1、近红外透射光谱测量中温度校正方法近红外透射光谱测量中温度校正方法 的研究的研究 目录目录 课题研究的课题研究的背景和意义背景和意义 温度对于光温度对于光谱影响的物谱影响的物理基础与定理基础与定量测量量测量 消除近红外消除近红外光谱温度影光谱温度影响的方法研响的方法研究究 总结与展望总结与展望 一、课题研究的背景和意义一、课题研究的背景和意义 课题研究的背景和意义课题研究的背景和意义 无损耗 快速高效 可实时监测 可多次测量 近红外无创血糖测量的优势 缺点之一 易受干扰 课题研究的背景和意义课题研究的背景和意义 干扰 温度影响 湿度影响 其他干扰 仪器漂移 测量位置改变 二、二、温度对于光谱影响
2、的物 理基础与定量测量 温度对于光谱影响的物理基础温度对于光谱影响的物理基础与定量测量与定量测量 在纯吸收介质中 令 以葡萄糖水溶液的吸光度为例，当温度与浓度同时变化，吸光度变化量为 则 因此可将葡萄糖水溶液中的温度影响分为两部分 温度对水的影响部分 温度对葡萄糖的影响部分 温度对于光谱影响的物理基础温度对于光谱影响的物理基础与定量测量与定量测量 4000mg/dL葡萄糖水溶液不同温度下的吸光度曲线葡萄糖水溶液不同温度下的吸光度曲线 温度对于光谱影响的物理基础温度对于光谱影响的物理基础与定量测量与定量测量 葡萄糖浓度葡萄糖浓度 1变化对变化对葡萄糖的影葡萄糖的影响响AT,g 基准温度下该基准温
3、度下该浓度葡萄糖引浓度葡萄糖引起吸光度变化起吸光度变化 温度变化引温度变化引起的葡萄糖起的葡萄糖浓度误差浓度误差 相对误差百相对误差百分比分比 1000mg/dL-0.000093-0.00234 37mg/dL 3.7%2000mg/dL-0.00017-0.00437 78mg/dL 3.9%3000mg/dL-0.00020-0.00742 82mg/dL 2.7%4000mg/dL-0.00027-0.0105 109mg/dL 2.7%5000mg/dL-0.00042-0.0134 157mg/dL 3.1%1156nm处葡萄糖水溶液中的吸光度变化量 温度对于光谱影响的物理基础温度
4、对于光谱影响的物理基础与定量测量与定量测量 在1156nm吸收峰位置处，1温度变化引起的水吸光度变化量相当于1000mg/dL的葡萄糖浓度变化，远大于单位温度变化引起的葡萄糖吸光度变化，在一定温度范围内，线性叠加到原溶液吸光度上。温度变化引起吸光度改变部分与葡萄糖浓度变化引起的吸光度变化量在一定程度上相互独立。三、三、消除近红外光谱温度影响的方法研究 消除近红外光谱温度影响的方法研究消除近红外光谱温度影响的方法研究 1.测量数据测量数据 测量光谱数据矩阵测量光谱数据矩阵X X=XP+XQ+R XP,XQ,R分别对应有用信息响应，干扰信息响应，及冗余信息分别对应有用信息响应，干扰信息响应，及冗余
5、信息 去除冗余信息（光谱漂移等）去除冗余信息（光谱漂移等）2.提取温度提取温度信息信息 取任一浓度的不同温度的光谱数据分别与其基准温度数据差分建立温度差分矩阵取任一浓度的不同温度的光谱数据分别与其基准温度数据差分建立温度差分矩阵 对于温度协方差矩阵进行奇异值分解，选取右奇异矩阵的前对于温度协方差矩阵进行奇异值分解，选取右奇异矩阵的前c列作为温度信息，求取列作为温度信息，求取干扰子空间干扰子空间Q 3.提取有用提取有用信息信息 从原始光谱从原始光谱X中去除干扰响应中去除干扰响应XQ得到有用的信息得到有用的信息XP作为新光谱数据作为新光谱数据 4.新光谱数新光谱数据建模据建模 基准温度下新光谱数据
6、与偏最小二乘法结合建模预测所有温度的数据基准温度下新光谱数据与偏最小二乘法结合建模预测所有温度的数据 外部参数正交化方法（外部参数正交化方法（EPO）消除近红外光谱温度影响的方法研究消除近红外光谱温度影响的方法研究 1.测量数据测量数据 测量光谱数据矩阵测量光谱数据矩阵X，并将所有数据进行中心化，并将所有数据进行中心化 2.滤波变换滤波变换 取任一温度与基准温度的不同浓度的光谱数据建立温度差分矩阵取任一温度与基准温度的不同浓度的光谱数据建立温度差分矩阵 对于温度协方差矩阵进行奇异值分解，将对角矩阵进行滤波变换对于温度协方差矩阵进行奇异值分解，将对角矩阵进行滤波变换 3.提取有用提取有用信息信息
7、 利用新对角矩阵与左奇异矩阵获得滤波矩阵利用新对角矩阵与左奇异矩阵获得滤波矩阵G，新光谱矩阵为，新光谱矩阵为GX 4.新光谱数新光谱数据建模据建模 基准温度基准温度下新光谱数据用偏最小二乘法建模去预测所有温度的数据下新光谱数据用偏最小二乘法建模去预测所有温度的数据 广义最小二乘加权法广义最小二乘加权法(GLSW)消除近红外光谱温度影响的方法研究消除近红外光谱温度影响的方法研究 葡萄糖水溶液不同建模方法的预测结果对比葡萄糖水溶液不同建模方法的预测结果对比 建模预测方法建模预测方法 建模建模样品样品数量数量 主成主成分数分数量量 预处理预处理样品数样品数量量 预测均方根误差（预测均方根误差（RMS
8、EP）30 32 34 36 38 所有温度所有温度 直接用直接用30的的数据建模数据建模 6 2 92.2 165.7 330.5 550.5 886.9 497.0 所有温度的数所有温度的数据全局建模据全局建模 30 2 109.2 115.3 101.4 94.8 102.8 104.9 GLSW处理后处理后30数据建模数据建模 6 1 12 119.5 126.3 111.1 104.2 113.1 106.9 EPO处理后处理后30数据数据建模建模 6 1 5 70.3 75.1 62.5 62.0 57.0 65.7（温度范围是（温度范围是30,32,34,36,3830,32,3
9、4,36,38，浓度范围，浓度范围0,1000,2000,3000,4000,5000mg/dL0,1000,2000,3000,4000,5000mg/dL）消除近红外光谱温度影响的方法研究消除近红外光谱温度影响的方法研究 外部参数正交化处理前后的葡萄糖溶液吸光度（外部参数正交化处理前后的葡萄糖溶液吸光度（4000mg/dL）EPO 温度差分温度差分 温度差分温度差分 约4%约0.04%化学计量学方法消除近红外光谱温度影响的方法研究化学计量学方法消除近红外光谱温度影响的方法研究 仿仿体（脂肪乳溶液）的体（脂肪乳溶液）的吸收光谱测量吸收光谱测量 化学计量学方法消除近红外光谱温度影响的方法研究化
10、学计量学方法消除近红外光谱温度影响的方法研究 脂肪乳溶液不同建模方法的预测结果对比脂肪乳溶液不同建模方法的预测结果对比 建模预测方法建模预测方法 建模样建模样品数量品数量 主成分主成分数量数量 预测均方根误差（预测均方根误差（RMSEP）30 32 34 36 38 所有温度所有温度 用用30的数据的数据直接直接建模建模 6 2 180.2 237.9 398.4 634.6 892.2 537.9 全温度全温度数据数据的的全局全局建模建模 30 2 210.2 202.5 194.3 194.1 186.4 197.7 EPO处理后处理后30数据数据建模建模 6 1 165.5 166.6
11、163.9 162.2 162.2 164.1（温度范围是（温度范围是30,32,34,36,38，葡萄糖浓度范围，葡萄糖浓度范围0,1000,2000,3000,4000,5000mg/dL）化学计量学方法消除近红外光谱温度影响的方法研究化学计量学方法消除近红外光谱温度影响的方法研究 外部参数正交化处理前后的脂肪乳溶液吸收光谱外部参数正交化处理前后的脂肪乳溶液吸收光谱 EPO 温度差分温度差分 温度差分温度差分 约20%约5%四、总结与展望四、总结与展望 总结与展望总结与展望 总结：1.本文对于溶液中的吸光度进行了理论分析与分解，分解后定量地分析了温度对于溶质和溶剂影响 2.采用外部参数正交化方法对于不同温度下葡萄糖水溶液与脂肪乳溶液的吸收光谱进行了处理，改善了温度干扰下的近红外光谱预测精度。总结与展望总结与展望 展望 1.本文提及的方法已验证可应用于透射光谱中的温度校准，可以尝试将本方法应用于混浊介质或人体的反射光谱测量中 2.本方法可有效消除温度干扰，可进一步实验将其应用到湿度，测量位置变化等外界干扰的消除中。请各位老师批评指正！
