基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析方法及系統(tǒng)。該方法包括：以經(jīng)過調(diào)制的可見近紅外波段的高頻正弦波激光信號照射待測果蔬；檢測從所述待測果蔬表面射出的出射光的光強和相位；根據(jù)所述出射光的光強和相位計算得到待測果蔬的各個部位的吸收系數(shù)和散射系數(shù)；根據(jù)所述待測果蔬的吸收系數(shù)和散射系數(shù)的分布情況分析所述待測果蔬的品質(zhì)。本發(fā)明提供的果蔬品質(zhì)分析方法及系統(tǒng)，檢測速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)實時檢測，可有效計算吸收系數(shù)和散射系數(shù)，實現(xiàn)果蔬內(nèi)部吸收系數(shù)和散射系數(shù)的三維重構(gòu)，并通過分析吸收系數(shù)和散射系數(shù)定位出水果內(nèi)部病變的位置，達到可視化的效果，適用于果蔬的品質(zhì)分析和分類。
【專利說明】
基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及果蔬檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果 蔬品質(zhì)分析方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 果蔬是人們?nèi)粘ｏ嬍成钪胁豢扇鄙俚囊徊糠郑S著生活質(zhì)量的日漸提高，人們 在選購果蔬時越來越關(guān)注果蔬的內(nèi)部品質(zhì)，如果蔬的糖度、酸度以及病變等。而果蔬在成 熟、貯藏以及輸運期間，由于品種以及環(huán)境等問題，易發(fā)生病變。果蔬(如梨、蘋果等）的病變 一般分為水心病，淺層或內(nèi)部褐變等。這些病變一般表現(xiàn)為果蔬淺層或果心區(qū)果肉從內(nèi)向 外腐爛，輕病果的外表不易辨識，必須剖開后才見到病變，這給生產(chǎn)廠家和消費者對果蔬的 篩選都帶來了 一定的困難。
[0003] 為了實現(xiàn)果蔬內(nèi)部品質(zhì)的檢測，可運用無損檢測方法分析果蔬品質(zhì)，主要有近紅 外技術(shù)結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法、連續(xù)波檢測方法。
[0004]近紅外技術(shù)結(jié)合化學(xué)計量學(xué)的方法是一種間接分析方法，該方法存在以下問題： (1)建立模型時需事先收集大批數(shù)量的代表性樣品，并用理化分析的方法測定這些樣品的 品質(zhì)指標(biāo)作為建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以此模型進行未知樣品的分析。因此在應(yīng)用模型時總會遇 到模型的適應(yīng)性、穩(wěn)定性等問題；（2)用漫反射方式進行果蔬樣品的光譜采集時，通常采用 單點檢測，因而不能全面反映果蔬的品質(zhì)，也無法表征出果蔬的病變位置及程度，這給果蔬 的分類帶來一定困難。
[0005] 連續(xù)波檢測方法，也稱為穩(wěn)態(tài)空間分辨光譜檢測方法，通過檢測連續(xù)光強度的變 化，推導(dǎo)出生物組織的吸收系數(shù)和散射系數(shù)。由于生物組織的吸收(吸收系數(shù)決定)和散射 (散射系數(shù)決定)都會造成光強的衰減，而現(xiàn)有的針對連續(xù)波光強的衰減而計算吸收系數(shù)和 散射系數(shù)的方法一般為漫射方程(DE)、蒙特卡羅模擬(MC)，不能準(zhǔn)確的分離吸收系數(shù)和散 射系數(shù)，導(dǎo)致在生物組織光學(xué)參數(shù)成像時，對組織病變等的定位不夠準(zhǔn)確，不能準(zhǔn)確的分離 出吸收系數(shù)和散射系數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:現(xiàn)有的果蔬品質(zhì)分析方法建模時存在適應(yīng)性及穩(wěn) 定性問題(近紅外結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法），不能準(zhǔn)確分離吸收系數(shù)和散射系數(shù)，對病變位置 定位不準(zhǔn)確的問題(連續(xù)波檢測方法）。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一方面提出了一種基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的 果蔬品質(zhì)分析方法，該果蔬品質(zhì)分析方法包括：
[0008] 以經(jīng)過調(diào)制的可見近紅外波段的高頻正弦波激光信號照射待測果蔬；
[0009] 檢測從所述待測果蔬表面射出的出射光的光強和相位；
[0010] 根據(jù)所述出射光的光強和相位計算出待測果蔬的各個部位的吸收系數(shù)和散射系 數(shù)；
[0011] 根據(jù)所述待測果蔬的吸收系數(shù)和散射系數(shù)的分布情況分析所述待測果蔬的品質(zhì)。
[0012] 可選地，在所述以經(jīng)過調(diào)制的可見近紅外波段的高頻正弦波激光信號照射待測果 蔬之前，還包括：
[0013] 在所述待測果蔬上設(shè)置多個激光產(chǎn)生器和多個光電檢測器，獲取所述激光產(chǎn)生器 和光電檢測器的分布位置。
[0014] 可選地，在所述以經(jīng)過調(diào)制的可見近紅外波段的高頻正弦波激光信號照射待測果 蔬之前，還包括：
[0015] 所述激光產(chǎn)生器產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)制的高頻正弦波激光信號。
[0016] 可選地，所述根據(jù)所述出射光的光強和相位獲取待測果蔬的各個部位的吸收系數(shù) 和散射系數(shù)包括：
[0017] 建立待測果蔬模型，并標(biāo)出實際激光產(chǎn)生器和光電檢測器的分布位置；
[0018] 將所述待測果蔬剖分為多個正四面體，利用漫射光子傳輸模型獲取每個正四面體 節(jié)點處的光子流量率；
[0019] 根據(jù)所述光子流量率和預(yù)設(shè)光學(xué)參數(shù)獲取理論出射光的光強和理論出射光的相 位；
[0020] 對所述理論出射光的光強和檢測的出射光的光強進行最小二乘迭代，并對所述理 論出射光的相位和檢測出的出射光的相位進行最小二乘迭代，當(dāng)?shù)Y(jié)果不滿足迭代終止 條件時，更新預(yù)設(shè)光學(xué)參數(shù)，重新進行迭代計算，當(dāng)滿足迭代終止條件時，最終獲取待測果 蔬的各個部位的吸收系數(shù)和散射系數(shù)；
[0021 ]其中，所述預(yù)設(shè)光學(xué)參數(shù)包括預(yù)設(shè)吸收系數(shù)和預(yù)設(shè)散射系數(shù)。
[0022] 可選地，所述根據(jù)所述光子流量率和預(yù)設(shè)光學(xué)參數(shù)獲取理論出射光的光強和理論 出射光的相位包括：
[0023] 根據(jù)公式（一）獲取理論出射光的光強：
[0024]
[0025]
[0026]
[0027] 其中，AC為光強，d為激光產(chǎn)生器和激光檢測器的距離；ω是對入射光進行調(diào)制的 角頻率，V是光在介質(zhì)中傳播的速度，μ's是約化散射系數(shù);ACo為初始幅度;PHo為初始相位； 為吸收系數(shù)，為散射系數(shù)。
[0028]本發(fā)明另一方面提出了一種基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析系統(tǒng)， 該果蔬品質(zhì)分析系統(tǒng)包括：
[0029]激光入射單元，用于以經(jīng)過調(diào)制的可見近紅外波段的高頻正弦波激光信號照射待 測果蔬；
[0030] 出射光檢測單元，用于檢測從所述待測果蔬表面射出的出射光的光強和相位；
[0031] 光學(xué)參數(shù)獲取單元，用于根據(jù)所述出射光的光強和相位計算出待測果蔬的各個部 位的吸收系數(shù)和散射系數(shù)；
[0032]品質(zhì)分析單元，用于根據(jù)所述待測果蔬的吸收系數(shù)和散射系數(shù)的分布情況分析所 述待測果蔬的品質(zhì)。
[0033] 可選地，該系統(tǒng)還包括：
[0034]分布位置獲取單元，用于在所述待測果蔬上設(shè)置多個激光產(chǎn)生器和多個光電檢測 器，獲取所述激光產(chǎn)生器和光電檢測器的分布位置。
[0035] 可選地，該系統(tǒng)還包括：
[0036]激光產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)制的高頻正弦波激光信號。
[0037] 可選地，所述光學(xué)參數(shù)獲取單元包括：
[0038] 光子流量率獲取模塊，用于將所述待測果蔬剖分為多個正四面體，利用漫射光子 傳輸模型獲取每個正四面體節(jié)點處的光子流量率；
[0039]理論出射光參數(shù)獲取模塊，用于根據(jù)所述光子流量率和預(yù)設(shè)光學(xué)參數(shù)獲取理論出 射光的光強和理論出射光的相位；
[0040]光學(xué)參數(shù)獲取模塊，用于對所述理論出射光的光強和檢測的出射光的光強進行最 小二乘迭代，并對所述理論出射光的相位和檢測出的出射光的相位進行最小二乘迭代，獲 取待測果蔬的各個部位的吸收系數(shù)和散射系數(shù)；
[0041 ]其中，所述預(yù)設(shè)光學(xué)參數(shù)包括預(yù)設(shè)吸收系數(shù)和預(yù)設(shè)散射系數(shù)。
[0042]可選地，所述理論出射光的光子流獲取模塊，進一步用于根據(jù)公式（一）獲取理論 出射光的光強：
[0043]
[0044] 根據(jù)公式(二)獲取理論出射光的相位：
[0045]
[0046] 其中，AC為光強，d為激光產(chǎn)生器和激光檢測器的距離；ω是對入射光進行調(diào)制的 角頻率，V是光在介質(zhì)中傳播的速度，μ's是約化散射系數(shù);ACo為初始幅度;PHo為初始相位； 為吸收系數(shù)，為散射系數(shù)。
[0047]本發(fā)明提供的基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析方法及系統(tǒng)，檢測速 度快，能夠?qū)崿F(xiàn)實時檢測，可有效計算吸收系數(shù)和散射系數(shù)，實現(xiàn)果蔬內(nèi)部吸收系數(shù)和散射 系數(shù)的三維重構(gòu)，并通過分析吸收系數(shù)和散射系數(shù)定位出水果內(nèi)部病變的位置，達到可視 化的效果。本發(fā)明提供的果蔬品質(zhì)分析方法對果蔬內(nèi)部病變定位準(zhǔn)確方便，適用于果蔬的 品質(zhì)分析和分類。
【附圖說明】
[0048]通過參考附圖會更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，附圖是示意性的而不應(yīng)理 解為對本發(fā)明進行任何限制，在附圖中：
[0049]圖1示出了本發(fā)明一個實施例的基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析方 法的流程示意圖；
[0050]圖2示出了本發(fā)明一個實施例的基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析方 法的原理圖；
[0051]圖3示出了本發(fā)明一個實施例的激光產(chǎn)生器和激光檢測器的分布位置示意圖； [0052]圖4a示出了本發(fā)明一個實施例的待測的病變蘋果的示意圖；
[0053]圖4b示出了本發(fā)明一個實施例的對待測的病變蘋果的二維仿真圖；
[0054]圖5示出了驗證本發(fā)明基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析方法準(zhǔn)確性 的實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0055] 圖6示出了本發(fā)明一個實施例的基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0056] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細描述。
[0057] 圖1示出了本發(fā)明一個實施例的基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析方 法的流程示意圖。如圖1所示，該實施例的果蔬品質(zhì)分析方法，包括：
[0058] Sll:以經(jīng)過調(diào)制的可見近紅外波段的高頻正弦波激光信號照射待測果蔬；
[0059] S12:檢測從所述待測果蔬表面射出的出射光的光強和相位；
[0060] S13:根據(jù)所述出射光的光強和相位計算得到待測果蔬的各個部位的吸收系數(shù)和 散射系數(shù)；
[0061] S14:根據(jù)所述待測果蔬的吸收系數(shù)和散射系數(shù)的分布情況分析所述待測果蔬的 品質(zhì)。
[0062] 本實施例的基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析方法，檢測速度快，能 夠?qū)崿F(xiàn)實時檢測，可有效計算吸收系數(shù)和散射系數(shù)，實現(xiàn)果蔬內(nèi)部吸收系數(shù)和散射系數(shù)的 三維重構(gòu)，并通過分析吸收系數(shù)和散射系數(shù)定位出水果內(nèi)部病變的位置，達到可視化的效 果。
[0063] 圖2示出了本發(fā)明一個實施例的基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析方 法的原理圖，如圖2所示，本發(fā)明實施例應(yīng)用頻域近紅外檢測方法結(jié)合光學(xué)成像技術(shù)，對表 征果蔬內(nèi)部品質(zhì)的組織參數(shù)以及果蔬內(nèi)部是否有病變進檢測行分析。主要包括檢測出射光 的光強和相位信息以及分析光強和相位之間的關(guān)系，應(yīng)用光子在生物組織中傳輸?shù)穆浞?程計算果蔬的光學(xué)特性參數(shù)，并利用有限元和迭代算法，實現(xiàn)表征水果內(nèi)部品質(zhì)的光學(xué)特 性參數(shù)的三維重構(gòu)成像。
[0064] 具體來說，當(dāng)光子入射到待測組織如水果等，將經(jīng)歷吸收、散射等過程。吸收的強 弱常用吸收系數(shù)表示，散射的強弱用散射系數(shù)表示，單位都是mnf 1或Cnf1。一般生物組織屬 于強散射弱吸收介質(zhì)，其散射系數(shù)遠大于吸收系數(shù)。當(dāng)生物組織發(fā)生病變時，其吸收系數(shù)和 散射系數(shù)相應(yīng)會發(fā)生變化，此時便可以通過檢測計算吸收系數(shù)和散射系數(shù)，判斷水果的病 變程度并定位病變位置。針對傳統(tǒng)的近紅外光譜法進行水果內(nèi)部品質(zhì)參數(shù)分析需要事先建 立模型這一問題，本實施例依據(jù)近紅外光在組織中的漫射傳輸理論，用頻域近紅外光譜法， 利用一定的設(shè)備，檢測出出射光的光強和相位，后續(xù)可以直接求出表征蘋果內(nèi)部品質(zhì)的光 學(xué)特性參數(shù):不同部位對光的吸收系數(shù)和散射系數(shù)。光強和相位的檢測采用頻域近紅外檢 測方法，以高頻(通常為數(shù)百兆赫茲)正弦波信號對系統(tǒng)激光光源的光強進行調(diào)制，在介質(zhì) 中形成漫射光子密度波進行傳播。在距離光源一定距離處，檢測經(jīng)過生物組織的出射光的 光強變化和相位變化。其中AC為檢測到的光強的交流幅度，DC為平均光強值，PH為相位延 遲。一般出射光的頻率不變，但是由于組織的吸收和散射作用，信號的光強會發(fā)生衰減，相 位會產(chǎn)生微小的延遲。通過檢測信號的光強值（由于信號的直流部分容易受到外界光線的 干擾，且信噪比低，故利用信號的交流幅度AC)和相位延遲，便可求出待測組織的光學(xué)參數(shù)。 [0065]進一步地，在所述以經(jīng)過調(diào)制的可見近紅外波段的高頻正弦波激光信號照射待測 果蔬之前，還包括：
[0066] 在所述待測果蔬上設(shè)置多個一定波長的激光產(chǎn)生器和多個光電檢測器，獲取所述 激光產(chǎn)生器和光電檢測器的分布位置。
[0067] 圖3示出了本發(fā)明一個實施例的激光產(chǎn)生器和激光檢測器的分布位置示意圖，如 圖3所示，本實施例針對蘋果設(shè)計了多光源多檢測器的設(shè)備，對經(jīng)過水果的出射光進行檢 測，多光源多檢測器不僅實現(xiàn)了水果的多面覆蓋的檢測，而且對于內(nèi)部品質(zhì)的三維重構(gòu)提 供了基礎(chǔ)。
[0068]在所述以經(jīng)過調(diào)制的可見近紅外波段的高頻正弦波激光信號照射待測果蔬之前， 還包括：
[0069] 所述激光產(chǎn)生器產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)制的高頻正弦波激光信號。
[0070] 本發(fā)明實施例利用頻域近紅外光譜檢測方法結(jié)合光學(xué)成像技術(shù)，通過檢測多組經(jīng) 過IlOMHz高頻調(diào)制后的波長為830nm的激光出射光信號的光強和相位延遲信息，反推出果 蔬的吸收系數(shù)和散射系數(shù)，判斷出果蔬是否發(fā)生病變，同時結(jié)合光強與相位延遲的關(guān)系，在 不損傷果蔬的前提下，應(yīng)用光學(xué)成像技術(shù)定位出果蔬的病變位置。該方法定位準(zhǔn)確，且能達 到快速檢測的效果，方便果蔬的品質(zhì)分析及分類。
[0071] 進一步地，所述根據(jù)所述出射光的光強和相位計算得到待測果蔬的各個部位的吸 收系數(shù)和散射系數(shù)包括：
[0072] 建立待測果蔬的空間模型，并標(biāo)出實際激光產(chǎn)生器和光電檢測器的分布位置； [0073]將所述待測果蔬剖分為多個正四面體，利用漫射光子傳輸模型獲取每個正四面體 節(jié)點處的光子流量率；
[0074]根據(jù)所述光子流量率和預(yù)設(shè)光學(xué)參數(shù)獲取理論出射光的光強和理論出射光的相 位；
[0075]對所述理論出射光的光強和檢測的出射光的光強進行最小二乘迭代，并對所述理 論出射光的相位和檢測出的出射光的相位進行最小二乘迭代，獲取待測果蔬的各個部位的 吸收系數(shù)和散射系數(shù)；
[0076] 其中，所述預(yù)設(shè)光學(xué)參數(shù)包括預(yù)設(shè)吸收系數(shù)和預(yù)設(shè)散射系數(shù)。
[0077] 圖4a示出了本發(fā)明一個實施例的待測的病變蘋果的示意圖。霉心病變的蘋果，其 周圍正常部位和內(nèi)部發(fā)生病變的位置的光學(xué)參數(shù)不同。本發(fā)明實施例應(yīng)用有限元的方法， 首先建立水果的空間模型，并標(biāo)出激光產(chǎn)生器和檢測器的分布位置;然后將水果這樣的連 續(xù)系統(tǒng)按一定的形狀和比例剖分成離散系統(tǒng)，由于需要對水果進行三維成像，故用正四面 體對模型進行剖分，每一個四面體區(qū)域內(nèi)的組織看為均勻介質(zhì)，則剖分的四面體數(shù)目越多 時，四面體的體積越小，參數(shù)計算以及重構(gòu)便更精確。由于實驗僅能獲取入射光的光源以及 出射光的光強和相位值，且直接求解光學(xué)參數(shù)分布并不容易，則本發(fā)明實施例用迭代算法， 先根據(jù)漫射光子傳輸模型，求出每個剖分的四面體節(jié)點處的光子流量率，并假設(shè)水果預(yù)設(shè) 光學(xué)參數(shù)分布情況，求出在此參數(shù)分布下，理論上出射光的光強和相位值。再將光強和相位 的理論值與實際檢測值進行最小二乘迭代，當(dāng)它們的差值不滿足迭代終止條件時，更新預(yù) 設(shè)光學(xué)參數(shù)，再重新進行計算；當(dāng)它們的差值滿足迭代終止條件時，則得到最終的光學(xué)參數(shù) 分布。此時的光學(xué)參數(shù)分布圖便可反映水果的內(nèi)部是否發(fā)生病變等。
[0078] 圖4b示出了本發(fā)明一個實施例的對待測的病變蘋果的二維仿真圖，利用開源軟件 對病變水果進行仿真得到的二維圖譜。
[0079] 本發(fā)明實施例采用頻域近紅外檢測技術(shù)，使用高頻調(diào)制光入射生物組織，漫射光 子在生物組織內(nèi)部形成漫射光子密度波，該光子密度波經(jīng)過生物組織后，其出射光與入射 光具有相同的調(diào)制頻率、不同的調(diào)制度和相位，通過檢測得到的光強和相位信息，即可反演 出組織的吸收系數(shù)和散射系數(shù)，并且通過多光源多檢測器的設(shè)置以及三維重構(gòu)方法，可定 位出病變的位置。相比于近紅外技術(shù)結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法，頻域近紅外檢測技術(shù)不需要事 先收集大量的樣品進行建模，數(shù)據(jù)量較小，檢測更加方便，且多點檢測技術(shù)又能夠全面反映 果蔬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及品質(zhì);相比于連續(xù)波檢測技術(shù)，頻域近紅外檢測技術(shù)既可獲得光強信息， 又可獲得相位延遲信息，使得定位更加準(zhǔn)確。與傳統(tǒng)的果蔬內(nèi)部品質(zhì)因數(shù)檢測方法相比，應(yīng) 用光學(xué)特性參數(shù)檢測方法速度快，能夠達到實時檢測，且能夠?qū)崿F(xiàn)果蔬內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視化。
[0080] 具體地，所述根據(jù)所述光子流量率和預(yù)設(shè)光學(xué)參數(shù)獲取理論出射光的光強和理論 出射光的相位包括：
[0081 ] 相據(jù)公式（一）獲取理論出射光的光強：
[0082]
[0083 ] 根據(jù)公式（二)獲取理論出射光的相位：
[0084]
[0085] 其中，AC為光強，d為激光產(chǎn)生器和激光檢測器的距離；ω是對入射光進行調(diào)制的 角頻率，V是光在介質(zhì)中傳播的速度，μ's是約化散射系數(shù);ACo為初始幅度;PHo為初始相位； 為吸收系數(shù)，為散射系數(shù)。
[0086]需要說明的是，光子在生物組織中的傳輸遵循漫射傳輸理論，且光源和檢測器的 距離d不同時，其檢測到的光子的強度和相位值也不同。一般在均勻介質(zhì)中，光子的光強和 相位與距離d存在上述關(guān)系。
[0087]簡化原方程即：In [ d · AC] = s IopeAc · d + bAc，PH = slopepH · d + bpH，其中，
代表公式（一）中的斜率
ζ表 公式(一）中的截距丨
弋表公式(二）中斜率，bPH = PHo,代 表公式中（二）的截距。從上式可以看出距離d與ln[d · AC]和PH均呈線性關(guān)系，ln[d · AC]隨 著d的增加逐漸減小，PH隨著d的增加逐漸增大。此時可得吸收系數(shù)和散射系數(shù)的求解表達
本發(fā)明 實施例采用具有多光源多檢測器的系統(tǒng)發(fā)射一定波長的調(diào)制激光信號，同時檢測出射光的 光強和相位，并根據(jù)公式中光學(xué)參數(shù)和斜率的關(guān)系，采用多間距非線性擬合，便可求出均勻 介質(zhì)的光學(xué)參數(shù)。
[0088]圖5示出了驗證本發(fā)明果蔬品質(zhì)分析方法準(zhǔn)確性的實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0089]由于一般水果的形狀并不規(guī)則，利用有限元建立三維立體模型稍復(fù)雜，且牛奶和 水果均屬于強散射性介質(zhì)，因此初期實驗我們采用牛奶代替病變水果進行實驗及驗證。實 驗中頻域光學(xué)檢測系統(tǒng)使用的是多通道多檢測器的頻域近紅外光譜儀，使用改進的開源軟 件進行數(shù)據(jù)整理及三維重構(gòu)。
[0090] (1)實驗裝置搭建:實驗裝置如圖5所示，玻璃水槽1中裝有一定體積的牛奶，為防 止外界雜散光對實驗的影響，玻璃槽的外面用黑色鋁板2罩住，頂側(cè)鋁板用四根支架固定一 塊用來固定激光產(chǎn)生器和檢測器的黑色平板3。黑色平板3上激光產(chǎn)生器和檢測器按照一定 的規(guī)律排列，且黑色平板3需要與牛奶液面平齊。實驗用具有一定吸收系數(shù)和散射系數(shù)的異 質(zhì)體小球4模仿發(fā)生病變的組織，該小球由細鐵絲連接并固定在支撐桿5上，該桿穿過頂側(cè) 鋁板固定在步進電機6上，并由步進電機6控制其上下移動。
[0091] (2)實驗步驟:首先把球形的異質(zhì)體固定在金屬桿上，實驗前小球置于牛奶液面以 下一定距離處?？刂茖嶒炑b置讓小球上下移動，每移動一次，記錄當(dāng)前的光強(AC)和相位 (PH)的值。實驗采集到的AC以及PH信號數(shù)據(jù)存儲到文件里，經(jīng)過均值預(yù)處理后，用改進的開 源軟件重構(gòu)出牛奶內(nèi)部的三維圖譜并求出相應(yīng)的光學(xué)參數(shù)。
[0092] 圖像重構(gòu)中，采用的異質(zhì)體是直徑已知的具有一定吸收系數(shù)和散射系數(shù)的小球。 將已知的吸收系數(shù)和散射系數(shù)與求得的光學(xué)參數(shù)進行對比，可知該實施例的果蔬品質(zhì)分析 方法較為準(zhǔn)確地通過分析吸收系數(shù)和散射系數(shù)定位出水果內(nèi)部病變的位置，達到可視化的 效果。
[0093] 圖6示出了本發(fā)明一個實施例的基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖6所示，該實施例的基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析系 統(tǒng)，包括：
[0094]激光入射單元61，用于以經(jīng)過調(diào)制的可見近紅外波段的高頻正弦波激光信號照射 待測果蔬；
[0095]出射光檢測單元62,用于檢測從所述待測果蔬表面射出的出射光的光強和相位；
[0096]光學(xué)參數(shù)獲取單元63,用于根據(jù)所述出射光的光強和相位計算出待測果蔬的各個 部位的吸收系數(shù)和散射系數(shù)；
[0097]品質(zhì)分析單元64,用于根據(jù)所述待測果蔬的吸收系數(shù)和散射系數(shù)的分布情況分析 所述待測果蔬的品質(zhì)。
[0098]在一種可選的實施方式中，該系統(tǒng)還包括：
[0099]分布位置獲取單元，用于在所述待測果蔬上設(shè)置多個激光產(chǎn)生器和多個光電檢測 器，獲取所述激光產(chǎn)生器和光電檢測器的分布位置。
[0100] 進一步地，該系統(tǒng)還包括：
[0101]激光產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)制的高頻正弦波激光信號。
[0102] 具體地，所述光學(xué)參數(shù)獲取單元包括：
[0103] 光子流量率獲取模塊，用于將所述待測果蔬分割為多個正四面體，利用漫射光子 傳輸模型獲取每個正四面體節(jié)點處的光子流量率；
[0104] 理論出射光參數(shù)獲取模塊，用于根據(jù)所述光子流量率和預(yù)設(shè)光學(xué)參數(shù)獲取理論出 射光的光強和理論出射光的相位；
[0105] 光學(xué)參數(shù)獲取模塊，用于對所述理論出射光的光強和檢測的出射光的光強進行最 小二乘迭代，并對所述理論出射光的相位和檢測出的出射光的相位進行最小二乘迭代，獲 取待測果蔬的各個部位的吸收系數(shù)和散射系數(shù)；
[0106] 其中，所述預(yù)設(shè)光學(xué)參數(shù)包括預(yù)設(shè)吸收系數(shù)和預(yù)設(shè)散射系數(shù)。
[0107] 具體地，所述理論出射光的光子流獲取模塊，進一步用于根據(jù)公式(一)獲取理論 出射光的光強：
[0108]
[0109]
[0110]
[0111] 其中，AC為光強，d為激光產(chǎn)生器和激光檢測器的距離；ω是對入射光進行調(diào)制的 角頻率，V是光在介質(zhì)中傳播的速度，μ' s是約化散射系數(shù);ACo為初始幅度;PHo為初始相位； 為吸收系數(shù)，為散射系數(shù)。
[0112] 本實施例所述的基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析方法及系統(tǒng)可以 用于執(zhí)行上述方法實施例，其原理和技術(shù)效果類似，此處不再贅述。
[0113] 本發(fā)明提供的基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析方法及系統(tǒng)，檢測速 度快，能夠?qū)崿F(xiàn)實時檢測，可有效計算吸收系數(shù)和散射系數(shù)，實現(xiàn)果蔬內(nèi)部吸收系數(shù)和散射 系數(shù)的三維重構(gòu)，并通過分析吸收系數(shù)和散射系數(shù)定位出水果內(nèi)部病變的位置，達到可視 化的效果。
[0114] 雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā) 明的精神和范圍的情況下做出各種修改和變型，這樣的修改和變型均落入由所附權(quán)利要求 所限定的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析方法，其特征在于，包括： 以經(jīng)過調(diào)制的可見近紅外波段的高頻正弦波激光信號照射待測果蔬； 檢測從所述待測果蔬表面射出的出射光的光強和相位； 根據(jù)所述出射光的光強和相位計算得到待測果蔬的各個部位的吸收系數(shù)和散射系數(shù)； 根據(jù)所述待測果蔬的吸收系數(shù)和散射系數(shù)的分布情況分析所述待測果蔬的品質(zhì)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析方法，其特征 在于，在所述以經(jīng)過調(diào)制的可見近紅外波段的高頻正弦波激光信號照射待測果蔬之前，還 包括： 在所述待測果蔬上設(shè)置多個一定波長的激光產(chǎn)生器和多個光電檢測器，獲取所述激光 產(chǎn)生器和光電檢測器的分布位置。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析方法，其特征 在于，在所述以經(jīng)過調(diào)制的可見近紅外波段的高頻正弦波激光信號照射待測果蔬之前，還 包括： 所述激光產(chǎn)生器產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)制的高頻正弦波激光信號。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析方法，其特征 在于，根據(jù)所述出射光的光強和相位計算出待測果蔬的各個部位的吸收系數(shù)和散射系數(shù)， 包括： 建立待測果蔬的空間模型，并標(biāo)出實際激光產(chǎn)生器和光電檢測器的分布位置； 將所述待測果蔬剖分為多個正四面體，利用漫射光子傳輸模型獲取每個正四面體節(jié)點 處的光子流量率； 根據(jù)所述光子流量率和預(yù)設(shè)光學(xué)參數(shù)獲取理論出射光的光強和理論出射光的相位； 對所述理論出射光的光強和檢測的出射光的光強進行最小二乘迭代，并對所述理論出 射光的相位和檢測出的出射光的相位進行最小二乘迭代，獲取待測果蔬的各個部位的吸收 系數(shù)和散射系數(shù)； 其中，所述預(yù)設(shè)光學(xué)參數(shù)包括預(yù)設(shè)吸收系數(shù)和預(yù)設(shè)散射系數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析方法，其特征 在于，所述根據(jù)所述光子流量率和預(yù)設(shè)光學(xué)參數(shù)獲取理論出射光的光強和理論出射光的相 位包括： 根據(jù)公式(一)獲取理論出射光的光強AC:根據(jù)公式(二)獲取理論出射光的相位PH:其中，AC為光強，d為激光產(chǎn)生器和激光檢測器的距離；ω是對入射光進行調(diào)制的角頻 率，V是光在介質(zhì)中傳播的速度，μ's是約化散射系數(shù);ACo為初始幅度;PHo為初始相位;以3為 吸收系數(shù)，為散射系數(shù)。6. -種基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析系統(tǒng)，其特征在于，包括： 激光入射單元，用于以經(jīng)過調(diào)制的可見近紅外波段的高頻正弦波激光信號照射待測果 蔬； 出射光檢測單元，用于檢測從所述待測果蔬表面射出的出射光的光強和相位； 光學(xué)參數(shù)獲取單元，用于根據(jù)所述出射光的光強和相位計算出待測果蔬的各個部位的 吸收系數(shù)和散射系數(shù)； 品質(zhì)分析單元，用于根據(jù)所述待測果蔬的吸收系數(shù)和散射系數(shù)的分布情況分析所述待 測果蔬的品質(zhì)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析系統(tǒng)，其特征 在于，還包括： 分布位置獲取單元，用于在所述待測果蔬上設(shè)置至少多個激光產(chǎn)生器和多個光電檢測 器，獲取所述激光產(chǎn)生器和光電檢測器的分布位置。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析系統(tǒng)，其特征 在于，還包括： 激光產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)制的高頻正弦波激光信號。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析系統(tǒng)，其特征 在于，所述光學(xué)參數(shù)獲取單元包括： 光子流量率獲取模塊，用于將所述待測果蔬剖分為多個正四面體，利用漫射光子傳輸 模型獲取每個正四面體節(jié)點處的光子流量率； 理論出射光參數(shù)獲取模塊，用于根據(jù)所述光子流量率和預(yù)設(shè)光學(xué)參數(shù)獲取理論出射光 的光強和理論出射光的相位； 光學(xué)參數(shù)獲取模塊，用于對所述理論出射光的光強和檢測的出射光的光強進行最小二 乘迭代，并對所述理論出射光的相位和檢測出的出射光的相位進行最小二乘迭代，獲取待 測果蔬的各個部位的吸收系數(shù)和散射系數(shù)； 其中，所述預(yù)設(shè)光學(xué)參數(shù)包括預(yù)設(shè)吸收系數(shù)和預(yù)設(shè)散射系數(shù)。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于頻域近紅外光譜檢測技術(shù)的果蔬品質(zhì)分析系統(tǒng)，其特征 在于，所述理論出射光參數(shù)獲取模塊，進一步用于根據(jù)公式(一)獲取理論出射光的光強：其中，AC為光強，d為激光產(chǎn)生器和激光檢測器的距離；ω是對入射光進行調(diào)制的角頻 率，V是光在介質(zhì)中傳播的速度，μ's是約化散射系數(shù);ACo為初始幅度;PHo為初始相位;以3為 吸收系數(shù)，為散射系數(shù)。
【文檔編號】G01N21/359GK105891149SQ201610217565
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月8日
【發(fā)明人】趙龍蓮, 胡文雁, 李軍會, 王宇恒, 李凱, 李雪瑩, 欒麗麗, 劉慧
【申請人】中國農(nóng)業(yè)大學(xué)