CN105424653B - 用集成光纤探头的水果果肉组织光学特性检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用集成光纤探头的水果果肉组织光学特性检测系统和方法。系统包括卤钨光源、照明光纤、接收光纤、探头、载物台、切换器、光谱仪、计算机、压力传感器、压力显示器和垂直滑台；配置定标幻影溶液获得其实际空间分辨漫反射光谱，计算获得理论空间分辨漫反射光谱，计算获得各个接收光纤对应不同波长点下的最终定标系数，对待测果肉组织样本检测光谱并进行光谱标定，计算获得空间漫反射光谱的预测值，提取测量值，使用单纯形优化方法搜索计算目标函数值得到各个波长下的约化散射系数和吸收系数的预测值。本发明克服了其他方法受到的环境制约，扩大了检测对象的适应性范围，提高了检测速度，减少了校准误差，具有在线检测的应用前景。

Description

用集成光纤探头的水果果肉组织光学特性检测系统和方法

技术领域

本发明涉及了一种农产品对象光学检测系统和检测方法，尤其是涉及了一种用集成光纤探头的水果果肉组织光学特性检测系统和方法。

背景技术

生物组织的光学特性已在多个领域广泛应用，在农产品检测领域也屡见报道。农产品的组织光学特征逐步用于表征其糖度、硬度等品质参数，同时在果类产品产地分类、分级筛选、内部探伤也逐步开始应用。在组织光学特性测量中两个重要的光学性质参数是吸收系数和约化散射系数。吸收系数可以定量分析样本组成或发色团的含量，约化散射系数可以提供样本的微观结构信息，故提出组织光学特性参数检测方案具有实际意义。

根据现有技术，传统用于检测光学传输特性的技术可以分为时间分辨、频域分辨和稳态连续光三种。时间分辨和频率分辨技术需要昂贵的检测仪器，不利于在低价值的水果果肉检测中使用。同时此类技术对检测环境的要求较高，探测器和检测组织之间应该保持较高的清洁度。稳态连续光测量当中，通常使用的是CCD相机及镜头，相机在成像过程中，由于水果果肉组织呈现不规则形状，而且每个样本外形均不可能绝对一致，这将引入较大误差。还有一种测量方式为分立光纤测量，通过移动光纤在不同的径向距离捕捉漫反射，此类方法检测速度较慢，不能作为快速和在线检测方法。同时移动部件受到机械性能制约，机械位移误差难以保证。

将多股光纤集成在一个探头中，是光纤技术发展后新的检测手段，具有无损，快速，便携和低成本等优点，但是由于接收空间分辨漫反射的光纤数量是有限的，故无法采用麦克斯韦、辐射传输等理论求解。若使用较为简便的辐射传输方程，因其建立在高散射粒子的理论假设，其标定具有较大难度，而且光纤探头距离较近，在拟合计算中存在较大的拟合误差。

对于使用集成光纤探头完成水果果肉的组织光学特性参数检测，探头与水果果肉的接触压力将引起果肉组织结构的变化，导致特性参数的偏移。与传统光纤检测方案比较，本方法涉及的检测装置增加了接触压力显示机构，并可对机械压力进行准确控制，增加了果肉组织预测方法的稳定性和可靠性。

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用集成光纤探头的水果果肉组织光学特性检测系统和方法，整合了带有压力控制空间漫反射探头，及相应的校正、推算方法，故弥补了传统检测方案的不足，以解决现有技术中无法实现快速、低成本的光学特性检测问题。

本发明采用的技术方案是：

一、一种用集成光纤探头的水果果肉组织光学特性检测系统：

包括卤钨光源、照明光纤、多根接收光纤、探头、载物台、切换器、光谱仪、计算机、压力传感器、压力显示器和垂直滑台；待测样本置于载物台上，载物台正上方安装有探头，探头固定于压力传感器的端部，探头朝向正下方的待测样本，压力传感器固定于垂直滑台上沿滑台上下移动，探头经照明光纤与卤钨光源连接，压力传感器连接压力显示器显示压力数据，探头经多根接收光纤与切换器连接，切换器的两个输入端分别连接计算机和光谱仪，卤钨光源、压力传感器、光谱仪与计算机连接。

所述的照明光纤和多根接收光纤的芯径均为100μm，数值孔径为0.11，照明光纤和多根接收光纤呈一字型排列(直线排列)，相邻光纤间的间距为0.237mm。

优选地，所述卤钨光源型号为雷畴HAL卤钨光源；切换器型号为海洋MAM2000切换器；光谱仪型号为蔡司MSC600光谱仪；计算机型号为Z400计算机。

二、一种用集成光纤探头的水果果肉组织光学特性检测方法：

步骤1)配置定标幻影溶液获得定标幻影溶液的实际空间分辨漫反射光谱；

步骤2)通过理论计算获得每个定标幻影溶液的理论空间分辨漫反射光谱；

步骤3)逐一提取每个定标幻影溶液每条接收光纤的理论空间分辨漫反射光谱和实际空间分辨漫反射光谱，区分不同接收光纤的不同波长点，计算获得各个接收光纤对应的不同波长点下各自的最终定标系数；

步骤4)对待测果肉组织样本检测空间漫反射光谱并进行光谱标定；

步骤5)对于每一波长点，先初始约化散射系数和吸收系数，保持系统的接收光纤中心与照明光纤中心之间的距离不变，由初始约化后的散射系数和吸收系数以及接收光纤中心与照明光纤中心之间的距离采用快速蒙特卡罗计算方法得到待测果肉组织样本在某一波长下空间漫反射光谱的预测值；

步骤6)接着从步骤4)得到的完成标定后果肉组织样本空间分辨漫反射光谱中提取测量值并计算目标函数值；

步骤7)使用单纯形优化方法，重复上述步骤5)和步骤6)，搜索约化散射系数和吸收系数，直到目标函数值趋近于零，得到该波长下的约化散射系数和吸收系数的预测值；

步骤8)根据步骤4)得到标定后空间分辨漫反射光谱的波长范围，重复步骤5)至步骤7)，获得所有波长下约化散射系数和吸收系数的预测值作为水果果肉组织光学特性的表征。

所述的步骤1)具体如下：使用脂肪乳注射液和印度墨水，配置已知约化散射系数和吸收系数的定标幻影溶液置于烧杯中，然后置于载物台上，将集成光纤的探头浸入定标幻影溶液中；计算机控制卤钨光源发光，光信号经照明光纤由探头照射到定标幻影溶液中经反射和折射后被探头接收经接收光纤传输到切换器，计算机控制切换器逐一将接收的光信号送入光谱仪，光谱仪逐一采集接收光纤光谱信号，获得定标幻影溶液的实际空间分辨漫反射光谱，并以二维矩阵的数据形式存于计算机中。

所述的步骤2)具体如下：使用漫射近似方程，分别输入定标幻影溶液的已知约化散射系数和吸收系数以及接收光纤中心与照明光纤中心之间的距离，得到漫射近似下的理论空间分辨漫反射光谱；使用蒙特卡罗仿真方法，分别输入定标幻影溶液的已知约化散射系数和吸收系数以及接收光纤中心与照明光纤中心之间的距离，得到漫射近似下的理论空间分辨漫反射光谱；取漫射近似下的理论空间分辨漫反射光谱和蒙特卡罗方法下的理论空间分辨漫反射光谱的平均值作为最终的理论空间分辨漫反射光谱。

所述的步骤3)具体如下：对于某一接收光纤的一波长点，计算每个定标幻影溶液的光谱定标系数＝理论空间分辨漫反射光谱/实际空间分辨漫反射光谱，取所有定标幻影溶液在同一波长下光谱定标系数均值为该接收光纤对应的该波长点下的最终定标系数。

所述的步骤4)具体如下：将待测果肉组织样本置于载物台上，根据压力显示器的指示通过计算机控制垂直滑台让探头平面接触待测果肉组织样本，计算机实施闭环控制，并使得探头与待测果肉组织样本的样本平面保持预设的探测接触压力；计算机控制卤钨光源发光，光信号经照明光纤由探头照射到待测果肉组织样本上经反射和折射后被探头接收经接收光纤传输到切换器，计算机控制切换器逐一将接收的光信号送入光谱仪，光谱仪逐一采集接收光纤光谱信号，获得定标幻影溶液的实际空间分辨漫反射光谱，并以二维矩阵的数据形式存于计算机中；使用步骤3)得到的最终定标系数对待测果肉组织样本的空间分辨漫反射光谱标定，获得空间分辨漫反射光谱的波长范围。

所述步骤6)中的目标函数值采用以下公式；

其中，Y_i,meas和Y_i,sim分别表示第i个接收光纤空间漫反射光强的测量值和预测值，i表示接收光纤的序数，N表示接收光纤的总数。

本发明使用低成本的卤钨光源、光谱仪等仪器，通过将照明光纤和接收光纤集成在一个探头中实现水果果肉的空间分辨漫反射光谱的探测。在探测过程中，通过计算机实现探头与果肉样本组织接触压力的闭环控制，使检测过程中持续保持设定压力，保证了检测的稳定性。后期处理中使用漫射近似和蒙特卡罗仿真的正向拟合结果计算标定系数，完了成了漫反射光谱的定标，并通过优化搜索方法和建立目标函数，在快速蒙特卡罗仿真中完成了果肉组织光学特性参数的反向推算。

本发明具有的有益效果是：

本发明使用了集成光纤探头，避免了分立光纤在移动过程中带来的机械误差，同时增加了压力传感装置，并对测量过程中的压力实现了准确控制，扩大了检测对象的适应性范围。同步使用蒙特卡罗仿真和漫射近似方程，确定了校准系数，减少了校准误差。

本发明采用反向搜索思路，使用快速蒙特卡罗程序完成水果果肉组织光学特性的检索，提高了检测的速度，并有在线应用的前景。

附图说明

图1是本发明检测装置的结构原理图。

图2是本发明方法中光学特性计算流程图。

图3是本发明实施例方法的皇冠梨在三种不同的探头接触压力下的约化散射系数。

图4是本发明实施例方法的皇冠梨在三种不同的探头接触压力下的吸收系数值。

图5是实施例接收光纤采集到的皇冠梨果肉在675nm的反射光强结果示意图。

图6是实施例第一条接收光纤采集到的皇冠梨果肉在550-850nm波段的反射谱图。

图中：1、卤钨光源，2、照明光纤，3、接收光纤，4、探头，5、载物台，6、切换器，7、光谱仪、8、计算机、9、压力传感器，10、压力显示器，11、垂直滑台。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明系统包括卤钨光源1、照明光纤2、N根接收光纤3、探头4、载物台5、切换器6、光谱仪7、计算机8、压力传感器9、压力显示器10和垂直滑台11；待测样本置于载物台5上，载物台5正上方安装有探头4，探头固定于压力传感器9的端部，探头4朝向正下方的待测样本，压力传感器9固定于垂直滑台11上沿滑台上下移动，探头4经照明光纤2与卤钨光源1连接，压力传感器9连接压力显示器10显示压力数据，探头4经多根接收光纤3与切换器6连接，切换器6的两个输入端分别连接计算机8和光谱仪7，卤钨光源1、压力传感器9、光谱仪7与计算机8连接。光谱仪与计算机的USB口相连，计算机的第一个串口与卤钨光源控制串口相连，计算机的第二个串口与切换器控制串口相连，水果果肉组织光学特性数据处理软件安装于计算机中。

本发明的具体实施例及其实施工作过程如下：

照明光纤2和三根接收光纤3的芯径均为100μm，数值孔径为0.11，照明光纤2和三根接收光纤3呈一字型排列(直线排列)，相邻光纤间的间距为0.237mm。

卤钨光源型号为雷畴HAL卤钨光源；切换器型号为海洋MAM2000切换器；光谱仪型号为蔡司MSC600光谱仪；计算机型号为Z400计算机。

结合图2所示，本发明光学特性计算方法流程图所示，本实例完成皇冠梨果肉的组织光学特性检测：

步骤1)配置定标幻影溶液获得定标幻影溶液的实际空间分辨漫反射光谱：

使用脂肪乳注射液和印度墨水，配配置约化散射系数和吸收系数分别在1-20cm^-1及0.1-1cm^-1范围内定标幻影溶液计40个，置于烧杯中，然后置于载物台5上，将集成光纤的探头4浸入定标幻影溶液中；计算机8控制控制卤钨光源1发光，光信号经照明光纤2由探头4照射到定标幻影溶液中经反射和折射后被探头4接收京接收光纤3传输到切换器6，计算机8控制切换器6逐一将接收的光信号送入光谱仪7，光谱仪7逐一采集接收光纤光谱信号，获得定标幻影溶液的实际空间分辨漫反射光谱，并以二维矩阵的数据形式存于计算机中。

步骤2)通过理论计算获得每个定标幻影溶液的理论空间分辨漫反射光谱：

使用漫射近似方程，分别输入定标幻影溶液的已知约化散射系数和吸收系数以及接收光纤3中心与照明光纤2中心之间的距离，得到漫射近似下的理论空间分辨漫反射光谱。

使用蒙特卡罗仿真方法，分别输入定标幻影溶液的已知约化散射系数和吸收系数以及接收光纤3中心与照明光纤2中心之间的距离，得到漫射近似下的理论空间分辨漫反射光谱，光子数设置为10⁹，组织厚度为10cm，组织水平直径设置为20cm。

取漫射近似下的理论空间分辨漫反射光谱和蒙特卡罗方法下的理论空间分辨漫反射光谱的平均值作为最终的理论空间分辨漫反射光谱。

步骤3)逐一提取每个定标幻影溶液每条接收光纤的理论空间分辨漫反射光谱和实际空间分辨漫反射光谱，区分不同接收光纤3的不同波长点，计算获得各个接收光纤3对应的不同波长点下各自的最终定标系数：

对于某一接收光纤3的一波长点，计算每个定标幻影溶液的光谱定标系数＝理论空间分辨漫反射光谱/实际空间分辨漫反射光谱，取所有定标幻影溶液在同一波长下光谱定标系数均值为该接收光纤对应的该波长点下的最终定标系数。

步骤4)对待测皇冠梨组织样本检测空间漫反射光谱并进行光谱标定；

采用待测皇冠梨组织样本，将待测皇冠梨组织样本置于载物台5上，根据压力显示器的指示通过计算机控制垂直滑台11让探头4平面接触待测皇冠梨组织样本，计算机实施闭环控制，并使得探头4与待测皇冠梨组织样本的样本平面保持预设的探测接触压力1克、2.5克和5克；计算机8控制卤钨光源1发光，光信号经照明光纤2由探头4照射到待测皇冠梨组织样本上经反射和折射后被探头4接收经接收光纤3传输到切换器6，计算机8控制切换器6逐一将接收的光信号送入光谱仪7，光谱仪7逐一采集接收光纤光谱信号，获得定标幻影溶液的实际空间分辨漫反射光谱，并以二维矩阵的数据形式存于计算机中，其集成光纤探头中的三条接收光纤采集到的皇冠梨果肉在675nm的反射光强如图5所示。

使用步骤3得到的最终定标系数对待测皇冠梨组织样本的空间分辨漫反射光谱标定，获得空间分辨漫反射光谱的波长范围550-850nm。实施例得到的集成光纤探头中的第一条接收光纤采集到的皇冠梨果肉在550-850nm波段的反射谱如图6所示。

步骤5)对于每一波长点，先初始约化散射系数和吸收系数，保持系统的接收光纤3中心与照明光纤2中心之间的距离不变，由初始约化后的散射系数和吸收系数以及接收光纤3中心与照明光纤2中心之间的距离采用快速蒙特卡罗计算方法得到待测皇冠梨组织样本在550-850nm波段中某一波长下空间漫反射光谱的预测值；

步骤6)接着从步骤4)得到的完成标定后果肉组织样本空间分辨漫反射光谱中提取测量值并采用以下公式计算目标函数值；

其中，Y_i,meas和Y_i,sim分别表示第i个接收光纤空间漫反射光强的测量值和预测值，i表示接收光纤的序数，N表示接收光纤的总数。

步骤7)使用单纯形优化方法，重复上述步骤5)和步骤6)，搜索约化散射系数和吸收系数，直到目标函数值趋近于零，得到该波长下的约化散射系数和吸收系数的预测值；

步骤8根据步骤4得到标定后空间分辨漫反射光谱的波长范围，重复步骤5至步骤7，获得550-850nm波段内所有波长下约化散射系数和吸收系数的预测值作为水果果肉组织光学特性的表征。

如图3和图4给出了本实施例方法的皇冠梨在三种不同的探头接触压力下的约化散射系数和吸收系数值，图中可以看出，本发明方法检测效果能反映梨中叶绿素谱线的特征，检测效果均能满足检测要求。相比其他国内外文献报道中的其他方式，本发明方法的检测速度更快，计算过程简单，使用的仪器设备常见，可说明本发明方法的优越性及有效性。

由此可见，本发明使用了集成光纤探头，避免了分立光纤在移动过程中带来的机械误差，同时增加了压力传感装置，并对测量过程中的压力实现了准确控制，扩大了检测对象的适应性范围。同步使用蒙特卡罗仿真和漫射近似方程，确定了校准系数，减少了校准误差。并采用反向搜索思路，使用快速蒙特卡罗方法完成水果果肉组织光学特性的检索，提高了检测的速度，并有在线应用的前景。

在本发明实施例中，本领域普通技术人员还可理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，其程序可在存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，包括ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用集成光纤探头的水果果肉组织光学特性检测方法，搭建水果果肉组织光学特性检测系统，所述系统包括：包括卤钨光源(1)、照明光纤(2)、多根接收光纤(3)、探头(4)、载物台(5)、切换器(6)、光谱仪(7)、计算机(8)、压力传感器(9)、压力显示器(10)和垂直滑台(11)；待测样本置于载物台(5)上，载物台(5)正上方安装有探头(4)，探头固定于压力传感器(9)的端部，探头(4)朝向正下方的待测样本，压力传感器(9)固定于垂直滑台(11)上沿滑台上下移动，探头(4)经照明光纤(2)与卤钨光源(1)连接，压力传感器(9)连接压力显示器(10)显示压力数据，探头(4)京多根接收光纤(3)与切换器(6)连接，切换器(6)的两个输入端分别连接计算机(8)和光谱仪(7)，卤钨光源(1)、压力传感器(9)、光谱仪(7)与计算机(8)连接；其特征在于方法过程如下：

步骤1)配置定标幻影溶液获得定标幻影溶液的实际空间分辨漫反射光谱；

步骤2)通过理论计算获得每个定标幻影溶液的理论空间分辨漫反射光谱；

步骤3)逐一提取每个定标幻影溶液每条接收光纤的理论空间分辨漫反射光谱和实际空间分辨漫反射光谱，区分不同接收光纤(3)的不同波长点，计算获得各个接收光纤(3)对应的不同波长点下各自的最终定标系数；

步骤4)对待测果肉组织样本检测空间漫反射光谱并进行光谱标定；

步骤5)对于每一波长点，由初始约化后的散射系数和吸收系数以及接收光纤(3)中心与照明光纤(2)中心之间的距离采用快速蒙特卡罗计算方法得到待测果肉组织样本在某一波长下空间漫反射光谱的预测值；

步骤6)接着从步骤4)得到的完成标定后果肉组织样本空间分辨漫反射光谱中提取测量值并计算目标函数值；

步骤7)使用单纯形优化方法，重复上述步骤5)和步骤6)，搜索约化散射系数和吸收系数，直到目标函数值趋近于零，得到该波长下的约化散射系数和吸收系数的预测值；

步骤8)根据步骤4)得到标定后空间分辨漫反射光谱的波长范围，重复步骤5)至步骤7)，获得所有波长下约化散射系数和吸收系数的预测值作为水果果肉组织光学特性的表征。

2.根据权利要求1所述的一种用集成光纤探头的水果果肉组织光学特性检测方法，其特征在于：所述的步骤1)具体如下：使用脂肪乳注射液和印度墨水，配置已知约化散射系数和吸收系数的定标幻影溶液置于烧杯中，然后置于载物台(5)上，将集成光纤的探头(4)浸入定标幻影溶液中；控制卤钨光源(1)发光，光信号经照明光纤(2)由探头(4)照射到定标幻影溶液中经反射和折射后被探头(4)接收京接收光纤(3)传输到切换器(6)，切换器(6)逐一将接收的光信号送入光谱仪(7)，光谱仪(7)逐一采集接收光纤光谱信号，获得定标幻影溶液的实际空间分辨漫反射光谱，并以二维矩阵的数据形式存于计算机中。

3.根据权利要求1所述的一种用集成光纤探头的水果果肉组织光学特性检测方法，其特征在于：所述的步骤2)具体如下：使用漫射近似方程，分别输入定标幻影溶液的已知约化散射系数和吸收系数以及接收光纤(3)中心与照明光纤(2)中心之间的距离，得到漫射近似下的理论空间分辨漫反射光谱；使用蒙特卡罗仿真方法，分别输入定标幻影溶液的已知约化散射系数和吸收系数以及接收光纤(3)中心与照明光纤(2)中心之间的距离，得到漫射近似下的理论空间分辨漫反射光谱；取漫射近似下的理论空间分辨漫反射光谱和蒙特卡罗方法下的理论空间分辨漫反射光谱的平均值作为最终的理论空间分辨漫反射光谱。

4.根据权利要求1所述的一种用集成光纤探头的水果果肉组织光学特性检测方法，其特征在于：所述的步骤3)具体如下：对于某一接收光纤(3)的一波长点，计算每个定标幻影溶液的光谱定标系数＝理论空间分辨漫反射光谱/实际空间分辨漫反射光谱，取所有定标幻影溶液在同一波长下光谱定标系数均值为该接收光纤对应的该波长点下的最终定标系数。

5.根据权利要求1所述的一种用集成光纤探头的水果果肉组织光学特性检测方法，其特征在于：所述的步骤4)具体如下：将待测果肉组织样本置于载物台(5)上，根据压力显示器的指示控制垂直滑台(11)让探头(4)平面接触待测果肉组织样本，使得探头(4)与待测果肉组织样本的样本平面保持预设的探测接触压力；控制卤钨光源(1)发光，光信号经照明光纤(2)由探头(4)照射到待测果肉组织样本上京反射和折射后被探头(4)接收京接收光纤(3)传输到切换器(6)，切换器(6)逐一将接收的光信号送入光谱仪(7)，光谱仪(7)逐一采集接收光纤光谱信号，获得定标幻影溶液的实际空间分辨漫反射光谱，并以二维矩阵的数据形式存于计算机中；使用步骤3)得到的最终定标系数对待测果肉组织样本的空间分辨漫反射光谱标定，获得空间分辨漫反射光谱的波长范围。

6.根据权利要求1所述的一种用集成光纤探头的水果果肉组织光学特性检测方法，其特征在于：所述步骤6)中的目标函数值采用以下公式；

<mrow> <mi>min</mi> <mi> </mi> <mi>F</mi> <mo>=</mo> <mi>min</mi> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>m</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，Y_i,meas和Y_i,sim分别表示第i个接收光纤空间漫反射光强的测量值和预测值，i表示接收光纤的序数，N表示接收光纤的总数。