0度垂直入射到法珀腔中，法珀腔对反射光线进行滤波作用，最后，仪器吸收滤波之后的反射光线并反映出对应的光强信息。
在进行光谱检测之前，可以对便携式近红外光谱仪进行空腔校准。在便携式近红外光谱仪测试过程中，伴随着仪器的老化，损耗，测量环境变化等因素，会对测试结果带来一定的误差。在进行测试之前，对仪器设备进行空腔校准，可以有效解决上述因素带来的影响，保证数据的真实性与准确性。
在本实施例中，便携式近红外光谱仪空腔校准步骤为：
将便携式近红外光谱仪竖直放在空腔校准底座上；
检测空腔校准底座的第三光谱信息；
比较所述第三光谱信息与存储的空腔校准底座的标准光谱信息是否一致；
若第三光谱信息与标准光谱信息一致，则该仪器可以正常使用；若第三光谱信息与标准光谱信息不一致，则说明仪器受到不利因素影响，存在较大误差，需要对仪器进行修正，其中，修正的过程可以为：将最新采集到的空腔校准底座的第三光谱信息写入仪器中，将第三光谱信息作为最新标准光谱信息。
如图1所示，在对待测样本进行光谱检测之前，包括：
步骤S1.检测多个近红外光谱波长对应的空气的第一光谱信息；
检测空气的第一光谱信息具体可以为：将便携式近红外光谱仪放置在空气中，使便携式近红外光谱仪发射的光线除了设备内壁漫反射作用和空气漫反射作用外，无其它光线反射至便携式近红外光谱仪的光线接收装置中，简单来说，就是保证便携式近红外光谱仪在光线发射方向的预设距离内没有遮挡物，预设距离如1.5米。
可选的，可以对每个近红外光谱波长对应的空气的光谱信息进行多次检测，分别计算每个近红外光谱波长对应的多次检测的空气的光谱信息的平均值，并将其作为第一光谱信息。
具体的，可将便携式近红外光谱仪竖直放置在空气中，保证便携式近红外光谱仪在光线发射方向1.5米内没有物体，避免其他物体对测试结果的干扰，然后对空气光谱信息进行多次采集，每次采集的波长范围相等，波长节距相同。例如，在室温(22℃至25℃)环境下，对每个近红外光谱波长均进行四次采集，获取波长范围1450nm～1845nm，分辨率为5nm，共包含80个光强信息点的近红外光谱，四条近红外光谱的80个光强信息分别记为：A1,A2,……A80，B1,B2,……B80，C1,C2,……C80，D1,D2,……D80。
然后，对多次采集空气光谱信息中每一近红外光谱波长点的光强信息分别进行平均值计算。每一条空气光谱信息分为80个光强信息点，每2个光强信息点之间的波长节距相同，对多条空气光谱信息每一个固定波长点的光强信息进行平均值计算，如此可以极大程度的减小测试误差。例如，当波长为1450nm时，四次检测的近红外光谱的光强信息值分别为：A1,B1,C1,D1，求该波长点光强信息值得平均值为：
Smean-1＝(A1+B1+C1+D1)/4；
同理可得，当波长为1455nm时，四次检测的近红外光谱的光强信息值分别为：A2,B2,C2,D2，求该波长点光强信息值得平均值为：
Smean-2＝(A2+B2+C2+D2)/4；
依次推类，分别得到波长范围1450nm～1845nm，分辨率为5nm的近红外光谱波长点中，每个近红外光谱波长点对应的空气的光强信息的平均值，将其作为第一光谱信息，共80个光强信息点，包括：Smean-1，Smean-2，Smean-3，……，Smean-80。
步骤S2.检测所述多个近红外光谱波长对应的待测样本的第二光谱信息；
可选的，可以对每个近红外光谱波长对应的待测样本的光谱信息进行多次检测，分别计算每个近红外光谱波长对应的多次检测的待测样本的光谱信息的平均值，并将其作为第二光谱信息。
具体的，将便携式近红外光谱仪竖直放在均匀分布，测试表面平整的烟草粉末样本上，然后对烟草粉末样本的光谱信息进行多次采集，每次采集的波长范围及波长节距与检测空气的光谱信息时相同，即也是波长范围1450nm～1845nm，分辨率为5nm的近红外光谱波长点中的近红外光谱波长点。其检测方法与上述空气的光谱信息检测方法原理相同，此处不再赘述，最终分别得到波长范围1450nm～1845nm，分辨率为5nm的近红外光谱波长点中，每个近红外光谱波长点对应的烟草粉末样本的光强信息的平均值，将其作为第二光谱信息，共80个光强信息点，包括：S1，S2，S3，……，S80。
步骤3.根据所述第二光谱信息和第一光谱信息的对应差值分别获得待测样本的每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息；
具体而言，在对空气的光谱信息进行采集时，空气中的小颗粒会对仪器发出的光产生漫反射作用，但是相较于仪器设备内壁的反射光强，空气中漫反射光强可以忽略。由此对空气的光谱信息进行采集实际为对仪器内部反射光谱信息的采集。同理，在对烟草粉末样本进行光谱信息采集时，实际采集到的光谱信息为仪器内部反射光谱信息及测试样本的真实光谱信息。要得到烟草粉末样本的真实光谱信息，需要对得到的烟草粉末样本的第二光谱信息进行扣底算法，具体方式为：将烟草粉末样本的80个光强信息点对应减去多条空气光谱信息中的80个光强信息点，得到烟草粉末样本的真实光谱信息，即当波长为1450nm时，烟草粉末样本真实光谱信息值与仪器内部反射光谱信息值和为S1，仪器内部反射光谱信息值为Smean-1，通过扣底算法，计算出烟草粉末样本的真实光谱信息值为：
S1450nm＝S1-Smean-1
同理，当波长为1455nm时，烟草粉末样本真实光谱信息值与仪器内部反射光谱信息值和为S2，仪器内部反射光谱信息值为Smean-2，通过扣底算法，计算出烟草粉末样本的真实光谱信息值为：
S1455nm＝S2-Smean-2
依次推类，分别得到波长范围1450nm～1845nm，分辨率为5nm的近红外光谱波长点中，每个近红外光谱波长点对应的烟草粉末样本的真实光谱信息值，共80个光强信息点，包括：S1450nm，S1455nm，S1460nm，S1465nm，S1470nm，……，S1845nm。
步骤4.根据每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息绘制待测样本的光谱信息图。
可选的，可以根据五点三次平滑方法对每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息进行平滑处理，根据平滑处理后的每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息绘制待测样本的光谱信息图。通过曲线的五点三次平滑方法，对等距节点上的测试样本光强数据进行平滑，消除随机误差的影响，提升测试数据的质量。
具体的，1450nm，1455nm，1460nm，1465nm，1470nm波长节点的真实光强信息数据分别为S1450nm，S1455nm，S1460nm，S1465nm，S1470nm，采用五点三次平滑方法对该光谱信息数据进行处理，具体的五点三次平滑公式为：
其中，
分别为S1450nm，S1455nm，S1460nm，S1465nm，S1470nm的改进值，同理依次对其余波长节点的真实光谱信息进行五点三次平滑处理，最终根据处理后的真实光谱信息绘制测试样本的光谱信息图。
基于上述技术方案，本发明实施例还提出一种基于便携式近红外光谱仪的光谱检测系统，如图2所示，包括：
便携式近红外光谱仪，用于检测多个近红外光谱波长对应的空气的第一光谱信息，以及检测所述多个近红外光谱波长对应的待测样本的第二光谱信息；
计算单元，用于根据所述第二光谱信息和第一光谱信息的对应差值分别获得待测样本的每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息；
绘制单元，用于根据每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息绘制待测样本的光谱信息图。
可选的，还包括比较单元和更新单元，所述便携式近红外光谱仪还用于检测空腔校准底座的第三光谱信息；
所述比较单元，用于比较所述第三光谱信息与存储的空腔校准底座的标准光谱信息是否一致；
所述更新单元，用于当所述第三光谱信息与存储的空腔校准底座的标准光谱信息不一致时，将标准光谱信息更新为第三光谱信息。
可选的，所述绘制单元还用于：根据五点三次平滑方法对每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息进行平滑处理，根据平滑处理后的每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息绘制待测样本的光谱信息图。
可以理解，由于本发明实施例所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测系统是用于实现所述基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法的系统，对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的较为简单，相关之处参见方法的部分说明即可。由于上述基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法能够提升光谱信息的可靠性与准确性，因此，实现上述基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法的系统同样能够提升光谱信息的可靠性与准确性。
Claims (10)
1.基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.检测多个近红外光谱波长对应的空气的第一光谱信息；
步骤2.检测所述多个近红外光谱波长对应的待测样本的第二光谱信息；
步骤3.根据所述第二光谱信息和第一光谱信息的对应差值分别获得待测样本的每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息；
步骤4.根据每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息绘制待测样本的光谱信息图。
2.如权利要求1所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，其特征在于，所述步骤1之前还包括：对便携式近红外光谱仪进行空腔校准。
3.如权利要求2所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，其特征在于，所述对便携式近红外光谱仪进行空腔校准具体包括：
将便携式近红外光谱仪竖直放在空腔校准底座上，检测空腔校准底座的第三光谱信息，比较所述第三光谱信息与存储的空腔校准底座的标准光谱信息是否一致，若不一致，则将标准光谱信息更新为第三光谱信息。
4.如权利要求1所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，其特征在于，所述步骤1还包括：对每个近红外光谱波长对应的空气的光谱信息进行多次检测，分别计算每个近红外光谱波长对应的多次检测的空气的光谱信息的平均值，并将其作为第一光谱信息。
5.如权利要求1所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，其特征在于，所述步骤2还包括：对每个近红外光谱波长对应的待测样本的光谱信息进行多次检测，分别计算每个近红外光谱波长对应的多次检测的待测样本的光谱信息的平均值，并将其作为第二光谱信息。
6.如权利要求1所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，其特征在于，步骤4中，所述根据每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息绘制待测样本的光谱信息图具体为：
根据五点三次平滑方法对每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息进行平滑处理，根据平滑处理后的每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息绘制待测样本的光谱信息图。
7.如权利要求1所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，其特征在于，所述多个近红外光谱波长的波长范围为1450-1845nm，分辨率为5nm。
8.基于便携式近红外光谱仪的光谱检测系统，其特征在于，包括：
便携式近红外光谱仪，用于检测多个近红外光谱波长对应的空气的第一光谱信息，以及检测所述多个近红外光谱波长对应的待测样本的第二光谱信息；
计算单元，用于根据所述第二光谱信息和第一光谱信息的对应差值分别获得待测样本的每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息；
绘制单元，用于根据每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息绘制待测样本的光谱信息图。
9.如权利要求8所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测系统，其特征在于，还包括比较单元和更新单元，所述便携式近红外光谱仪还用于检测空腔校准底座的第三光谱信息；
所述比较单元，用于比较所述第三光谱信息与存储的空腔校准底座的标准光谱信息是否一致；
所述更新单元，用于当所述第三光谱信息与存储的空腔校准底座的标准光谱信息不一致时，将标准光谱信息更新为第三光谱信息。
10.如权利要求8所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测系统，其特征在于，所述绘制单元还用于：根据五点三次平滑方法对每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息进行平滑处理，根据平滑处理后的每个近红外光谱波长对应的真实光谱信息绘制待测样本的光谱信息图。
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