CN112345483B - 基于模式序列生成近红外光谱数据的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于模式序列生成近红外光谱数据的方法，包括：步骤一、建立以列、行为变量的数据阵列作为模式序列，模式序列以模式为标识符，每一模式均为由列n*行m个单元开关状态的矩阵构成；步骤二、建立模式序列中每一模式与光谱仪的芯片单元的开关状态的对应关系，并将每个模式中所确定的n*m个微镜单元开关状态的信息传递到芯片单元；步骤三、在每个模式下分别测量出样品的近红外光谱数据，获得样品的模式序列近红外光谱数据。本发明基于模式序列生成近红外光谱数据的方法，具有全面性、灵活性和选择性，可根据不同采集样品的需求，设计不同模式序列来获取不同数据。

Description

基于模式序列生成近红外光谱数据的方法
技术领域
本发明属于近红外光谱数据获取技术领域，涉及基于模式序列生成近红外光谱数据的方法。
背景技术
利用近红外光谱法对物质进行定性定量分析，需要对大量的样品光谱数据进行分析、建模、校正和预测等步骤。因此，能快速准确地获取更多、更全面的光谱数据对快速有效地建立定性定量模型十分重要。微机电系统(MEMS)是一种精密机械加工技术，集微执行器、微机械结构和控制电路等于一体，MEMS芯片逐渐成为光谱仪的重要元件。液晶(liquidcrystal,LC)芯片、DMD(digital micromirror device)芯片等都是MEMS芯片，是可以对光的空间分布进行调制的器件，且具有按行、列编号整齐排列的特点，为获取更详细的、更丰富的光谱信息数据提供了可能。
传统光谱均以波长为横坐标，得到的是按照波长顺序排列的光谱数据；或采用哈达玛及互补S矩阵编码方法得到多个波长光谱的线性叠加数据，得到的仍然是传统光谱。为了提高光谱信息量、更全面灵活地获取光谱信息，本发明建立了一种新的光谱表达的方式。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了提高光谱信息量、更全面灵活地获取光谱信息，本发明建立了一种新的光谱表达方式，本发明开发了一种基于模式序列生成近红外光谱数据的方法，该发明可设计任意组合的模式序列去构造不同的光谱采集单元，获取对应的近红外光谱数据以建立定性定量模型。
为此，本发明提供如下的技术方案：
基于模式序列生成近红外光谱数据的方法，包括如下步骤：
步骤一、建立以列、行为变量的数据阵列作为模式序列，所述模式序列以模式为标识符，每一模式均为由列n*行m个单元开关状态的矩阵构成；
步骤二、建立所述模式序列中每一模式与光谱仪的芯片单元的开关状态的对应关系，并将每个所述模式中所确定的n*m个微镜单元开关状态的信息传递到所述芯片单元；
步骤三、在每个所述模式下分别测量出样品的近红外光谱数据，获得样品的模式序列近红外光谱数据。
优选的是，所述的基于模式序列生成近红外光谱数据的方法，还包括：
步骤四、将所述模式序列近红外光谱数据按一维坐标模式序列号排列生成模式序列光谱；按二维坐标行、列位置排列生成阵列光谱。
优选的是，所述的基于模式序列生成近红外光谱数据的方法中，每一所述模式具有唯一的所述模式序列号。
优选的是，所述的基于模式序列生成近红外光谱数据的方法中，所述模式序列信息包括同时处于开关状态的芯片的微镜单元的位置和个数信息。
优选的是，所述的基于模式序列生成近红外光谱数据的方法中，所述微镜单元的开关状态以数字1、0表示。
优选的是，所述的基于模式序列生成近红外光谱数据的方法中，所述光谱仪包括以MEMS芯片为光学元件的光谱仪及含矩形、圆形等的晶片或镜片的光谱设备。
优选的是，所述的基于模式序列生成近红外光谱数据的方法中，步骤三中，测量建模样品的近红外光谱数据时，所述光谱仪可检测电信号、光信号和声信号。
优选的是，所述的基于模式序列生成近红外光谱数据的方法中，所述光谱仪为可对光的空间分布进行调制的设备。
优选的是，所述的基于模式序列生成近红外光谱数据的方法中，所述样品为粉末等固体样品和液体等非固体样品等。
术语解释：
(1)近红外光谱：近红外光是介于可见光(Vis)和中红外(MIR)之间的电磁辐射波，其光谱区域定义为780-2526nm。不同基团或同一基团在不同化学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别，近红外光谱具有丰富的结构和组成信息，适用于各类样品的物化参数测量。近年来，近红外光谱技术已经被广泛应用在食品烟草、石油化工和生物医疗等领域。
(2)微机电系统(MEMS)：MEMS系统主要包括微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分。自然界各种信息可作为输入信号，首先通过传感器转换成电信号，经过信号处理后(包括模拟/数字信号间的变换)再通过微执行器对外部世界发生作用。传感器可以实现能量的转化，从而将各种信号转换为系统可以处理的电信号。执行器则根据信号处理来控制电路去完成各种功能。信号处理部分可以根据控制电路进行信号转换、放大和计算等处理。微机电系统还能够以光、电、磁等形式与外界进行通信，并输出信号以供显示，或与其他系统协同工作以构成一个更完整的系统。MEMS芯片具有微型化、批量生产、集成化、方便扩展等特点。
(3)数字微镜芯片(DMD)：最早由德州仪器(TI)公司制造，是由成千上万个各自位置独立的可倾斜镜片组成的半导体光开关阵列的器件。DMD是光开光的一种，利用旋转反射镜实现光开光的开合。DMD中的每个镜子，均由底层CMOS电路独立控制，大小在微米级别。DMD是光学微机电系统(MEMS)芯片，由各自独立控制的铝微镜集成为二维阵列，能提供二进制滤波状态(on为1，off为0)。DMD是数字光处理技术的核心部件，目前主要应用于光纤通信的路由器、滤波器、数字相机、平面光学显示器和轮廓测量仪等方面。
(4)液晶芯片：液晶(LC)是最为广泛的一种电光效应材料，液晶芯片由液晶阵列组成，是当前应用最广泛的一种光调制器。液晶芯片是利用光偏振产生相位或振幅调制变谱滤波函数，即通过提供变化的透射率或反射率产生任意形状的光谱滤波函数。液晶芯片具有其低成本、高分辨相位控制、高填充系数和高信噪比等优点。
(5)模式(pattern)：MEMS芯片单元的开关组合形式(二进制表示为0/1形式)，构成一个模式。每一模式采集一个数据点，不同模式的序列数据可构成模式序列光谱。
(6)模式序列光谱：基于模式序列获取的光谱数据称为模式序列光谱。按模式序列号(一维坐标)排列可生成模式序列光谱；若按行、列位置(二维坐标，矩阵形式)排列生成的模式序列光谱，也可称为阵列光谱。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明不以波长为光谱横坐标，而以模式序列编号为光谱横坐标，设计模式序列控制所选的采集单元模式，获取各个采集单元的近红外光谱数据，以此建立了一种利用模式序列获取光谱的方式，得到了一种新的光谱表达形式。
本发明基于模式序列产生新光谱(以模式序列编号为横坐标)，以获得更加丰富、更加全面的光谱数据。模式序列近红外光谱，这是一种新的光谱表达方式，获得的新光谱数据可取代原来的光谱去建立定性定量分析模型。
本发明的任一模式序列可获取任意个(单个或多个)、任意位置芯片单元组合所反射的光谱信息数据。
本发明可通过采集多形式组合的模式序列，获得多组合的光谱数据。
本发明是一种获取新光谱数据的方法，具有全面性、灵活性和选择性，可根据不同采集样品的需求，设计不同模式序列来获取不同数据。模式序列近红外光谱数据，其信息量更多、更丰富，可用于建立定性定量分析模型。本发明获取光谱数据的速度更快，仪器结构更简单、成本更低，有望应用于未来新仪器和新方法。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明其中一个实施例中模式仅控制一个微镜单元的开关状态示意图；
图2为本发明其中一个实施例中模式控制相邻的微镜单元的开关状态示意图；
图3为本发明其中一个实施例中模式控制不相邻的微镜单元的开关状态示意图；
图4为本发明其中一个实施例中模式控制任意位置状态的微镜单元的开关状态示意图；
图5为本发明其中一个实施例中在整个DMD芯片任意位置的任意模式(微镜单元的开关组合形式)的开关状态示意图；
图6为本发明其中一个实施例中纯水样品的模式序列近红外光谱；
图7为本发明其中一个实施例中乙醇样品的模式序列近红外光谱；
图8为本发明其中一个实施例中一系列水-乙醇-乙二醇三元混合物的模式序列近红外光谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
利用近红外光谱法对物质进行定性定量分析，需要对大量的样品光谱数据进行分析、建模、校正和预测等步骤。因此，能快速准确地获取更多、更全面的光谱数据对快速有效地建立定性定量模型十分重要。微机电系统(MEMS)是一种精密机械加工技术，集微执行器、微机械结构和控制电路等于一体，MEMS芯片逐渐成为光谱仪的重要元件。液晶(liquidcrystal,LC)芯片、DMD(digital micromirror device)芯片等都是MEMS芯片，是可以对光的空间分布进行调制的器件，且具有按行、列编号整齐排列的特点，为获取更详细的、更丰富的光谱信息数据提供了可能。
传统光谱均以波长为横坐标，得到的是按照波长顺序排列的光谱数据；或采用哈达玛及互补S矩阵编码方法得到多个波长光谱的线性叠加数据，得到的仍然是传统光谱。而本发明不以波长为光谱横坐标，而以模式序列编号为光谱横坐标，设计模式序列控制所选的采集单元模式，获取各个采集单元的近红外光谱数据，以此建立了一种新的光谱表达方式。
本发明提供基于模式序列生成近红外光谱数据的方法，包括如下步骤：
步骤一、建立以列、行为变量的数据阵列作为模式序列，所述模式序列以模式为标识符，每一模式均为由列n*行m个单元开关状态的矩阵构成；
步骤二、建立所述模式序列中每一模式与光谱仪的芯片单元的开关状态的对应关系，并将每个所述模式中所确定的n*m个微镜单元开关状态的信息传递到所述芯片单元；信息反馈到芯片单元，就是依据信息去控制不同位置微镜的开关状态，这些信息包括处于开关状态的微镜的位置和个数。
步骤三、在每个所述模式下分别测量出样品的近红外光谱数据，获得样品的模式序列近红外光谱数据。每个模式下生成一个数据点，最终多个模式获得的所有近红外光谱数据，称为模式序列近红外光谱。模式序列光谱按一维、二维坐标排列，又分别可称为模式序列光谱、阵列光谱。
在本发明的其中一个实施例中，作为优选，该基于模式序列生成近红外光谱数据的方法还包括：
步骤四、将所述模式序列近红外光谱数据按一维坐标模式序列号排列生成模式序列光谱；按二维坐标行、列位置排列生成阵列光谱。
在上述方案中，作为优选，每一所述模式具有唯一的所述模式序列号。模式的一个排列顺序，如第1个模式、第2个模式、第3个模式……。模式序列号相当于一个顺序号(1，2，3，……)，就是一维的坐标。
在本发明的其中一个实施例中，作为优选，所述模式序列信息包括同时处于开关状态的芯片的微镜单元的位置和个数信息。
在本发明的其中一个实施例中，作为优选，所述微镜单元的开关状态以数字1、0表示。
在本发明的其中一个实施例中，作为优选，所述光谱仪包括以MEMS芯片为光学元件的光谱仪及矩形、圆形等的晶片或镜片的光谱设备。MEMS芯片比如液晶芯片、DMD芯片等。
在本发明的其中一个实施例中，作为优选，步骤三中，测量建模样品的近红外光谱数据时，所述光谱仪可检测电信号、光信号和声信号。
在本发明的其中一个实施例中，作为优选，所述光谱仪为可对光的空间分布进行调制的设备。
在上述实施例中，作为优选，所述样品为粉末等固体样品或液体等非固体样品。
在本发明的其中一个实施例中，作为优选，以每一列微镜作为一个模式设置。
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，现提供如下的实施例进行说明：
本发明是一种获取新光谱数据的方法。本发明针对以MEMS芯片(液晶芯片、DMD芯片等)为光学元件的光谱仪，开发了一种获取模式序列近红外光谱数据的方法。通过设计不同模式序列控制MEMS芯片的开关模式，实现近红外光谱的采集。不同模式的序列数据进行摆放，构成新光谱。具体步骤：
步骤一、通过计算机编程产生模式序列，建立以列、行为变量的数据数组，阵列以模式为标识符，每一模式可由列(n)*行(m)个单元开关状态的矩阵构成；
步骤二、利用模式序列控制芯片的开关模式，将每个模式中所确定的n*m个单元开关状态的信息传递到芯片单元，实现对芯片单元的开关状态的控制。模式序列信息包括同时处于开关状态的芯片单元的位置和个数；
步骤三、测量每个模式对应的数值，利用检测器读取光谱信号数据；
步骤四、光谱数据的形式，获取的近红外光谱数据按模式序列号(一维坐标)排列可生成模式序列光谱；按行、列位置(二维坐标)排列可生成阵列光谱。
这种新光谱数据用于建立定量定性分析方法，实现对不同样品的定量或判别分析。
实例：以型号DLP2010NIR的DMD芯片(854列*480行)为例
(1)不同模式序列的具体形式，举例：
①仅控制一个微镜单元的开关状态
②相邻的微镜单元
③不相邻的微镜单元
④任意位置任意开关状态的微镜单元
⑤不同模式可在整个DMD芯片的任意位置
注意：附图1～4中，微镜阵列的行、列位置示意图，整个图表示微镜阵列，每个方框表示单个微镜，内部填充的1/0表示由模式序列信息控制的微镜开关状况。
这种新光谱数据用于建立定量定性分析方法，实现对不同样品的定量或判别分析。
图5为本发明在整个DMD芯片任意位置的任意模式(微镜单元的开关组合形式)的开关状态示意图。
图6为纯水样品的模式序列近红外光谱。测量样品为纯水，以每一列微镜为一个模式，每个模式包括480个镜子，每个模式中的所有镜子全部为打开状态。芯片单元依据模式信息进行镜子的开关控制，检测器按模式序列号依次读取每个模式对应的光谱信号数据，获得的近红外光谱数据按模式序列号排列，生成模式序列近红外光谱。先测量空白背景对应的光谱信号(I0)，再测量纯水样品对应的光谱信号(I1)，根据吸光度A＝lg(I0/I1)得到吸光度值。以模式序列号为横坐标、吸光度值为纵坐标，即得到图6。
图7为乙醇样品的模式序列近红外光谱。测量样品为乙醇，以每一列微镜为一个模式，每个模式包括480个镜子，每个模式中的所有镜子全部为打开状态。芯片单元依据模式信息进行镜子的开关控制，检测器按模式序列号依次读取每个模式对应的光谱信号数据，获得的近红外光谱数据按模式序列号排列，生成模式序列近红外光谱。先测量空白背景对应的光谱信号(I0)，再测量乙醇样品对应的光谱信号(I1)，根据吸光度A＝lg(I0/I1)得到吸光度值。以模式序列号为横坐标、吸光度值为纵坐标，即得到图7。
图8为一系列水-乙醇-乙二醇三元混合物的模式序列近红外光谱。测量样品为水-乙醇-乙二醇三元混合物，共8个样品。以每一列微镜为一个模式，每个模式包括480个镜子，每个模式中的所有镜子全部为打开状态。芯片单元依据模式信息进行镜子的开关控制，检测器按模式序列号依次读取每个模式对应的光谱信号数据。吸光度值的获取如图6、图7方法。每一样品获得的近红外光谱数据按模式序列号排列，生成水-乙醇-乙二醇三元混合物的模式序列近红外光谱，8个样品共8条模式序列近红外光谱。样品信息如下表所示。
Figure BDA0002750277790000081
这里说明的模块数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的基于模式序列生成近红外光谱数据的方法的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
本发明基于模式序列生成近红外光谱数据的方法，具有全面性、灵活性和选择性，可根据不同采集样品的需求，设计不同模式序列来获取不同数据。模式序列近红外光谱数据，其信息量更多、更丰富，可用于建立定性定量分析模型。本发明获取光谱数据的速度更快，仪器结构更简单、成本更低，有望应用于未来新仪器和新方法。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.基于模式序列生成近红外光谱数据的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、建立以列、行为变量的数据阵列作为模式序列，所述模式序列以模式为标识符，每一模式均为由列n*行m个单元开关状态的矩阵构成；
步骤二、建立所述模式序列中每一模式与光谱仪的芯片单元的开关状态的对应关系，并将每个所述模式中所确定的n*m个微镜单元开关状态的信息传递到所述芯片单元；
步骤三、在每个所述模式下分别测量出样品的近红外光谱数据，获得样品的模式序列近红外光谱数据，每一所述模式具有唯一的所述模式序列号；
步骤四、将所述模式序列近红外光谱数据按一维坐标模式序列号排列生成模式序列光谱；按二维坐标行、列位置排列生成阵列光谱。
2.如权利要求1所述的基于模式序列生成近红外光谱数据的方法，其特征在于，所述模式序列信息包括同时处于开关状态的芯片的微镜单元的位置和个数信息。
3.如权利要求1所述的基于模式序列生成近红外光谱数据的方法，其特征在于，所述微镜单元的开关状态以数字1、0表示。
4.如权利要求1所述的基于模式序列生成近红外光谱数据的方法，其特征在于，所述光谱仪包括以MEMS芯片为光学元件的光谱仪及含矩形、圆形的晶片或镜片的光谱设备。
5.如权利要求1所述的基于模式序列生成近红外光谱数据的方法，其特征在于，步骤三中，测量建模样品的近红外光谱数据时，所述光谱仪可检测电信号、光信号和声信号。
6.如权利要求1所述的基于模式序列生成近红外光谱数据的方法，其特征在于，所述光谱仪为可对光的空间分布进行调制的设备。
7.如权利要求5所述的基于模式序列生成近红外光谱数据的方法，其特征在于，所述建模样品为固体样品或非固体样品。
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