CN101694462A - 基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测方法及系统，其中方法包括：多通道检测电路接收光源投射至肉样品表面并进入所述肉样品内部后再从所述肉样品表面漫反射出来的光线；多通道检测电路根据从所述肉样品表面漫反射出来的光线得到具有深度信息的光谱数据；计算处理设备根据所述光谱数据求解在均匀半无限大边界条件下的稳态漫射方程，得到约化散射系数；所述计算处理设备根据所述约化散射系数对嫩度进行预测。本发明实施例提供的基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测方法及系统，多通道检测电路根据光线得到具有深度信息的光谱数据，实现了检测肉样品内部的深层信息；根据约化散射系数对嫩度进行预测，实现了对肉样品进行快速无损检测。

Description

基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测方法及系统

技术领域

本发明实施例涉及食品检测技术领域，尤其是一种基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测方法及系统。

背景技术

畜禽类肌肉的嫩度是肌肉纤维在肉质酶作用下熟化与结缔组织在一起的力学物理特性，反映了其在被食用时口感的老嫩程度，是肌肉的主要感官和食用品质之一，是消费者评判肉质常用指标。肌肉的嫩度由肌肉组织、结缔组织与脂肪组织的分布情况、分布数量及理化性状等因素决定。对肌肉嫩度的评价目前主要有主观评价和客观评价这两种方法，其中，主观评价要靠经过培训且经验丰富的专业评审人员通过品尝肌肉来判断老嫩，直观、简单易行，但由于主观因素的干扰，例如：专业评审人员的年纪的大小、味觉的不同、牙齿的好坏等，而且主观评价方法无法量化，很难客观准确；客观评价主要借助仪器设备通过测量肌肉的剪切力获取肌肉的老嫩程度。

现有技术中，通过将近红外光投射到所检测的肉样品上，用近红外装置对所测肉样品进行多点光谱扫描，获得近红外范围内所含的所有光谱信息；分析上述所有光谱信息，找出非重叠的波长窗口，提取所得的每个波长窗口的特征信息，通过多变量分析模型得到所测肉样品的嫩度。

现有技术中肉样品的嫩度检测方法，由于近红外范围内所含有的光谱信息在1100nm～2500nm波长，需要对该范围内的所有光谱信息进行建模，因此数据量巨大，且模型维护极为困难，使用中要不断通过测量样品验证模型是否可用，而用于验证的样品还需要进行常规检测，从而无法达到快速检测及实际应用的目的。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测方法及系统，实现快速无损检测肌肉嫩度。

本发明实施例提供一种基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测方法，包括：

多通道检测电路接收光源投射至肉样品表面并进入所述肉样品内部后再从所述肉样品表面漫反射出来的光线；

所述多通道检测电路根据从所述肉样品表面漫反射出来的光线得到具有深度信息的光谱数据；

计算处理设备根据所述光谱数据求解在均匀半无限大边界条件下的稳态漫射方程，得到约化散射系数；

所述计算处理设备根据所述约化散射系数对嫩度进行预测。

本发明实施例还提供一种基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测系统，包括：多通道检测电路和计算处理设备；其中，

所述多通道检测电路接收光源投射至肉样品表面并进入所述肉样品内部后再从所述肉样品表面漫反射出来的光线；

所述多通道检测电路根据所述光线得到具有深度信息的光谱数据；

所述计算处理设备根据所述光谱数据求解在均匀半无限大边界条件下的稳态漫射方程，得到约化散射系数；

所述计算处理设备根据所述约化散射系数对嫩度进行预测。

本发明实施例提供的基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测方法及系统，多通道检测电路根据光线得到具有深度信息的光谱数据，实现了检测肉样品内部的深层信息；根据约化散射系数对嫩度进行预测，实现了对肉样品进行快速无损检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测方法一个实施例的流程示意图；

图2为本发明基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测方法又一个实施例的流程示意图；

图3为本发明基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测系统一个实施例的结构示意图；

图4为本发明基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测系统又一个实施例的结构示意图；

图5为本发明实施例所适用系统实施例的结构示意图；

图6为图5所示实施例中检测原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

光线从肉品组织表面入射，由于肉品组织对光线的散射与吸收作用，在肉品组织的表面所检测的漫射光携带有丰富的肉品组织的内部结构和物质含量信息，通过测量组织表面漫射光的空间分布得到与吸收、散射对应的吸收系数μ_a、约化散射系数μ′_s等组织光学特性参数；由于光的散射会发生在肉品内部肌纤维、结缔组织与脂肪组织及周围间质粒子之间折射率不连续的边界上，并与这些组织细胞的结构及结构变化、细胞数量和分布相关，因此肉品的嫩度由肌肉组织、结缔组织与脂肪组织的分布情况、分布数量及理化性状等因素决定，而上述因素直接影响着肉品的散射特性，并可由约化散射系数μ′_s反映出来。

图1为本发明基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测方法一个实施例的流程示意图，如图1所示，本发明实施例包括如下步骤：

步骤101、多通道检测电路接收光源投射至肉样品表面并进入样品内部后再从表面漫反射出来的光线；

步骤102、多通道检测电路根据从肉样品表面漫反射出来的光线得到具有深度信息的光谱数据；

步骤103、计算处理设备根据光谱数据求解在均匀半无限大边界条件下的稳态漫射方程，得到约化散射系数；

步骤104、计算处理设备根据约化散射系数对嫩度进行预测。

本发明实施例中可以采用波长范围为360～2500纳米的卤钨灯作为光源。

本发明实施例提供的基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测方法，多通道检测电路根据光线得到具有深度信息的光谱数据，实现了检测肉样品内部的深层信息；根据约化散射系数对嫩度进行预测，实现了对肉样品进行快速无损检测。

图2为本发明基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测方法又一个实施例的流程示意图，如图2所示，本发明实施例包括如下步骤：

步骤201、光源通过光纤将光线垂直投射至肉样品表面，经肉样品后形成漫反射光线；

其中，可以采用波长范围为360～2500纳米的卤钨灯作为光源。

步骤202、多通道检测电路接收光源投射至肉样品表面并进入样品内部后再从表面漫反射出来的光线；

其中，多通道检测电路中每一通道的光栅将不同波长的光线分开，形成与多通道检测电路中每一通道一一对应的波段；多通道检测电路中的每一通道的光传感器件分别将与多通道检测电路一一对应的波段的波长转换成模拟电信号；多通道检测电路中的数模转换电路将模拟电信号转换成光谱数据。

步骤203、多通道检测电路根据从肉样品表面漫反射出来的光线得到具有深度信息的光谱数据；

其中，由于光源投射至肉样品表面并进入所述肉样品内部后再从所述肉样品表面漫反射出来的光线，因此，多通道检测电路可以接收到肉样品的不同检测位置并经肉样品表面反射后的光线，从而使得光线具有深度信息。

步骤204、计算处理设备根据光谱数据求解在均匀半无限大边界条件下的稳态漫射方程，得到约化散射系数；

其中，当入射光强度恒定时，通过求解均匀半无限大边界条件下的稳态漫射方程的解，得到

且μ_s′＞＞μ_a时，得到因此根据稳态漫射方程

和

得到

其中，OD为光谱数据，ρ为光源与多通道检测电路的距离，μ_eff为肉样品组织的有效衰减系数，μ_s′为肉样品组织的约化散射系数，μ_a为肉样品组织的吸收系数；由于肉样品的颜色主要取决于肌肉中的色素物质肌红蛋白(Deoxygenated myoglobin，简称：Mb)和血红蛋白(deoxygenated hemoglobin，简称：Hb)，肌红蛋白和血红蛋白与氧结合分别生成氧合肌红蛋白(oxygenated myoglobin，简称：MbO₂)和氧合血红蛋白(oxygenated hemoglobin，简称：HbO₂)，并且血红蛋白和肌红蛋白是组织在600nm～900nm的主要吸收体，则色素物质吸收系数μ′_a为：

其中，ε为消光系数，其与吸收体和波长有关，可查阅相关文献得到该消光系数(具体请参见文献：Mathcher SJ，Elwell CE，Cooper CE，et al.Performance comparison of severalpublished tissue near infrared spectroscopy algorithms.Analyticalbiochemistry.1995，227：54～68)；C为吸收体的浓度。由于Mb与Hb、MbO2与HbO2在近红外波段的吸收谱几乎重叠，因此方程

可改写为

此外，由于肉样品中还有水份的很少一部分吸收，因此肉样品组织的吸收系数

步骤205、计算处理设备根据嫩度与约化散射系数之间的线性关系对嫩度进行预测；

其中，以在700nm波长点和760nm波长点处为例进行示例性说明；采用嫩度仪直接测试本发明实施例中的肉样品获取表示肉样嫩度的剪切力值，同时已有前述步骤201～步骤204获得了肉样品在不同波长处的约化散射系数，上述根据嫩度仪直接测试获得的表示肉样品嫩度的剪切力值与不同波长处的约化散射系数之间存在相关关系，例如，在700nm波长点时，剪切力值与约化散射系数之间存在如下线性关系：y＝-22.187μ_s′+30.609，其中，μ_s′为约化散射系数，y是鲜肉剪切力值；在760nm波长点处剪切力值与约化散射系数之间存在如下线性关系：y＝-54.77μ_s′+27.711，其中，μ_s′是约化散射系数，y是鲜肉剪切力值；进一步地，根据鲜肉剪切力值与肉样品经过常规嫩度检测方法(参见中华人民共和国农业行业标准编号为NY/T1180-2006)得到的嫩度值之间的线性关系，即可实现对肉样品的嫩度进行预测和评价。

本发明实施例提供的基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测方法，多通道检测电路根据光线得到具有深度信息的光谱数据，实现了检测肉样品内部的深层信息；根据约化散射系数对嫩度进行预测，实现了对肉样品进行快速无损检测。

图3为本发明基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测系统一个实施例的结构示意图，如图3所示，本发明实施例包括：多通道检测电路31和计算处理设备32；

其中，多通道检测电路31光源投射至肉样品表面并进入所述肉样品内部后再从所述肉样品表面漫反射出来的光线；多通道检测电路31根据从肉样品表面漫反射出来的光线得到具有深度信息的光谱数据；计算处理设备32根据光谱数据求解在均匀半无限大边界条件下的稳态漫射方程，得到约化散射系数；计算处理设备32根据约化散射系数对嫩度进行预测。

本发明实施例提供的基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测系统，多通道检测电路根据光线得到具有深度信息的光谱数据，实现了检测肉样品内部的深层信息；根据约化散射系数对嫩度进行预测，实现了对肉样品进行快速无损检测。

图4为本发明基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测系统又一个实施例的结构示意图，如图4所示，本发明实施例包括：多通道检测电路41和计算处理设备42；

其中，多通道检测电路41接收光源投射至肉样品表面并进入所述肉样品内部后再从所述肉样品表面漫反射出来的光线；多通道检测电路41根据从肉样品表面漫反射出来的光线得到具有深度信息的光谱数据；计算处理设备42根据光谱数据求解在均匀半无限大边界条件下的稳态漫射方程，得到约化散射系数；计算处理设备42根据约化散射系数对嫩度进行预测。

进一步地，多通道检测电路41包括：光栅411、光传感器件412、数模转换电路413；其中，光栅411用于将不同波长的光线分开，形成与多通道检测电路一一对应的波段；光传感器件412用于分别将与多通道检测电路一一对应的波段的波长转换成模拟电信号；数模转换电路413用于将所述模拟电信号转换成光谱数据。

进一步地，计算处理设备42还可以包括：第一计算单元421、第二计算单元422；其中，第一计算单元421用于根据均匀半无限大边界条件下的稳态漫射方程的解得到

且μ_s′＞＞μ_a时，则得到

第二计算单元422根据所述稳态漫射方程和

得到其中，OD为光谱数据，ρ为光源与所述多通道检测电路的距离，μ_eff为肉样品组织的有效衰减系数，μ_s′为肉样品组织的约化散射系数，μ_a为肉样品组织的吸收系数。

进一步地，计算处理设备42还包括：预测单元423；预测单元423根据所述嫩度与所述约化散射系数之间的线性关系对所述嫩度进行预测。

本发明实施例提供的基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测系统，多通道检测电路根据光线得到具有深度信息的光谱数据，实现了检测肉样品内部的深层信息；根据约化散射系数对嫩度进行预测，实现了对肉样品进行快速无损检测。

图5为本发明实施例所适用系统实施例的结构示意图，图6为图5所示实施例中检测原理示意图；如图5所示，本发明实施例包括：光源51、肉样品52、四通道检测单元53、中央控制单元54，信号处理单元55、数据存储单元56、计算机57；其中，四通道检测单元53、中央控制单元54、信号处理单元55、数据存储单元56可以实现图3和图4所示实施例中多通道检测电路的功能；计算机57可以实现图3和图4所示实施例中计算处理设备的功能。

其中，光源51通过光纤垂直入射到肉样品52的表面，在肉样品52表面距离光源51中心不同距离ρ1、ρ2、ρ3、ρ4处有四通道检测单元53，光线通过四通道检测单元53的四个线阵电荷耦合器件(Charge Coupled Device，简称：CCD)检测器成为模拟电信号，模拟电信号被传送到信号处理单元55，信号处理单元55将模拟电信号进行信号调理，然后将模拟电信号转化成光谱数据，光谱数据被存储数据存储单元56中，通过中央控制单元56读取出数据存储单元56中存储的光谱数据后经由通用串行总线(Universal Serial BUS，简称：USB)接口传至计算机57，计算机57根据光谱数据求解在均匀半无限大边界条件下的稳态漫射方程，得到约化散射系数，根据约化散射系数对嫩度进行预测；此外，中央控制单元54可以为四通道检测单元53、信号处理单元55和数据存储单元56提供驱动时序。

如图6所示，在四通道检测时，肉样品52表面距离光源51中心的距离分别为ρ1、ρ2、ρ3、ρ4，则四通道检测单元53中的四个线阵CCD检测器通过距离信息获取到肉样品52表面的深度信息。

上述本发明实施例中，四通道检测单元53根据光线得到具有深度信息的光谱数据，实现了检测肉样品内部的深层信息；计算机57根据约化散射系数对嫩度进行预测，实现了对肉样品进行快速无损检测。

进一步地，为了更好地实施本发明实施例，将光线经过准直后通过入射光纤从肉样品表面入射，将从肉样品表面漫反射后的光线经过检测光纤传输至多通道检测电路，从而使得多通道检测电路接收光源投射至肉样品表面肉样表面并进入样品内部后再从表面漫反射出来的光线；进一步地，将光源与检测光纤排列成直线状，将检测光纤与入射光纤之间的距离设置在6mm～10mm。

上述本发明实施例中的肉样品，具体可以为经过标准屠宰加工并且经过卫生检疫部门检验合格的、未经任何处理的新鲜猪肉、新鲜牛肉、新鲜羊肉等可食的畜禽类肌肉。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测方法，其特征在于，包括：

多通道检测电路接收光源投射至肉样品表面并进入所述肉样品内部后再从所述肉样品表面漫反射出来的光线；

所述多通道检测电路根据从所述肉样品表面漫反射出来的光线得到具有深度信息的光谱数据；

计算处理设备根据所述光谱数据求解在均匀半无限大边界条件下的稳态漫射方程，得到约化散射系数；

所述计算处理设备根据所述约化散射系数对嫩度进行预测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多通道检测电路接收光源投射至肉样品表面并进入所述肉样品内部后再从所述肉样品表面漫反射出来的光线之前还包括：

所述光源通过光纤将光线垂直投射至所述肉样品表面，经所述肉样品后形成漫反射光线。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多通道检测电路根据所述光线得到具有深度信息的光谱数据包括：

所述多通道检测电路中每一通道的光栅将不同波长的光线分开，形成与所述多通道检测电路中所述每一通道一一对应的波段；

所述多通道检测电路中的所述每一通道的光传感器件分别将与所述多通道检测电路一一对应的波段的波长转换成模拟电信号；

所述多通道检测电路中的数模转换电路将所述模拟电信号转换成光谱数据。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算处理设备根据所述光谱数据求解在均匀半无限大边界条件下的稳态漫射方程，得到约化散射系数包括：

根据均匀半无限大边界条件下的稳态漫射方程的解得到

且μ_s′＞＞μ_a时，则得到

根据所述稳态漫射方程

和

得到 ${{\mathrm{\μ}}_s}^{\′}=\frac{{(\frac{\∂\mathrm{OD}}{\∂\mathrm{\ρ}}*\ln 10-\frac{2}{\mathrm{\ρ}})}^2}{{3\mathrm{\μ}}_a};$

其中，OD为所述光谱数据，ρ为所述光源与所述多通道检测电路的距离，μ_eff为所述肉样品组织的有效衰减系数，μ_s′为所述肉样品组织的约化散射系数，μ_a为所述肉样品组织的吸收系数。

5.根据权利要求1～4任一所述的方法，其特征在于，所述计算处理设备根据所述约化散射系数对嫩度进行预测包括：

所述计算处理设备根据所述嫩度与所述约化散射系数之间的线性关系对所述嫩度进行预测。

6.一种基于稳态空间分辨光谱的嫩度检测系统，其特征在于，包括：多通道检测电路和计算处理设备；

所述多通道检测电路接收光源投射至肉样品表面并进入所述肉样品内部后再从所述肉样品表面漫反射出来的光线；

所述多通道检测电路根据从肉样品表面漫反射出来的光线得到具有深度信息的光谱数据；

所述计算处理设备根据所述光谱数据求解在均匀半无限大边界条件下的稳态漫射方程，得到约化散射系数；

所述计算处理设备根据所述约化散射系数对嫩度进行预测。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述多通道检测电路包括：光栅、光传感器件、数模转换电路；

所述光栅用于将不同波长的光线分开，形成与所述多通道检测电路一一对应的波段；

所述光传感器件用于分别将与所述多通道检测电路一一对应的波段的波长转换成模拟电信号；

所述数模转换电路用于将所述模拟电信号转换成光谱数据。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述计算处理设备包括：

第一计算单元，用于根据均匀半无限大边界条件下的稳态漫射方程的解得到

且μ_s′＞＞μ_a时，则得到

第二计算单元，用于根据所述稳态漫射方程

和 ${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}=\sqrt{{{3\mathrm{\μ}}_s}^{\′}}{\mathrm{\μ}}_a$ 得到 ${{\mathrm{\μ}}_s}^{\′}=\frac{{(\frac{\∂\mathrm{OD}}{\∂\mathrm{\ρ}}*\ln 10-\frac{2}{\mathrm{\ρ}})}^2}{{3\mathrm{\μ}}_a};$

其中，OD为所述光谱数据，ρ为所述光源与所述多通道检测电路的距离，μ_eff为所述肉样品组织的有效衰减系数，μ_s′为所述肉样品组织的约化散射系数，μ_a为所述肉样品组织的吸收系数。

9.根据权利要求6～8任一所述的系统，其特征在于，所述计算处理设备还包括预测单元，用于根据所述嫩度与所述约化散射系数之间的线性关系对所述嫩度进行预测。

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