用Specim FX17高光譜相機(jī)測(cè)量棉制品水分含量

水分的定量測(cè)試是許多工業(yè)和研究應(yīng)用的關(guān)鍵。基于光譜學(xué)的定量模型對(duì)水分含量的監(jiān)測(cè)是有效、無(wú)損和準(zhǔn)確的。高光譜相機(jī)也可以顯示水分的空間分布，而點(diǎn)光譜儀只能提供一般分布。在這項(xiàng)研究中，我們監(jiān)測(cè)了一塊棉布在其干燥過(guò)程中的的水分含量。

NIR:    近紅外(900 - 1700 nm)

PLS:    偏zui小二乘法 

PLSDA：偏zui小二乘判別分析

NIR波段水的吸收峰

生產(chǎn)中監(jiān)測(cè)水分含量是非常重要的，例如，在食品、造紙和木材行業(yè)中。近紅外光譜儀被廣泛的使用在各類應(yīng)用中。光譜學(xué)家依靠NIR波段內(nèi)水的吸收峰，如下圖所示，水會(huì)強(qiáng)烈吸收970nm、1150nm和1450nm的光。而specim FX17高光譜相機(jī)的光譜覆蓋范圍為900nm - 1700nm，非常適合檢測(cè)水的吸水峰。此外，高光譜圖片也能揭示水的空間分布情況。

在這項(xiàng)研究中，我們監(jiān)測(cè)和測(cè)量了棉布的干燥時(shí)間。我們將約5厘米的圓形棉墊(通常用于卸妝)浸入水中，然后把它放在Lab scanner 40x20掃描臺(tái)上。將其應(yīng)用于標(biāo)本實(shí)驗(yàn)室掃描儀40×20。我們用FX17高光譜相機(jī)監(jiān)測(cè)其干燥情況，每4分鐘測(cè)量一次，直到wan全干燥。總共測(cè)量了67次花費(fèi)了264分鐘。然后使用Specim INSIGHT軟件進(jìn)行分析。

干燥棉墊的光譜分析

每張圖片都通過(guò)暗噪聲和白參考做了歸一化。然后，通過(guò)將實(shí)驗(yàn)期間獲得的67幅圖像組合成一個(gè)文件，形成了一個(gè)組合圖片。這幅鑲嵌圖片描繪了棉墊在不同干燥階段的情況，從右上方非常潮濕的時(shí)候開(kāi)始，到右下方干燥的時(shí)候。從左到右，從上到下，逐行填了鑲嵌圖。

如圖1a所示，在干燥過(guò)程中，可以從拼接圖中明顯的看到偽彩圖的梯度變化。光譜曲線也顯示出同樣的趨勢(shì)。與潮濕樣品相關(guān)的光譜在970、1150和1420 nm處吸收zui多，而這些峰隨著干燥時(shí)間的增長(zhǎng)而消失。在3.5小時(shí)后(在zui后的10次測(cè)量中)，干燥的加速也非常明顯。

圖1:與棉墊干燥有關(guān)的偽彩圖和NIR光譜。

建模- PLS回歸

建立一個(gè)PLS回歸模型來(lái)量化棉墊的干燥程度。回歸變量稱為“干燥"，范圍從0到264(對(duì)應(yīng)于干燥時(shí)間，以分鐘為單位)。請(qǐng)注意，使用Insight軟件，回歸只能建立在樣本上，而不管背景如何。為了訓(xùn)練模型，每一秒的圖像都被考慮在內(nèi)。模型的精度在所有其他的圖片上估計(jì)。

回歸的預(yù)測(cè)性能如圖2所示。對(duì)于每個(gè)棉墊，我們制作了一個(gè)代表干燥的熱力圖，突出了高光譜圖像與描述水分分布的相關(guān)性。建立的模型具有很高的準(zhǔn)確度，R2為0.98。對(duì)比實(shí)際值和預(yù)測(cè)值，非常濕的棉花的干燥過(guò)程更難以量化。圖1c的光譜與此相關(guān)，表明在干燥開(kāi)始時(shí)，與水有關(guān)的吸收峰深度只有輕微的變化。

我們建立了第二個(gè)模型，類似于之前展示的模型，但這次是基于每隔一分鐘獲取的61張圖像。R2在這里是0.97。在第二個(gè)模型中，更關(guān)注潮濕樣品，實(shí)際值與預(yù)測(cè)值表明，第二個(gè)模型在干燥過(guò)程開(kāi)始時(shí)更準(zhǔn)確。這突出表明，根據(jù)樣本及其濕度水平，訓(xùn)練樣本的選擇對(duì)于建立準(zhǔn)確的模型至關(guān)重要。

A  PLS回歸熱力圖(Min = 0;Max = 264)

B  第1個(gè)回歸模型的回歸圖片(每4分鐘獲取一次數(shù)據(jù))

C  第二個(gè)回歸模型的回歸圖(每2分鐘獲取一次數(shù)據(jù))

圖2:“干燥"回歸模型的預(yù)測(cè)性能。

使用Specim FX17高光譜相機(jī)+ LabScanner 40 x 20位移臺(tái)

光譜范圍：NIR(900 – 1700 nm)

光譜波段：224

光譜分辨率：8 nm

狹縫寬度：30 μm

空間像素?cái)?shù)：640

像素大小：15x15 μm

成像速度：全譜段采集為670 Hz， ROI波段選擇后可達(dá)15000 Hz

昊量光電推出了適用于科研端、工業(yè)端、地面實(shí)驗(yàn)室、機(jī)載航空等領(lǐng)域高光譜相機(jī)，Specim高光譜相機(jī)波長(zhǎng)覆蓋范圍很廣，包括400-1000nm，900-1700nm，1000-2500nm.2.7um-5.3um，8um-12um, 廣泛應(yīng)用于工業(yè)分選、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、色差檢測(cè)、食品檢測(cè)、醫(yī)學(xué)制藥、文物保護(hù)、刑偵檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。Specim高光譜相機(jī)設(shè)備具有高速、強(qiáng)大和穩(wěn)定的性能，易于安裝和維護(hù)，并且保證每一個(gè)空間像素的光譜純度，為客戶提供真實(shí)準(zhǔn)確可靠的高光譜數(shù)據(jù), 同時(shí)具有高效的投資回報(bào)。

結(jié)論

Specim FX17適用于準(zhǔn)確定量樣品的濕度水平，這里是一個(gè)棉墊。同時(shí)，SpecimInsigh是一個(gè)很好的軟件來(lái)執(zhí)行這樣的分析和建立回歸模型。這個(gè)模型也可以加載到Spcim Cube上進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。zui后，本研究表明，訓(xùn)練樣本的選擇很大的影響著模型的預(yù)測(cè)性能。

關(guān)于昊量光電：

上海昊量光電設(shè)備有限公司是光電產(chǎn)品專 業(yè)代理商，產(chǎn)品包括各類激光器、光電調(diào)制器、光學(xué)測(cè)量設(shè)備、光學(xué)元件等，涉及應(yīng)用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫(yī)療、科學(xué)研究、國(guó) 防、量 子光學(xué)、生物顯微、物聯(lián)傳感、激光制造等；可為客戶提 供完整的設(shè)備安裝，培訓(xùn)，硬件開(kāi)發(fā)，軟件開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)集成等服務(wù)。