近红外光谱数据处理
近红外光谱数据预处理
近红外光谱数据预处理
近红外光谱数据预处理是将原始光谱数据进行清洗、校正和转换，以提高数据质量并使其适合后续数据分析和建模。
下面是一些常见的近红外光谱数据预处理步骤：
1. 背景处理：处理光谱中的背景噪声。
可以通过采集背景光谱并从样本光谱中减去背景光谱来实现。
2. 光谱对齐：将不同样本的光谱对齐，以确保它们从同样的起点和终点开始。
这可以通过插值或者使用标准光谱进行校准来实现。
3. 波长选择：选择感兴趣的波长范围。
有时，只有特定的波长信息是有用的，可以通过删除不必要的波长来减小数据集的维度。
4. 数据平滑：使用平滑算法（如Savitzky-Golay算法）来降低数据中的噪声，并提高光谱的光滑性。
5. 数据标准化：对光谱数据进行标准化，使得不同样本的数值范围一致。
常用的标准化方法包括最大最小值标准化、均值方差标准化等。
6. 数据去噪：对光谱数据进行去噪处理，例如使用小波变换或者降噪算法（如小波阈值降噪）。
7. 数据降维：对光谱数据进行降维处理，以减少数据的维度和特征数量。
常见的降维方法包括主成分分析（PCA）和偏最小二乘回归（PLS）等。
8. 数据插补：对存在缺失值或异常值的数据进行插补或处理，以填补数据空缺或修复异常值。
以上是一般常见的近红外光谱数据预处理步骤，具体的预处理方法可以根据数据的特点和需求进行选择和调整。
基于小波分析的近红外光谱数据预处理
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析模型更加稳健、 可靠 ， 常常需要对测定的光谱数据进行预 处理． 结合 大豆油 脂酸价 的近红外光谱 分
析 方 法 ， 由瑞 典 波 通 公 司的 Ｄ ７０ 对 Ａ ２ ０型 近 红 外 光 谱 仪 记 录 的 ３ ６组 大 豆 油 脂 样 品 光 谱 数 据 ， 用 小 采
近红外光谱分析的原理技术与应用
近红外光谱分析的原理技术与应用引言近红外光谱分析是一种非破坏性、快速、准确的分析技术，广泛应用于食品、医药、化妆品、环境监测等领域。
本文将介绍近红外光谱分析的原理、技术和应用。
近红外光谱分析的原理近红外光谱分析利用物质吸收或反射近红外光时产生的特征光谱来分析物质的成分和性质。
近红外光谱分析主要基于以下两个原理：1.分子振动吸收原理：物质中的化学键振动会引起近红外光的吸收，吸收峰的位置与化学键的特异性有关。
2.红外光与物质的相互作用原理：物质吸收了红外光后，其分子内部发生改变，从而产生特征的近红外光谱。
近红外光谱分析的技术近红外光谱分析的技术主要包括光源、光谱仪和数据处理三个方面。
光源常用的光源有白炽灯、光电二极管和激光等。
其中白炽灯发射连续谱，适用于宽波长范围的分析；光电二极管具有快速响应和高稳定性，常用于近红外光谱分析仪器；激光具有较高的亮度和窄的波长范围，适用于特定波长范围的分析。
光谱仪常用的光谱仪有分光镜、光栅和红外线摄像机等。
分光镜通过将近红外光谱聚焦到光栅上，并通过旋转光栅来选择不同波长光线；光栅则将不同波长的光线分散成不同的角度形成光谱；红外线摄像机可通过感应近红外光谱并将其转换成数字信号。
数据处理近红外光谱分析的数据处理通常包括预处理、特征提取和模型建立等步骤。
预处理常用的方法有光谱校正、光谱平滑和光谱标准化等；特征提取可使用主成分分析、偏最小二乘回归等方法；模型建立则可以采用多元回归分析、支持向量机等模型进行建立。
近红外光谱分析的应用近红外光谱分析在多个领域具有广泛应用，以下为几个常见的应用示例：•食品质量检测：近红外光谱分析可用于检测食品中的营养成分、添加剂和污染物等，以保证食品的安全和质量。
•药物分析：近红外光谱分析可用于药品的成分分析、质量控制以及伪药的鉴定等。
•化妆品分析：近红外光谱分析可用于分析化妆品中的成分、性质和质量，以确保产品的合规性和安全性。
•环境监测：近红外光谱分析可用于监测土壤、水质和大气中的污染物，以帮助保护环境和预防环境污染。
近红外光谱数据预处理
近红外光谱数据预处理
近红外光谱数据预处理是指对采集到的近红外光谱数据进行一系列处理步骤，以提高数据质量和可用性的过程。
常见的近红外光谱数据预处理方法包括：
1. 线性基线校正：校正光谱中的基线漂移，消除光谱测量仪器的非线性响应或实验环境的干扰。
2. 报告点切割：将光谱数据切割为固定的报告点，加快后续处理的速度。
一般会选择在谱段中平均分配报告点，或者根据特定的光谱信息选择报告点。
3. 扣除散射信号：由于样品中的散射现象会引起近红外光谱的背景干扰，可以通过采用光谱散射校正方法，如标准正交校正(SOC)、多元散射校正 (MSC)、小波变换等，来减少散射信号对近红外光谱的影响。
4. 多元校正方法：包括正交偏最小二乘法 (OPLS)、主成分分析 (PCA)、典型相关分析 (CCA)等，在光谱数据中提取主要变化信息和样品之间的相关性。
5. 去噪处理：对光谱数据进行平滑或降噪处理，以减少随机噪声对数据的影响，常见方法包括移动平均、中值滤波、小波去噪等。
6. 数据标准化：通过线性或非线性变换，将光谱数据转化为均值为0、标准差为1的标准正态分布数据，有助于消除不同样
品之间测量尺度的差异。
7. 去除异常值：通过统计分析方法，检测并移除光谱数据中的异常值，能够减少异常值对后续分析的干扰。
这些预处理方法可以根据具体的实验目的和数据特点进行选择和组合使用，以提取出光谱数据中的有用信息，减少噪声和干扰，进而进行进一步的数据分析和建模。
python近红外光谱技术应用
python近红外光谱技术应用近红外光谱技术是一种快速、无损、准确的分析技术，可用于定性和定量分析各种样品。
在Python 中，我们可以使用一些库来处理近红外光谱数据，例如`numpy`、`pandas` 和`scikit-learn` 等。
下面是一个简单的示例，演示如何使用Python 进行近红外光谱数据的预处理和建模：```pythonimport numpy as npfrom sklearn.model_selection import train_test_splitfrom sklearn.ensemble import RandomForestClassifierfrom sklearn.metrics import accuracy_score# 加载近红外光谱数据data = np.loadtxt('spectra.csv', delimiter=',')# 划分训练集和测试集X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(data[:, :400], data[:, 401], test_size=0.2, random_state=42)# 构建随机森林分类器clf = RandomForestClassifier(n_estimators=100, random_state=42)# 训练模型clf.fit(X_train, y_train)# 预测测试集y_pred = clf.predict(X_test)# 计算准确率accuracy = accuracy_score(y_test, y_pred)print("Accuracy:", accuracy)```在这个示例中，我们首先加载了一个近红外光谱数据集（假设数据存储在`spectra.csv`文件中，每一行包含401 个光谱数据点）。
_近红外光谱解析实用指南_
_近红外光谱解析实用指南_近红外光谱解析是一种非常常用的分析技术，可用于定性和定量分析。
本指南旨在向读者介绍近红外光谱解析的基本原理、仪器设备、样品制备和数据分析方法。
一、基本原理近红外光谱是指在800至2500纳米波长范围内的光谱。
近红外光谱的原理是利用样品中分子振动和拉伸产生的光谱吸收特征来推测样品的成分和属性。
这些光谱特征是由于化学键振动、倾角、水合作用等引起的。
二、仪器设备近红外光谱仪是近红外光谱解析的关键设备。
现在市场上常见的仪器一般采用光栅技术，具有高分辨率和高精度。
仪器的重要参数包括光源、光路、检测器和光谱仪。
选择合适的仪器要考虑样品类型、分析要求和预算。
三、样品制备样品制备对于近红外光谱解析至关重要。
样品制备的目的是使样品以均匀、透明、薄膜形式呈现在仪器上。
常用的样品制备方法包括将样品粉碎后与固体粉末混合，或将液体样品稀释后滴在红外透明基底上。
四、数据分析方法近红外光谱解析的数据处理过程包括光谱校正、预处理、模型建立和模型验证等步骤。
首先，需进行光谱校正，如仪器平滑、波长校准和零点校准等。
接下来，进行样品的预处理，包括去噪、光谱标准化和特征选择等。
然后，构建合适的模型，可以采用主成分分析、偏最小二乘法或支持向量机等方法。
最后，进行模型验证和检验，评估模型的准确度和鲁棒性。
近红外光谱解析的应用非常广泛，涉及农业、食品、化学、药品、生物医学等领域。
它可以用于农产品质量检测、食品成分分析、药品质量控制等。
近红外光谱解析具有快速、非破坏性、准确度高等优点，因此备受研究者和工程师的青睐。
总结起来，近红外光谱解析是一种有效的分析技术，具有广泛的应用前景。
通过正确选择仪器设备，合理制备样品，以及采用科学的数据处理方法，可以实现准确、快速和可靠的分析结果。
希望本指南能够为读者提供有关近红外光谱解析的基本知识和实用指导。
近红外光谱分析技术的数据处理方法
近红外光谱分析技术的数据处理方法数据处理方法主要包括光谱预处理、特征提取和模型建立三个步骤。
光谱预处理是指在进行特征提取和模型建立之前对光谱数据进行预处理，主要目的是去除噪声、修正谱线偏移、提高曲线分辨率等。
常见的光谱预处理方法有：1. Baseline Correction（基线校正）：光谱图中常常存在基线漂移现象，可以通过多种方法进行校正，如直线基线校正、多项式基线校正、小波基线校正等。
2. Smoothing（平滑）：常用的平滑方法有移动平均、中值平滑、高斯平滑等，可以去除谱图中的高频噪声。
3. Normalization（归一化）：归一化可以将不同光谱样本之间的强度差异消除，常用的归一化方法有最小-最大归一化、标准差归一化等。
特征提取是指通过对预处理后的光谱数据进行降维或选择重要信息，提取出有效的特征用于模型建立。
常见的特征提取方法有：2. Partial Least Squares (PLS, 偏最小二乘法)：通过将多个预测变量与原始的输出变量进行线性组合，找到最佳的方向，实现数据降维并提取有效特征。
3. Variable Selection（变量选择）：通过对预处理后的光谱数据进行相关性分析、F检验、t检验等方法，筛选出与目标变量相关性较高的变量。
模型建立是指根据预处理后的光谱数据和与之对应的标准参照值，通过建立适当的数学模型，实现定量或定性的分析与检测。
常见的模型建立方法有：1. Partial Least Squares Regression（PLSR, 偏最小二乘回归）：通过与已知样本值的相关数据分析，建立起预测模型。
2. Support Vector Machine (SVM, 支持向量机)：通过寻找最佳的分割超平面，将样本划分到不同的类别中。
3. Artificial Neural Networks (ANN, 人工神经网络)：通过多层神经网络对光谱数据进行训练和拟合，实现预测与分析。
近红外光谱标准
近红外光谱标准近红外光谱技术作为一种重要的分析技术，在多个领域得到了广泛的应用。
为了规范近红外光谱技术的使用和推广，制定了一系列近红外光谱标准。
本文将介绍近红外光谱标准的主要内容，包括近红外光谱仪器标准、近红外光谱分析方法标准、近红外光谱样品制备标准、近红外光谱数据解析标准、近红外光谱应用领域标准、近红外光谱质量评估标准、近红外光谱安全操作标准以及近红外光谱数据处理标准。
近红外光谱仪器标准近红外光谱仪器是进行近红外光谱分析的基础设备，因此其性能和质量对分析结果有着至关重要的影响。
近红外光谱仪器标准主要包括仪器的基本参数、性能指标、稳定性、可靠性等方面的规定。
例如，仪器的主要技术指标应符合相应的测试方法及技术要求，仪器的稳定性应满足测试要求，仪器的操作应简单方便，仪器的安全性能应符合相关规定等。
近红外光谱分析方法标准近红外光谱分析方法标准是针对具体分析对象和方法制定的标准。
这些标准通常包括样品的前处理方法、光谱采集条件、谱图解析方法等方面的规定。
例如，样品的前处理应遵循一定的流程和规范，以保证样品的代表性和均匀性；光谱采集时应选择合适的波长范围和扫描次数，以保证光谱的质量和可靠性；谱图解析时应采用合适的数学方法和模型，以获得准确的分析结果。
近红外光谱样品制备标准近红外光谱样品制备是进行近红外光谱分析的重要环节之一。
样品制备不当可能会影响光谱的质量和分析结果的准确性。
近红外光谱样品制备标准主要包括样品的制备方法、样品制备过程中的质量控制等方面的规定。
例如，样品制备时应保证样品的代表性和均匀性，样品制备过程中应避免外部因素对样品的影响等。
近红外光谱数据解析标准近红外光谱数据解析是将采集的光谱数据转化为有用的分析结果的过程。
数据解析过程中涉及到数学建模、模型验证等方面，因此需要制定相应的标准来规范这一过程。
近红外光谱数据解析标准主要包括模型建立的方法、模型验证的方法、模型评价等方面的规定。
例如，模型建立时应选择合适的波长范围和变量，模型验证时应采用交叉验证等方法，模型评价时应根据实际应用情况进行评估等。
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全幅，6是二阶导数峰形全幅。正、负和全
幅的不同取法主要是避开定量工作特征峰 左右干扰叠加的影响。 （导数光谱法的原理、应用、请另见章节） QUANT软件定量示意图
原理： T% =
Ｉ
Ｉo
%
（ o ：入射光强度； Ｉ ：透射光强度） Ｉ
1 Ａ= ㏒( Ｔ ) =
㏒(
Ｉo
Ｉ
)
3 （2）横坐标变换 横坐标常用单位：波数 cm-1 & 波长 μm 二者互换关系： （ עcm -1） =
10 4 λ (μm)
红外光谱图常用格式： 标准格式 （ｂ），线性（等距）格式 （ａ）
j=1 n
( j = 1,2… n 组分）
这就是比耳定律得加和性，是一切光学测量中定量计算的依据。
上式中：
㏒
I0 I
= ａｂc = A
（许多书中也用KCL表示）
36
I0 称为光密度，又称吸收度 （absorbance ）、吸收率，用 A 表示。 I ａ（或K）称为吸收系数（absorptivity)、也称消光系数。
原谱
5点平滑
若用纵坐标扩展（或乘谱处理）增大峰强，
再用平滑消除毛刺（噪声），这二者复合 实用可适当减轻谱峰变形，但分辨率降低 仍不可避免。 13点平滑 25点平滑
六、定量方法
Io = （1）原理： Beer — Lambert 定律： Iａ + I +
35 I″ + I′
（入射光）（吸收）（透射）（散射）（辐射）
FTIR 数 据 处 理
FTIR 数据处理： 应用计算机程序对数字光谱进行的各种处理。 根据红外光谱实际工作需要，FTIR的数据处理主要有： 谱图格式变换 算术计算 导数光谱 定量方法
光谱加减
基线校正 提高信噪比
分峰技术
谱图检索 ……
一、谱图格式变换
（1）纵坐标变换： 常用单位：透光率 T %；吸光率 A
（ａ）Lambert 定律： 一束单色光通过一定浓度的均匀溶液时，光吸收强度与液层 I0 = ａ1 ｂ 厚度ｂ和入射光强度 I0 成正比； ㏒ I （ｂ） Beer 定律： 一束单色光通过一定厚度的均匀溶液时，若溶液浓度增加 dc， I0 则通过溶液后的光强度减弱dI； ㏒ = ａ2 c I I0 二定律合并： ㏒ = ａｂc = A ａ由ａ1、ａ2合并而成，称吸收系数 I
6
样品反射的红外能量数值。一些通常的反射方法包括漫反射（ DR ），衰
减全反射（ATR）和镜反射（SR）。
下图是一张以 % 反射率为单位的苯酸钠盐的谱图：
某一频率的反射率由方程给出： %R= （Ｉs /ＩB） 其中Ｉs 是由样品反射的红外能量强度，ＩB 是通过反射附件（用参比 样品代替样品）的红外能量强度，参考样品通常是一面镜子，溴化钾（KBr） 或氯化钾（KCl）粉。ＩB 被称为本底。
以对数（1 / R）为单位的谱图
某一频率的对数（1 / R）值由方程给出
㏒（1 / R）= - ㏒ 10（% R/100）
其中 %R 是同一频率红外能量的 % 反射率。 用对数（1/R）为单位显示一张反射谱图是很有用的，因为样品中组 分的含量与所测得的吸收值通常是线性相关的。
散射校正 散射校正用一个名为kramers-kronig 变换的数字校正方法从一张反射 谱图中消除光学散射的影响。在反射实验中，测量的能量包括有关 样品的吸收率和折射率的信息。折射率的变化形成了微分形频带， 这种影响被称为光学散射。
下图是一张以光声光谱为单位的咖啡因的谱图：
5
以光声光谱为单位的谱图
某一频率的光声光谱值（PAS）由方程给出
PAS = 100 （ Ｉs /ＩB )
其中Ｉs 是由样品以热辐射波形式发射的能量强度，ＩB 是由本底材料 （通常是碳黑）发射的能量强度。
（c）% Reflectance 格式 使用 Reflectanc 将反射谱图转换为 % 反射率单位。反射率单位表示
中的偏离（变异）的缘故（结果）。
注意： 像靠近高波数处的吸收极大值，折光指数开始减小起因于反射减少； 这表示镜反射光谱的自身聚降，初始较少之后，折光指数快速地增大 （如消光系数那样）导至尖锐的极大值 2
R
K=
(sin²Ф)½
R
R：镜反射光谱的反射率 Ф：反射光的相位角
1+R- 2
cos Ф
10 ETHYLENE / VINYL ACETATE COPOLYMER
26
27
PE 983 光栅仪器； 7500计算机； PECDS — Ⅲ FLAT 命令， CurVed （三点：3713，2357，697 cm‾1） 自动寻找给出，可更改 同时，另有二种可选用： Lineat （二点） Step （一点）
28
29
dp=
λ1
2π（sin2Q-n221）1/2
吸收峰易产生误差。
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四、基线校正 类型：水平校正 斜度校正 弯曲校正
基线校正通常都采用 A 谱。它对光谱中每一个数据点作指定方式的算术运算。 通式：
Y′ （~ = Y ）ע
Hale Waihona Puke ~ （） ע- （T + C
~ （） ע
）
ע Y（~ ）和 Y‘ （~ ） ע分别是校正前、后波数 ע处的纵坐标值。
示 差 方 法
13
14
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19 （四）影响示差的因素
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3.样品的状态因素
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判断标准 作为差谱判断标准的吸收峰要符合以下二个条件：
23
① 该峰是参比光谱所特有的，在其余组分的光谱中不存在该吸收峰。如果 在剩余组分光谱中也有此峰，则 必须知道参比光谱与剩余光谱中该吸收峰 处的强度比例。 ② 在参比光谱中该峰与其余的所有吸收峰在峰强与浓度间的关系都符合 比耳定律，这样才能采用同一差减因子减去全部参比光谱。如果不符合 这二个条件，得到的差谱可能因“畸变”而失真，这在实际工作中需要 注 意。 选择为差谱终点判据的吸收峰最好具有中等强度，太强或太弱的
（3）其它格式变换 （ａ）纵坐标转换成 Kubelka —— Munk 单位 （漫反射光谱用）
4
使用 Kubelka - Munk 将漫反射谱图转换为 Kubelka —— Munk 单位。
由于 Kubelka —— Munk 单位与吸收率单位相似，在商用的吸收谱库中检
索漫反射谱图， Kubelka —— Munk 格式是很有用的。
平滑处理示意图
平滑技术是对数据点值作一定的数字平均化计算处理，使误差重新分配， 34 以达到降低噪声的目的。但这种平滑方法 是将各数据点完全等同处理，并不区别峰 尖和峰谷、也不区别窄峰和宽峰，故而 使平滑后的谱线尖峰和弱小峰失真更严 重（见右图） 需用平滑处理的原谱建议用1cm-1 或 2cm-1分辨率采集。较多的数据点将 会降低失真程度。 累加能增加信号强度（提高S / N ）。
下图是一张以 Kubelka —— Munk 为单位来显示的 2，6一二氯苯基氰的漫反射谱图：
某一频率的 Kubelka —— Munk 值由方程给出 KM = （1 – R ）²/ 2R 这里 R 是扣 除了标准反射强度的样品反射强度。
(b) photoacoust ic 格式
使用 photoacoustic 将光声光谱谱图转换为光声光谱单位。光声光 谱谱图类似于一张吸收谱图并可以在吸收谱库中进行检索。
8
在数学上，消除散射影响后形成一张非常近似于吸收的谱图，并且结 果也以吸收率为单位显示。这张结果谱图可以在商用吸收库中检索并
打印参考文字. 下图表示一张塑料的反射谱图。谱图包括一些由光学散射引起的微分形峰，使 。
得谱图信息难于解释。
镜反射数据可以被分解成二个独立的光学参数 —— 折光指数和消光指 数——通过K——K关系（见公式）。镜反射数据的特殊形状是在这些参数
30
五、提高信噪比
（1）累加 31
32
（2）平滑 数字平滑相当于开宽狭缝，因此可提高信号值，其代价是降低了分辨率。 数字平滑法是在一纪录的谱线中重新建立一条谱线以消除部分噪声。 用于数字平滑的数学处理方法有很多，但都是以周围的数据点值做平
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均，以求得新的数据点。最常用的萨维特斯基 — 戈莱（Savitzky – Golay ) 法，它是以最小二乘法的多项式近似法，例如平滑后的 t0点的数值 T0可用 T 下式表示： 0 = C4t-4 + C3t-3 + C2t-2 + c1t-1 + C0 t0 + C1t1 + C2t2 + C3t3 + C4t4 Cn是平滑系数，t±n 表示 t0 前、后的几个点，上例 是前后4个点的9点平滑。平滑点数是奇数（常用的 5，9，13，25，49），高点数的平滑消除噪声明 显，但造成谱形变宽、峰强度降低。高点数平滑使 谱峰失真、弱小峰消失，故需慎用（见下图）。
注意： 原始光谱要求：最强峰大于 5% T；基线较平坦；信噪比较好。
三、光谱加、减
（1）光谱相 加：
12
可以模拟这二个原始光谱化合物相混后的混合物谱图。按需要还可 进行强度扩大 / 缩小（乘 / 除）的预处理。
光谱加、减处理中的二幅原始光谱必需：
ａ: 波数范围相同 （2）光谱相 减： 可以模拟处理在混合物红外光谱中扣除某一成分、或降低某一成分 含量的光谱处理。 在混合光谱中完全扣除某一成分的吸收谱(A)相减技术称为示差技术。 ｂ: 数据间隔相同（分辨率相同）
*
100
（c）
㏒（1/R）格式
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㏒（1/ R）
使用㏒（1 / R）将反射谱图转换为对数（1 / R）单位。对数（1 / R） 单位表示在反射实验中的样品所吸收的红外能量数。您可以转换任 何反射方法采集的谱图，包括镜反射（SR），漫反射（DR）和衰减 全反射（ATR）。