基于高光谱图像的复杂溶液成分浓度检测方法研究
发布时间：2021-11-12 13:38
由于传统光谱分析方法对存在大量散射粒子的复杂溶液中化学成分的检测研究尚未得到有效突破,为了利用复杂溶液的吸收特性和散射特性所引起的空间信息变化来增加光谱信息,从而提高建模的精度和可靠性,显著增强对复杂溶液成分浓度的分析能力,本研究提出并使用高光谱图像的方法对复杂溶液成分浓度进行检测分析。主要研究工作如下:（1）首先,本文为了同时获得复杂溶液的非圆周对称的高光谱图像所表现出的吸收和散射信息,设计并制作了楔形样品皿。本研究基于光源,楔形样品皿和Headwall Photonics G4-332成像光谱仪搭建了复杂溶液高光谱图像检测平台。通过对高光谱图像采集的参数设置,以及实验系统的稳定性分析与测试,证明了实验系统的正确性与稳定性。（2）其次,为了证明复杂溶液高光谱图像检测平台可以有效检测含有散射特性溶液的成分浓度,本研究通过复杂溶液高光谱图像检测平台对含有散射特性溶液进行实验,采集得到了二维光强分布数据。本研究对采集得到的二维光强分布数据进行建模分析,二维光强分布建模方法相比于其他建模方法,相关系数提高2.48%,均方误差减小6.89%。实验结果证明了,基于楔形样品皿的光谱定量分析方法可以...
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基本研究路线
第二章复杂溶液高光谱图像分析方法的理论基础7第二章复杂溶液高光谱图像分析方法的理论基础2.1复杂溶液的光学特性2.1.1光与复杂溶液的相互作用形式复杂溶液含有多种物质，若检测复杂溶液成分浓度，复杂溶液中会同时存在吸收和散射效应。然而在真实研究中复杂溶液内部光子传输特性会随着复杂溶液的物质成分浓度发生改变，所以能够从高光谱图像信息中检测到复杂溶液中被测物质成分浓度信息量的变化。本研究利用高光谱图像获得了非圆周对称光斑的空域信息，并通过该特征的变化与复杂溶液中被测物质成分浓度建模，从而实现对复杂溶液中被测物质成分浓度的检测分析。在实际测量中，光与复杂溶液具有多种相互作用形式，例如反射、折射、吸收、透射、散射等，各种形式的的示意图如图2-1所示。图2-1光与复杂溶液相互作用示意图通过对图2-1的观察与分析，光与复杂溶液相互作用主要以吸收与散射形式体现，两种形式同时决定了光在复杂溶液中的传输方式。通过能量转换的方式来说：吸收作用是光与复杂溶液相互作用时，复杂溶液吸收了光的能量，并将其转化为自身的能量；而散射作用是光与复杂溶液相互作用时，光的能量被复杂溶液
天津工业大学硕士学位论文8分散开来，使得光的能量在通过复杂溶液时逐渐减少。2.1.2常见的复杂溶液光学参数为了合理描述光与复杂溶液的相互作用以及光在复杂溶液中的传输分布特点，本研究首先讲解复杂溶液中常见的光学特性参数，这些参数是描述复杂溶液的光学模型的重要基础[51,52]。（1）吸收系数吸收系数μa表示单位光程上一个光子被吸收的可能性，它反映的是复杂溶液对光的吸收程度，单位为cm-1或mm-1。（2）散射系数光在通过存在大量散射粒子的复杂溶液时，会产生散射效应，使光强衰减。我们使用散射系数μs表示散射效应，指单位光程上光子被散射的可能性，单位为cm-1或mm-1。（3）各向异性因子各向异性因子g是光子发生散射时散射角余弦的加权平均值。各向异性因子g通常由散射角的平均余弦函数定义，如式（2-1），表示各向异性的程度。coscoscos11dfg（2-1）由（2-1）可知，g的取值在-1~1的范围内，当g在0~1时，光子趋于各向前向散射，当g在-1~0时，光子趋于各向后向散射。g在不同情况时的散射方向概率如图2-2所示。图2-2g值不同时的散射方向概率图
【参考文献】：
期刊论文
[1]高光谱成像砖红壤中石油烃含量的可视化研究[J]. 陈志莉,刘强,尹文琦,刘洪涛,杨毅. 光谱学与光谱分析. 2018(09)
[2]基于高光谱的牛奶脂肪质量浓度预测模型建立与评价[J]. 赵紫竹,卫勇,张乃迁,常若葵,吴海云,刘华,单慧勇,杨仁杰,郭小英. 中国乳品工业. 2018(02)
[3]非均匀混浊介质多光谱反射成像的仿真与实验研究[J]. 杨博赞,杨春梅,撒昱,丁俊华,李梅花,梁晓会,冯远明,胡新华. 光电子·激光. 2014(12)
[4]黄河口受石油烃渗漏影响植被的高光谱检测方法研究[J]. 任广波,张杰,吴培强,马毅. 海岸工程. 2014(03)
[5]复杂混合溶液成分高光谱分析的可行性[J]. 李刚,熊婵,林凌,佟颖,张宝菊. 光谱学与光谱分析. 2012(03)
[6]尿微量白蛋白的可见-近红外光谱检测[J]. 李刚,赵喆,刘蕊,王慧泉,林凌,张宝菊,吴晓荣. 光谱学与光谱分析. 2011(09)
[7]尿微量白蛋白的多波段多光程光谱检测[J]. 李刚,赵喆,刘蕊,王慧泉,林凌. 分析化学. 2011(04)
[8]基于模拟退火波长优化的草莓坚实度近红外光谱检测[J]. 石吉勇,殷晓平,邹小波,赵杰文,鞠时光. 农业机械学报. 2010(09)
[9]近红外光谱分析技术在农产品/食品品质在线无损检测中的应用研究进展[J]. 孙通,徐惠荣,应义斌. 光谱学与光谱分析. 2009(01)
[10]水果组织光学参数的激光图像无损测量技术[J]. 吴彦红,赵杰文,陈全胜,刘木华. 江苏大学学报(自然科学版). 2007(01)
博士论文
[1]提高近红外吸收光谱法复杂溶液组分浓度分析精度的研究[D]. 赵喆.天津大学 2014
[2]基于多维多模式超光谱系统的复杂混合溶液成分分析[D]. 熊婵.天津大学 2012
硕士论文
[1]基于多维光谱的浑浊溶液浓度检测方法的研究[D]. 王慧.天津工业大学 2019
本文编号：3491021
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基本研究路线
第二章复杂溶液高光谱图像分析方法的理论基础7第二章复杂溶液高光谱图像分析方法的理论基础2.1复杂溶液的光学特性2.1.1光与复杂溶液的相互作用形式复杂溶液含有多种物质，若检测复杂溶液成分浓度，复杂溶液中会同时存在吸收和散射效应。然而在真实研究中复杂溶液内部光子传输特性会随着复杂溶液的物质成分浓度发生改变，所以能够从高光谱图像信息中检测到复杂溶液中被测物质成分浓度信息量的变化。本研究利用高光谱图像获得了非圆周对称光斑的空域信息，并通过该特征的变化与复杂溶液中被测物质成分浓度建模，从而实现对复杂溶液中被测物质成分浓度的检测分析。在实际测量中，光与复杂溶液具有多种相互作用形式，例如反射、折射、吸收、透射、散射等，各种形式的的示意图如图2-1所示。图2-1光与复杂溶液相互作用示意图通过对图2-1的观察与分析，光与复杂溶液相互作用主要以吸收与散射形式体现，两种形式同时决定了光在复杂溶液中的传输方式。通过能量转换的方式来说：吸收作用是光与复杂溶液相互作用时，复杂溶液吸收了光的能量，并将其转化为自身的能量；而散射作用是光与复杂溶液相互作用时，光的能量被复杂溶液
天津工业大学硕士学位论文8分散开来，使得光的能量在通过复杂溶液时逐渐减少。2.1.2常见的复杂溶液光学参数为了合理描述光与复杂溶液的相互作用以及光在复杂溶液中的传输分布特点，本研究首先讲解复杂溶液中常见的光学特性参数，这些参数是描述复杂溶液的光学模型的重要基础[51,52]。（1）吸收系数吸收系数μa表示单位光程上一个光子被吸收的可能性，它反映的是复杂溶液对光的吸收程度，单位为cm-1或mm-1。（2）散射系数光在通过存在大量散射粒子的复杂溶液时，会产生散射效应，使光强衰减。我们使用散射系数μs表示散射效应，指单位光程上光子被散射的可能性，单位为cm-1或mm-1。（3）各向异性因子各向异性因子g是光子发生散射时散射角余弦的加权平均值。各向异性因子g通常由散射角的平均余弦函数定义，如式（2-1），表示各向异性的程度。coscoscos11dfg（2-1）由（2-1）可知，g的取值在-1~1的范围内，当g在0~1时，光子趋于各向前向散射，当g在-1~0时，光子趋于各向后向散射。g在不同情况时的散射方向概率如图2-2所示。图2-2g值不同时的散射方向概率图
【参考文献】：
期刊论文
[1]高光谱成像砖红壤中石油烃含量的可视化研究[J]. 陈志莉,刘强,尹文琦,刘洪涛,杨毅. 光谱学与光谱分析. 2018(09)
[2]基于高光谱的牛奶脂肪质量浓度预测模型建立与评价[J]. 赵紫竹,卫勇,张乃迁,常若葵,吴海云,刘华,单慧勇,杨仁杰,郭小英. 中国乳品工业. 2018(02)
[3]非均匀混浊介质多光谱反射成像的仿真与实验研究[J]. 杨博赞,杨春梅,撒昱,丁俊华,李梅花,梁晓会,冯远明,胡新华. 光电子·激光. 2014(12)
[4]黄河口受石油烃渗漏影响植被的高光谱检测方法研究[J]. 任广波,张杰,吴培强,马毅. 海岸工程. 2014(03)
[5]复杂混合溶液成分高光谱分析的可行性[J]. 李刚,熊婵,林凌,佟颖,张宝菊. 光谱学与光谱分析. 2012(03)
[6]尿微量白蛋白的可见-近红外光谱检测[J]. 李刚,赵喆,刘蕊,王慧泉,林凌,张宝菊,吴晓荣. 光谱学与光谱分析. 2011(09)
[7]尿微量白蛋白的多波段多光程光谱检测[J]. 李刚,赵喆,刘蕊,王慧泉,林凌. 分析化学. 2011(04)
[8]基于模拟退火波长优化的草莓坚实度近红外光谱检测[J]. 石吉勇,殷晓平,邹小波,赵杰文,鞠时光. 农业机械学报. 2010(09)
[9]近红外光谱分析技术在农产品/食品品质在线无损检测中的应用研究进展[J]. 孙通,徐惠荣,应义斌. 光谱学与光谱分析. 2009(01)
[10]水果组织光学参数的激光图像无损测量技术[J]. 吴彦红,赵杰文,陈全胜,刘木华. 江苏大学学报(自然科学版). 2007(01)
博士论文
[1]提高近红外吸收光谱法复杂溶液组分浓度分析精度的研究[D]. 赵喆.天津大学 2014
[2]基于多维多模式超光谱系统的复杂混合溶液成分分析[D]. 熊婵.天津大学 2012
硕士论文
[1]基于多维光谱的浑浊溶液浓度检测方法的研究[D]. 王慧.天津工业大学 2019
本文编号：3491021
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