CN104406693B - 一种田间水果的可见与近红外光谱采集装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种田间水果的可见与近红外光谱采集装置与方法。装置壳体内装有快门和积分球，光源与快门连接，快门装在积分球入射孔上方，积分球出射孔位于装置壳体输出探头上，外周围安装有环形橡胶垫圈；积分球下方通孔装有准直镜，准直镜的光经输出光纤后由光谱分析仪的检测器接收；分别测得田间果实在光谱分析仪光源和现场环境光共同作用下的现场光谱和仅在现场环境光作用下的田间背景光谱，经光谱校正后，可得到能真实反映果实田间品质的可见与近红外光谱信息。本发明能有效减小田间环境光照的影响，有利于可见与近红外光谱技术的应用从室内走向田间，能充分发挥可见与近红外光谱技术在果实的田间管理、采收成熟度检测等方面的潜力。
Description
技术领域
本发明涉及一种水果的光谱采集装置与方法，具体涉及光学测量技术领域的一种田间水果的可见与近红外光谱采集装置与方法。
背景技术
可见与近红外光谱技术已广泛用于水果产后内部品质检测，水果的光谱采集多在室内、恒温、恒湿等条件进行，有研究表明，该技术可用于水果采前田间成熟度的检测。然而，受仪器条件以及田间复杂光照、温度等环境的影响，近红外光谱技术在水果采前的应用未能得到发展。目前，在田间水果近红外光谱采集的试验中，现有技术有采用套袋方式遮挡现场光线的方法能得到较理想的结果，但检测效率低，不利于实际应用；仪器暗场校正和参考光谱校正等方法有利于减小模型误差，然而这两种方法仅考虑了环境对仪器及光源的影响，不能有效消除田间环境光照的干扰，所测得的光谱不能真实反映田间水果样品的内部信息。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种田间水果的可见与近红外光谱采集装置与方法，该装置内置了快门和快门开关，通过光纤与光谱分析仪连接，克服田间光照对水果可见与近红外光谱测量的影响。
本发明采用的技术方案：
一、一种田间水果的可见与近红外光谱采集装置：
包括积分球、快门、输入光纤、快门开关、输出光纤、检测器、光源、准直镜和环形橡胶垫圈；装置壳体内装有快门和积分球，积分球安装在装置壳体探头部，光谱分析仪的光源经输入光纤与快门连接，快门安装在积分球的入射孔的正上方，与入射孔正对的积分球另一端的出射孔安装在装置壳体的输出探头上，装置壳体的输出探头外周围安装有环形橡胶垫圈，环形橡胶垫圈与果实紧密接触；
积分球下方开有通孔，通孔上装有准直镜，光源发出的光经快门由入射孔的正上方对准积分球从出射孔经装置壳体的输出探头出射到果实表面，然后依次经果实的反射或折射以及积分球内壁的反射后入射到准直镜，投射到准直镜中的光经输出光纤后由光谱分析仪的检测器接收；装置壳体外侧面安装有与快门连接的快门开关。
所述的经快门出射的光所在直线方向与连接积分球入射孔和出射孔的中心轴线之间的夹角为8°，使得快门出射光偏心照射到果实上，避免在果实被测面形成镜面反射。
所述的积分球内壁材料为聚四氟乙烯，内壁反射面的反射率至少为99%。
二、一种田间水果的可见与近红外光谱采集方法，包括以下步骤：
1）将装置壳体的输出探头对准树上果实，使装置壳体输出探头外周围的环形橡胶垫圈与果实完全接触；
2）打开快门开关，光谱分析仪的光源发出的光经快门出射和田间环境光线共同照射到水果上，经积分球内壁反射后入射到准直镜中，再经输出光纤后由光谱分析仪的检测器接收，输出得到水果田间现场光谱S1；
3）保持输出探头与果实的位置不变，关闭快门开关，仅有田间环境光线照射到水果，依次经果实内部的反射或折射、积分球内壁反射后入射到准直镜中，再经输出光纤后由光谱分析仪的检测器接收，输出得到田间背景光谱S2；
4）经光谱分析仪处理校正得到田间水果的可见与近红外光谱S，可见与近红外光谱S=水果田间现场光谱S1 –田间背景光谱S2。
所述的积分球内壁材料为聚四氟乙烯，内壁反射面的反射率至少为99%。
本发明具有的有益效果是：
本发明在光源探头前加装快门，将背景光谱从现场光谱中扣除，克服背景光对田间光谱测量的影响。
本发明装置与方法能有效减小田间复杂环境光照的影响，有利于可见与近红外光谱技术的应用从室内走向田间，将充分发挥可见与近红外光谱技术在果实的田间管理、采收成熟度检测等方面的潜力。
附图说明
图1是本发明的连接结构图。
图2是本发明实施例得到的黄花梨漫反射光谱图。
图中：1、果实，2、装置壳体，3、积分球，4、快门，5、输入光纤，6、快门开关，7、输出光纤，8、检测器，9、光源，10、准直镜，11、环形橡胶垫圈。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括积分球3、快门4、输入光纤5、快门开关6、输出光纤7、检测器8、光源9、准直镜10和环形橡胶垫圈11；装置壳体2内装有快门4和积分球3，积分球3安装在装置壳体2探头部，快门4经输入光纤5与光谱分析仪的光源9连接，快门4安装在积分球3的入射孔的正上方，与入射孔正对的积分球3另一端的出射孔安装在装置壳体2的输出探头上，装置壳体2的输出探头外周围安装有环形橡胶垫圈11，环形橡胶垫圈11与果实1紧密接触，以阻止外界光线直接进入积分球；
积分球3下方开有通孔，通孔上装有准直镜10，光源1发出的光经快门4由入射孔的正上方对准积分球3从出射孔经装置壳体2的输出探头出射到果实1表面，然后依次经果实1内部的反射或折射以及积分球3内壁的反射后入射到准直镜10，投射到准直镜10中的光经输出光纤7后由光谱分析仪的检测器8接收；装置壳体2外侧面安装有与快门4连接的快门开关6，快门开关6用于控制快门4启闭。
经快门4出射的光所在直线方向与连接积分球3入射孔和出射孔的中心轴线之间的夹角为8°，使得快门4出射光偏心照射到果实1上，避免在果实1被测面形成镜面反射。
本发明的采集方法包括以下步骤：
1）将装置壳体2的输出探头对准树上果实，使装置壳体输出探头外周围的环形橡胶垫圈与果实完全接触；
2）打开快门开关，光谱分析仪的光源9发出的光经快门4出射和田间环境光线共同照射到水果上，光源9发出的光照射到水果上，在水果内部发生反射或折射，田间环境光线照射到水果上经果内的反射或折射从装置壳体2的输出探头进入积分球3内，经积分球3内壁反射后入射到准直镜10中，再经输出光纤7后由光谱分析仪的检测器8接收，输出得到水果田间现场光谱S1；
3）保持输出探头与果实的位置不变，关闭快门开关，仅有田间环境光线照射到水果，依次经果实内部的反射或折射、积分球3内壁的反射后入射到准直镜10中，再经输出光纤7后由光谱分析仪的检测器8接收，输出得到田间背景光谱S2；
4）经光谱分析仪处理校正得到田间水果的可见与近红外光谱S，可见与近红外光谱S=水果田间现场光谱S1 –田间背景光谱S2。
本发明采用积分球有利于提高样品光谱的信噪比，其积分球3内壁材料为聚四氟乙烯，内壁反射面的反射率至少为99%。
因田间环境光照复杂，太阳直射光及其散射光严重干扰了现场的光谱采集。本发明通过在光谱采集探头前加装快门，打开快门时测得样品在光谱分析仪光源和田间环境光线共同作用下的田间现场光谱，关闭快门时测得样品仅在现场环境光线作用下的田间背景光谱，采用将田间背景光谱从水果田间现场光谱中扣除的方法进行背景光校正，由此可仅测得从水果内部发出、被内部反射或折射的光，得到反映果实品质的可见与近红外光谱信息。
本发明的实施例和实施过程如下：
以树上黄花梨作为水果实验对象，实验前选择20棵开心形黄花梨果树，均为30年生的三主枝果树。采样在2012年8月19日至9月9日间分4次进行，采样间隔约一周。每次从选定的果树上选择阴遮挡条件较好，且易于现场光谱采集的果实26个，共采集黄花梨样品104个。
光谱试验采用德国蔡司（Zeiss，Germany）公司的MCS600阵列式光纤光谱仪，内置光源为CHL600(10W)，采集的光谱范围为500-1700nm，光谱采集软件为Aspect Plus 2.0。积分球的内部材料为Teflon聚四氟乙烯，积分球直径为35 (mm)，输出探头的开口直径为10mm，环形橡胶垫圈内开口直径为10mm，厚度为0.5mm。
光源经光纤与快门到达积分球，从积分球上部沿法线方向8℃入射，积分球出射孔有直径为10mm的圆形开口，测量时此开口与果实的被测面接触，其边缘有厚度为0.5mm的黑色软橡胶垫圈，以阻止外界光线直接进入积分球，积分球的使用有利于提高样品光谱的信噪比。本发明装置安放在一个可在田间行走、装载有UPS电源的移动平台上。
打开光谱分析电源，输入光纤5与光谱分析仪的光源9连接、通过输出光纤7与光谱分析仪的检测器8连接，对光谱仪器校正后，将探头接近树上的黄花梨，使环形橡胶垫圈11与果实接触，打开快门开关6，将在田间环境光线和光谱分析仪光源共同作用于果实的光通过输出光纤7到达光谱分析仪的检测器8，计算输出水果田间现场光谱S1，如图2所示。保持探头和果实的位置不变，关闭快门开关6，将仅在田间环境光线与水果作用后的光通过光纤7传至光谱分析仪的检测器8，计算输出田间背景光谱S2，经光谱分析仪软件进行校正，得到田间黄花梨果实的可见与近红外光谱S，S= S1–S2，如图2所示。S’为上述相同的黄花梨与输出探头保持相同位置下在实验室测量得到的漫反射光谱。
针对于光谱用于糖度检测的具体实施，本发明分别建立了样品室内和田间阴影处光谱与其糖度的数学模型，选择70个样品组成校正集，余下34个样品为预测集。利用室内采集的样品光谱S’建立黄花梨糖度检测时，得到预测集均方根误差为0.27°Brix，室内测量的样品光谱能较好地反映其内部糖度信息，模型的稳健性较为理想，与现有研究结果相近。
但是在利用校正集样品的田间现场光谱S1建立模型时，得到预测集的均方根误差为0.89°Brix，且预测集样品糖度预测值与真实值的相关系数R仅为0.1，结果表明由于田间环境光照的干扰，果实的田间现场光谱S1不能反映黄花梨内部糖度信息。而采用本发明的装置与方法，利用校正后的校正集样品田间光谱S建立黄花梨糖度检测时，得到预测集均方根误差为0.42°Brix，减少了糖度检测误差，提高了真实性，较为理想，由此得到的田间样品光谱S能准确反映黄花梨内部糖度信息。
通过比较不同光照条件下的样品光谱以及背景光谱，本实施例表明，本发明提出的装置与方法能有效减小田间环境光照对果实可见/近红外光谱采集的影响，该方法将有利于可见与近红外光谱技术的应用从室内走向田间，将充分发挥可见与近红外光谱技术在果实的田间管理、采收成熟度检测等方面的潜力。
Claims (2)
1.一种田间水果的可见与近红外光谱采集方法，其特征在于包括以下步骤：
1）采用以下装置：包括积分球（3）、快门（4）、输入光纤（5）、快门开关（6）、输出光纤（7）、检测器（8）、光源（9）、准直镜（10）和环形橡胶垫圈（11）；装置壳体（2）内装有快门（4）和积分球（3），积分球（3）安装在装置壳体（2）探头部，光谱分析仪的光源（9）经输入光纤（5）与快门（4）连接，快门（4）安装在积分球（3）的入射孔的正上方，与入射孔正对的积分球（3）另一端的出射孔安装在装置壳体（2）的输出探头上，装置壳体（2）的输出探头外周围安装有环形橡胶垫圈（11），环形橡胶垫圈（11）与果实（1）紧密接触；积分球（3）下方开有通孔，通孔上装有准直镜（10）；装置壳体（2）外侧面安装有与快门（4）连接的快门开关（6）；
将所述装置壳体（2）的输出探头对准树上果实，使装置壳体输出探头外周围的环形橡胶垫圈与果实完全接触；
2）打开所述快门开关，光谱分析仪的光源（9）发出的光经快门（4）出射和田间环境光线共同照射到水果上，经积分球（3）内壁反射后入射到准直镜（10）中，再经输出光纤（7）后由光谱分析仪的检测器（8）接收，输出得到水果田间现场光谱S1；
3）保持输出探头与果实的位置不变，关闭快门开关，仅有田间环境光线照射到水果，依次经果实内部的反射或折射、积分球（3）内壁反射后入射到准直镜（10）中，再经输出光纤（7）后由光谱分析仪的检测器（8）接收，输出得到田间背景光谱S2；
4）经光谱分析仪处理校正得到田间水果的可见与近红外光谱S，可见与近红外光谱S=水果田间现场光谱S1 –田间背景光谱S2。
2.根据权利要求1所述的一种田间水果的可见与近红外光谱采集方法，其特征在于：所述的积分球（3）内壁材料为聚四氟乙烯，内壁反射面的反射率至少为99%。
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