CN105758865A - 基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的方法及检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的方法，包括：步骤一、通过太赫兹波对粮食包装物中的粮食及多种异物进行扫描，获得多种异物在粮食中的太赫兹二维反射图像以及太赫兹时域反射光谱图，并获得多种异物的位置信息以及轮廓信息；步骤二、对太赫兹二维反射图像进行去噪处理；步骤三、阈值分割，将多种异物从粮食中分割出来。本发明还公开了一种基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的检测系统，该检测系统能够实现太赫兹波准确的扫描粮食包装物，自动化程度高，通过分别扫描粮食包装物的对称面，实现了准确定位异物在粮食中的位置，该检测方法和检测系统均基于太赫兹反射成像技术对粮食包装物中的异物进行检测，具有检测效果高的优点。

Description

基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的方法及检测系统

技术领域

本发明涉及农产品、食品品质控制与质量技术领域，更具体地说，本发明涉及基于太赫兹反射成像技术对粮食包装物中异物的检测方法及检测系统。

背景技术

目前在农产品和食品行业常用的包装物中异物无损检测方法主要有：机器视觉法、近红外高光谱成像技术和X射线技术等。然而这些技术在实际应用中存在一定的局限性，诸如机器视觉不能识别原材料中相同形状和相同颜色的异物，以及不能识别隐藏在原材料中的异物；X射线在一定程度上弥补机器视觉的这一缺陷，但是它不能有效地识别低密度的异物，并且具有电离反应，对人体具有一定的伤害；而近红外成像技术由于其较弱的穿透成立限制了其在农产品和食品行业的应用。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种基于太赫兹反射成像技术检测粮食包装物中异物的方法，该方法能够对粮食包装物中隐藏不同深度的多种异物进行检测和识别，并且能准确的确定多种异物在粮食包装物中的位置；

本发明还有一个目的是提供一种基于太赫兹反射成像技术对粮食包装物中的异物进行检测的检测系统，该检测系统通过分别扫描粮食包装物的两面，能够实现准确确定粮食包装物中异物种类以及位置的目的。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，本发明提供了一种基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的方法，包括以下步骤：

步骤一、通过太赫兹波对粮食包装物中的粮食及多种异物进行扫描，获得所述多种异物在所述粮食中的太赫兹二维反射图像以及太赫兹时域反射光谱图，并根据所述太赫兹时域反射光谱图中不同异物对所述太赫兹波的反射率不同，获得所述多种异物在所述太赫兹二维反射图像中的位置信息以及轮廓信息；

步骤二、使用非局部均值去噪算法或各向异性扩散算法对所述太赫兹二维反射图像进行去噪处理；以及

步骤三、采用阈值分割算法对去噪处理后的太赫兹二维反射图像进行阈值分割，得到二值化图像，从而在所述二值化图像上将所述多种异物分别从所述粮食中分割出来。

太赫兹波具有能量低、穿透性强及指纹谱特性等独特优势，本发明中将太赫兹反射成像技术应用到检测粮食中的异物，不仅能够获得粮食表面反射的太赫兹脉冲，并且能够获得穿透粮食内部反射的太赫兹脉冲，因此可以获得粮食内部的有用的物理和化学信息。

采用太赫兹反射成像技术对粮食包装物中隐藏不同深度的异物进行检测和识别，能够获得多种异物在太赫兹二维反射图像中的位置信息以及轮廓信息，然后使用非局部均值去噪算法或各向异性扩散算法对获得的太赫兹图像进行了去噪处理，最后采用阈值分割算法将异物从粮食中清晰地分离出来。

优选的是，所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的方法中，还包括：

将粮食置于塑料袋中，然后将多种异物镶嵌入不同深度的所述粮食中，至所述粮食的表面看不见所述多种异物，最后将所述塑料袋封装成矩形结构，得到所述粮食包装物。

优选的是，所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的方法中，所述太赫兹波的频率为0.8～1.3THz。太赫兹波的频率影响背景噪声，进而影响太赫兹二维反射图像效果。

优选的是，所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的方法中，所述多种异物为玻璃碎片、螺丝钉、石头、木屑中的两种或者多种或者全部。

优选的是，所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的方法中，所述粮食为小麦或面粉。

本发明还提供了一种基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的检测系统，包括：

太赫兹时域光谱装置，其用于向粮食包装物发射太赫兹波，并获得所述粮食包装物中的粮食以及多种异物的太赫兹时域光谱信号；

粮食包装物检测装置，其接收所述太赫兹时域光谱信号，并根据所述太赫兹时域光谱信号生成所述多种异物在所述粮食中的太赫兹二维反射图像以及太赫兹时域反射光谱图；

粮食包装物容纳装置，其包括具有滑轨的固定座以及设置在所述滑轨上且可沿所述滑轨滑动的两个支撑架，每个支撑架包括与所述滑轨连接的升降支撑杆以及设置在所述升降支撑杆上端的支撑槽，通过调整所述两个支撑架之间的距离，使得所述两个支撑架的支撑槽形成一容纳所述粮食包装物的容纳空腔；

其中，所述粮食包装物为塑料袋封装的矩形结构。

本发明提供的检测系统通过调节两个支撑架之间的距离，能够容纳不同规格的粮食包装物中的异物，并通过调节粮食包装物容纳装置的高度，实现太赫兹波更好的扫描粮食包装物，增强了粮食包装物检测装置的检测效果。

优选的是，所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的检测系统中，所述支撑架还包括设置在滑轨上以及与所述升降支撑杆下端枢接的丝杠升降机，所述丝杠升降机驱动所述升降支撑杆做升降运动，以使得所述粮食包装物的其中一面接触所述太赫兹波。

优选的是，所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的检测系统中，还包括：

时间控制器，其设置在所述固定座上，且与所述太赫兹时域光谱装置通讯连接，所述时间控制器用于记录所述太赫兹波对所述粮食包装物的其中一面的扫描时间；

驱动装置，其驱动所述升降支撑杆相对于所述丝杠升降机旋转；

其中，当所述时间控制器记录的所述扫描时间为30～90min时，所述时间控制器控制所述驱动装置驱动所述升降支撑杆绕所述丝杠升降机旋转180°，以使得所述太赫兹波扫描所述粮食包装物的另一面，所述时间控制器记录所述太赫兹波对所述粮食包装物的另一面的扫描时间；

当所述粮食包装物的另一面的扫描时间30～90min时，所述时间控制器控制所述太赫兹时域光谱装置停止发射太赫兹波。

对于体积较大的粮食包装物，为了更好的检测该粮食包装物中的异物，可以分别扫描粮食包装物的对称面，以实现更精确地识别及分离粮食包装物中的各种异物。

优选的是，所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的检测系统中，所述粮食包装物检测装置还包括显示屏，用以显示所述太赫兹二维反射图像以及所述太赫兹时域反射光谱图。

优选的是，所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的检测系统中，所述支撑槽的深度为1～8cm。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明提供的粮食包装物中异物的检测方法基于太赫兹反射成像技术，该方法能够对粮食包装物中隐藏不同深度的多种异物进行检测和识别，并且能准确的确定多种异物在粮食包装物中的位置，从而将多种异物从粮食中分离出来。

2、本发明提供的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的检测系统，该检测系统通过利用太赫兹波分别扫描粮食包装物的对称面太赫兹波，能够实现准确确定粮食包装物中异物种类以及位置的目的，从而提高了检测的准确性。

3、本发明提供的粮食包装物中异物的检测方法具有操作简单、自动化程度高的优点，并且为粮食中异物的检测提供了新方法，该方法适用范围广，具有较好的推广效果。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明其中一个实施例中所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的方法中多种异物在粮食中的太赫兹时域反射光谱图；

图2为本发明其中一个实施例中所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的方法中的二值化图像；

图3为本发明其中一个实施例中多种异物在粮食中隐藏深度不同的二值化图像；

图4为本发明其中一个实施例中所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的检测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

<实施例一>

本发明提供了一种基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的方法，具体流程为：

(1)、制备粮食包装物：

选取小麦为研究对象，由于小麦是我国主要的粮食作物之一，并且在小麦颗粒中经常会发现这样或那样的异物。将小麦样品放置在一个塑料袋中，并将玻璃碎片、螺丝钉、石头和木屑镶嵌入不同深度的小麦颗粒中，直到在表面看不见异物的存在，并将塑料袋封装为矩形结构，得到粮食包装物。

(2)、太赫兹波扫描粮食包装物，辨别异物的位置和轮廓：

通过0.2～1.6THz频率的太赫兹波对粮食包装物中的小麦及多种异物进行扫描，获得多种异物在小麦中的太赫兹二维反射图像以及太赫兹时域反射光谱图，并根据太赫兹时域反射光谱图中不同异物对太赫兹波的反射率不同，获得多种异物在太赫兹二维反射图像中的位置信息以及轮廓信息；

图1为太赫兹时域反射光谱图，从图1中可以看出，小麦以及四种异物在光谱图中存在着明显区别，振幅以及振幅处对应的时间均不同，这说明小麦及四种异物的反射率和吸收系数不同，金属螺丝钉具有较强的反射率，玻璃碎片和石头的反射率次之，木屑和小麦的反射率最弱，并且最为相近，这说明木屑与小麦的内部结构和成分最相似；

从多种异物在小麦中的太赫兹二维反射图像中可清楚地辨别出异物的位置和轮廓，并根据太赫兹时域反射光谱图中反射率的关系，确定各个位置处的异物种类，随着扫描频率的增加，异物的轮廓越来越明显，但由于高频率的太赫兹波扫描产生的背景噪声较强，因此1.1THz的频率下太赫兹二维反射图像效果最好。

(3)、对1.1THz的频率下太赫兹二维反射图像进行去噪以及阈值分割处理，将异物更清晰地从小麦中分割出来：

由于异物形状的不规则和小麦颗粒表面的不平整，造成太赫兹二维反射图像中异物的边缘信息比较模糊并且存在不连续性，因此需要对太赫兹二维反射图像进行处理，进而更加清晰地将异物从小麦中区分出来；

例如，可以使用非局部均值去噪算法，或者使用各向异性扩散算法对所述太赫兹二维反射图像进行去噪处理，这两种算法均具有较好的去噪效果，各异物间的轮廓均能较好的分离。实验表明，各向异性扩散算法的效果略佳于非局部均值去噪算法，目标物的边缘信息更加连续，并且该算法的计算复杂度较小；

最后，采用阈值分割算法对去噪处理后的太赫兹二维反射图像进行阈值分割，其中阈值θ＝35.8％，得到二值化图像，从而在所述二值化图像上将所述多种异物分别从小麦中分割出来。该二值化图像如图2所示，其中21为玻璃碎片，22为螺丝钉，23为石头，24为木屑。

<实施例二>

采用0.8THz频率的太赫兹波对实施例一中的粮食包装物进行扫描，获取扫描深度为5mm处的太赫兹二维反射图像，并使用各向异性扩散算法进行去噪处理，采用阈值分割法进行阈值分割，阈值为θ＝25.85％，图3a所示，可清晰的看出各异物的位置，31为玻璃碎片，32为螺丝钉，33为石头，34为木屑；

采用0.8THz频率的太赫兹波对实施例一中的粮食包装物进行扫描，获取扫描深度为10mm处的太赫兹二维反射图像，并使用各向异性扩散算法进行去噪处理，采用阈值分割法进行阈值分割，阈值为θ＝25.59％，图3b所示，可发现螺丝钉32的位置信息。

本发明中将太赫兹反射成像技术应用到检测粮食中的异物，不仅能够获得粮食表面反射的太赫兹脉冲，并且能够获得穿透粮食内部反射的太赫兹脉冲，因此可以获得粮食内部的有用的物理和化学信息。

太赫兹波辐射的光子能量很低，只有毫电子伏特，不会因为电离而破坏生物分子，因而是一种安全有效的无损检测方法，太赫兹环境下对人体不会带来辐射上的危害；太赫兹光谱的特征吸收。太赫兹光谱具有反映化合物结构的指纹特征，许多生物分子之间弱的相互作用(氢键、范德华力等)、生物大分子的骨架振动等低频振动吸收正好处于太赫兹频带范围，并且太赫兹成像技术不但能够分辨出物体的形貌，还能够鉴别物体的组成成分。采用太赫兹反射成像技术对粮食包装物中隐藏不同深度的异物进行检测和识别，能够获得多种异物在太赫兹二维反射图像中的位置信息以及轮廓信息，然后使用非局部均值去噪算法或各向异性扩散算法对获得的太赫兹图像进行了去噪处理，最后采用阈值分割算法将异物从粮食中清晰地分离出来。

从实施例二中可以看出，异物在粮食中的隐藏深度影响了异物的检测和识别效果，因此本发明还提供了一种对矩形结构的粮食包装物中异物进行检测的检测系统，该检测系统通过太赫兹波分别扫描粮食包装物中的一面及其对称面，可清楚且全面地将所有异物从粮食中分离出来，本发明提供的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的检测系统，包括：

太赫兹时域光谱装置1，其用于向粮食包装物6发射一定频率的太赫兹波，并获得所述粮食包装物中的粮食以及多种异物的太赫兹时域光谱信号；

粮食包装物检测装置2，其接收所述太赫兹时域光谱信号，并根据所述太赫兹时域光谱信号生成所述多种异物在所述粮食中的太赫兹二维反射图像以及太赫兹时域反射光谱图；

粮食包装物容纳装置3，其包括具有滑轨311的固定座310以及设置在所述滑轨311上且可沿所述滑轨311滑动的两个支撑架320，每个支撑架320包括与所述滑轨311连接的升降支撑杆321以及设置在所述升降支撑杆321上端的支撑槽322，通过调整所述两个支撑架320之间的距离，使得所述两个支撑架320的支撑槽322形成一容纳所述粮食包装物的容纳空腔。例如，所述支撑槽的深度可根据实际情况而定，例如可为1～8cm。

本发明提供的检测系统通过调节两个支撑架320之间的距离，能够容纳不同规格的粮食包装物中的异物，并通过调节粮食包装物容纳装置3的高度，实现太赫兹波更好的扫描粮食包装物，增强了粮食包装物检测装置的检测效果。

在其中一个实施例中，所述支撑架320还包括设置在滑轨311上以及与所述升降支撑杆321下端枢接的丝杠升降机323，所述丝杠升降机323驱动所述升降支撑杆321做升降运动，以使得所述粮食包装物的其中一面接触所述太赫兹波。

在其中一个实施例中，对于体积较大的粮食包装物，或者隐藏较深的异物，为了更好的检测该粮食包装物，还包括：

时间控制器4，其设置在所述固定座310上，且与所述太赫兹时域光谱装置1通讯连接，所述时间控制器4用于记录所述太赫兹波对所述粮食包装物的其中一面的扫描时间；

驱动装置5，其驱动所述升降支撑杆321相对于所述丝杠升降机323旋转；

其中，当所述时间控制器4记录的所述扫描时间为30～90min时，所述时间控制器4控制所述驱动装置5驱动所述升降支撑杆321绕所述丝杠升降机323旋转180°，以使得所述太赫兹波扫描所述粮食包装物的另一面，所述时间控制器4记录所述太赫兹波对所述粮食包装物的另一面的扫描时间；

当所述粮食包装物的另一面的扫描时间30～90min时，所述时间控制器4控制所述太赫兹时域光谱装置停止发射太赫兹波。从而可实现更精确地识别及分离粮食包装物中的各种异物。

在其中一个实施例中，为了更好地显示太赫兹二维反射图像以及太赫兹时域反射光谱图，所述粮食包装物检测装置2还包括显示屏210。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过太赫兹波对粮食包装物中的粮食及多种异物进行扫描，获得所述多种异物在所述粮食中的太赫兹二维反射图像以及太赫兹时域反射光谱图，并根据所述太赫兹时域反射光谱图中不同异物对所述太赫兹波的反射率不同，获得所述多种异物在所述太赫兹二维反射图像中的位置信息以及轮廓信息；

步骤二、使用非局部均值去噪算法或各向异性扩散算法对所述太赫兹二维反射图像进行去噪处理；以及

步骤三、采用阈值分割算法对去噪处理后的太赫兹二维反射图像进行阈值分割，得到二值化图像，从而在所述二值化图像上将所述多种异物分别从所述粮食中分割出来。

2.如权利要求1所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的方法，其特征在于，还包括：

将粮食置于塑料袋中，然后将多种异物镶嵌入不同深度的所述粮食中，至所述粮食的表面看不见所述多种异物，最后将所述塑料袋封装成矩形结构，得到所述粮食包装物。

3.如权利要求1所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的方法，其特征在于，所述太赫兹波的频率为0.2～1.6THz。

4.如权利要求1所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的方法，其特征在于，所述多种异物为玻璃碎片、螺丝钉、石头、木屑中的两种或者多种或者全部。

5.如权利要求1所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的方法，其特征在于，所述粮食为小麦或面粉。

6.一种如权利要求1～5任一项所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的检测系统，其特征在于，包括：

太赫兹时域光谱装置，其用于向粮食包装物发射太赫兹波，并获得所述粮食包装物中的粮食以及多种异物的太赫兹时域光谱信号；

粮食包装物检测装置，其接收所述太赫兹时域光谱信号，并根据所述太赫兹时域光谱信号生成所述多种异物在所述粮食中的太赫兹二维反射图像以及太赫兹时域反射光谱图；

粮食包装物容纳装置，其包括具有滑轨的固定座以及设置在所述滑轨上且可沿所述滑轨滑动的两个支撑架，每个支撑架包括与所述滑轨连接的升降支撑杆以及设置在所述升降支撑杆上端的支撑槽，通过调整所述两个支撑架之间的距离，使得所述两个支撑架的支撑槽形成一容纳所述粮食包装物的容纳空腔；

其中，所述粮食包装物为塑料袋封装的矩形结构。

7.如权利要求6所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的检测系统，其特征在于，所述支撑架还包括设置在滑轨上以及与所述升降支撑杆下端枢接的丝杠升降机，所述丝杠升降机驱动所述升降支撑杆做升降运动，以使得所述粮食包装物的其中一面接触所述太赫兹波。

8.如权利要求7所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的检测系统，其特征在于，还包括：

时间控制器，其设置在所述固定座上，且与所述太赫兹时域光谱装置通讯连接，所述时间控制器用于记录所述太赫兹波对所述粮食包装物的其中一面的扫描时间；

驱动装置，其驱动所述升降支撑杆相对于所述丝杠升降机旋转；

其中，当所述时间控制器记录的所述扫描时间为30～90min时，所述时间控制器控制所述驱动装置驱动所述升降支撑杆绕所述丝杠升降机旋转180°，以使得所述太赫兹波扫描所述粮食包装物的另一面，所述时间控制器记录所述太赫兹波对所述粮食包装物的另一面的扫描时间；

当所述粮食包装物的另一面的扫描时间30～90min时，所述时间控制器控制所述太赫兹时域光谱装置停止发射太赫兹波。

9.如权利要求6所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的检测系统，其特征在于，所述粮食包装物检测装置还包括显示屏，用以显示所述太赫兹二维反射图像以及所述太赫兹时域反射光谱图。

10.如权利要求6所述的基于太赫兹波检测粮食包装物中异物的检测系统，其特征在于，所述支撑槽的深度为1～8cm。