一種卷煙煙氣色譜基線校正MPLS方法技術

本發明專利技術涉及一種卷煙煙氣色譜基線校正MPLS方法，屬煙草化學與應用技術領域。本發明專利技術方法引入了化學計量法中的基于數學形態學的峰識別、懲罰最小二乘方法原理進行卷煙煙氣色譜信息基線校正，即：利用數學形態學的開啟運算找出卷煙煙氣色譜信號中的峰位置，后記錄相鄰峰之間的最低點，通過最低點作為權重的懲罰最小二乘擬合出背景，通過智能模擬專家手工進行基線校正過程，并將其自動化。本發明專利技術的有益效果在于：扣除背景后卷煙煙氣的主成分分析結果相對于該算法處理前有較大的改進，驗證了算法的有效性。說明MPLS方法是卷煙煙氣GC/oa-TOF-MS色譜基線校正非常有用的工具，為煙草化學與應用技術開辟了一個新的應用領域，為卷煙煙氣研究提供了一個新的方法與思路。

【技術實現步驟摘要】

:本專利技術涉及一種卷煙煙氣色譜基線校正MPLS方法，具體涉及一種基于形態學和懲罰最小二乘的卷煙煙氣色譜信號自動化基線校正MPLS方法，屬煙草化學與應用

技術介紹
:卷煙煙氣中所含揮發性成分由上百種不等。其中，有些成分結構類似、性質相近，故色譜保留時間亦非常接近，容易產生色譜峰重疊現象，給成分的準確定性、定量分析帶來困難。近年來，化學計量學已經被嘗試應用于煙草復雜體系中重疊的色譜峰的分辨與解析、以及大量數據的降維與建模。由于色譜圖譜旨在提供一種對樣品進行綜合整體的鑒定手段，所以如何獲取一個真正能代表該樣品的色譜信息是一個十分重要的工作。卷煙煙氣色譜信號中不可避免存在的基線漂移，往往會影響了接下來的信號分析的選擇性和靈敏度。為了進一步的定性定量分析，對原始信號進行基線校正的必須做的工作。針對高分辨GC/oa-TOF-MS氣質數據，我們提出了一個不需要對樣品組成有任何先驗知識，也不需要手動選取基線校正點的基于形態學和懲罰最小二乘新的自動化基線校正的方法。該算法是通過數學形態學識別峰，標注相鄰峰之間的最低點，然后用懲罰最小二乘來擬合以標注的最低點為權的曲線作為基線，最后用原始的信號減去擬合的基線，從而扣除了背景對信號的影響。數學形態學Mathematical morphology是基于經典數據集合論的一種幾何結構的技術分析和處理技術的理論基礎。數學形態學是圖像處理技術的基礎，他包括一系列圖像轉換和操作技術。一般而言，數學形態學是由一組形態學的代數運算子組成的，它的基本運算有4個:膨脹(或擴張)、腐蝕(或侵蝕)、開啟和閉合，其中開啟和閉合是由膨脹和腐蝕組合運算得到的。基于這些基本運算還可組合和推導成各種數學形態學實用算法，用它們進行圖像形狀和結構的分析及處理，包括圖像分割、圖像濾波、邊緣檢測、圖像增強、特征抽取和恢復等。數學形態學方法利用一個稱作結構元素的“探針”收集圖像的信息，當探針在圖像中不斷移動時，便可考察圖像各個部分之間的相互關系，從而了解圖像的結構特征。懲罰最小二乘(Penalized least squares algorithm)是一種設計巧妙地平滑方法，最早由 Whittaker 在 1922 提出。MPLS方法首先針對色譜和拉曼等數據提出了一種智能的基線校正算法，它先利用數學形態學中的開啟運算找出信號中的峰位置，然后記錄相鄰峰之間的最低點并記錄下來，最后通過最低點作為權重的懲罰最小二乘擬合出背景。該算法通過信號基線校正算法智能模擬專家手工進行基線校正過程，并將其自動化。通過卷煙煙氣GC/oa-TOF-MS色譜數據，測試和驗證了所提出的基于數學形態學和懲罰最小二乘算法MPLS的準確性和有效性。扣除背景后卷煙煙氣的主成分分析結果相對于該算法處理前有較大的改進，驗證了算法的有效性。說明MPLS方法在卷煙煙氣GC/oa-TOF-MS色譜基線校正非常有用的工具。
技術實現思路
:本專利技術的目的在于提供一種卷煙煙氣色譜基線校正MPLS方法。該方法為卷煙煙氣色譜信息定性定量分析的原始信號基線校正前處理方法，以拓展對卷煙煙氣信息量表征的應用，滿足卷煙煙氣分析研究工作的迫切需要。本專利技術的煙氣萃取物為煙草制品的煙氣全萃取物，而非對某一特定指標或化合物的萃取，將煙氣萃取物進行高分辨質譜分析，煙草制品為加香或未加香的卷煙、雪茄煙或煙斗煙絲。本專利技術的卷煙煙氣色譜基線校正MPLS方法，引入了化學計量法中的基于數學形態學的峰識別、懲罰 最小二乘方法等原理進行卷煙煙氣色譜信息基線校正。具體步驟如下:a.將得到的萃取濃縮液放入進樣瓶中，并放入GC/oa -TOF-MS的進樣裝置中，設定進樣的氣相色譜以及質譜參數，同一個卷煙煙氣樣本進樣8次，獲得樣本的色譜圖數據，為下一步數據基線校正做準備。b.基于數學形態學的峰識別:數學形態學方法利用一個稱作結構元素的“探針”收集圖像的信息，當探針在圖像中不斷移動時，便能考察圖像各個部分之間的相互關系，從而了解圖像的結構特征。上述運算都是通過結構元素B在信號主體A中就行轉換，為了適應一維信號的操作，結構元素B被定義為一個平面結構元素，即中心在X和左右具有相同寬度為w的平面窗口。信號主體A和結構元素B之間的膨脹運算的定義是:權利要求1.一種卷煙煙氣色譜基線校正MPLS方法，其特征在于該方法引入化學計量法中的基于數學形態學的峰識別、懲罰最小二乘方法原理進行卷煙煙氣色譜信息基線校正，具體步驟如下: a.將裝有萃取濃縮液的進樣瓶放入GC-TOF-MS的進樣裝置中，設定進樣的氣相色譜以及質譜參數，同一個卷煙煙氣樣本進樣8次，獲得樣本的色譜圖數據，為下一步數據基線校正做準備； b.基于數學形態學的峰識別:數學形態學方法利用一個稱作結構元素的探針收集圖像的信息，即:通過結構元素B在信號主體A中就行轉換，結構元素B被定義為一個平面結構元素，即中心在X和左右具有相同寬度為w的平面窗口 ； 信號主體A和結構元素B之間的膨脹運算的定義是:全文摘要本專利技術涉及一種卷煙煙氣色譜基線校正MPLS方法，屬煙草化學與應用
本專利技術方法引入了化學計量法中的基于數學形態學的峰識別、懲罰最小二乘方法原理進行卷煙煙氣色譜信息基線校正，即利用數學形態學的開啟運算找出卷煙煙氣色譜信號中的峰位置，后記錄相鄰峰之間的最低點，通過最低點作為權重的懲罰最小二乘擬合出背景，通過智能模擬專家手工進行基線校正過程，并將其自動化。本專利技術的有益效果在于扣除背景后卷煙煙氣的主成分分析結果相對于該算法處理前有較大的改進，驗證了算法的有效性。說明MPLS方法是卷煙煙氣GC/oa-TOF-MS色譜基線校正非常有用的工具，為煙草化學與應用技術開辟了一個新的應用領域，為卷煙煙氣研究提供了一個新的方法與思路。文檔編號G01N30/86GK103197017SQ20131015845公開日2013年7月10日 申請日期2013年5月2日 優先權日2013年5月2日專利技術者黃靜, 李忠, 吳雨松, 韓志強, 施紅林, 郭生云 申請人:云南煙草科學研究院本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種卷煙煙氣色譜基線校正MPLS方法，其特征在于該方法引入化學計量法中的基于數學形態學的峰識別、懲罰最小二乘方法原理進行卷煙煙氣色譜信息基線校正，具體步驟如下：a.將裝有萃取濃縮液的進樣瓶放入GC?TOF?MS的進樣裝置中，設定進樣的氣相色譜以及質譜參數，同一個卷煙煙氣樣本進樣8次，獲得樣本的色譜圖數據，為下一步數據基線校正做準備；b.基于數學形態學的峰識別：數學形態學方法利用一個稱作結構元素的探針收集圖像的信息，即：通過結構元素B在信號主體A中就行轉換，結構元素B被定義為一個平面結構元素，即中心在x和左右具有相同寬度為w的平面窗口；信號主體A和結構元素B之間的膨脹運算的定義是：A⊕B={x:x=max(x+s),fors∈B}其中是數據集的運算符號，為更加適應一維信號和結構元素B的數據處理，重新給膨脹下定義，即：ε(xi)=min(xi+j)??j=?w,…,w信號主體A和結構元素B之間的腐蝕運算則定義為：δ(xi)=max(xi+j)??j=?w,…,w對操作中窗口的大小做了如下改進：j=-i,...,wi≤w-w,...,ww<i<N-w-w,...,N-ii≥N-w式中的N為信號的波長點；針對于融合狹窄的溝和填充小洞，開啟能平滑信號的輪廓和除去尖峰，閉合能平滑凹進去的輪廓；信號A和結構元素B的開啟運算記為γ(xi)，改運算先通過結構元素B對A的腐蝕運算，然后再做膨脹運算：γ(xi)=δ[ε(xi)]得到擬合的基線，其忽視了峰信號；c.智能標注基點：標注基點，即相鄰峰之間的最低點作為基線擬合的基點，標注基點之前應該做好峰識別的工作，數學形態學開啟運算過后的信號的峰表現為平頭，能夠把數值不變的區間找出，并標注該區間的始點和末點定義為峰的始末點，把開啟運算后的信號記為γ(xi)，然后記錄第k個峰的始點為Sk，末點為Ek，基點的向量記為Lk，由以下的計算公式：Lk=min(xr)??r∈(Ek,…,Sk+1)式中的r為相鄰峰間隔，這樣依次記錄了各個相鄰峰間隔的最低點為基點；d.懲罰最小二乘：設?x?為一任意分析信號矢量，z?為一與其一樣長度的擬合目標矢量，其保真度的目標函數定義如下：F=Σi=1m(xi-zi)2擬合目標矢量?z?的粗糙度亦定義如下，即為之差分的平方和：R=Σi=2m(zi-zi-1)2=Σi=1m-1(Δzi)2采用一階差分作為粗糙度的懲罰函數，在大多數情況下，其二階導數也能作 為粗糙度的懲罰函數，在保真度和粗糙度的懲罰之間的平衡由下式控制：Q=F+λR=||x?z||2+λ||Dz||2λ為一個能由使用者調節的參數，大的λ將更強調粗糙度的懲罰，D?是一個對矢量進行差分的矩陣表示形式，即Dz=Δz?，矩陣D?具有下述表達形式：D=-11-11......-11-1對式中Q=F+λR=||x?z||2+λ||Dz||2兩邊進行微分并令其等于零，即,?得下式：(I+λD′D)z=x上式用于基線校正時，要通過引入權重向量w來消除峰對背景擬合的影響，保真度的目標函數應作如下修改，F=Σi=1mwi(xi-zi)2=(x-z)′W(x-z)在此?W?為權重矩陣，實際是一個對角矩陣，wi?為其對角元素，這樣，上式將變為，(W+λD′D)z=Wx采用最小二乘解上述方程可得，z=(W+λD′D)?1Wx權重矩陣W的Lk上的基點為1，其他的地方記錄為0。FDA0000313526832.jpg,FDA0000313526837.jpg...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃靜，李忠，吳雨松，韓志強，施紅林，郭生云，
申請(專利權)人：云南煙草科學研究院，
類型：發明
國別省市：