1、毕业设计 （ 论文 ）文献综述题目 基于光谱分析的茶叶嫩芽识别方法研究别方法研究专业 光信息科学与技术班级 光信 101学号 3100242017学生 党 静指导教师 刘君 教授二一四年2014 届 光信息科学与技术专业 毕业设计（文献综述）1前言本课题主要是研究基于光谱分析的嫩芽识别方法。随着光谱技术和光谱仪器的发展，获取到的光谱数据质量越来越高，光谱分析技术在农业方面的应用也更加的广泛。光谱分析法是利用植物与土壤、不同植物之间反射的电磁辐射的光谱信息的差异进行识别。自然界的物体对外界电磁辐射发生一定的吸收和反射，把发出或吸收后的光谱按波长大小排列下来就形成了光谱。地面植物具有明显的光谱反射
2、特征，不同于土壤、水体和其他的典型地物，植被对电磁波的响应是由其化学特征和形态学特征决定的，这种特征与植被的发育、健康状况以及生长条件密切相关。所以目前考虑用光谱分析技术对植物的新老叶片进行识别。本文介绍了光谱技术的概念、发展历程、国内外的应用情况及其发展趋势，另外也介绍了三种典型的光谱仪。光谱分析技术应用前景广阔，引起了国内外众多科技工作者的广泛关注和浓厚的研究兴趣。文献综述将所用到的有关资料集中在一起，使本课题的研究层次更加鲜明，更好地引导此次的毕业论文的完成。2014 届 光信息科学与技术专业 毕业设计（文献综述）2正文1 光谱技术1.1 光谱技术的概念光谱学是光学的一个分支学科，它主要
3、研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。光谱是电磁辐射按照波长的有序排列，根据实验条件的不同，各个辐射波长都具有各自的特征强度。光谱技术按性质可以分为几下几类：发射光谱、吸收光谱、荧光光谱、红外光谱、紫外光谱。光谱学的研究已有一百多年的历史了。光谱学的最大特色之一是许多不可接触和不许损伤的对象，别的仪器和别的方法无能为力时，可以用光谱方法解决问题。典型的如天文对象、高温物体（火焰之类） 、放电气体等，可以说，在分子和原子层次上物质作分析研究，主要是用光谱方法。20 世纪初的物理学革命，是从光谱的实验现象引发的。1.2 光谱技术国内外的发展历程在国外，早在 1666 年，牛顿把通过玻璃
4、棱镜的太阳光分解成了从红光到紫光的各种颜色的光谱，并发现白光是由各种颜色的光组成的。18021815 年，渥拉斯顿、夫琅禾费通过圆孔衍射观察到了光谱线，之后公布了太阳光谱中的许多条暗线，并以字母来命名。19 世纪 50 年代，瑞典物理学家埃斯特朗探测出氢原子光谱中最强的一条谱线，此后氢原子光谱成为了光谱学研究的一个重要课题。19 世纪 60 年代，基尔霍夫与本生发展实用光谱学，证明了光谱可以用作定性化学分析的新方法，并利用这种方法发现了当时还未知的几种元素，并且证明了太阳里也存在着许多已知的元素。18851889 年，瑞士科学家巴耳末和瑞典光谱学家里德伯找到一个已知的氢原子诺线位置、碱金属原子
5、光谱系的公式。1986 年，塞曼把光源放在磁场中来观察磁场对光三重线，发现这些谱线都是偏振的，2014 届 光信息科学与技术专业 毕业设计（文献综述）3即称之为塞曼效应。在国内，解放后，我国的光谱仪器工业从无到有，由小到大，得到飞跃的发展，且具有一定的规模，与世界先进技术竞争中求生存，社会商品竞赛中得到发展。1958 年开始试制光谱仪器，生产了我国第一台中型石英摄谱仪，大型摄谱仪，单色仪等。中科院光机所开始研究刻制光栅，59年上海光学仪器厂，63 年北京光学仪器厂开始研究刻制光栅，63 年研制光刻成功。19661968 年北京光学仪器厂和上海光学仪器厂先后研制成功中型平面光栅摄谱仪和一米平面光
6、栅摄谱仪及光电直读头。19711972年由北京第二光学仪器厂研究成功国内第一台 WZG200 平面光栅光量计，结束了我国不能生产光电直读光谱仪的历史。19982004 年，我国成功研制出第一台紫外拉曼光谱仪，解决了国际拉曼光谱领域长期存在的荧光干扰问题，之后研制成功一台可见全波段共振拉曼光谱仪。2010 年，我国发现并获得了世界上第一张激发波长低至 177 纳米的深紫外拉曼光谱。这些都展现了我国的光谱技术有了更快更好地发展。1.3 光谱技术的应用目前已有数十个国家和地区从事光谱分析这一领域的研究和开发。1.3.1 国外光谱技术的应用情况美国德州仪器公司的 Ronald E.Stafford 等
7、人提出使用 DMA(Digital Micromirror Array)作为光谱合成元件的成像光谱仪，降低了仪器成本，提高了检测速度：但是采用三层结构，加工工艺复杂，导致成品率低，同时受到国外专利保护及技术垄断。 美国 Polychromix 公司，Honeywell 研究实验室、桑迪亚国家实验室和麻省理工学院公司联合科研组的 Stephen Senturia 教授等人推出了基于衍射光栅光束原理的可编程式数字变换光谱仪。可测波长范围从 0.9um到 2.5um，性能可靠，结构紧凑，内部没有可移动部件，消除了部件移动2014 届 光信息科学与技术专业 毕业设计（文献综述）4可能带来的误差。在近红
8、外光谱监测技术领域是真正意义上从实验室检测仪器发展到了现场检测仪。目前已经成功应用到了乳品生产线上进行实时在线监测。但是，其使用三层结构的光栅光阀作为光通道开关，工艺要求高，国内很难加工，价格昂贵，同时受到国外专利保护及技术垄断。德国的 F.Zimmer 等人提出的一种基于 MEMS 技术的扫描光栅光谱仪，复色光入射到可旋转的光栅上，通过调制光栅，使不同波长的衍射光入射到单个 InGaAs 探测器。可测范围 0.9um2um。但是，该光栅光谱仪中使用了微机械扫描结构，同时所使用的衍射光栅加工复杂。 韩国卡希斯有限公司研发制造的食品专用检测设备，但是价格昂贵。此外，德国 Hamburg-Harb
9、urg 大学、瑞士 Neuchatel 大学、美国斯坦福大学、芬兰学者 Martti Blomberg 等都进行了光谱检测仪方面的研究。1.3.2 国内光谱技术的应用情况重庆大学温志渝等人开发的基于微镜的红外光谱仪器和集成微型近红外光谱仪，该微型近红外光谱仪采用 MEMS 扫描微镜，使用集成化技术，仪器体积大大减小，是国内科研机构最早研制出来的微型近红外光谱仪。但是由于国内工艺很难有效解决扫描面积（入光能量）和驱动电压这两个关键参数的匹配，目前正在进行多电极驱动扫描微镜近红外光谱仪的研究。另外温志渝等人也研制了基于线阵探测器件的微型近红外光谱仪。但是，由于使用昂贵的 InGaAs 探测线阵，仪
10、器成本比较昂贵。中科院长春光机所开发出基于固定滤光片的粮食专用型 NIR 实时测量系统。郑建荣等人研制了滤光片反射式 NIR 测试装置，对流花床喷雾制粒生产过程中颗粒含水量进行了实时监测试验。谢晓明提出了一种用于中途油气层探测的基于滤光片的 NIR 实时测量系统。上海棱光技术有限公司研制出了光栅扫描式 NIR 农产品品质分析仪。国土资源部现代地球物理开放实验室研制出了光栅扫描式便携式 NIR 矿2014 届 光信息科学与技术专业 毕业设计（文献综述）5物分析系统。江绍基研制了光栅扫描式光学膜厚 NIR 监控仪。天津大学基于 AOTF 技术开发出了 NIR 乳品成分快速分析仪。毕卫红提出了一种新
11、型的基于 AOTF 的便携式 NIR 光谱测量仪。中国农业大学研制出以LED 为光源的便携式 NIR 整粒小麦成分测量仪和 NIR 玉米品质分析仪。北京第二光学仪器厂研制出 WQF400N 型傅里叶变换型 NIR 光谱仪和辛烷值测定仪。此外，浙江大学、华中农业大学、石油化工科学研究院等进行了基于光谱分析的食品安全监测研究，并取得了一定的成绩。1.4 光谱技术的发展趋势光谱技术和光谱仪器持续向高科技知识密集化方向发展。20 世纪末已经发展成为成熟的数字化、智能化、网络化光谱分析检测技术和光谱仪器，目前已成为光谱技术和光谱仪器持续发展的主要方向；以光学原理为基础、以精密机械为构架、以电子信号处理为
12、显示的传统光-机-电一体化光谱仪器已经退缩为现代光谱仪器中的二等地位组成，而数字化、智能化、网络化等部分已成为仪器的核心组成。近期国内外新颖光谱仪器新产品层出不穷，其主要变化或进展大部分都体现在核心数字化组成方面。2004年德国 Zeiss 公司推出应用连续光源、交叉色散系统的 contrAA 连续光源原子吸收分光光度计构成的，核心组成的，不断吸收最新高科技发展成果而不断更新，而且使光谱仪器发生出人意料的革命性变化，将是今后若干年光谱仪器事业持续发展的主流方向。另外，现代科技在高集成器件技术（如芯片技术） 、传感器、微型器件、硅工艺方面的成果日新月异，其功能、性能常有惊人的进展，而现代信息理论
13、、数学处理方法、计算软件系统也在不断发展，这些成果都会很快被吸收入新颖光谱仪器事业的持续发展进程中。今后，光谱仪器事业也会继续沿着全方位发展的道路持续发展，光谱技术和光谱仪器在现代科技、现代大产业（大规模自动化生产、大规模可2014 届 光信息科学与技术专业 毕业设计（文献综述）6控科技农业等）的持续发展要求下，不但会继续发展高精度、多功能大型光谱分析检测仪器或相应的系统，以满足诸如现代航空航天、环境生态保护、自然灾害预测预报、全球性传染病（爱滋、禽流感、非典、疟疾）控制、大规模战争和恐怖活动控制等领域的分析检测要求，也会发展大量新的高灵敏、高分辨、高可靠、多维信息的科学型光谱仪器或系统，并得
14、到快速推广应用；而且会更多地出现可在现场、生产线、战场实地工作、无人监守、联网工作的种种新颖的实用型光谱仪器或系统，成为大批量生产在线测控、野外环境监测等领域必不可少的分析检测手段。2 三种典型的光谱仪2.1 近红外光谱仪2.1.1 近红外光谱技术近红外光（Near Infrared，NIR）是介于可见光（VIS）和中红外光（MIR ）之间的电磁波，ASTM 定义的近红外光谱区的波长范围为 7802526nm（ 128203959cm-1） ，习惯上又将近红外区划分为近红外短波（7801100nm ）和近红外长波（ 11002526nm）两个区域。近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振
15、动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的主要是含氢基团 XH（X=C、N、O）振动的倍频和合频吸收。不同团（如甲基、亚甲基，苯环等）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，NIR 光谱具有丰富的结构和组成信息，非常适合用于碳氢有机物质的组成与性质测量。2.1.2 近红外光谱仪的分析原理近红外光谱仪（NIR）具有丰富的结构和组成信息，非常适合用于碳氢有机物质的组成与性质测量。但在 NIR 区域，吸收强度弱，灵敏度相对较低，吸收带较宽且重叠严重。因此，依靠传统的建立工作曲线方法进行定量分析是十分困难的，化学计量学的发展为这一问题的解决奠定了数2014 届 光信息科学与技术专业 毕
16、业设计（文献综述）7学基础。其工作原理是，如果样品的组成相同，则其光谱也相同，反之亦然。如果建立了光谱与待测参数之间的对应关系（称为分析模型） ，那么，只要测得样品的光谱，通过光谱和上述对应关系，就能很快得到所需要的质量参数数据。分析方法包括校正和预测两个过程：（1）在校正过程中，收集一定量有代表性的样品（一般需要 80 个样品以上） ，在测量其光谱图的同时，根据需要使用有关标准分析方法进行测量，得到样品的各种质量参数，称之为参考数据。通过化学计量学对光谱进行处理，并将其与参考数据关联，这样在光谱图和其参考数据之间建立起一一对应映射关系，通常称之为模型。虽然建立模型所使用的样本数目很有限，但通
17、过化学计量学处理得到的模型应具有较强的普适性。对于建立模型所使用的校正方法视样品光谱与待分析的性质关系不同而异，常用的有多元线性回归，主成分回归，偏最小二乘，人工神经网络和拓扑方法等。显然，模型所适用的范围越宽越好，但是模型的范围大小与建立模型所使用的校正方法有关，与待测的性质数据有关，还与测量所要求达到的分析精度范围有关。实际应用中，建立模型都是通过化学计量学软件实现的，并且有严格的规范（如 ASTM6500 标准） 。（2）在预测过程中，首先使用近红外光谱仪测定待测样品的光谱图，通过软件自动对模型库进行检索，选择正确模型计算待测质量参数。2.1.3 近红外光谱技术的发展趋势近红外光谱技术（
18、NIR）是 90 年代以来发展最快、最引人注目的分析技术之一。随着 NIR 分析方法的深入应用和发展，已逐渐得到大众的普遍接受和官方的认可。1978 年美国和加大就采用近红外法作为分析小麦蛋白质的标准方法，1998 年美国材料试验学会制订了近红外光谱测定多元醇（聚亚安酯原材料）中羟值含量的 ASTM D6342 标准方法。2003年，在我国也正式实施了近红外光谱方法测定饲料中水分、粗蛋白质、粗2014 届 光信息科学与技术专业 毕业设计（文献综述）8纤维、粗脂肪、赖氨酸、蛋氨酸的国家标准 GB/T。由于近红外光在常规光纤中有良好的传输特性，且其仪器较简单、分析速度快、非破坏性和样品制备量小、几
19、乎适合各类样品（液体、粘稠体、涂层、粉末和固体）分析、多组分多通道同时测定等特点，成为在线分析仪表中的一枝奇葩。近几年，随着化学计量学、光纤和计算机技术的发展，在线近红外光谱分析技术正以惊人的速度应用于包括农牧、食品、化工、石化、制药、烟草等在内的许多领域，为科研、教学以及生产过程控制提供了一个十分广阔的使用空间。2.2 傅里叶变换红外光谱仪2.2.1 傅里叶变换红外光谱仪傅里叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer，简写为 FTIR Spectrometer）,简称为傅里叶红外光谱仪。傅里叶变换红外光谱仪光谱范围：4000400cm-1
20、 或 7800350cm-1(中红外) / 125000350cm-1(近、中红外)。它不同于色散型红外分光的原理，是基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换的原理而开发的红外光谱仪，主要由红外光源、光阑、干涉仪（分束器、动镜、定镜） 、样品室、检测器以及各种红外反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。可以对样品进行定性和定量分析，广泛应用于医药化工、地矿、石油、煤炭、环保、海关、宝石鉴定、刑侦鉴定等领域。2.2.2 傅里叶变换红外光谱仪基本原理光源发出的光被分束器（类似半透半反镜）分为两束，一束经透射到达动镜，另一束经反射到达定镜。两束光分别经定镜和动镜反射再回到分束器，动镜以一恒定速度作直线运动，
21、因而经分束器分束后的两束光形成光程差，产生干涉。干涉光在分束器会合后通过样品池，通过样品后含有样品信息的干涉光到达检测器，然后通过傅里叶变换对信号进行处理，最2014 届 光信息科学与技术专业 毕业设计（文献综述）9终得到透过率或吸光度随波数或波长的红外吸收光谱图。2.2.3 傅里叶变换红外光谱仪主要特点（1）信噪比高傅里叶变换红外光谱仪所用的光学元件少，没有光栅或棱镜分光器，降低了光的损耗，而且通过干涉进一步增加了光的信号，因此到达检测器的辐射强度大，信噪比高。（2）重现性好傅里叶变换红外光谱仪采用的傅里叶变换对光的信号进行处理，避免了电机驱动光栅分光时带来的误差，所以重现性比较好。（3）扫
22、描速度快傅里叶变换红外光谱仪是按照全波段进行数据采集的，得到的光谱是对多次数据采集求平均后的结果，而且完成一次完整的数据采集只需要一至数秒，而色散型仪器则需要在任一瞬间只测试很窄的频率范围，一次完整的数据采集需要十分钟至二十分钟。2.2.4 傅里叶变换红外光谱仪发展趋势傅里叶变换光谱仪与其他仪器的连用技术在近几年比较受关注，傅里叶变换光谱仪与色谱连用可以对多组分的样品进行分离和测定，与显微镜连用可以对微量样品进行分析鉴定，与热失重连用可以对材料的热稳定进行研究等。实践证明这是一种十分有效地实用技术，现已实现联机的有气相色谱红外，高效液相色谱红外，显微镜红外，热失重红外，薄层色谱红外等，这些都进
23、一步提高了仪器的分析分离能力。同时在最近几年，随着计算机技术的发展，红外光谱技术与计算机结合起来，定性的对光谱进行了测定与分析，从而减轻了分析光谱的工作量。2.3 普林斯顿高性能光谱仪2.3.1 普林斯顿高性能光谱仪2014 届 光信息科学与技术专业 毕业设计（文献综述）10普林斯顿仪器公司的光谱仪分部 Acton 公司是一家有着几十年光谱仪生产经验的厂家，其生产的高性能的光谱仪在科研领域被认为是性能最为优良的分光仪器。结合 Acton 公司的优良的镀膜基础，加上与普林斯顿生产的最好的科学级 CCD 完美的配合，最好的保证了最大的光通量和最佳的分辨率。Acton SP2000 系列在科研领域被
24、公认为高质量的光谱仪，具有高分辨率，高精度，高稳定性。每一台 Acton SP2000 均采用非球面镜，以获得更好的成像效果。2.3.2 Acton SP2000 系列的优势（1） 非常方便的升级到两级或三级级联光谱系统，以满足高分辨率的要求；（2） 100 种可选光栅，波段范围从 30 纳米至 12 微米，完全满足各种不同波段的需求；（3） 完美的图像光学校正，为多信道的光谱应用提供最佳的解决方案；（4） 内置光栅塔轮，可以同时安装 3 块光栅，每次更换光栅或者塔轮，都不需要重新做光学校正，给实验研究带来很大的方便；（5） 可选内置滤光片轮、内置快门，同时还可选电动狭缝（由软件控制） ，方便
25、光谱仪的远程控制；（6） PI 特有镀膜，可有效增强各波段的反射率，提升通光效率。2.3.3 Acton SP2500 光谱仪的技术参数（用 1200 刻线光栅）如下表所示：聚焦长度 500mmF 数（数值孔径） 6.52014 届 光信息科学与技术专业 毕业设计（文献综述）11线色散倒数（435.833nm ） 1.52nm/mm扫描范围（1200 刻线光栅） 0-1400nmCCD 分辨率（ 20um pixel，20um slit width）0.05nm光电倍增管分辨率（10um 狭缝宽度） 0.05nm波长覆盖范围（26.8mmCCD ） 41nm光栅尺寸 68*68mm 和 68*
26、84mm 可选象面尺寸 27mm（W）*14mm（H）狭缝尺寸 10um 到 3mm 手动光栅塔轮 三光栅波长精度 0.2nm复位精度 0.05nm重量 18Kg接口 USB RS2322014 届 光信息科学与技术专业 毕业设计（文献综述）12总结鉴于光谱技术在农作物品质检测、生物医学检测、工业产品质量检测等领域具有广阔的应用前景，所以多年以来都在不断地发展和完善，现如今光谱技术已经愈发的成熟，光谱仪器的分辨率和扫描速度也越来越高，当然也还有许多需要深入研究的地方。近红外光谱仪测量谱线较窄；傅里叶光谱仪只适用于液态和气态物体的测量，对固体物质不能实施测量；且这两种仪器都存在移动性部件，测量时
27、对工作的环境要求非常严格。而普林斯顿高性能光谱仪测量范围较宽，其将作为近期内光谱仪的主要研究对象，而其应用也倍受青睐。 2014 届 光信息科学与技术专业 毕业设计（文献综述）13参考文献1 光谱学与光谱分析 期刊社 北京大学出版社 19812 光谱化学分析 魏继中 内蒙古人民出版社 19783 近红外光谱分析基础与应用 严衍禄 中国轻工业出版社 20054 傅里叶光学 吕乃光 机械工业出版社 20065 傅里叶变换红外光谱分析 翁诗甫 化学工业出版社 20106 J. F. James and R. S. Sternberg (1969), The Design of Optical Spe
28、ctrometers （Chapman and Hall Ltd）7 James, John (2007), Spectrograph Design Fundamentals (Cambridge University Press) ISBN 0-521-86463-18 Browning, John (1882), How to work with the spectroscope : a manual of practical manipulation with spectroscopes of all kinds9 Palmer, Christopher, Diffraction Grating Handbook, 6th edition, Newport Corporation (2005). 110 分子光谱分析中的新技术和新方法研究 分子光谱分析中的新技术和新方法研究编委会编 2009.0911 分子光谱学专论 吴征铠，唐敖庆主编 19992014 届 光信息科学与技术专业 毕业设计（文献综述）14
