CN114441474B - 一种近红外光谱仪及其控制方法和系统 - Google Patents

一种近红外光谱仪及其控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种近红外光谱仪及其控制方法和系统，光谱仪包括数字微镜DMD和单点探测器；数字微镜DMD，根据各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数和DMD中各波长位置有效反射微镜数量的关系，控制DMD中各波长位置的有效反射微镜的数量和角度，以将经过有效反射微镜的近红外光全部反射到单点探测器；单点探测器，根据接收到的近红外光计算其光谱强度以得到样品指标。该近红外光谱仪，通过DMD实现了对光谱强度进行加权求和的效果，无需根据波长执行逐次扫描，无需在光谱检测之后进行大量的数据计算，降低了测量时间和系统成本，提高了测量效率和测量准确性。

Description

一种近红外光谱仪及其控制方法和系统
技术领域
本发明涉及光谱仪技术领域，尤其涉及一种近红外光谱仪及其控制方法和系统。
背景技术
近红外光谱分析技术，是通过分析物质在近红外波段（波长范围：780nm-2500nm）的反射或透射光谱，来分析物质化学组分的技术。近红外波段的光谱特征主要由物质中O-H、C-H、N-H和S-H等官能团的种类和比例决定。因此，可以通过分析近红外光谱的特征方便快速地获得物质中多种化学组分的含量。近红外光谱分析技术广泛应用于食品检测、健康诊断、农业监视、石化处理、医药制造等领域。特别地，鉴于该技术具有无损检测、无需制样、方便快捷等众多优点，其在现场快检领域有着非常广阔的应用前景。
近红外光谱分析，综合运用光谱测量技术、化学计量学方法、计算机技术，结合标准的参比方法测得的理化指标数据（例如某组分浓度），通过建立光谱强度与组分浓度之间的校正模型，然后把未知样品测定的光谱输入已建立的校正模型，可以快速预测未知样品组分浓度。
在建模过程中，通过测量n个已知理化指标真实值（Y）的样品的光谱（X），建立Y=X∙β+β0的函数模型，其中，Y是样品理化指标矩阵，X是样品光谱矩阵，β是权重系数矩阵，β0是常数项。
该函数模型具体可以表达为矩阵形式：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，y1、y2、…、yn是n个样品的理化指标；
x11,x12,x13,…, x1m是y1样品对应的m个波长位置的近红外光谱强度；
x21,x22,x23,…, x2m是y2样品对应的m个波长位置的近红外光谱强度；
x31,x32,x33,…, x3m是y3样品对应的m个波长位置的近红外光谱强度；
xn1,xn2,xn3,…, xnm是yn样品对应的m个波长位置的近红外光谱强度。
根据该函数模型，可以得到n个样品的理化指标和各个波长位置光谱强度之间的关系：
y1=x11∙β1+x12∙β2+…+x1m∙βm+β0；
y2=x21∙β1+x22∙β2+…+x2m∙βm+β0；
y3=x31∙β1+x32∙β2+…+x3m∙βm+β0；
yn=xn1∙β1+xn2∙β2+…+xnm∙βm+β0。
通过偏最小二乘法或其他多元校正算法进行计算，可以得到n个样品在每个波长位置的权重系数（β1，β2，…，βm）。
对于待测样品，通过测量其光谱（x1,x2,x3,…,xm），并代入该函数模型y=x1∙β1+x2∙β2+…+xm∙βm+β0，可以得到待测样品的理化指标。（x1,x2,x3,…,xm）代表每个波长位置的光谱强度，（β1，β2，…，βm）代表每个波长位置的光谱强度对最终理化指标值贡献的权重系数，x1∙β1+x2∙β2+…+xm∙βm就代表对y有贡献的所有波长位置光谱强度的总和。
公知的近红外光谱仪的应用都是首先建立模型得到权重系数，准备一系列已知理化指标真实值的样品，分别采集样品的近红外光谱，通过偏最小二乘法等多元校正算法计算得到权重系数（β1，β2，…，βm），然后就可以测量未知样品的理化指标。具体过程是先测量未知样品的近红外光谱，得到各波长位置的光谱强度，然后再对此光谱进行预处理计算并将处理后的光谱强度代入上述模型中，即乘以相应的权重系数，y=x1∙β1+x2∙β2+…+xm∙βm+β0，从而得到此样品的理化指标。
这种传统方法的缺点就是，需要额外的计算单元或计算机来进行数据计算，这将大幅会降低样品指标测量效率，并在一定程度上增加了系统成本。而且这种传统方法需要测量每个波长位置的光谱强度，极度依赖于光谱仪的分辨率和每个波长处光的强度，对于光谱仪分辨率差或者光谱信号弱的情况会有较大的误差。
数字微镜器件（Digtial Micromirror Devices，简称DMD）是一种常用的微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS）器件，在光学领域有着广阔的应用。DMD器件由几十万甚至上百万块高速数字式微型反射镜片组成，一个小镜片对应一个像素。DMD作为一种电子输入、光学输出的微机电系统器件，可借助该系统执行高速、高效及可靠的空间光调制。在运行过程中，DMD 控制器为每个基本存储单元加载一个“1”或一个“0”，通过程序控制输入命令，会施加镜像复位脉冲引起每个微镜沿固定方向偏离一定角度，从而达到相应的 +/-12°状态，这两个有效状态的偏离角度是可重复的。
DMD技术可用于近红外光谱仪的设计。将光谱仪中光栅分光后的光谱投射到DMD器件上，通过DMD器件的像素级可控特性及其高速的翻转频率，将每个波长对应的像素依次偏转，将对应波长的光线投射到单点探测器上，按照对应的时刻，可以实现对不同波长的入射光线的选择。基于DMD技术设计的近红外光谱仪，其具有成本低，尺寸小，功能丰富，便于校准等众多优点。
参照图1，二维数字微镜DMD（m×q），微镜横轴方向为波长方向，m列对应m个波长位置，竖轴方向为光谱强度方向，q行对应每列有q个微镜。光线经过光栅色散后形成光谱照射在微镜上，首先将第一列微镜全部偏转，将第一列波长处的光线全部反射进入单点探测器，通过检测单点探测器产生的光电子的电流强度得到该波长位置的光谱强度；然后将第一列微镜全部恢复原位，再将第二列微镜全部偏转，将该波长位置的光反射进入探测器；以此类推，从而完成所有波长位置光谱强度的扫描，获得近红外光谱的总强度。
DMD近红外光谱仪在工作过程中对每个波长位置的微镜单独进行控制，才能完成对各波长位置光谱强度的扫描以得到样品的光谱。在每个波长位置的光谱强度依次经过探测器收集，光谱采集时间长，光谱采集误差大。
发明内容
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种近红外光谱仪及其控制方法和系统。
本发明提出了一种近红外光谱仪，包括：数字微镜DMD和单点探测器；
数字微镜DMD，根据各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数和DMD中各波长位置有效反射微镜数量的关系，控制DMD中各波长位置的有效反射微镜的数量和角度，以将经过有效反射微镜的近红外光全部反射到单点探测器；
单点探测器，根据接收到的近红外光计算其光谱强度以得到样品指标。
其中，配置一个单点探测器；根据权重系数的正值或负值，DMD分别控制其各波长位置的有效反射微镜的数量和角度，分次将近红外光全部反射到单点探测器；单点探测器分次接收数字微镜DMD反射的近红外光，通过计算总光谱强度得到待测样品指标。
其中，配置两个单点探测器；根据权重系数的正值或负值，DMD分别控制其各波长位置的有效反射微镜的数量和角度，单次将近红外光全部分别反射到两个单点探测器；两个单点探测器分别接收数字微镜DMD反射的近红外光，通过计算总光谱强度得到待测样品指标。
其中，根据各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数和DMD中各波长位置有效反射微镜数量的关系，包括：
通过建立样品指标y与光谱强度x的函数模型：y=x1∙β1+x2∙β2+…+xm∙βm+β0，得到各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数：β1，β2，…，βm，β0，其中，m为波长位置参数；权重系数βi为正值或负值，i=1，2，…，m，β0为常数项；
根据权重系数β1，β2，…，βm中最大系数βmax，计算得到修正系数：α1，α2，…，αm：
Figure 393261DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
，……，
Figure 248085DEST_PATH_IMAGE004
，……，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
，
样品指标y可以表示：y=βmax×I+β0=βmax(x1∙α1+x2∙α2+…+xm∙αm)+β0；
根据权重系数为βmax所对应的DMD中相应波长位置的有效反射微镜数量mod(βmax)=q，确定DMD中其他各波长位置的有效反射微镜数量mod(βi)=[|αi|×q]，mod表示对小数做取整运算；
其中，配置数字微镜DMD（m×q），横轴方向为波长方向，m列对应m个波长位置，竖轴方向为强度方向，q行对应每列有q个微镜。
其中，根据接收到的近红外光计算其光谱强度以得到样品指标，包括：
基于权重系数βi的正值或负值，根据单点探测器接收到的近红外光，计算其总光谱强度I=I(1)-I(2)= x1∙α1+x2∙α2+…+xm∙αm，其中，I(1)为权重系数为正值采集的光谱强度，I(2) 为权重系数为负值采集的光谱强度；再通过公式y=βmax×I+β0，计算得到样品指标。
其中，所述近红外光谱仪还包括：入射狭缝、第一聚焦机构、反射光栅、第二聚焦机构；经样品的光通过入射狭缝进入，后经第一聚焦机构聚焦到反射光栅上分光，再经第二聚焦机构聚焦到数字微镜DMD的微镜阵列，再反射到单点探测器进行收集。
本发明提出了一种近红外光谱仪的控制方法，包括：
通过光谱数据建模得到各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数；
根据权重系数确定DMD中各波长位置有效反射微镜的数量；
控制DMD中各波长位置的有效反射微镜的数量和角度；
根据单点探测器接收到的近红外光计算其光谱强度以得到样品指标。
其中，通过光谱数据建模得到各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数，包括：
通过建立样品指标y与光谱强度x的函数模型：y=x1∙β1+x2∙β2+…+xm∙βm+β0，得到各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数：β1，β2，…，βm，β0，其中，m为波长位置参数；权重系数βi为正值或负值，i=1，2，…，m；β0为常数项。
其中，根据权重系数确定DMD中各波长位置有效反射微镜的数量，包括：
根据权重系数β1，β2，…，βm中最大系数βmax，计算得到修正系数：α1，α2，…，αm：
Figure 729619DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 531353DEST_PATH_IMAGE003
，……，
Figure 17829DEST_PATH_IMAGE004
，……，
Figure 371450DEST_PATH_IMAGE005
，
样品指标y可以表示：y=βmax×I+β0=βmax(x1∙α1+x2∙α2+…+xm∙αm)+β0；
根据权重系数为βmax所对应的DMD中相应波长位置的有效反射微镜数量mod(βmax)=q，确定DMD中其他各波长位置的有效反射微镜数量mod(βi)=[|αi|×q]，mod表示对小数做取整运算；
其中，配置数字微镜DMD（m×q），横轴方向为波长方向，m列对应m个波长位置，竖轴方向为强度方向，q行对应每列有q个微镜。
其中，根据单点探测器接收到的近红外光计算其光谱强度以得到样品指标，包括：
基于权重系数βi的正值或负值，根据单点探测器接收到的近红外光，计算其光谱强度I=I(1)-I(2)= x1∙α1+x2∙α2+…+xm∙αm，其中，I(1)为权重系数为正值采集的光谱强度，I(2) 为权重系数为负值采集的光谱强度；再通过公式y=βmax×I+β0，计算得到样品指标。
本发明提出了一种近红外光谱仪的控制系统，包括：
权重系数模块，用于通过光谱数据建模得到各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数；
参数计算模块，用于根据权重系数确定DMD中各波长位置有效反射微镜的数量；
DMD控制模块，用于控制DMD中各波长位置的有效反射微镜的数量和角度；
指标确定模块，用于根据单点探测器接收到的近红外光计算其光谱强度以得到样品指标。
其中，所述权重系数模块，具体用于：
通过建立样品指标y与光谱强度x的函数模型：y=x1∙β1+x2∙β2+…+xm∙βm+β0，得到各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数：β1，β2，…，βm，β0，其中，m为波长位置参数；权重系数βi为正值或负值，i=1，2，…，m；β0为常数项。
其中，所述参数计算模块，具体用于：
根据权重系数β1，β2，…，βm中最大系数βmax，计算得到修正系数：α1，α2，…，αm：
Figure 45008DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 775067DEST_PATH_IMAGE003
，……，
Figure 351935DEST_PATH_IMAGE004
，……，
Figure 876457DEST_PATH_IMAGE005
，
样品指标y可以表示：y=βmax×I+β0=βmax(x1∙α1+x2∙α2+…+xm∙αm)+β0；
根据权重系数为βmax所对应的DMD中相应波长位置的有效反射微镜数量mod(βmax)=q，确定DMD中其他各波长位置的有效反射微镜数量mod(βi)=[|αi|×q]，mod表示对小数做取整运算；
其中，配置数字微镜DMD（m×q），横轴方向为波长方向，m列对应m个波长位置，竖轴方向为强度方向，q行对应每列有q个微镜。
其中，所述指标确定模块，具体用于：
基于权重系数βi的正值或负值，根据单点探测器接收到的近红外光，计算其光谱强度I=I(1)-I(2)= x1∙α1+x2∙α2+…+xm∙αm，其中，I(1)为权重系数为正值采集的光谱强度，I(2) 为权重系数为负值采集的光谱强度；再通过公式y=βmax×I+β0，计算得到样品指标。
在本发明中，根据各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数和DMD中各波长位置有效反射微镜数量的关系，数字微镜DMD控制其各波长位置的有效反射微镜的数量和角度，以将经过有效反射微镜的近红外光全部反射到单点探测器，通过DMD实现了对光谱强度进行加权求和的效果；单点探测器根据接收到的近红外光计算其光谱强度，根据光谱强度可以直接计算得到样品指标。该近红外光谱仪，通过DMD实现了对光谱强度进行加权求和的效果，无需根据波长执行逐次扫描，无需在光谱检测之后进行大量的数据计算，降低了测量时间和系统成本，提高了测量效率和测量准确性。
附图说明
图1为现有技术的数字微镜DMD的结构示意图。
图2为本发明实施例中一种近红外光谱仪的光路工作示意图。
图3为本发明实施例中数字微镜DMD在第一工作状态的工作原理示意图。
图4为本发明实施例中数字微镜DMD在第二工作状态的工作原理示意图。
具体实施方式
在本发明实施例中，近红外光谱仪包括数字微镜DMD和单点探测器。通过控制DMD中某波长位置的有效微镜的数量，可对该波长的光谱强度进行调制，进而，通过设置DMD中各波长位置的有效微镜的数量，最后将所有波长的近红外光全部收集到单点探测器中，即可实现对光谱强度进行加权求和的效果，得到总光谱强度，根据总光谱强度可以直接计算得到样品指标。在实施过程中，通过建立样品指标与光谱强度的函数模型，得到各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数，根据权重系数确定DMD中各波长位置有效反射微镜数量。
在建模过程中，通过建立理化指标Y与光谱数据X之间的函数关系模型，主要利用数学多元线性回归模型的参数估计来完成。
多元线性回归模型的一般表现形式y=x1∙β1+x2∙β2+…+xm∙βm+β0，m为自变量的数目，βi（i=0，1，2，…，m）为回归系数（regression coefficient)，其中β0为常数项，是拟合出的截距，代表不被自变量所解释的，长期稳定存在的非随机部分。回归系数在回归方程中表示自变量x 对因变量y 影响大小的参数。回归系数越大表示xi对y 影响越大，正回归系数表示y 随xi增大而增大，负回归系数表示y 随xi增大而减小。
在近红外建模过程中，通常将上述回归系数叫做β系数，表示各波长光谱强度对理化指标影响的大小，代表各波长的光谱强度对理化指标的贡献大小，所以又叫做权重系数β。可以理解的，某波长的权重系数越大，则该波长的光谱强度对理化指标的贡献就越大，反之，某波长的权重系数越小，则该波长的光谱强度对理化指标的贡献就越小。
参照图2，本发明实施例提出了一种近红外光谱仪，包括：入射狭缝1、第一聚焦机构2、反射光栅3、第二聚焦机构4、数字微镜DMD 5、单点探测器6。在图2中，第一聚焦机构2和第二聚焦机构4都采用了聚焦反射镜，在实际应用过程中，第一聚焦机构2和第二聚焦机构4还可以采用聚焦透镜代替。
光源的光经过样品后，经聚焦后经过入射狭缝1进入，由第一聚焦机构2聚焦到反射光栅3上分光，色散后的光再经第二聚焦机构4后到达数字微镜DMD 5的微镜阵列，微镜偏转后就可以将该微镜的光反射到单点探测器6进行收集。
在本实施例中，数字微镜DMD，采用二维数字微镜DMD（m×q），参照图3和图4，微镜横轴方向为波长方向，m列对应m个波长位置，微镜竖轴方向为强度方向，q行对应每列有q个微镜。
图中，每个正方形方块代表一个微镜像素，也就是一个像素，一个波长位置。白色方块代表该位置的微镜像素已偏转，可有效反射光，可以将光反射到单点探测器完成收集，而灰色方块代表该位置微镜像素未偏转，该位置的光不能进入单点探测器。
根据各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数和DMD中各波长位置有效反射微镜（像素）数量的对应关系，数字微镜DMD控制其各波长位置的有效反射微镜的数量和角度，以将经过有效反射微镜的近红外光全部反射到单点探测器；单点探测器根据接收到的近红外光计算其光谱强度以得到样品指标。
在本发明实施例中，根据各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数，通过控制DMD中有效反射微镜的数量，在光谱采集过程中实现了对不同波长的光强调制完成加权求和计算；根据权重系数βi的正值或负值，通过控制DMD中有效反射微镜的角度，在光谱采集过程实现了将经过DMD中有效反射微镜的光都收集到单点探测器中。
通过建立样品指标y与光谱强度x的函数模型：y=x1∙β1+x2∙β2+…+xm∙βm+β0，得到各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数：β1，β2，…，βm，β0，其中，m为波长位置参数；权重系数βi为正值或负值，i=1，2，…，m；β0为常数项；
根据权重系数β1，β2，…，βm中最大系数βmax，计算得到修正系数：α1，α2，…，αm：
Figure 37311DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 305482DEST_PATH_IMAGE003
，……，
Figure 235392DEST_PATH_IMAGE004
，……，
Figure 196394DEST_PATH_IMAGE005
，
那么，样品指标y可以表示：y=βmax×I+β0=βmax(x1∙α1+x2∙α2+…+xm∙αm)+β0；
可以设置权重系数为βmax所对应的DMD中相应波长位置的有效反射微镜数量为此列所有微镜的数量，即mod(βmax)= |αmax|×q=1×q=q个，则DMD第一列的微镜数目mod(β1)为|α1|×q，采用四舍五入法取整[|α1|×q]，即mod(β1)=[|α1|×q]，mod表示对小数做取整运算，计算过程符合四舍五入规则；通过运算从而确定DMD中其他各波长位置的有效反射微镜数量mod(βi)=[|αi|×q]。
可以理解的，当DMD中每列的微镜数目q越大，其误差就越小，因此，对βmax做出以上设置，当然还可以根据权重系数与DMD配置进行合理的配置。
参照图3或图4，通过控制DMD中各波长位置的有效反射微镜的数量，将各波长位置的mod(βi)个微镜全部打开，将经过DMD有效反射微镜的近红外光全部反射进入单点探测器，通过数模转换可以得到总光谱强度。
基于权重系数βi（i=1，2，…，m）可能为正值或负值，在本发明实施例中，可以设置一个单点探测器分次进行采集，需要采集两次再计算总光谱强度，或者，可以设置两个单点探测器分别进行采集，一次分别进行采集再计算总光强。
在具体实施例中，通过设置一个单点探测器进行采集，其实现过程包括：
参照图3，通过打开（偏转）权重系数为正值的DMD中所有波长位置处对应数量的微镜，控制微镜的角度以将光全部反射到单点探测器，单点探测器采集近红外光光并得到光谱强度I(1)；DMD中所有微镜复位；
参照图4，打开（偏转）权重系数为负值的DMD中所有波长位置处对应数量的微镜，控制微镜的角度以将光全部反射到单点探测器，单点探测器采集近红外光并得到光谱强度I(2)；DMD中所有微镜复位。
基于上述操作过程，根据权重系数βi（i=1，2，…，m）可能为正值或负值，通过分次采集，再计算得到总光谱强度I=I(1)-I(2)=x1∙α1+x2∙α2+…+xm∙αm，最后将总光谱强度I代入公式y=βmax×I+β0，即可得到待测样品指标。
在具体实施例中，通过设置两个单点探测器进行采集，其实现过程包括：
根据权重系数打开DMD中所有波长位置处对应数量的微镜像素，具体地，根据权重系数βi的正值或负值，控制有效微镜的偏转角度，使得权重系数为正值所对应的反射光全部进入第一单点探测器，采集光得到光谱强度I(1)，权重系数为负值所对应的反射光全部进入第二单点探测器，采集光得到光谱强度I(2)，计算得到总光谱强度I=I(1)-I(2)=x1∙α1+x2∙α2+…+xm∙αm，最后将总光谱强度I代入公式y=βmax×I+β0，即可得到待测样品指标。
在本发明实施例中，根据各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数和DMD中各波长位置有效反射微镜数量的关系，数字微镜DMD控制其各波长位置的有效反射微镜的数量和角度，以将经过有效反射微镜的近红外光全部反射到单点探测器，通过DMD实现了对光谱强度进行加权求和的效果；单点探测器根据接收到的近红外光计算其光谱强度，根据光谱强度可以直接计算得到样品指标。
现有的近红外光谱分析方法一般是先进行光谱测量，然后再将获得光谱数据代入模型，依照模型系数β进行加权求和以得到理化指标结果。相较现有方法，本发明实施例的近红外光谱仪，在采集光谱时，就通过不同波长的光强调制完成加权求和计算，无需再根据波长执行逐次扫描，无需后续的计算过程，从而缩短了测量时间和系统成本，提高了测量效率和测量准确性，可以实现物质成分理化指标的现场快速检测。
本发明实施例提出了一种近红外光谱仪的控制方法，包括：
S1，通过光谱数据建模得到各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数；
S2，根据权重系数确定DMD中各波长位置有效反射微镜数量；
S3，控制DMD中各波长位置的有效反射微镜的数量和角度；
S4，根据单点探测器接收到的近红外光计算其光谱强度以得到样品指标。
在步骤S1中，通过光谱数据建模得到各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数，包括：
通过建立样品指标y与光谱强度x的函数模型：y=x1∙β1+x2∙β2+…+xm∙βm+β0，得到各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数：β1，β2，…，βm，β0，其中，m为波长位置参数；权重系数βi为正值或负值，i=1，2，…，m，β0为常数。
在步骤S2中根据权重系数确定DMD中各波长位置有效反射微镜的数量，包括：
根据权重系数β1，β2，…，βm中最大系数βmax，计算得到修正系数：α1，α2，…，αm：
Figure 844544DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 650826DEST_PATH_IMAGE003
，……，
Figure 199357DEST_PATH_IMAGE004
，……，
Figure 65682DEST_PATH_IMAGE005
，
样品指标y可以表示：y=βmax×I+β0=βmax(x1∙α1+x2∙α2+…+xm∙αm)+β0；
根据权重系数为βmax所对应的DMD中相应波长位置的有效反射微镜数量mod(βmax)=q，确定DMD中其他各波长位置的有效反射微镜数量mod(βi)=[|αi|×q]， mod表示对小数做取整运算，计算过程符合四舍五入规则；
其中，配置数字微镜DMD（m×q），横轴方向为波长方向，m列对应m个波长位置，竖轴方向为强度方向，q行对应每列有q个微镜。
在步骤S4中，根据单点探测器接收到的近红外光计算其光谱强度以得到样品指标，包括：
基于权重系数βi（i=1，2，…，m）的正值或负值，根据单点探测器接收到的近红外光，计算其光谱强度I=I(1)-I(2)= x1∙α1+x2∙α2+…+xm∙αm，其中，I(1)为权重系数为正值采集的光谱强度，I(2) 为权重系数为负值采集的光谱强度；再通过公式y=βmax×I+β0，计算得到样品指标。
本发明实施例提出了一种近红外光谱仪的控制系统，包括：
权重系数模块，用于通过光谱数据建模得到各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数；
参数计算模块，用于根据权重系数确定DMD中各波长位置有效反射微镜数量；
DMD控制模块，用于控制DMD中各波长位置的有效反射微镜的数量和角度；
指标确定模块，用于根据单点探测器接收到的近红外光计算其光谱强度以得到样品指标。
在具体实施例中，所述权重系数模块，具体用于：
通过建立样品指标y与光谱强度x的函数模型：y=x1∙β1+x2∙β2+…+xm∙βm+β0，得到各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数：β1，β2，…，βm，β0，其中，m为波长位置参数；权重系数βi为正值或负值，i=1，2，…，m，β0为常数项。
在具体实施例中，所述参数计算模块，具体用于：
根据权重系数β1，β2，…，βm中最大系数βmax，计算得到修正系数：α1，α2，…，αm：
Figure 466708DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 76680DEST_PATH_IMAGE003
，……，
Figure 981183DEST_PATH_IMAGE004
，……，
Figure 283988DEST_PATH_IMAGE005
，
样品指标y可以表示：y=βmax×I+β0=βmax(x1∙α1+x2∙α2+…+xm∙αm)+β0；
根据权重系数为βmax所对应DMD中相应波长位置的有效反射微镜的数量mod(βmax)=q，确定DMD中其他各波长位置的有效反射微镜数量mod(βi)=[|αi|×q]， mod表示对小数做取整运算，计算过程符合四舍五入规则；
其中，配置数字微镜DMD（m×q），横轴方向为波长方向，m列对应m个波长位置，竖轴方向为强度方向，q行对应每列有q个微镜。
在具体实施例中，所述指标确定模块，具体用于：
基于权重系数βi（i=1，2，…，m）为正值或负值，根据单点探测器接收到的近红外光，计算其光谱强度I=I(1)-I(2)= x1∙α1+x2∙α2+…+xm∙αm，其中，I(1)为权重系数为正值采集的光谱强度，I(2) 为权重系数为负值采集的光谱强度；再通过公式y=βmax×I+β0，计算得到样品指标。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种近红外光谱仪，其特征在于，包括：数字微镜DMD和单点探测器；
数字微镜DMD，根据各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数和DMD中各波长位置有效反射微镜数量的关系，控制DMD中各波长位置的有效反射微镜的数量和角度，以将经过有效反射微镜的近红外光全部反射到单点探测器；
单点探测器，根据接收到的近红外光计算其光谱强度以得到样品指标；
根据各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数和DMD中各波长位置有效反射微镜数量的关系，包括：
通过建立样品指标y与光谱强度x的函数模型：y=x1∙β1+x2∙β2+…+xm∙βm+β0，得到各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数：β1，β2，…，βm，β0，其中，m为波长位置参数；权重系数βi为正值或负值，i=1，2，…，m；β0为常数项；
根据权重系数β1，β2，…，βm中最大系数βmax，计算得到修正系数：α1，α2，…，αm：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 855659DEST_PATH_IMAGE002
，……，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，……，
Figure 174383DEST_PATH_IMAGE004
，
样品指标y可以表示：y=βmax×I+β0=βmax(x1∙α1+x2∙α2+…+xm∙αm)+β0；
根据权重系数为βmax所对应的DMD中相应波长位置的有效反射微镜数量mod(βmax)=q，确定DMD中其他各波长位置的有效反射微镜数量mod(βi)=[|αi|×q]， mod表示对小数做取整运算；
其中，配置数字微镜DMD（m×q），横轴方向为波长方向，m列对应m个波长位置，竖轴方向为强度方向，q行对应每列有q个微镜；
根据接收到的近红外光计算其光谱强度以得到样品指标，包括：
基于权重系数βi的正值或负值，根据单点探测器接收到的近红外光，计算其总光谱强度I=I(1)-I(2)= x1∙α1+x2∙α2+…+xm∙αm，其中，I(1)为权重系数为正值采集的光谱强度，I(2)为权重系数为负值采集的光谱强度；再通过公式y=βmax×I+β0，计算得到样品指标。
2.根据权利要求1所述的近红外光谱仪，其特征在于，配置一个单点探测器；根据权重系数的正值或负值，DMD分别控制其各波长位置的有效反射微镜的数量和角度，分次将近红外光全部反射到单点探测器；单点探测器分次接收数字微镜DMD反射的近红外光，通过计算总光谱强度得到待测样品指标。
3.根据权利要求1所述的近红外光谱仪，其特征在于，配置两个单点探测器；根据权重系数的正值或负值，DMD分别控制其各波长位置的有效反射微镜的数量和角度，单次将近红外光全部分别反射到两个单点探测器；两个单点探测器分别接收数字微镜DMD反射的近红外光，通过计算总光谱强度得到待测样品指标。
4.根据权利要求1-3任一项所述的近红外光谱仪，其特征在于，所述近红外光谱仪还包括：入射狭缝、第一聚焦机构、反射光栅、第二聚焦机构；经样品的光通过入射狭缝进入，后经第一聚焦机构聚焦到反射光栅上分光，再经第二聚焦机构聚焦到数字微镜DMD的微镜阵列，再反射到单点探测器进行收集。
5.一种近红外光谱仪的控制方法，其特征在于，包括：
通过光谱数据建模得到各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数；
根据权重系数确定DMD中各波长位置有效反射微镜的数量；
控制DMD中各波长位置的有效反射微镜的数量和角度；
根据单点探测器接收到的近红外光计算其光谱强度以得到样品指标；
根据权重系数确定DMD中各波长位置有效反射微镜的数量，包括：
根据权重系数β1，β2，…，βm中最大系数βmax，计算得到修正系数：α1，α2，…，αm：
Figure 933391DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 407098DEST_PATH_IMAGE002
，……，
Figure 251557DEST_PATH_IMAGE003
，……，
Figure 203333DEST_PATH_IMAGE004
，
样品指标y可以表示：y=βmax×I+β0=βmax(x1∙α1+x2∙α2+…+xm∙αm)+β0；
根据权重系数为βmax所对应的DMD相应波长位置的有效反射微镜数量mod(βmax)=q，确定DMD中其他各波长位置的有效反射微镜数量mod(βi)=[|αi|×q]，mod表示对小数做取整运算；
其中，配置数字微镜DMD（m×q），横轴方向为波长方向，m列对应m个波长位置，竖轴方向为强度方向，q行对应每列有q个微镜；
根据单点探测器接收到的近红外光计算其光谱强度以得到样品指标，包括：
基于权重系数βi的正值或负值，根据单点探测器接收到的近红外光，计算其光谱强度I=I(1)-I(2)= x1∙α1+x2∙α2+…+xm∙αm，其中，I(1)为权重系数为正值采集的光谱强度，I(2) 为权重系数为负值采集的光谱强度；再通过公式y=βmax×I+β0，计算得到样品指标。
6.根据权利要求5所述的近红外光谱仪的控制方法，其特征在于，通过光谱数据建模得到各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数，包括：
通过建立样品指标y与光谱强度x的函数模型：y=x1∙β1+x2∙β2+…+xm∙βm+β0，得到各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数：β1，β2，…，βm，β0，其中，m为波长位置参数；权重系数βi为正值或负值，i=1，2，…，m；β0为常数项。
7.一种近红外光谱仪的控制系统，其特征在于，包括：
权重系数模块，用于通过光谱数据建模得到各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数；
参数计算模块，用于根据权重系数确定DMD中各波长位置有效反射微镜的数量；
DMD控制模块，用于控制DMD中各波长位置的有效反射微镜的数量和角度；
指标确定模块，用于根据单点探测器接收到的近红外光计算其光谱强度以得到样品指标；
所述参数计算模块，具体用于：
根据权重系数β1，β2，…，βm中最大系数βmax，计算得到修正系数：α1，α2，…，αm：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 613585DEST_PATH_IMAGE006
，……，
Figure 900604DEST_PATH_IMAGE003
，……，
Figure 232359DEST_PATH_IMAGE004
，
样品指标y可以表示：y=βmax×I+β0=βmax(x1∙α1+x2∙α2+…+xm∙αm)+β0；
根据权重系数为βmax所对应的DMD中相应波长位置的有效反射微镜数量mod(βmax)=q，确定DMD中其他各波长位置的有效反射微镜数量mod(βi)=[|αi|×q]，mod表示对小数做取整运算；
其中，配置数字微镜DMD（m×q），横轴方向为波长方向，m列对应m个波长位置，竖轴方向为强度方向，q行对应每列有q个微镜；
所述指标确定模块，具体用于：
基于权重系数βi的正值或负值，根据单点探测器接收到的近红外光，计算其光谱强度I=I(1)-I(2)= x1∙α1+x2∙α2+…+xm∙αm，其中，I(1)为权重系数为正值采集的光谱强度，I(2) 为权重系数为负值采集的光谱强度；再通过公式y=βmax×I+β0，计算得到样品指标。
8.根据权利要求7所述的近红外光谱仪的控制系统，其特征在于，所述权重系数模块，具体用于：
通过建立样品指标y与光谱强度x的函数模型：y=x1∙β1+x2∙β2+…+xm∙βm+β0，得到各波长光谱强度对样品指标影响的权重系数：β1，β2，…，βm，β0，其中，m为波长位置参数；权重系数βi为正值或负值，i=1，2，…，m；β0为常数项。
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