本發(fā)明涉及光譜測試技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種光譜測試系統(tǒng)光源設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，在對樣品進(jìn)行近紅外光譜分析時(shí)，通常輻射光源的光譜覆蓋從可見光到中紅外之間的全部波段，但在實(shí)際測試中，針對測試樣品，不同樣品的光譜特征信息不同，而對于某一樣品，其有效的光譜特征信息只集中在近紅外波段的個別區(qū)間范圍，并不是分散在近紅外波段的全部波段。

因此，現(xiàn)有光譜測試系統(tǒng)所使用的光源輸出光譜范圍寬，導(dǎo)致光源器件的制造及生產(chǎn)成本高，并且這類光源具有較大的功率消耗，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)還需要使用單獨(dú)的冷卻系統(tǒng)對光源散熱，以保障光源正常工作?？梢?，現(xiàn)有光譜測試系統(tǒng)所采用的光源，不僅造成較高的生產(chǎn)成本，還造成較高的運(yùn)行維護(hù)成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種光譜測試系統(tǒng)光源設(shè)計(jì)方法，通過對測試到的被測樣品的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和統(tǒng)計(jì)分析，找到樣品的特征光譜波段，來選取相匹配的窄帶光譜波段光源，從而避免采用輸出寬光譜波段的光源，可降低光源成本。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種光譜測試系統(tǒng)光源設(shè)計(jì)方法，包括：

以波段范圍大于被測樣品的特征光譜波段的測試光投射到被測樣品，對被測樣品進(jìn)行光譜測試，獲得所述被測樣品的光譜數(shù)據(jù)；

對獲得的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征數(shù)據(jù)篩選和提取，獲取特征數(shù)據(jù)子集，并以所述特征數(shù)據(jù)子集重新構(gòu)建光譜數(shù)據(jù)；

以重新構(gòu)建的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行模型學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，根據(jù)訓(xùn)練得到的分類模型確定所述被測樣品的特征光譜波段，選取輸出光譜波段與所述被測樣品的特征光譜波段匹配的光源作為光譜測試系統(tǒng)的光源。

可選地，所述以重新構(gòu)建的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行模型學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，根據(jù)訓(xùn)練得到的分類模型確定所述被測樣品的特征光譜波段包括：

以重新構(gòu)建的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行模型學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，得到初步分類模型；

以所述初步分類模型對作為測試數(shù)據(jù)的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征數(shù)據(jù)篩選，并進(jìn)行模型評價(jià)，根據(jù)評價(jià)結(jié)果動態(tài)調(diào)整特征篩選參數(shù)和模型參數(shù)，得到最優(yōu)的特征篩選參數(shù)和分類模型；

根據(jù)最優(yōu)的分類模型確定所述被測樣品的特征光譜波段。

可選地，以重新構(gòu)建的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行模型學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，得到初步分類模型的方法包括交叉驗(yàn)證、隨機(jī)組合特征數(shù)據(jù)子集。

可選地，對獲得的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征數(shù)據(jù)篩選的方法包括卡方檢驗(yàn)、相關(guān)分析法或者主成分分析法。

可選地，所述以波段范圍大于被測樣品的特征光譜波段的測試光投射到被測樣品，對被測樣品進(jìn)行光譜測試包括：

以多個波段范圍的光分別投射到被測樣品，分別對被測樣品進(jìn)行光譜測試，所述多個波段范圍的光的總波段范圍大于所述被測樣品的特征光譜波段。

可選地，所述光譜測試系統(tǒng)包括光源裝置、傳導(dǎo)光纖和光譜儀；

所述傳導(dǎo)光纖包括主體段、由所述主體段一端分出的第一分束和第二分束；

所述光源裝置用于產(chǎn)生輻射光，輸入所述第一分束，輻射光由所述主體段另一端投射到被測樣品，由所述被測樣品產(chǎn)生的反射光進(jìn)入所述傳導(dǎo)光纖，由所述第二分束輸出至所述光譜儀；

所述光譜儀用于接收輸出光，將接收到的光譜轉(zhuǎn)換為光譜數(shù)據(jù)。

可選地，所述光源裝置包括鹵素?zé)艋蛘吖療簟?/p>

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明所提供的光譜測試系統(tǒng)光源設(shè)計(jì)方法，以波段范圍大于被測樣品的特征光譜波段的測試光投射到被測樣品，對被測樣品進(jìn)行光譜測試，獲得被測樣品的光譜數(shù)據(jù)，對獲得的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征數(shù)據(jù)篩選和提取，獲得特征數(shù)據(jù)子集，并以特征數(shù)據(jù)子集重新構(gòu)建光譜數(shù)據(jù)，然后以重新構(gòu)建的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行模型學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，根據(jù)訓(xùn)練得到的分類模型確定所述被測樣品的特征光譜波段，從而選取輸出光譜波段與被測樣品特征光譜波段相匹配的光源作為光譜測試系統(tǒng)的光源。

因此，本發(fā)明光譜測試系統(tǒng)光源設(shè)計(jì)方法，通過對測試到的被測樣品的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和統(tǒng)計(jì)分析，找到樣品的特征光譜波段，從而根據(jù)樣品的特征光譜波段來選取窄光譜波段光源，作為光譜測試系統(tǒng)的光源，避免采用輸出寬光譜波段的光源，可降低光源成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種光譜測試系統(tǒng)光源設(shè)計(jì)方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明方法中采用的一種光譜測試系統(tǒng)的示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請參考圖1，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種光譜測試系統(tǒng)光源設(shè)計(jì)方法，包括步驟：

s10：以波段范圍大于被測樣品的特征光譜波段的測試光投射到被測樣品，對被測樣品進(jìn)行光譜測試，獲得被測樣品的光譜數(shù)據(jù)。

本方法中，首先以波段范圍大于樣品的特征光譜波段的光作為投射光，對被測樣品進(jìn)行光譜測試，測試得到樣品原始的一組光譜數(shù)據(jù)。s11：對獲得的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征數(shù)據(jù)篩選和分割，獲取特征數(shù)據(jù)子集，并以所述特征數(shù)據(jù)子集重新構(gòu)建光譜數(shù)據(jù)。

本步驟中，對獲得的樣品的原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征數(shù)據(jù)篩選，消除原始光譜數(shù)據(jù)中的冗余波段，得到經(jīng)過初步篩選的特征數(shù)據(jù)子集。并以所述特征數(shù)據(jù)子集重新構(gòu)建光譜數(shù)據(jù)。

s12：以重新構(gòu)建的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行模型學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，根據(jù)訓(xùn)練得到的分類模型確定被測樣品的特征光譜波段，選取輸出光譜波段與所述特征光譜波段匹配的光源作為光譜測試系統(tǒng)的光源。

本步驟中，以重新構(gòu)建的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行模型學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，得到分類模型。

進(jìn)一步根據(jù)分類模型確定被測樣品的特征光譜波段，然后選取輸出光譜波段與所述特征光譜波段匹配的光源，作為光譜測試系統(tǒng)的光源。

可以看出，本實(shí)施例光譜測試系統(tǒng)光源設(shè)計(jì)方法，通過對測試獲得的被測樣品的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和統(tǒng)計(jì)分析，找到樣品的特征光譜波段，然后根據(jù)樣品的特征光譜波段來選取光源，選取與被測樣品的特征光譜波段匹配的窄光譜波段光源，從而避免采用輸出寬光譜波段的光源，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可降低光源成本。

下面對本實(shí)施例光譜測試系統(tǒng)光源設(shè)計(jì)方法做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本實(shí)施例提供的光譜測試系統(tǒng)光源設(shè)計(jì)方法，包括步驟：

s10：以波段范圍大于被測樣品的特征光譜波段的測試光投射到被測樣品，對被測樣品進(jìn)行光譜測試，獲得被測樣品的光譜數(shù)據(jù)。

比如，對被測樣品進(jìn)行近紅外光譜測試，則先選取光譜覆蓋范圍大于近紅外波段的輻射光，對樣品進(jìn)行近紅外光譜測試，如可采用輸出光譜覆蓋可見光到中紅外之間全部波段的光源，測試得到被測樣品在此全光譜波段內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)。

s11：對獲得的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征數(shù)據(jù)篩選和提取，獲得特征數(shù)據(jù)子集，并以所述特征數(shù)據(jù)子集重新構(gòu)建光譜數(shù)據(jù)。

本步驟中，對獲得的樣品的原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征數(shù)據(jù)篩選。

可選的，對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征數(shù)據(jù)篩選的方法可采用卡方檢驗(yàn)、相關(guān)分析法或者主成分分析法。

通過本步驟對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選，消除其中的冗余特征，保留初步篩選的近紅外特征。以得到的特征數(shù)據(jù)子集構(gòu)建新的光譜數(shù)據(jù)。

s12：以重新構(gòu)建的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行模型學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，根據(jù)訓(xùn)練得到的分類模型確定被測樣品的特征光譜波段，選取輸出光譜波段與所述特征光譜波段匹配的光源作為光譜測試系統(tǒng)的光源。

優(yōu)選的，本步驟中具體包括以下步驟：

s120：以重新構(gòu)建的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行模型學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，得到初步分類模型。

首先，以上一步驟中重新構(gòu)建得到的新光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，得到初步分類模型。

可選的，模型訓(xùn)練的方法包括交叉驗(yàn)證、隨機(jī)組合特征數(shù)據(jù)子集等方法。

s121：以所述初步分類模型對作為測試數(shù)據(jù)的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征數(shù)據(jù)篩選，并進(jìn)行模型評價(jià)，根據(jù)評價(jià)結(jié)果動態(tài)調(diào)整特征篩選參數(shù)和模型參數(shù)，得到最優(yōu)的特征篩選參數(shù)和分類模型。

在步驟s10中測試得到的被測樣品的原始光譜數(shù)據(jù)，一部分作為訓(xùn)練模型的數(shù)據(jù)，另一部分作為測試數(shù)據(jù)。

本步驟中，按照初步分類模型確定的特征篩選參數(shù)對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行特征篩選，并進(jìn)行模型評價(jià)。具體的，可根據(jù)分類精度、召回率、f1參數(shù)等評估指標(biāo)，將評價(jià)結(jié)果反饋給特征篩選過程和模型訓(xùn)練過程，根據(jù)評價(jià)結(jié)果動態(tài)調(diào)整特征篩選參數(shù)和模型參數(shù)。通過反復(fù)迭代和調(diào)優(yōu)，當(dāng)各項(xiàng)評估指標(biāo)不再變化或者變化幅度在設(shè)定范圍內(nèi)，即確定為達(dá)到整個篩選過程的最佳狀態(tài)，則得到最優(yōu)的特征篩選參數(shù)和分類模型。

s122：根據(jù)最優(yōu)的分類模型確定所述被測樣品的特征光譜波段。

根據(jù)最優(yōu)的分類模型所對應(yīng)的特征光譜波段，確定為被測樣品核心的特征光譜波段。

進(jìn)一步，根據(jù)確定的被測樣品的特征光譜波段，選取輸出光譜波段與所述特征光譜波段匹配的光源，作為光譜測試系統(tǒng)的光源。

這樣，可選用低成本、易集成的窄帶光源(如led光源等)，來代替原有的價(jià)格高、體積大的寬帶光源。

因此，本實(shí)施例光譜測試系統(tǒng)光源設(shè)計(jì)方法，通過對被測樣品的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和統(tǒng)計(jì)分析，找到樣品有效的特征光譜波段，來針對性地設(shè)計(jì)和改進(jìn)光源，避免采用寬光譜波段的光源，可降低光源制造成本及運(yùn)行維護(hù)成本，也有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化。

另外，在光譜分析中，特征選取是數(shù)據(jù)分析中的一重要部分，特征選擇結(jié)果的好壞直接影響著數(shù)據(jù)分類器的分類精度和泛化性能?，F(xiàn)有方法中，采用寬光譜波段的輻射光源，測試得到的是全波段光譜數(shù)據(jù)，存在大量冗余信息，難以找到有效光譜特征信息，給數(shù)據(jù)分析造成較大難度。利用測試得到的全波段光譜數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)分類器，無論從計(jì)算開銷還是從分類器性能來說都不合時(shí)宜。此外，近紅外特征和分類器性能之間并不存在線性關(guān)系，當(dāng)特征數(shù)量超過一定限度時(shí)，會導(dǎo)致分類器性能變壞。

而通過本實(shí)施例方法，采用與樣品的核心特征光譜波段匹配的光源，對數(shù)據(jù)分析帶來很大方便，精簡有效的數(shù)據(jù)可以提高分析模型的性能，使分類器的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度都有較大的提高；另外，數(shù)據(jù)量的減小也使得分析模型的計(jì)算量大大減小，使其也能應(yīng)用于對分析速度有較高要求的實(shí)時(shí)檢測場合。

另外，本實(shí)施例光譜測試系統(tǒng)光源設(shè)計(jì)方法中，在步驟s10中對被測樣品進(jìn)行光譜測試獲得光譜數(shù)據(jù)時(shí)，也能夠以多個波段范圍的光分別投射到被測樣品，分別對被測樣品進(jìn)行光譜測試，所述多個波段范圍的光的總波段范圍大于所述被測樣品的特征光譜波段，然后以測試得到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征數(shù)據(jù)篩選和提取，進(jìn)行模型訓(xùn)練。

可選的，本實(shí)施例方法中，可采用如下光譜測試系統(tǒng)對被測樣品進(jìn)行光譜測試。請參考圖2，所述光譜測試系統(tǒng)包括光源裝置100、傳導(dǎo)光纖101和光譜儀102；

所述傳導(dǎo)光纖101包括主體段、由所述主體段一端分出的第一分束和第二分束；

所述光源裝置100用于產(chǎn)生輻射光，輸入所述第一分束，輻射光由所述主體段另一端投射到被測樣品，由所述被測樣品產(chǎn)生的反射光進(jìn)入所述傳導(dǎo)光纖101，由所述第二分束輸出至所述光譜儀102；

所述光譜儀102用于接收輸出光，將接收到的光譜轉(zhuǎn)換為光譜數(shù)據(jù)。

采用本光譜測試系統(tǒng)對被測樣品進(jìn)行光譜測試，光源裝置100產(chǎn)生輻射光，輻射光通過傳導(dǎo)光纖101第一分束輸入，沿傳導(dǎo)光纖101傳播，由傳導(dǎo)光纖主體段另一端投射到被測樣品，光照射到被測樣品發(fā)生漫反射；被測樣品產(chǎn)生的反射光進(jìn)入傳導(dǎo)光纖101，由第二分束輸出至光譜儀102，光譜儀將接收到的光譜轉(zhuǎn)換為光譜數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步的，設(shè)置與光譜儀連接的數(shù)據(jù)處理裝置，通過數(shù)據(jù)處理裝置對獲得的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征數(shù)據(jù)篩選，獲取特征數(shù)據(jù)子集，并以所述特征數(shù)據(jù)子集重新構(gòu)建光譜數(shù)據(jù)；以重新構(gòu)建的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行模型學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，根據(jù)訓(xùn)練得到的分類模型確定被測樣品的特征光譜波段。

本實(shí)施例光譜測試系統(tǒng)具體可應(yīng)用于對樣品進(jìn)行近紅外光譜測試，其中可選的，所述光源裝置100可采用鹵素?zé)艋蛘吖療簟?/p>

本實(shí)施例光譜測試系統(tǒng)光源設(shè)計(jì)方法，不僅僅可應(yīng)用于近紅外波段，還可應(yīng)用于其它電磁波波段。

以上對本發(fā)明所提供的一種光譜測試系統(tǒng)光源設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。