專利名稱：基于局部保持投影的紅外光譜儀校準方法
技術領域：
本發明涉及紅外光譜模型轉移技術領域，特別是涉及一種基于局部保持投影的紅外光譜儀校準方法。
背景技術：
紅外光譜技術因其快速、準確和無損而被廣泛應用于工業領域。光譜多元校正技術能夠有效地用于物質成分含量檢測和在線過程監測。但是多元校正模型在實際應用中常常會受到局限，這主要是由于已經建立的多元校正模型無法有效地應用于新的環境條件下觀測的譜圖或不同儀器采集的譜圖。重新校正方法可以克服這個局限，但是它每次都需要重新建立模型，這種方法的代價相當大，并且費時費力。模型轉移(model transfer)[1]是解決上述模型推廣問題的一種有效方法,它將在一臺儀器上建立的定性或定量校正模型可靠地移植到其它相同或類似的儀器上使用，或將在某一條件下建立的模型用于同一臺儀器另一條件下采集的譜圖，其本質就是消除量測信號之間的不一致性使得其適合于同一個模型。模型轉移在實際應用中起到很重要的作用，
它提供了一種可能，使得人們可以根據已有模型分析未來的樣本，而不需要重新建立模型
O目前，模型轉移主要有兩種途徑。從預處理的角度來看，對主、從儀器的譜圖進行預處理，消除與所測樣品無關的信息，使得主、從儀器的差異變小或消除，從而使得主儀器的模型能夠直接應用于從儀器，這類方法包括基線校正、導數變換、正態變量變換、多元散射校正、有限脈沖響應濾波、正交信號校正[3]、小波變換[4]和廣義最小二乘M等。從光譜變換的角度來看，尋找一個變換矩陣將從儀器光譜響應映射到主儀器，實現模型共享，代表性的方法有直接標準化和分段直接標準化[6]。但是，預處理方法可能導致譜圖信息損失，從而無法完全消除不同儀器譜圖間差異。光譜變換方法如分段直接標準化方法可能會受到正態噪聲的干擾。基于局部保持投影的模型轉移方法能夠有效克服噪聲的影響，目前還未見成熟的技術與文獻。此外，儀器型號的不同，以及采集環境的變化，會導致不同儀器采集的譜圖之間出現各種復雜的差異，如何通過變換手段有效消除這些差異是模型轉移技術的一個難題。[l]Feudale R N, Woody N AjTan H，et al. Transfer ofmultivariatecalibration models : a review. Chemometrics and IntelligentLaboratorySystems,2002，64(2)，181-192[2]Bouveresse E，Hartmann C，Massart D L. Standardization ofNear-1nfraredSpectrometric Instruments. Analytical Chemistry，1996，68，982—990[3]Wold S，Antti H，Lindgren F，et al. Orthogonal signalcorrect ionof near-1nfrared spectra. Chemometrics and IntelIigentLaboratorySystems,1998,44(1-2)，175-185[4] Tan H Wj Brown S D. Wavelet hybrid direct standardizationofnear — infrared multivariate calibrations. Journal of Chemometrics，2001，15(8),647-663[5] Martens H，Hgfy Mj Wise B M，et al. Prewhitening of databycovariance-weighted pre-processing.Journal of Chemometrics，2003，17(3)，153-165[ 6 ] W a n g Y，Veltkamp D Jj Kowalski B R. MultivariateInstrumentStandardization. Analytical Chemistry,1991，63(23)，2750 - 275
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種快速有效、方便便捷、重復性好的基于局部保持投影的紅外光譜儀校準方法。本發明為了解決上述技術問題設計了如下技術方案本發明設計了一種基于局部保持投影的紅外光譜儀校準方法，包括如下具體步驟步驟(I):采集主、從儀器標樣集的紅外光譜圖；步驟(2):利用步驟(I)中采集到的主、從儀器標樣集的紅外光譜圖建立反映主、從儀器紅外光譜圖差異的子空間局部保持投影變換矩陣；步驟(3):利用步驟(2)中建立的子空間局部保持投影變換矩陣，得到主、從儀器標樣集的紅外光譜圖之間的對應變換關系；利用該對應變換關系將從儀器上的紅外光譜圖變換到主儀器上；步驟(4):在主儀器校正集上建立光譜與濃度間的多元校正模型，利用該多元校正模型對步驟(3)中變換后的紅外光譜圖進行預測，使得主儀器模型能夠成功應用于從儀器紅外光譜圖，即實現模型轉移。作為本發明的一種優化方法所述步驟(2)包括如下具體處理步驟(21):將主、從儀器標樣集的紅外光譜圖分別構成矩陣Xms和Xss，將紅外光譜圖矩陣Xms和Xss分別進行子空間局部保持投影變換，利用公式Lm=XmsU和Ls=XssV得到子空間變量Lm和Ls，其中U和V定義為局部保持投影矩陣；步驟(22):建立子空間變量Lm和Ls之間的變換關系Lm=LsF1,并建立主儀器子空間變量Lm與主儀器標樣集Xms之間的變換關系Xms=LmF2，將上述關系代入得，Xms=XssVF1F2,從而得到子空間局部保持投影變換矩陣為F=VF1Fy作為本發明的一種優化方法所述步驟(3)包括如下具體處理步驟(31):利用公式Xms=XssVF1F2與局部保持投影方法計算得到局部保持投影矩陣U和V，并得到子空間變量Lm和Ls，利用最小二乘回歸或奇異值分解方法求解子空間變量Lm和Ls之間的變換關系Lm=LsF1和主儀器子空間變量Lm與主儀器標樣集Xms之間的變換關系Xms=LmF2，得到矩陣F1和F2,從而得到變換矩陣F=VF1F2,即為主、從儀器標樣集的紅外光譜圖之間的對應變換關系；步驟(32):進行子空間投影得到子空間投影后矩陣Ls,m=Xs,mV ；步驟(33):將步驟(32)中的子空間投影后矩陣變換到對應的主儀器子空間變量得到矩陣 Lnbun=LsiunF1 ；步驟(33):將步驟(32)中的矩陣變換到主儀器上得到= LmjmF1。
本發明與現有技術相比具有如下優點1.本發明所設計的基于局部保持投影的紅外光譜儀校準方法完全基于選定的標樣數據，算法求解過程中僅涉及權重參數，該參數取值穩定，無需人工調節，操作簡單；2.本發明所設計的基于局部保持投影的紅外光譜儀校準方法能夠揭示高維光譜數據的內在結構，將其嵌入到一個低維流形，有效地保持了光譜數據的局部結構，消除了噪聲等干擾因素的影響，提高了模型轉移的穩健性；3.本發明所設計的基于局部保持投影的紅外光譜儀校準方法易于推廣到非線性核空間，因而基于局部保持投影的模型轉移方法能夠有效地消除譜圖之間的非線性干擾。
圖1是本發明所設計的基于局部保持投影的紅外光譜儀校準方法的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明下面首先給出局部保持投影模型給定觀測數據Xl，X2,…Xm e Rn,局部保持投影變換尋求一個投影矩陣A，將這m個點映射為y1,y2,…，ym e R1 (l《n),使得Yi能夠表示Xi, Yi=ATXi局部保持投影算法分為如下幾步1.構造鄰接圖設圖G由m個結點組成。根據k近鄰原則,如果樣本Xi是Xj的k近鄰或者樣本Xj是Xi的k近鄰,則用一條邊將結點i和j連接起來。2.選擇權重設W為一個大小為mXm的稀疏權重矩陣。Wij為連接頂點i和j的邊上的權重，如果頂點i和j不連接，則Wij為0。權重有兩種定義方式(a)Heat kernel。如果頂點 i 和 j 連接，
IIXj-A-yll2妒=e_t^
U(b)0-l權重。當且僅當頂點i和j連接時，Wij=Io3.特征映射計算下面的廣義特征向量問題的特征值和特征向量，XLXTa=AXDXTa其中D為對角矩陣，其對角元Dii=E 1.。L=D-W為拉普拉斯矩陣。id a0, a1；…，
為上述廣義特征向量問題的解，其對應的廣義特征值滿足λ/λ,···〈λ H。可以得到投影映射形式為Xi — Yi=A1Xi, A= (a0, a!，…a!-)其中，Yi e R1是一個I維向量，A是一個nX I矩陣，應用局部保持投影模型，本發明可以建立起反映紅外光譜主、從儀器間差異的變換矩陣。如圖1所示本發明設計了一種基于局部保持投影的紅外光譜儀校準方法，包括如下具體步驟步驟(I):采集主、從儀器標樣集的紅外光譜圖；針對所要處理的對象，選定具有代表性的標樣。標樣集要求能夠涵蓋譜圖的，標樣的數目不能太少，最好有15個。標樣用于標定儀器，因此應該盡量穩定，能夠完全刻畫儀器的差異。選定標樣后，分別在主儀器和從儀器上進行采集，得到標樣集對應的主、從儀器紅外光譜圖矩陣。步驟(2):利用步驟(I)中采集到的主、從儀器標樣集的紅外光譜圖建立反映主、從儀器紅外光譜圖差異的子空間局部保持投影變換矩陣；所述步驟(2)包括如下具體處理步驟(21):將主、從儀器標樣集的紅外光譜圖分別構成矩陣Xms和Xss，將紅外光譜圖矩陣Xms和Xss分別進行子空間局部保持投影變換，利用公式Lm=XmsU和Ls=XssV得到子空間變量Lm和Ls，其中U和V定義為局部保持投影矩陣；步驟(22):建立子空間變量Lm和Ls之間的變換關系Lm=LsF1,并建立主儀器子空間變量Lm與主儀器標樣集Xms之間的變換關系Xms=LmF2，將上述關系代入得，Xms=XssVF1F2,從而得到子空間局部保持投影變換矩陣為F=VF1Fy步驟(3):利用步驟(2)中建立的子空間局部保持投影變換矩陣，得到主、從儀器標樣集的紅外光譜圖之間的對應變換關系；利用該對應變換關系將從儀器上的紅外光譜圖變換到主儀器上；所述步驟(3)包括如下具體處理步驟(31):利用公式Xms=XssVF1F2與局部保持投影方法計算得到局部保持投影矩陣U和V，并得到子空間變量Lm和Ls，利用最小二乘回歸或奇異值分解方法求解子空間變量Lm和Ls之間的變換關系Lm=LsF1和主儀器子空間變量Lm與主儀器標樣集Xms之間的變換關系Xms=LmF2，得到矩陣F1和F2,從而得到變換矩陣F=VF1F2,即為主、從儀器標樣集的紅外光譜圖之間的對應變換關系；步驟(32):進行子空間投影得到子空間投影后矩陣Ls,m=Xs,mV ；步驟(33):將步驟(32)中的子空間投影后矩陣變換到對應的主儀器子空間變量得到矩陣 Lnbun=LsiunF1 ；步驟(33):將步驟(32)中的矩陣變換到主儀器上得到Xfwi = LmjmF1。步驟(4):在主儀器校正集上建立光譜與濃度間的多元校正模型，利用該多元校正模型對步驟(3)中變換后的紅外光譜圖進行預測，使得主儀器模型能夠成功應用于從儀器紅外光譜圖，即實現模型轉移。步驟(4):在主儀器校正集上建立光譜與濃度間的多元校正模型，利用該模型對已變換到主儀器狀態的從儀器未知樣品譜圖進行預測，通過譜圖的轉移變換實現主儀器模型的共享，只需要在主儀器上建立模型，同時從儀器譜圖通過變換也可以使用該模型，相當于主儀器模型轉移到從儀器上。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于局部保持投影的紅外光譜儀校準方法，其特征在于，包括如下具體步驟 步驟(I):采集主、從儀器標樣集的紅外光譜圖； 步驟(2):利用步驟(I)中采集到的主、從儀器標樣集的紅外光譜圖建立反映主、從儀器紅外光譜圖差異的子空間局部保持投影變換矩陣； 步驟(3):利用步驟(2)中建立的子空間局部保持投影變換矩陣，得到主、從儀器標樣集的紅外光譜圖之間的對應變換關系；利用該對應變換關系將從儀器上的紅外光譜圖變換到主儀器上； 步驟(4):在主儀器校正集上建立光譜與濃度間的多元校正模型，利用該多元校正模型對步驟(3)中變換后的紅外光譜圖進行預測，使得主儀器模型能夠成功應用于從儀器紅外光譜圖，即實現模型轉移。
2.根據權利要求1所述的基于局部保持投影的紅外光譜儀校準方法，其特征在于，所述步驟(2)包括如下具體處理 步驟(21):將主、從儀器標樣集的紅外光譜圖分別構成矩陣Xms和Xss，將紅外光譜圖矩陣Xms和Xss分別進行子空間局部保持投影變換，利用公式Lm=XmsU和Ls=XssV得到子空間變量Lm和Ls，其中U和V定義為局部保持投影矩陣； 步驟(22):建立子空間變量Lm和Ls之間的變換關系Lm=LsF1,并建立主儀器子空間變量Lm與主儀器標樣集Xms之間的變換關系Xms=LmF2,將上述關系代入得，Xms=XssVF1F2,從而得到子空間局部保持投影變換矩陣為F=VF1Fy
3.根據權利要求2所述的基于局部保持投影的紅外光譜儀校準方法，其特征在于，所述步驟(3)包括如下具體處理 步驟(31):利用公式Xms=XssVF1F2與局部保持投影方法計算得到局部保持投影矩陣U和V，并得到子空間變量Lm和Ls，利用最小二乘回歸或奇異值分解方法求解子空間變量Lm和Ls之間的變換關系Lm=LsF1和主儀器子空間變量Lm與主儀器標樣集Xms之間的變換關系Xms=LmF2，得到矩陣F1和F2,從而得到變換矩陣F=VF1F2,即為主、從儀器標樣集的紅外光譜圖之間的對應變換關系； 步驟(32):進行子空間投影得到子空間投影后矩陣Lsiun=XsiunV ； 步驟(33):將步驟(32)中的子空間投影后矩陣變換到對應的主儀器子空間變量得到矩陣 DsiunF1 ； 步驟(33):將步驟(32)中的矩陣變換到主儀器上得到I m =LmimF2。
全文摘要
本發明公開了一種基于局部保持投影的紅外光譜儀校準方法，包括采集主、從儀器標樣集的紅外光譜圖；采集到的主、從儀器標樣集的紅外光譜圖建立反映主、從儀器紅外光譜圖差異的子空間局部保持投影變換矩陣；利用子空間局部保持投影變換矩陣，得到主、從儀器標樣集的紅外光譜圖之間的對應變換關系，并將從儀器上的紅外光譜圖變換到主儀器上；利用主儀器校正集上建立的多元校正模型對變換后的紅外光譜圖進行預測，使得主儀器模型能夠成功應用于從儀器紅外光譜圖，即實現模型轉移。本發明所設計的基于局部保持投影的紅外光譜儀校準方法操作簡單，校正預測準確度高，并且具有相當的可靠性，能夠有效地消除譜圖中的非線性因素、噪聲等冗余特征的影響。
文檔編號G01N21/25GK103018178SQ201210519678
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月6日 優先權日2012年12月6日
發明者劉軍, 王海燕, 姜久英 申請人:江蘇省質量安全工程研究院