CN101281122A - 一种测量光学参数谱的装置及其消除散射影响的定量方法 - Google Patents

一种测量光学参数谱的装置及其消除散射影响的定量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测量光学参数谱的装置，包括：光源，第一光纤，第二光纤，第三光纤，第一高速光开关，电子快门一、二、三、四、五，漫反射积分球、漫透射积分球、准直积分球；所述漫反射积分球、漫透射积分球、准直积分球各自上的测量孔分别通过光纤与所述第一高速光开关连接，所述第一高速光开关依次与光栅、电荷耦合器件、采集控制电路、控制器连接。本发明能够通过吸收系数谱与化学值建模的方法来解决经典建模方法中吸收与散射分不开的问题，从信息源头上直接削弱散射的影响。

Description

一种测量光学参数谱的装置及其消除散射影响的定量方法
技术领域
本发明涉及农业信息技术领域，特别是涉及一种测量光学参数谱的装置及其消除散射影响的定量方法。
背景技术
近年来，国内外对环境安全、食品安全和药品安全方面均给以高度关注，特别是运用近红外光谱技术，可以实现对样品的快速、无损(现场、在线)检测而不必进行样品的前处理，使之应用于大气与水环境、食品、药品、农产品安全及品质的快速检测、筛选等领域，为政府部门对有关突发事件在第一时间作出快速反应提供帮助，也可以用于指导生产和消费以保证产品的质量，保护消费者利益。
在近红外谱区主要是基团的振动能态跃迁的倍频与合频吸收，强度较弱而且谱峰重叠，因此，农产品品质近红外无损定量方法的实质是在复杂样品背景下，提取特定的微弱信息。现有技术方法是基于化学计量学思想来研究样品特定物质浓度(通常称“化学值”)与样品光谱之间的关系，并建立预测模型，在这里称之为“经典预测方法”。在农产品这种光吸收和光散射并存的多组分复杂体系中，经典预测方法要么认为光散射不变或者变化不大，要么认为应用一些校正方法可以削弱散射的影响。然而实际上散射与样品状态关系复杂，通过保持测试条件和样品状态来稳定散射是比较困难的。一旦散射变化，用已建模型预测出的化学值，其误差就会很大。有研究者应用一些校正方法(如多元散射校正等方法)来试图削弱散射的影响，但模型预测能力没有明显提高。实质上“经典预测方法”应用现有的光谱仪器测到的样品光谱(或称之为“吸光度谱”、或光密度谱)是具有吸收、散射共同作用的光谱，无法将散射从样品光谱中分离出去，见图1所示。有实验证明，散射引起的光谱变化有时会大于样品成分含量引起的光谱变化，这就直接影响了数学模型的稳健性、降低了模型的适用性，只能保证在一定有限的测试条件下(散射很小，浓度范围变化也很小的情况)的预测精确度。上述问题是多年来研究者们一直致力解决，但尚未解决的老问题，它已经成为提高农产品近红外快速无损定量方法精确度、稳健性和适用性的“瓶颈”。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光学参数分离的农产品品质分析中消除散射影响的定量方法及光学参数综合检测装置，特别是提供一种测量光学参数谱的装置及其消除散射影响的定量方法。
为达到上述目的，一方面，本发明的技术方案提供一种测量光学参数谱的装置，包括：光源，与第一光纤、第二光纤、第三光纤连接；第一高速光开关，与所述第一光纤连接；漫反射积分球，所述第二光纤经电子快门一进入漫反射积分球的入光孔；漫透射积分球，所述漫反射积分球的出光孔经电子快门二与漫透射积分球的入光孔连接，待测样品一设置于所述漫反射积分球和漫透射积分球之间；准直积分球，所述漫透射积分球的出光孔通过电子快门三、四与准直积分球的入光孔一连接；第二高速光开关，所述第三光纤与待测样品二表面耦合，所述待测样品二表面设置有至少两条与所述第三光纤等间距、成一条直线的检测光纤，所述检测光纤与第二高速光开关的输入端连接，所述第二高速光开关的输出端通过电子快门五与所述准直积分球的入光孔二连接；电子快门控制电路，分别与所述电子快门一、二、三、四、五连接，所述漫反射积分球上的测量孔、漫透射积分球上的测量孔、准直积分球上的测量孔分别通过光纤与所述第一高速光开关连接；控制器，所述第一高速光开关依次与光栅、电荷耦合器件、采集控制电路、控制器连接。
其中，所述光源经准直透镜与所述第一光纤、第二光纤、第三光纤连接。
其中，所述第一光纤、第二光纤、第三光纤的光谱波长范围在600nm～1700nm，所述光栅在600nm～1700nm范围内。。
其中，所述漫反射积分球的入光孔或出光孔面积不超过所述漫反射积分球内表面积的2％，所述漫反射积分球的测量孔面积不超过所述漫反射积分球内表面积的1％；所述漫透射积分球的入光孔或出光孔面积不超过所述漫透射积分球内表面积的2％，所述漫透射积分球的测量孔面积不超过所述漫透射积分球内表面积的1％；所述准直积分球的入光孔一、入射孔二或出光孔面积不超过所述准直积分球内表面积的2％，所述准直积分球的测量孔面积不超过所述准直积分球内表面积的1％。
其中，所述漫透射积分球与所述准直积分球之间的距离不小于20cm。
其中，所述检测光纤的内径大于800μm，所述检测光纤之间的间距为3mm～10mm。
另一方面，本发明提供一种利用上述装置消除散射影响的定量方法，包括以下步骤：利用测量光学参数谱的装置获取农产品、生物组织样品的吸收系数谱μa(λ)、散射系数谱μs(λ)或约化散射系数谱μs’(λ)；应用化学计量学算法建立吸收系数谱μa(λ)与所述农产品、生物组织样品化学值之间的数学模型，求得所述农产品、生物组织样品中待测物质化学值。
其中，获取农产品、生物组织样品的吸收系数谱μa(λ)、散射系数谱μs(λ)包括以下步骤：S1、放置待测样品一在漫反射积分球与漫透射积分球之间；S2、电子快门控制电路关闭电子快门一、二、三、四、五，第一高速光开关选择第一光纤的入射光，控制器获取入射光强I0(λ)；S3、所述电子快门控制电路关闭电子快门五，打开电子快门一、二、三、四，所述第一高速光开关选择与漫反射积分球测量孔连接的入射光，所述控制器获取入射光强I1(λ)；S4、所述电子快门控制电路关闭电子快门五，打开电子快门一、二、三、四，所述第一高速光开关选择与漫透射积分球测量孔连接的入射光，所述控制器获取入射光强I2(λ)；S5、所述电子快门控制电路关闭电子快门五，打开电子快门一、二、三、四，所述第一高速光开关选择与准直积分球测量孔连接的入射光，所述控制器获取入射光强I3(λ)；S6、所述控制器获取漫反射率T1(λ)＝I1(λ)/I0(λ)、漫透射率T2(λ)＝I2(λ)/I0(λ)、准直透射率T3(λ)＝I3(λ)/I0(λ)；S7、采用迭代与误差反馈的算法逐个波长点计算，按设定波长点间隔对每个波长点逐个计算，每个波长点都给出光学参数的初始值μa0(λi)、μs0(λi)和g0(λi)，i为波长点标号；在给定的样品厚度范围内，先正向计算出它的漫反射率和漫透射率，分别与T1(λ)、T2(λ)及T3(λ)比较，根据误差采用单纯形方法拟合得到光学参数，最终获取吸收系数谱μa(λ)、散射系数谱μs(λ)和各向异性因子g(λ)。
其中，获取农产品、生物组织样品的吸收系数谱μa(λ)、约化散射系数谱μs’(λ)包括以下步骤：S01、电子快门控制电路控制电子快门一、二、三、四关闭，电子快门五开启，第一高速光开关选择第一光纤的入射光，检测入射光强I0(λi)，S02、第二高速光开关选择至少两条检测光纤中的光纤一，传输给准直光积分球上的入光孔二，第一高速光开关选择从所述准直光积分球测量孔传来的从待测样品二上的光纤一位置处的漫反射出来的光强If1(λi)，S03、第二高速光开关选择至少两条检测光纤中的光纤二，传输给准直光积分球上的入光孔二，第一高速光开关选择从所述准直光积分球测量孔传来的从待测样品二上的光纤二位置处的漫反射出来的光强If2(λi)；S04、所述控制器获取漫反射率Rf1(λi)＝If1(λi)/I0(λi)、漫反射率Rf2(λi)＝If2(λi)/I0(λi)；S05、根据理论漫射率公式：R＝EXP(-r μeff)/[(μa+μs’)r2]，式中μeff＝[3μa(μa+μs’)]1/2，每个波长下，对应光纤的2个检测距离r1和r2处的理论漫反射率R1(λi)和R2(λi)：R1(λi)＝EXP(-r1 μeff)/[(μa+μs’)r12]和R2(λi)＝EXP(-r2 μeff)/[(μa+μs’)r22]，构造目标函数，F(λi)＝[R1(λi)-Rf1(λi)]2+[R2(λi)-Rf2(λi)]2，采用非线性拟合算法，求得使F(λi)达到最小时的波长λi处的μa(λi)和μs’(λi)，这样逐个波长点计算可以得到最终结果吸收系数谱μa(λ)和约化散射系数谱μs’(λ)。
其中，所述定量方法用于测量混浊液态体系待测样品的待测化学组分含量，或对叶片、粉末状物质、鲜肉切片、肉块及活体待测样品的待测化学组分含量进行测量。
上述技术方案仅是本发明的一个优选技术方案，具有如下优点：以“光学参数分离”的观点重新看待农产品组织中的光吸收和光散射作用，理解组织光学参数与光谱数据之间的相互关系，通过吸收系数谱与化学值建模的方法来解决经典建模方法中吸收与散射分不开的问题，从信息源头上直接削弱散射的影响。农产品“光学参数分离技术”，将为研制新型的消弱散射影响的光谱分析仪器提供理论和技术基础，可成为具有应用价值的研究方法。由于采用同一套综合装置完成了多种不同检测方法下的光学参数谱，满足不同测量样品的要求，使用方便。
附图说明
图1是现有的经典预测方法示意图；
图2是本发明实施例的一种测量光学参数谱的装置的结构示意图；
图3利用本发明的测量光学参数谱的装置预测被测样品化学值的方法示意图；
图4是传统方法测得的光谱图；
图5是采用本发明实施例的方法得到的吸收系数谱图。
其中，11：复色光源；12：准直透镜；13：第一光纤；14：第二光纤；15：第三光纤；16：光纤一；17：光纤二；18、19、20、21：光纤；22：电子快门一；23：漫反射积分球；24：漫透射积分球；25：准直光积分球；26：电子快门二；27：电子快门三；28：电子快门四；29：电子快门五；30：第一高速光开关；31：漫反射积分球的入光孔；32：漫反射积分球的出光孔；33：漫反射积分球的测量孔；34：漫透射积分球的入光孔；35：漫透射积分球的出光孔；36：漫透射积分球的测量孔；37：准直光积分球的入光孔一；38：准直光积分球的入光孔二；39：准直光积分球的测量孔；40：光栅；41：CCD；42：采集控制电路；43：电子快门控制电路；44：控制器；45：待测样品一；46：待测样品二；47：第二高速光开关；48：控制线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图2所示，依据漫射光原理设计出的典型快速的适用于不同形态农产品测量光学参数谱检测装置是一个综合装置，它既可以应用同步测量到的农产品样品的漫反射率、漫透射率和准直透射率来获得样品吸收系数谱，此种方式定为样品测量方式1，适用于待测样品一45的农产品样品形态包括片状、液态、粉末；又可以应用同步测量到的农产品样品表面多个位置的漫反射率来获得样品吸收系数谱，此种方式定为样品测量方式2，适用于待测样品二46的农产品样品形态包括固态、液态、粉末或活体样品。本发明中的控制器44可以为个人计算机、服务器等，只要能满足对整个装置的控制及数据处理即可。
具体实施如下：复色光源11由钨灯光源(12V30W的卤钨灯)经准直透镜12准直，与由9根光谱波长范围在600nm-1700nm之内，直径为400μm的光纤组成的光纤束藕合，每3根光纤形成一个光纤束，共形成光强相等的三束光纤，分别为第一光纤13、第二光纤14、第三光纤15，其中第一光纤13作为参考光光纤，与第一高速光开关30相连，经由公共的光栅40(在600nm-1700nm范围内为最佳响应)、CCD 41(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)(型号：TAOS 102和AvaSpec-NIR256)、采集控制电路42，测量为入射光强I0(λ)；第二光纤14作为漫反射积分球23的入射光纤，经由电子快门一22进入漫反射积分球23的入光孔31，入光孔31的面积占积分球内表面积不超过2％，漫反射积分球23具有一个与入射孔31同轴的出光孔32，该孔占积分球内表面积不超过2％，与这两孔轴线垂直的侧面有一个漫反射光测量孔33，其面积占积分球内表面积不超过1％，测量孔33由内径800μm的光纤19连至第一高速光开关30的输入端，经由第一高速光开关30的输出端连至光栅40、CCD41、采集控制电路42，这样能够测量光强I1(λ)；待测样品一45置于漫反射积分球23与漫透射积分球24之间，漫透射积分球24也包括入光孔34、出光孔35、测量孔36，三个孔的结构与漫反射积分球的三个孔结构一致，测量孔36由内径800μm的光纤20连至公共的第一高速光开关30的输入端，经由光开光输出端连至公共光栅40、CCD41、采集控制电路42，这样能够检测光强I2(λ)；与漫透射积分球24距离不小于20cm处有一个准直光积分球25，包括入光孔一37、入光孔二38、测量孔39，孔结构与漫反射积分球孔结构要求相同，测量孔39由内径800μm的光纤21连至第一高速光开关30的输入端，经由光开光输出端连至公共光栅40、CCD41、采集控制电路42，这样能够测量光强I3(λ)。控制器44算出漫反射率T1(λ)＝I1(λ)/I0(λ)、漫透射率T2(λ)＝I2(λ)/I0(λ)、准直透射率T3(λ)＝I3(λ)/I0(λ)。为了计算出吸收系数谱μa(λ)、散射系数谱μs(λ)采用迭代与误差反馈的算法逐个波长点计算；每个波长点都给出光学参数的初始值μa0(λi)、μs0(λi)和g0(λi)，i为波长点标号；在给定的样品厚度范围内，先正向计算出它的漫反射率和漫透射率，分别与T1(λ)、T2(λ)及T3(λ)比较，根据误差采用单纯形方法得到光学参数，最终解算出吸收系数谱μa(λ)、散射系数谱μs(λ)和各向异性因子。单纯形法的一般解题步骤可归纳如下：①把线性规划问题的约束方程组表达成典范型方程组，找出基本可行解作为初始基本可行解。②若基本可行解不存在，即约束条件有矛盾，则问题无解。③若基本可行解存在，从初始基本可行解作为起点，根据最优性条件和可行性条件，引入非基变量取代某一基变量，找出目标函数值更优的另一基本可行解。④按步骤3进行迭代，直到对应检验数满足最优性条件(这时目标函数值不能再改善)，即得到问题的最优解。⑤若迭代过程中发现问题的目标函数值无界，则终止迭代。(具体详解见参考文献：唐铁桥，用单纯形法来讨论拟合问题，邵阳学院学报：社会科学版，2003，2(5)：14-16)。
第三光纤15作为待测样品二46的入射光光纤，直接与待测样品二46的样品表面紧密耦合；在第三光纤15的一侧，放置至少2条内径大于800μm的检测光纤，本实施例中分别为光纤一16和光纤二17，并与第三光纤15在一条直线上，它们间隔为3-10mm，且等间距，每相邻的光纤之间距离不小于3mm；与第三光纤15相邻最近的光纤一16的位置为1处位置，光纤二17的位置为2处位置。光纤一16、光纤二17分别与第二高速光开关47的输入端相连，再经过第二高速光开关47的输出端连一条内径800μm的光纤18至准直光积分球25上的入光孔38，入光孔38上安装有电子快门五29，漫反射积分球23、漫透射积分球24、准直光积分球上25的入光孔31、34、37、38和出光孔32、35均设置有由电子快门控制电路43通过控制线48控制的电子快门一22、电子快门二26、电子快门三27、电子快门四28、电子快门五29，在需要时可以阻断光路。在控制器44的控制下，电子快门控制电路43控制电子快门一22、电子快门二26、电子快门三27、电子快门四28关闭，电子快门五29开启，第一高速光开关30选择第一光纤13的入射光，检测入射光强I0(λi)，第二高速光开关47选择光纤一16，传输给准直光积分球25上的入光孔38，第一高速光开关30选择光纤21传来的从待测样品二46的1处位置漫反射出来的光强If1(λi)，同理，第二高速光开关47选择光纤二17，传输给准直光积分球25上的入光孔38，第一高速光开关30选择光纤21传来的从待测样品二46的2处位置漫反射出来的光强If2(λi)，用If1(λi)除以入射光强I0(λi)得到漫反射率Tf1(λi)；用If2(λi)除以入射光强I0(λi)得到漫反射率Tf2(λi)；
采用以下步骤进行拟合计算，精确求得吸收系数谱μa(λ)，约化散射系数谱μs’(λ)。
利用上述装置，用以下步骤实现片状或粉末样品在600nm-1700nm范围内吸收系数谱和散射系数谱的计算，波长分辨率不低于8nm；步骤如下：
1)对于厚度小于2mm片状或粉末样品放在漫反射积分球和漫透射积分球之间；
2)电子快门控制电路关闭电子快门一、二、三、四、五，第一高速光开关选择第一光纤的入射光，控制器获取入射光强I0(λ)；所述电子快门控制电路关闭电子快门五，打开电子快门一、二、三、四，所述第一高速光开关选择与漫反射积分球测量孔连接的入射光，所述控制器获取入射光强I1(λ)；所述电子快门控制电路关闭电子快门五，打开电子快门一、二、三、四，所述第一高速光开关选择与漫透射积分球测量孔连接的入射光，所述控制器获取入射光强I2(λ)；所述电子快门控制电路关闭电子快门五，打开电子快门一、二、三、四，所述第一高速光开关选择与准直积分球测量孔连接的入射光，所述控制器获取入射光强I3(λ)；
3)准直透射率T3(λ)由准直光测量单元所得光强值I3(λ)除以入射参考光源光强值I0(λ)得到；
4)漫反射透射率T1(λ)由漫反射透射率测量单元所得光强值I1(λ)除以入射参考光源光强值I0(λ)计算得到；
5)漫透射率T2(λ)由漫透射率测量单元所得光强值I2(λ)除以入射参考光源光强值I0(λ)计算得到；
6)为了计算出吸收系数谱μa(λ)、散射系数谱μs(λ)和各向异性因子谱g(λ)，采用正向算法(现有技术)迭代与测量结果比较所得的误差反馈的算法逐个波长点计算；每个波长点都设置光学参数的初始值μa0(λi)、μs0(λi)和g0(λi)，i为波长点标号；在给定的样品厚度范围内(样品厚度小于2mm)，先正向计算出它的预设漫反射率和漫透射率，再分别与T1(λ)、T2(λ)及T3(λ)比较获得计算值与其误差值，根据误差调整光学参数，最终解算出吸收系数谱μa(λ)、散射系数谱μs(λ)和各向异性因子。预置光学参数μa0(λi)、μs0(λi)和g0(λi)，把它们作为迭代初始值；
将这组光学参数代入正向算法，(正向算法详解可参见以下文献：1S.A.Prahl，“The Adding-Doubling Method，”in Optical ThermalResponse of Laser Irradiated Tissue，edited by A.J.Welch and M.J.C.van Gemert，Plenum Press，New York，pp.101-129，1995)来计算物理量所对应的准直透射率、漫反射透射率、漫透射率；通过实测值和理论值两者之间的误差值来确定下一步骤的操作；如果已经达到设定的精度，那么当前所设定的光学参数就是最后的输出结果，否则，根据比较结果重新设定一组光学参数，然后重复这个过程，直到输出最后结果或者超出迭代最大步骤为止。
利用上述装置，以下步骤实现块状或活体样品的在600nm-1700nm范围内吸收系数谱和约化散射系数谱的计算，波长分辨率不低于8nm；步骤如下：
1)连接到光源的光纤将入射光由光纤与样品表面紧密藕合。
2)与光源在一条直线上的至少2个检测光纤分别放置在等间隔为3-10mm的位置上，与光源与其相邻最近的检测光纤位置不小于3mm；如果不考虑成本因素，可以设置多条检测光纤，每条光纤分别检测光强，根据检测结果进行分析，从而得到更加精确的检测结果。
3)电子快门控制电路控制电子快门一、二、三、四关闭，电子快门五开启，第一高速光开关选择第一光纤的入射光，检测入射光强I0(λi)，第二高速光开关选择光纤一，传输给准直光积分球上的入光孔二，第一高速光开关选择从所述准直光积分球测量孔传来的从待测样品二上的光纤一位置处的漫反射出来的光强If1(λi)，第二高速光开关选择光纤二，传输给准直光积分球上的入光孔二，第一高速光开关选择从所述准直光积分球测量孔传来的从待测样品二上的光纤二位置处的漫反射出来的光强If2(λi)。
4)为了求出吸收系数谱μa(λ)、约化散射系数谱μs’(λ)，逐个波长点进行如下计算：
a用检测光纤1处得到的光强If1(λi)除以入射光强得到漫反射率Rf1(λi)；
b用检测光纤2处得到的光强If2(λi)除以入射光强得到漫反射率Rf2(λi)；
c某一波长下，理论漫射率符合以下公式(5-1)：
R＝EXP(-r μeff)/[(μa+μs’)r2]                        (5-1)式中μeff＝[3μa(μa+μs’)]1/2，根据(5-1)式，每个波长下，对应光纤的2个检测距离r1和r2处的理论漫反射率R1(λi)和R2(λi)，(5-2)和(5-3)式：
R1(λi)＝EXP(-r1 μeff(λi))/[(μa(λi)+μs’(λi))r12] (5-2)
R2(λi)＝EXP(-r2 μeff(λi))/[(μa(λi)+μs’(λi))r22] (5-3)
其中，EXP是指e幂函数，e＝2.718。
构造目标函数F(λi)，见(5-4)式
F(λi)＝[R1(λi)-Rf1(λi)]2+[R2(λi)-Rf2(λi)]2         (5-4)
采用非线性拟合算法(单纯形算法)，求得使F(λi)达到最小时的μa(λi)和μs’(λi)，这样逐个波长点计算可以得到最终结果吸收系数谱μa(λ)和约化散射系数谱μs’(λ)。μa吸收系数，单位mm-1，μs’＝(1-g)μs为约化散射系数，单位mm-1，μeff＝(3μa*(μa+μs’))1/2mm-1，其他参数为无量纲。
上述两种方式可以适用于多种测量要求和多种农产品样品形态，可以用于测量牛奶、果汁等混浊液态体系待测样品的待测化学组分含量，也可以对叶片、粉末状物质、鲜肉切片、肉块及活体等待测样品的待测化学组分含量进行测定。利用测量光学参数谱的装置获取农产品、生物组织样品的吸收系数谱μa(λ)、散射系数谱μs(λ)；应用化学计量学算法建立吸收系数谱μa(λ)与农产品、生物组织样品化学值之间的数学模型，该数学模型采用多元回归模型，求得农产品、生物组织样品中待测物质化学值。应用上述综合装置所获得的吸收系数谱μa(λ)与化学值建立模型，模型建立可以采用偏最小二乘方法，其预测过程见图3所示。由图3可以看出，基于光学参数分离的农产品品质分析中消除散射影响的定量方法，包括两个过程，即建立模型过程和预测化学值过程。下面介绍求得农产品、生物组织样品中待测物质化学值的具体步骤：
建立模型之前先用现有化学测量样品的待测成分的浓度值(化学值)Ci(i＝1，2…，h)，i表示不同样品编号和浓度，每个浓度将有一条吸收系数谱μai(λ)；
建立模型过程如下：首先选择较少的代表性样品h个，然后测量h个样品每个样品的P种成分含量，即化学值的含量，利用上述测量光学参数谱检测装置针对h个样品测量挑选波长下的光学参数μa、μs获得吸收系数谱μaij(吸收与散射被分离)，根据化学值建立化学值矩阵：
C11......C1p
   ......
Ch1......Chp
根据吸收系数谱μaij建立标准吸收系数谱阵：
μa11...μa1m
     ......
μah1...μahm
其中，i＝1，2...h，j＝1，2...m。
然后根据化学值矩阵和标准吸收系数谱阵建立多元预测模型：
ni r(μa)-C1
ni r(μa)-C2
     ......
ni r(μa)-Cp
预测化学值过程包括：首先挑选待测的K个样品，利用上述测量光学参数谱检测装置针对k个样品测量挑选波长下的光学参数μa、μs获得吸收系数谱μaij(吸收与散射被分离)，根据吸收系数谱μaij建立待测的k个样品吸收系数谱阵：
μa11...μa1m
     ......
μak1...μakm
其中，i＝1，2...k；j＝1，2...m，表示波长。
然后根据吸收系数谱阵，利用与建立模型过程中的建立多元预测模型的同一个模型建立预测化学值过程的多元预测模型：
nir(μa)-C1
nir(μa)-C2
    ......
nir(μa)-Cp
然后根据化学值矩阵和标准吸收系数谱阵建立多元线性回归模型，线性回归方法本身是现有技术，化学值计算模型表达为：
Ck＝μak1×a1+μak2×a2+.....μakm×am
a 1，a2，..am是回归所得系数。
最后，根据建立的预测化学值过程的多元预测模型得到待测的k个样品化学值预测结果：
C11......C1p
   ......
Ck1......Ckp
计算结束，求得农产品、生物组织样品中待测物质化学值。
下面，用一组具体的实验结果来说明本发明。由传统方法测试得到的光谱，如图4所示。纵坐标为光密度值OD(光密度值OD无量纲)，横坐标为波长。表1为采用传统光谱建立模型预测值与肌红蛋白真值对比。
表1采用传统光谱建立模型预测值与肌红蛋白真值对比
  肌红蛋白真值(μM/L)   模型预测值(μM/L)
  1   2
  10   8
  11   8
  12   13
  13   7
  16   14
  18   16
  19   17
  2   1
  20   19
  3   2
  4   5
  5   4
  6   4
  8   7
  9   7
模型变异系数CV＝标准差/均差＝23.1％。
图5是采用本发明方法得到的吸收系数谱，纵坐标为吸收系数值(单位：mm-1)，横坐标为波长。表2为采用吸收系数谱建立模型预测值与肌红蛋白真值对比。
表2采用吸收系数谱建立模型预测值与肌红蛋白真值对比
 模型检验集真值(μM/L)   模型检验集预测值(μM/L)
 1   1.1
 10   10.1
 11   10.9
 12   12.1
 13   12.9
 16   16
 18   17.9
 19   19.2
 2   2
 20   19.8
 3   3.05
 4   4.1
 5   4.95
 6   6
 8   7.8
 9   9
CV＝标准差/均差＝1.1％，模型变异系数CV为1.1％。由图4可以看出，由传统方法测试得到的五条谱线并没有完全重合，而存在较大的差异。由图5可以看出，采用本发明的装置和方法，五条谱线已经基本上重合，结果表明本发明方法显著提高了模型精度。
这种方法用于测量牛奶、果汁等混浊液态体系待测化学组分含量，也可以对叶片、粉末状物质、鲜肉切片、肉块及活体等样品的待测化学组分含量进行测定。
由以上实施例可以看出，本专利申请与现有技术相比其优点在于：
第一，以“光学参数分离”的观点重新看待农产品组织中的光吸收和光散射作用，理解组织光学参数与光谱数据之间的相互关系，通过吸收系数谱与化学值建模的方法来解决经典建模方法中吸收与散射分不开的问题，从信息源头上直接削弱散射的影响。
第二，农产品“光学参数分离技术”，将为研制新型的消弱散射影响的光谱分析仪器提供理论和技术基础，可成为具有应用价值的研究方法。
第三，由于采用同一套综合装置完成了多种不同检测方法下的光学参数谱，满足不同测量样品的要求，使用方便。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种测量光学参数谱的装置，其特征在于，包括：
光源，与第一光纤、第二光纤、第三光纤连接；
第一高速光开关，与所述第一光纤连接；
漫反射积分球，所述第二光纤经电子快门一进入漫反射积分球的入光孔；
漫透射积分球，所述漫反射积分球的出光孔经电子快门二与漫透射积分球的入光孔连接，待测样品一设置于所述漫反射积分球和漫透射积分球之间；
准直积分球，所述漫透射积分球的出光孔通过电子快门三、四与准直积分球的入光孔一连接；
第二高速光开关，所述第三光纤与待测样品二表面耦合，所述待测样品二表面设置有至少两条与所述第三光纤等间距、成一条直线的检测光纤，所述检测光纤与第二高速光开关的输入端连接，所述第二高速光开关的输出端通过电子快门五与所述准直积分球的入光孔二连接；
电子快门控制电路，分别与所述电子快门一、二、三、四、五连接，所述漫反射积分球上的测量孔、漫透射积分球上的测量孔、准直积分球上的测量孔分别通过光纤与所述第一高速光开关连接；
控制器，所述第一高速光开关依次与光栅、电荷耦合器件、采集控制电路、控制器连接。
2、如权利要求1所述的测量光学参数谱的装置，其特征在于，所述光源经准直透镜与所述第一光纤、第二光纤、第三光纤连接。
3、如权利要求2所述的测量光学参数谱的装置，其特征在于，所述第一光纤、第二光纤、第三光纤的光谱波长范围在600nm～1700nm，所述光栅在600nm～1700nm范围内。
4、如权利要求3所述的测量光学参数谱的装置，其特征在于，
所述漫反射积分球的入光孔或出光孔面积不超过所述漫反射积分球内表面积的2％，所述漫反射积分球的测量孔面积不超过所述漫反射积分球内表面积的1％；
所述漫透射积分球的入光孔或出光孔面积不超过所述漫透射积分球内表面积的2％，所述漫透射积分球的测量孔面积不超过所述漫透射积分球内表面积的1％；
所述准直积分球的入光孔一、入射孔二或出光孔面积不超过所述准直积分球内表面积的2％，所述准直积分球的测量孔面积不超过所述准直积分球内表面积的1％。
5、如权利要求1所述的测量光学参数谱的装置，其特征在于，所述漫透射积分球与所述准直积分球之间的距离不小于20cm。
6、如权利要求1所述的测量光学参数谱的装置，其特征在于，所述检测光纤的内径大于800μm，所述检测光纤之间的间距为3mm～10mm。
7、一种利用权利要求1的装置消除散射影响的定量方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用测量光学参数谱的装置获取农产品、生物组织样品的吸收系数谱μa(λ)、散射系数谱μs(λ)或约化散射系数谱μs’(λ)；
应用化学计量学算法建立吸收系数谱μa(λ)与农产品、生物组织样品化学值之间的数学模型，求得农产品、生物组织样品中待测物质化学值。
8、如权利要求7所述的消除散射影响的定量方法，其特征在于，获取农产品、生物组织样品的吸收系数谱μa(λ)、散射系数谱μs(λ)包括以下步骤：
S1、放置待测样品一在漫反射积分球与漫透射积分球之间；
S2、电子快门控制电路关闭电子快门一、二、三、四、五，第一高速光开关选择第一光纤的入射光，控制器获取入射光强I0(λ)；
S3、所述电子快门控制电路关闭电子快门五，打开电子快门一、二、三、四，所述第一高速光开关选择与漫反射积分球测量孔连接的入射光，所述控制器获取入射光强I1(λ)；
S4、所述电子快门控制电路关闭电子快门五，打开电子快门一、二、三、四，所述第一高速光开关选择与漫透射积分球测量孔连接的入射光，所述控制器获取入射光强I2(λ)；
S5、所述电子快门控制电路关闭电子快门五，打开电子快门一、二、三、四，所述第一高速光开关选择与准直积分球测量孔连接的入射光，所述控制器获取入射光强I3(λ)；
S6、所述控制器获取漫反射率T1(λ)＝I1(λ)/I0(λ)、漫透射率T2(λ)＝I2(λ)/I0(λ)、准直透射率T3(λ)＝I3(λ)/I0(λ)；
S7、采用迭代与误差反馈的算法逐个波长点计算，按设定波长点间隔对每个波长点逐个计算，每个波长点都给出光学参数的初始值μa0(λi)、μs0(λi)和g0(λi)，i为波长点标号；在给定的样品厚度范围内，先正向计算出它的漫反射率和漫透射率，分别与T1(λ)、T2(λ)及T3(λ)比较，根据误差采用单纯形方法拟合得到光学参数，最终获取吸收系数谱μa(λ)、散射系数谱μs(λ)和各向异性因子g(λ)。
9、如权利要求7所述的消除散射影响的定量方法，其特征在于，获取农产品、生物组织样品的吸收系数谱μa(λ)、约化散射系数谱μs’(λ)包括以下步骤：
S01、电子快门控制电路控制电子快门一、二、三、四关闭，电子快门五开启，第一高速光开关选择第一光纤的入射光，检测入射光强I0(λi)；
S02、第二高速光开关选择至少两条检测光纤中的光纤一，传输给准直光积分球上的入光孔二，第一高速光开关选择从所述准直光积分球测量孔传来的从待测样品二上的光纤一位置处的漫反射出来的光强If1(λi)；
S03、第二高速光开关选择至少两条检测光纤中的光纤二，传输给准直光积分球上的入光孔二，第一高速光开关选择从所述准直光积分球测量孔传来的从待测样品二上的光纤二位置处的漫反射出来的光强If2(λi)；
S04、所述控制器获取漫反射率Rf1(λi)＝If1(λi)/I0(λi)、漫反射率Rf2(λi)＝If2(λi)/I0(λi)；
S05、根据理论漫射率公式：
R＝EXP(-r μeff)/[(μa+μs’)r2]式中μeff＝[3μa(μa+μs’)]1/2，每个波长下，对应光纤的2个检测距离r1和r2处的理论漫反射率R1(λi)和R2(λi)：
R1(λi)＝EXP(-r1 μeff)/[(μa+μs’)r12]
R2(λi)＝EXP(-r2 μeff)/[(μa+μs’)r22]构造目标函数，
F(λi)＝[R1(λi)-Rf1(λi)]2+[R2(λi)-Rf2(λi)]2
采用非线性拟合算法，求得使F(λi)达到最小时的波长λi处的μa(λi)和μs’(λi)，这样逐个波长点计算可以得到最终结果吸收系数谱μa(λ)和约化散射系数谱μs’(λ)。
10、如权利要求7所述的消除散射影响的定量方法，其特征在于，所述定量方法用于测量混浊液态体系待测样品的待测化学组分含量，或对叶片、粉末状物质、鲜肉切片、肉块及活体待测样品的待测化学组分含量进行测量。
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102288548A (zh) * 2011-07-21 2011-12-21 天津大学 提高浑浊介质中成分检测精度的测量方法
CN104061958A (zh) * 2013-03-18 2014-09-24 Abb研究有限公司 用于确定纸片材品质参数的传感器系统和方法
CN104406693A (zh) * 2014-11-13 2015-03-11 浙江大学 一种田间水果的可见与近红外光谱采集装置与方法
CN106770050A (zh) * 2016-12-31 2017-05-31 上海复展智能科技股份有限公司 基于积分球的液体光谱透射和散射系数测量装置
CN109632651A (zh) * 2018-06-06 2019-04-16 湖南理工学院 浑浊介质多参数光谱测量方法及测量系统
CN110082349A (zh) * 2019-02-01 2019-08-02 南京师范大学 一种基于olci的内陆富营养化湖泊水体蓝藻生物量比例遥感估算方法
CN112033939A (zh) * 2020-09-17 2020-12-04 上海海关机电产品检测技术中心 一种用于紫外光线追踪仿真的薄膜吸收率测试方法
CN112285124A (zh) * 2020-11-09 2021-01-29 南京财经大学 植物油中黄曲霉毒素b1污染程度的判别方法、装置及光学判别装置
CN112683851A (zh) * 2021-03-22 2021-04-20 宁波普瑞柏生物技术股份有限公司 蛋白浓度检测分析方法、装置及其应用
JP2021099227A (ja) * 2019-12-20 2021-07-01 マイクロコントロールシステムズ株式会社 コリメート光による分析を行う分析装置及び分析方法

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102288548A (zh) * 2011-07-21 2011-12-21 天津大学 提高浑浊介质中成分检测精度的测量方法
CN104061958A (zh) * 2013-03-18 2014-09-24 Abb研究有限公司 用于确定纸片材品质参数的传感器系统和方法
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CN106770050B (zh) * 2016-12-31 2023-08-11 上海复展智能科技股份有限公司 基于积分球的液体光谱透射和散射系数测量装置
CN109632651A (zh) * 2018-06-06 2019-04-16 湖南理工学院 浑浊介质多参数光谱测量方法及测量系统
CN109632651B (zh) * 2018-06-06 2021-02-19 湖南理工学院 浑浊介质多参数光谱测量方法及测量系统
CN110082349A (zh) * 2019-02-01 2019-08-02 南京师范大学 一种基于olci的内陆富营养化湖泊水体蓝藻生物量比例遥感估算方法
CN110082349B (zh) * 2019-02-01 2021-11-02 南京师范大学 一种基于olci的内陆富营养化湖泊水体蓝藻生物量比例遥感估算方法
JP2021099227A (ja) * 2019-12-20 2021-07-01 マイクロコントロールシステムズ株式会社 コリメート光による分析を行う分析装置及び分析方法
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