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仪器间的光谱模型传递及谱图标准化

作　者: 黄承伟
导　师: 戴连奎
学　校: 浙江大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 光谱分析模型传递谱图标准化近红外光谱拉曼光谱甲醇汽油
分类号: O657.33
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

光谱分析作为一种经典的分析检测技术,具有无损、快速及可实现在线分析等特点,已经在石油、食品、化工、生物等领域得到广泛的应用。光谱分析模型的稳健性与光谱标准化研究是一项复杂又重要的课题。本文通过对拉曼光谱、近红外光谱特点及光谱模型传递方法的深入研究,创新地提出了改进的模型传递算法和甲醇汽油光谱的标准化方法,有效地解决了不同仪器间的光谱模型传递,提高了甲醇汽油预测模型的稳健性,并把研究成果应用到甲醇汽油快速分析仪中。具体内容包括：1.为了解决拉曼光谱在不同仪器上的模型传递问题,提出了一种结合标准正态变换(Standard Normal Variate, SNV)的分段直接标准化(Piecewise Direct Standardization, PDS)方法,简称SNV-PDS方法,该方法先根据拉曼光谱在两台不同仪器上响应差异大的特点,对光谱进行标准正态变换,然后采用PDS算法进行全谱传递。SNV-PDS法显著减少了两台拉曼光谱仪器的光谱差异,具有传递样本少、精度高和传递稳健性高等优点,可应用于不同拉曼光谱仪器间的模型传递。2.针对不同近红外仪器测得的谱图特性,提出了一种基线扣除(De-trend)的分段直接标准化方法,简称DT-PDS。该方法先通过基线扣除,降低了由于仪器本身带来的光谱基线漂移；接着,通过分段直接标准化方法,使不同仪器测得的同样本的谱图尽可能一致,实现在主机上建立的模型向目标机的传递。方法不仅算法简单,适用性强,而且能够获得很好的传递效果。3.为了能够让近红外光谱分析技术更好地应用于甲醇汽油中甲醇含量的测量,提出了一种谱图标准化方法。该方法对由不同类型基础油配制而成的甲醇汽油的近红外谱图进行标准化,然后利用标准化后的谱图建立甲醇汽油中甲醇含量定量分析模型。该方法不仅可以对甲醇汽油中甲醇含量进行全范围(0%～100%)快速准确的测量,又可以有效减少由于基础油组分出现较大变化给测量带来的误差,提高了测量的稳健性。4.针对目前市场上缺乏有效的甲醇汽油快速分析手段的现状,自主开发研制了基于近红外光谱的便携式甲醇汽油快速检测仪,并已应用于多个甲醇汽油生产企业。该仪器甲醇含量检测精度高,重复性好,模型稳健性强,操作和维护简便,能够满足国内甲醇生产企业等用户对甲醇汽油甲醇含量快速检测的需求。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
英文摘要  8-13
第1章综述  13-41
  1.1 引言  13
  1.2 拉曼光谱原理、特点及应用现状  13-18
    1.2.1 拉曼光谱原理  14-16
    1.2.2 拉曼光谱特点  16-17
    1.2.3 拉曼光谱分析技术应用现状  17-18
  1.3 近红外光谱原理、特点及应用现状  18-23
    1.3.1 近红外光谱原理  19-20
    1.3.2 近红外光谱特点  20-21
    1.3.3 近红外光谱分析技术应用现状  21-23
  1.4 光谱分析原理及方法简介  23-27
    1.4.1 光谱预处理  24-25
    1.4.2 线性校正模型  25-26
    1.4.3 非线性校正模型  26-27
  1.5 光谱模型传递发展现状  27-38
    1.5.1 光谱模型传递意义  27-28
    1.5.2 光谱模型传递分类  28
    1.5.3 部分模型传递方法  28-33
    1.5.4 近红外光谱模型传递研究与应用现状  33-36
    1.5.5 拉曼光谱模型传递研究与应用现状  36-38
  1.6 本文主要内容  38-41
第2章拉曼光谱模型传递  41-49
  2.1 引言  41-42
  2.2 SNV-PDS方法  42-43
  2.3 实验平台及数据来源  43-45
    2.3.1 样本来源  43
    2.3.2 实验仪器与数据  43-44
    2.3.3 拉曼光谱预处理  44-45
  2.4 实验与结果  45-48
    2.4.1 评价指标  45-46
    2.4.2 传递样本选择与传递参数确定  46-48
    2.4.3 不同传递样本对结果影响  48
  2.5 结论  48-49
第3章近红外光谱模型传递  49-59
  3.1 引言  49-50
  3.2 算法介绍  50-52
    3.2.1 Kennard-Stone算法  50-51
    3.2.2 DT-PDS算法  51-52
  3.3 实验平台及数据来源  52-53
    3.3.1 样本来源  52-53
    3.3.2 实验仪器与数据  53
  3.4 实验与结果  53-57
    3.4.1 光谱预处理  53-54
    3.4.2 评价指标  54
    3.4.3 传递样本选择与传递参数  54-57
  3.5 结论  57-59
第4章甲醇汽油的光谱标准化与甲醇含量分析  59-73
  4.1 引言  59-61
  4.2 谱图标准化及甲醇含量预测方法  61-62
  4.3 实验平台与数据来源  62-64
    4.3.1 实验仪器及软件  62-63
    4.3.2 数据来源  63-64
  4.4 甲醇汽油光谱标准化  64-66
    4.4.1 原始光谱  64
    4.4.2 光谱标准化  64-66
  4.5 甲醇汽油甲醇含量预测  66-71
    4.5.1 甲醇含量与光谱数据的相关性分析  66
    4.5.2 评价指标  66-67
    4.5.3 模型预测结果及分析  67-70
    4.5.4 结果分析  70-71
  4.6 总结  71-73
第5章甲醇汽油快速分析仪开发  73-91
  5.1 引言  73
  5.2 现有分析仪介绍  73-78
    5.2.1 硬件部分  73-75
    5.2.2 软件部分  75-78
  5.3 分析仪升级内容  78-85
    5.3.1 甲醇含量预测算法  78-79
    5.3.2 软件结构  79-85
  5.4 分析仪实际运行结果  85-89
    5.4.1 样本来源  85-87
    5.4.2 分析仪测量结果分析  87-89
  5.5 结论  89-91
第6章结论及展望  91-93
  6.1 研究工作总结  91-92
  6.2 研究工作展望  92-93
参考文献  93-102
附录  102

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