基于連續(xù)波的雙層瓜果組織光學(xué)特性無損檢測方法與裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種生物組織光學(xué)特性無損檢測方法與裝置，尤其涉及一種基于連續(xù) 波的雙層瓜果組織光學(xué)特性無損檢測方法與裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 光譜分析技術(shù)，尤其是可見與近紅外波段，在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)分析領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十 分廣泛，目前主要應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測，例如瓜果類的糖度、硬度及病變等。但常規(guī)光譜 分析技術(shù)獲得的光譜為光與生物組織相互作用后的所有光信號，無法將吸收特性與散射特 性進行分離，且不具有指紋圖譜的特性，在后期分析時只能通過化學(xué)計量學(xué)與統(tǒng)計學(xué)方法 分析建模，有人稱此過程為"暗箱"。在光源設(shè)計及布置時，也只能通過經(jīng)驗與后期建模效果 來進行對比，過程繁瑣且可靠性差。這主要是由于缺乏對光在生物組織中傳播的理解及生 物組織光學(xué)特性的相關(guān)知識。生物組織光學(xué)特性在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研宄已經(jīng)相當(dāng)深入，通過光 學(xué)特性進行疾病診斷已經(jīng)成為醫(yī)療診斷的重要方法之一。但對于農(nóng)產(chǎn)品光學(xué)特性的研宄卻 鮮有報道。因此，對農(nóng)產(chǎn)品光學(xué)特性的檢測，尤其是針對雙層組織結(jié)構(gòu)的瓜果類光學(xué)特性的 檢測，就顯得尤為重要。
[0003] 光與生物組織的相互作用主要包括吸收與散射，與之相對應(yīng)的光學(xué)特性參數(shù)分別 為吸收系數(shù)（U a)、約化散射系數(shù)（μ/ )。對于農(nóng)產(chǎn)品諸如瓜果類，光與生物組織的相互 作用主要表現(xiàn)出弱吸收、強散射的特性。福射傳輸理論（Radiation Transfer Theory)能 夠較為準確的描述光在生物組織中的傳播，但該模型較為復(fù)雜，變量較多，不適用于實際應(yīng) 用。擴散近似理論（Diffusion Approximation)作為福射傳輸理論的簡化，已被證明并廣 泛應(yīng)用于生物組織內(nèi)光傳輸?shù)拿枋??；跀U散近似理論的光學(xué)特性檢測方法主要有時域方 法、頻域方法、空間分辨方法和積分球方法等。其中基于連續(xù)波的空間分辨方法能夠?qū)崿F(xiàn)寬 波段檢測，較適合于農(nóng)產(chǎn)品光學(xué)特性檢測。
[0004][0005] 對于瓜果類農(nóng)產(chǎn)品，大多屬于雙層結(jié)構(gòu)組織（果皮、果肉），且果皮和果肉的光學(xué) 特性通常存在較大差異。因此有必要對雙層結(jié)構(gòu)組織分別測出其光學(xué)特性參數(shù)。Kienle 等（參見 Kienle A,等· Noninvasive determination of the optical properties of two-layered turbid media.Applied optics, 1998,37(4):779-791.)基于擴散近似理 論推導(dǎo)出了用于雙層生物組織光學(xué)特性參數(shù)檢測的理論模型，可用于雙層生物組織光 學(xué)特性參數(shù)的反演計算。Cen等（參見Cen H,等.Quantification of the optical properties of two-layer turbid materials using a hyperspectral imaging-based spatially-resolved technique. Applied optics, 2009, 48 (29) :5612-5623.)對上述模型 進行了驗證及應(yīng)用，結(jié)果表明，在已知第一層光學(xué)特性參數(shù)及厚度的情況下，反演計算得到 的第二層光學(xué)特性參數(shù)精度較高，而對雙層光學(xué)特性參數(shù)進行同時反演計算時，精度較差， 誤差高達23%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服上述【背景技術(shù)】的不足，提供一種基于連續(xù)波的 雙層瓜果組織光學(xué)特性無損檢測方法與裝置，本發(fā)明綜合了高光譜成像技術(shù)、空間分辨漫 反射技術(shù)、傾斜反射技術(shù)（oblique reflectrometry)及有限元分析方法，可以非侵入的方 式實時、無損的獲取瓜果果皮與果肉的吸收系數(shù)μ 3和約化散射系數(shù)μ s'。
[0007] 本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：一種基于連續(xù)波的雙層瓜果組織光學(xué)特性無損檢測 方法，其特征在于：首先在傾斜入射光源條件下，通過高光譜成像系統(tǒng)掃描采集樣本在不同 位置的漫反射高光譜圖像，之后通過反向有限元方法反演計算漫反射高光譜圖像包含的第 一層組織的光學(xué)特性信息，得到第一層組織被掃描區(qū)域的平均吸收系數(shù)U al和約化散射系 數(shù) ysl' ；
[0008] 然后在垂直入射光源的條件下，通過高光譜成像系統(tǒng)掃描采集樣本的漫反射高光 譜圖像，最后通過反向有限元方法反演計算漫反射高光譜圖像包含的第一層及第二層組織 的光學(xué)特性信息，其中第一層組織的光學(xué)特性信息已知，得到第二層組織被掃描區(qū)域的平 均吸收系數(shù)μ a2和約化散射系數(shù)μ s2'
[0009] 上述基于連續(xù)波的雙層瓜果組織光學(xué)特性無損檢測方法，包括下列步驟：
[0010] (1)用計算機控制位移平臺輸送樣本至光源正下方停止，開啟傾斜入射光源，然后 高光譜成像系統(tǒng)通過沿樣本運動方向的線掃描獲取樣本漫反射高光譜圖像，此圖像由二維 數(shù)組組成，包括空間信息和光譜信息；線掃描的位置通過鏡頭中心且沿樣本運動方向；由 于傾斜入射光源朝鏡頭中心方向傾斜入射，所采集的圖像只包含樣本第一層的光學(xué)特性信 息；
[0011] (2)提取步驟（1)中采集的漫反射高光譜圖像得到不同波長對應(yīng)的空間分辨漫反 射光譜，通過反向有限元方法反演計算得到第一層組織被掃描區(qū)域的平均吸收系數(shù)μ al和 約化散射系數(shù)ysl' ；
[0012] (3)保持樣本位置不動，開啟垂直入射光源，高光譜成像系統(tǒng)通過線掃描方式采集 樣本的漫反射高光譜圖像，此圖像由二維數(shù)組組成，包括空間信息和光譜信息，此圖像包含 第一層及第二層組織的光學(xué)特性信息；
[0013] (4)提取步驟（3)中采集的漫反射高光譜圖像得到不同波長對應(yīng)的空間分辨漫反 射光譜，通過反向有限元方法反演計算得到第二層組織被掃描區(qū)域的平均吸收系數(shù)μ a2和 約化散射系數(shù)μ s2'。
[0014] 所述步驟（2)包括下列操作內(nèi)容：
[0015] (2a)步驟（1)所采集的圖像為二維數(shù)組，其中一維為光譜信息，另一維為空間信 息；空間分辨漫反射光譜提取時保留所有空間信息，即一個波長提取出一條空間分辨漫反 射光譜，然后將提取出的空間分辨漫反射光譜進行平滑降噪；
[0016] (2b)所述反演算法具體包括：有限元方法基于初始光學(xué)特性參數(shù)值對傾斜入射 光在單層組織內(nèi)的傳輸進行仿真得出相應(yīng)的空間分辨漫反射光譜，將該光譜與高光譜成像 系統(tǒng)采集的空間分辨漫反射光譜進行對比，計算出光譜所有位置縱坐標的差值平方和，并 通過非線性偏最小二乘法進行優(yōu)化并對初始光學(xué)特性參數(shù)值進行更新迭代，當(dāng)兩條光譜的 差值平方和小于設(shè)置的閾值時停止計算，得出對應(yīng)的吸收系數(shù)U al和約化散射系數(shù)μ sl' ；
[0017] (2c)依次提取不同波長對應(yīng)的空間分辨漫反射光譜，重復(fù)步驟（2b)，計算出所有 波長下的光學(xué)特性參數(shù)。
[0018] 所述步驟⑷包括以下操作內(nèi)容：
[0019] (4a)步驟（3)所采集的圖像為二維數(shù)組，其中一維為光譜信息，另一維為空間信 息；空間分辨漫反射光譜提取時保留所有空間信息，即一個波長提取出一條空間分辨漫反 射光譜，然后將提取出的空間分辨漫反射光譜進行平滑降噪；
[0020] (4b)所述反演算法具體包括：有限元方法基于初始光學(xué)特性參數(shù)值對垂直入射 光在雙層組織內(nèi)的傳輸進行仿真得出相應(yīng)的空間分辨漫反射光譜，將該光譜與高光譜成像 系統(tǒng)采集的空間分辨漫反射光譜進行對比，計算出光譜所有位置縱坐標的差值平方和，并 通過非線性偏最小二乘法進行優(yōu)化并對初始光學(xué)特性參數(shù)值進行更新迭代，當(dāng)兩條光譜的 差值平方和小于設(shè)置的閾值時停止計算，得出對應(yīng)的吸收系數(shù)U a2和約化散射系數(shù)μ s2'。
[0021] 一種基于連續(xù)波的雙層瓜果組織光學(xué)特性無損檢測裝置，其特征在于：包括高光 譜成像系統(tǒng)、光源系統(tǒng)及樣本輸送裝置；其中，高光譜成像系統(tǒng)包括依次連接的CCD相機、 成像光譜儀及鏡頭，鏡頭豎直朝下布置；光源系統(tǒng)包括兩個光源，分別與兩個光源耦合的垂 直入射光纖、傾斜入射光纖及光纖固定支架，垂直入射光纖、傾斜入射光纖分別通過固定螺 母垂直固定在光纖固定支架上，且垂直入射光纖位于傾斜入射光纖的前側(cè)，光纖固定支架 沿樣本運動方向布置，并與鏡頭的軸線呈一定夾角。
[0022] 所述樣本輸送裝置包括電機、聯(lián)軸器、線性滑軌和托盤；電機通過聯(lián)軸器與線性滑 軌的轉(zhuǎn)軸連接，托盤固定在線性滑軌的滑塊上。
[0023] 所述傾斜入射光纖的固定螺母中，其中一個固定螺母將傾斜入射光纖的下端固 定在光纖固定支架上，另一個螺母安裝在光纖固定支架的弧形槽內(nèi)并固定著傾斜入射光 纖的中部，螺母可在弧形槽內(nèi)滑動從而調(diào)節(jié)傾斜入射光纖與水平面的夾角，該夾角范圍為