CN108444940B - 基于太赫兹波检测大米的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于太赫兹波检测大米的方法。方法包括：以太赫兹频段的电磁波作为入射波扫描待测样品；采集待测样品所反射的太赫兹频段的反射波，并获取反射波的反射光谱；根据反射光谱对待测样品进行垩白区域检测。本发明还涉及一种基于太赫兹波检测大米的系统。上述基于太赫兹波检测大米的方法及系统，由垩白区域和非垩白区域反射的反射波的光强也不同。因此根据检测各个位置的反射波得到的反射光谱，便可分析待测样品的内部结构，由此判断待测样品内部是否存在垩白区域，太赫兹频段的电磁波穿透性强，分辨率高，操作简单，对待测样品无破坏性，检测大米垩白结构的效果较好。
Description
技术领域
本发明涉及农产品质量检测领域，特别涉及一种基于太赫兹波检测大米的方法及系统。
背景技术
垩白是衡量稻米品质的重要性状之一。大米垩白区域乃是胚乳淀粉及蛋白质颗粒积累不够密实所致。大米的垩白部分蛋白质含量较低，淀粉含量较高，垩白度越高，大米的质量越差，营养价值也越差，加工时容易破碎，直接影响稻米的外观品质和商品流通。
大米表面的垩白区域肉眼易辨别，但大米有一定厚度，对于其内部的微小的垩白结构区域，肉眼却难以观察。光学显微镜和扫描电子显微镜只能直接观察样品表面的结构，对于样品内部结构无法穿透分析。其它的检测方法，比如利用透射电子显微镜或者X射线，虽然能够透过较厚的样品进行检测，但对被测物质的结构成分有破坏性。因此，目前的大米的垩白检测方法效果不好。
发明内容
基于此，有必要针对大米的垩白检测方法效果不好的问题，提供一种基于太赫兹波检测大米的方法及系统。
一种基于太赫兹波检测大米的方法，所述方法包括：
以太赫兹频段的电磁波作为入射波扫描待测样品；
采集所述待测样品所反射的太赫兹频段的反射波，并获取所述反射波的反射光谱；
根据所述反射光谱对所述待测样品进行垩白区域检测。
在其中一个实施例中，所述检测由所述待测样品反射的太赫兹频段的反射波，得到由所述待测样品反射的反射光谱的步骤为：
在不同时刻检测由所述待测样品反射的反射波，得到与所述入射波的入射点在所述待测样品表面处的切平面平行的不同截面的反射光谱；其中，任一时刻的反射光谱对应于由相应的截面反射的反射波的光谱；
所述根据所述反射光谱对所述待测样品进行垩白区域检测的步骤包括：
对于任一截面的反射光谱，根据该反射光谱判断相应的截面是否存在垩白区域；
对于待测样品的各个截面，如果有截面存在垩白区域，则待测样品存在垩白区域。
在其中一个实施例中，所述对于任一截面的反射光谱，根据该反射光谱判断相应的截面是否存在垩白区域的步骤为：
对于任一截面的反射光谱，反射光强落入预设范围内的区域为垩白区域。
在其中一个实施例中，所述对于任一截面的反射光谱，根据该反射光谱判断相应的截面是否存在垩白区域的步骤包括：
对于任一截面的反射光谱，根据该反射光谱生成相应截面的结构图像。
在其中一个实施例中，所述对于任一截面的反射光谱，根据该反射光谱判断相应的截面是否存在垩白区域的步骤之后包括：
如果相应的截面存在垩白区域，则根据该截面的结构图像计算垩白区域的垩白面积；
计算垩白面积与该截面的面积的比值，该比值为该截面的垩白率。
在其中一个实施例中，所述计算垩白面积与该截面的面积的比值，该比值为该截面的垩白率的步骤之后还包括：
计算所述待测样品的垩白度；其中，所述垩白度为所有截面的垩白率的平均值；
在所述垩白度超过预设阈值时，判定所述待测样品不合格。
在其中一个实施例中，所述待测样品的检测环境的空气湿度小于或等于2％。
一种基于太赫兹波检测大米的系统，包括：
太赫兹扫描装置，用于以太赫兹频段的电磁波作为入射波扫描待测样品；
太赫兹采集装置，用于采集所述待测样品所反射的太赫兹频段的反射波，并获取所述反射波的反射光谱；
处理器，用于根据所述反射光谱对所述待测样品进行垩白区域检测。
在其中一个实施例中，所述太赫兹采集装置在不同时刻检测由所述待测样品反射的反射波，得到与所述入射波的入射点在所述待测样品表面处的切平面平行的不同截面的反射光谱；其中，任一时刻的反射光谱对应于由相应的截面反射的反射波的光谱；
对于任一截面的反射光谱，所述处理器根据该反射光谱判断相应的截面是否存在垩白区域，对于待测样品的各个截面，如果有截面存在垩白区域，则处理器判定待测样品存在垩白区域。
在其中一个实施例中，对于任一截面的反射光谱，所述处理器将反射光强落入预设范围内的区域判定为垩白区域。
上述基于太赫兹波检测大米的方法及系统，利用太赫兹频段的电磁波扫描待测样品。太赫兹频段的电磁波入射至待测样品内部的各个位置，太赫兹频段的电磁波会发生反射。而待测样品内部的垩白区域与非垩白区域结构不同，因此由垩白区域和非垩白区域反射的反射波的光强也不同。因此根据检测各个位置的反射波得到的反射光谱，便可分析待测样品的内部结构，由此判断待测样品内部是否存在垩白区域，从而可以判断出大米内部是否存在垩白区域。太赫兹频段的电磁波穿透性强，分辨率高，操作简单，对待测样品无破坏性，检测大米垩白结构的效果较好。
附图说明
图1为一实施例的太赫兹时域光谱成像系统的示意图；
图2为第一实施例的基于太赫兹波检测大米的方法的流程示意图；
图3为第二实施例的基于太赫兹波检测大米的方法的流程示意图；
图4为三维直角坐标系的示意图；
图5为图4中反射波420和反射波430的波形示意图；
图6为不存在垩白区域的截面的结构图像示意图；
图7为存在垩白区域的截面的结构图像示意图；
图8为第三实施例的基于太赫兹波检测大米的方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
图1为一实施例的太赫兹时域光谱成像系统的示意图。本实施方式应用太赫兹时域光谱成像系统(简称“系统”)实施基于太赫兹波检测大米的方法。如图1所示，太赫兹时域光谱成像系统包括激光器、分光器、光学延迟装置、第一光纤、第二光纤、样品扫描单元(未示出)、样品台(未示出)及处理器。样品扫描单元包括太赫兹发射器和太赫兹接收器。
待测样品放置在样品台上。例如待测样品可以选为东北珍珠米样品，也可以选为其他品牌的大米样品。样品台可移动。待测样品的检测环境的空气湿度小于或等于2％。
激光从激光器发射。本实施例中，激光器为高速钛-蓝宝石飞秒级激光器，发射脉冲激光。分光器将激光分为两路：一路到达光学延迟装置，经过光学延迟装置的激光为探测光。探测光经过第二光纤到达太赫兹接收器。另一路通过光纤到达样品扫描单元，这一路激光为泵浦光。太赫兹发射器在泵浦光的作用下向待测样品发射太赫兹频段的电磁波。处理器接收太赫兹接收器的数据信号。处理器还用于控制光学延迟装置的移动，以调节探测光相对于泵浦光的时间延迟，从而调节探测光与反射波的相位差，得到待测样品内部不同位置处的反射光谱。
图2为第一实施例的基于太赫兹波检测大米的方法的流程示意图。该方法包括：
步骤S120，以太赫兹频段的电磁波作为入射波扫描待测样品。
具体地，太赫兹发射器发射太赫兹频段的电磁波。太赫兹频段的电磁波扫描待测样品，以检测待测样品不同位置的内部结构。上述太赫兹频段的电磁波为入射波。入射波扫描待测样品的过程是相对的过程。扫描过程可以是待测样品固定，入射波沿着待测样品的表面移动，实现扫描。扫描过程还可以是入射波固定发射，待测样品相对入射波移动，实现扫描。本实施例中采用后者的扫描方式，操作简单，容易实现。
步骤S140，采集待测样品所反射的太赫兹频段的反射波，并获取反射波的反射光谱。
具体地，待测样品由于内部结构的特性，会反射出不同强度的反射波。太赫兹接收器接收由待测样品反射的反射波和探测光。太赫兹接收器接收到的探测光与反射波是相干波，由此便可得出待测样品的反射光谱。
步骤S160，根据反射光谱对待测样品进行垩白区域检测。
具体地，处理器根据反射光谱的数据信息即可判断出待测样品是否存在垩白区域。对于待测样品的任一区域的反射光谱，处理器判断反射光谱所反映的反射光强是否落入预设范围内。如果反射光强落入预设范围内，则该区域为垩白区域。反之，则该区域为非垩白区域。对于预设范围的具体值，可以由实验得出。对于不同品种的大米，则预设范围的值不同。如果处理器判断出待测样品中存在垩白区域，则待测样品不是优质稻米。
上述基于太赫兹波检测大米的方法，利用太赫兹频段的电磁波扫描待测样品。太赫兹频段的电磁波入射至待测样品内部的各个位置，太赫兹频段的电磁波会发生反射。而待测样品内部的垩白区域与非垩白区域结构不同，因此由垩白区域和非垩白区域反射的反射波的光强也不同。因此根据检测各个位置的反射波得到的反射光谱，便可分析待测样品的内部结构，由此判断待测样品内部是否存在垩白区域，从而可以判断出大米内部是否存在垩白区域。太赫兹频段的电磁波穿透性强，分辨率高，操作简单，对待测样品无破坏性，检测大米垩白结构的效果较好。
图3为第二实施例的基于太赫兹波检测大米的方法的流程示意图。图4为三维直角坐标系的示意图。图5为图4中反射波420和反射波430的波形示意图。图6为不存在垩白区域的截面的结构图像示意图。图7为存在垩白区域的截面的结构图像示意图。
本实施例中，检测由待测样品反射的太赫兹频段的反射波，得到由待测样品反射的反射光谱的步骤，即步骤S140之前包括：
步骤S130，以入射波的入射点在待测样品表面处的切平面为XY平面，与切平面垂直的直线为Z轴建立三维直角坐标系。
具体地，如图4所示，待测样品为大米，因此将待测样品看作椭球形。对于待测样品而言，系统以入射波的入射点在待测样品表面处的切平面为XY平面，以与切平面垂直的直线为Z轴建立三维直角坐标系。同一束入射波410到达待测样品内部各个位置的时间会不同，随着入射波410光程的增加，入射波410到达待测样品内部相应位置的时间越长，因而太赫兹接收器检测到该位置的反射波的时间也越长。如图4所示，同一束入射波410在待测样品的两个不同位置(位置A和位置B)分别入射及分别反射的示意图，位置A处和位置B处的反射波分别为：反射波420和反射波430。由于位置B处的光程比位置A处的光程大，因此反射波430相对于反射波420有延迟。图5为反射波420和反射波430的波形示意图。图5中横轴为时间，纵轴为光强，从图5中也可以看出反射波430相对于反射波420有延迟。
需要说明的是，步骤S130也可以在步骤S120之前，只要是在步骤S140之前即可。
本实施例中，检测由待测样品反射的太赫兹频段的反射波，得到由待测样品反射的反射光谱的步骤，即步骤S140为：
步骤S141，在不同时刻检测由待测样品反射的反射波，得到垂直于Z轴的不同截面的反射光谱。
具体地，本实施例中，可以隔预设的时间间隔检测反射波，任一时刻的反射光谱对应于由待测样品中垂直于Z轴的相应截面反射的反射波的光谱，不同时刻检测的即为不同截面的反射波。时间间隔的取值越小，则能够检测到越多的截面的反射波，系统的分辨率也就越高。
根据反射光谱对待测样品进行垩白区域检测的步骤，即步骤S160包括：
步骤S161，对于任一截面的反射光谱，根据该反射光谱判断相应的截面是否存在垩白区域。
具体地，如上述，对于任一截面的反射光谱，反射光强落入预设范围内的区域为垩白区域。反之，如果该截面的任一区域的反射光强均未落入预设范围内，则该截面不存在垩白区域。本实施例中，对于任一截面的反射光谱，处理器还可以根据该反射光谱生成相应截面的结构图像。例如，不存在垩白区域的截面的结构图像和存在垩白区域的截面的结构图像分别如图6和图7所示。图7中，垩白区域见虚线框内所示的区域。这样使得工作人员可以直观地从截面的结构图像上判断该截面是否存在垩白区域。
步骤S166，对于待测样品的各个截面，如果有截面存在垩白区域，则待测样品存在垩白区域。
具体地，对于待测样品而言，将其分解为若干个截面，从各个截面入手，分别判断每一截面是否存在垩白区域。如果有截面存在垩白区域，则待测样品存在垩白区域。反之，如果没有截面存在垩白区域，则判定待测样品不存在垩白区域。
上述基于太赫兹波检测大米的方法借鉴了数值分析中的有限元分析方法，通过设定时间间隔，来检测待测样品的反射波，将待测样品分解为有限个平行的截面。从各个截面入手来判断待测样品中是否存在垩白区域。这样，待测样品的垩白情况检测简便又准确。
图8为第三实施例的基于太赫兹波检测大米的方法的流程示意图。本实施例中，对于任一截面的反射光谱，根据该反射光谱判断相应的截面是否存在垩白区域的步骤，即步骤S161之后还包括：
步骤S162，如果相应的截面存在垩白区域，则根据该截面的结构图像计算垩白区域的垩白面积。
步骤S163，计算垩白面积与该截面的面积的比值，该比值为该截面的垩白率。
步骤S164，计算待测样品的垩白度。
垩白度为所有截面的垩白率的平均值。
步骤S165，在垩白度超过预设阈值时，判定待测样品不合格。
这样，可以粗略地计算出待测样品的垩白度。由垩白度去判别待测样品到底处于什么等级。
另外，通过步骤S162和步骤S163，还可以计算各个截面的垩白率，以确定垩白率最高的截面。这样可以确定垩白结构的集中位置，以更精确地分析待测样品，从而有助于分析造成这种垩白结构的原因，以在改善稻米质量的方向提供指导。
一种基于太赫兹波检测大米的系统。该系统包括：
太赫兹扫描装置，用于以太赫兹频段的电磁波作为入射波扫描待测样品。太赫兹采集装置，用于采集待测样品所反射的太赫兹频段的反射波，并获取反射波的反射光谱。
处理器，用于根据反射光谱对待测样品进行垩白区域检测。
上述系统可以参照图1所示的太赫兹时域光谱成像系统设置。即基于太赫兹波检测大米的系统中太赫兹扫描装置可以参照太赫兹发射器设置。太赫兹采集装置可以参照太赫兹接收器设置。
上述基于太赫兹波检测大米的系统，利用太赫兹频段的电磁波扫描待测样品。太赫兹频段的电磁波入射至待测样品内部的各个位置，太赫兹频段的电磁波会发生反射。而待测样品内部的垩白区域与非垩白区域结构不同，因此由垩白区域和非垩白区域反射的反射波的光强也不同。因此根据检测各个位置的反射波得到的反射光谱，便可分析待测样品的内部结构，由此判断待测样品内部是否存在垩白区域，从而可以判断出大米内部是否存在垩白区域。太赫兹频段的电磁波穿透性强，分辨率高，操作简单，对待测样品无破坏性，检测大米垩白结构的效果较好。
一实施例中，太赫兹采集装置在不同时刻检测由待测样品反射的反射波，得到与入射波的入射点在待测样品表面处的切平面平行的不同截面的反射光谱；其中，任一时刻的反射光谱对应于由相应的截面反射的反射波的光谱。
对于任一截面的反射光谱，处理器根据该反射光谱判断相应的截面是否存在垩白区域，对于待测样品的各个截面，如果有截面存在垩白区域，则处理器判定待测样品存在垩白区域。
一实施例中，对于任一截面的反射光谱，处理器将反射光强落入预设范围内的区域判定为垩白区域。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于太赫兹波检测大米的方法，其特征在于，所述方法包括：
以太赫兹频段的电磁波作为入射波扫描待测样品；
采集所述待测样品所反射的太赫兹频段的反射波，并获取所述反射波的反射光谱；
根据所述反射光谱对所述待测样品进行垩白区域检测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，检测由所述待测样品反射的太赫兹频段的反射波，得到由所述待测样品反射的反射光谱的步骤为：
在不同时刻检测由所述待测样品反射的反射波，得到与所述入射波的入射点在所述待测样品表面处的切平面平行的不同截面的反射光谱；其中，任一时刻的反射光谱对应于由相应的截面反射的反射波的光谱；
所述根据所述反射光谱对所述待测样品进行垩白区域检测的步骤包括：
对于任一截面的反射光谱，根据该反射光谱判断相应的截面是否存在垩白区域；
对于待测样品的各个截面，如果有截面存在垩白区域，则待测样品存在垩白区域。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对于任一截面的反射光谱，根据该反射光谱判断相应的截面是否存在垩白区域的步骤为：
对于任一截面的反射光谱，反射光强落入预设范围内的区域为垩白区域。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对于任一截面的反射光谱，根据该反射光谱判断相应的截面是否存在垩白区域的步骤包括：
对于任一截面的反射光谱，根据该反射光谱生成相应截面的结构图像。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对于任一截面的反射光谱，根据该反射光谱判断相应的截面是否存在垩白区域的步骤之后包括：
如果相应的截面存在垩白区域，则根据该截面的结构图像计算垩白区域的垩白面积；
计算垩白面积与该截面的面积的比值，该比值为该截面的垩白率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述计算垩白面积与该截面的面积的比值，该比值为该截面的垩白率的步骤之后还包括：
计算所述待测样品的垩白度；其中，所述垩白度为所有截面的垩白率的平均值；
在所述垩白度超过预设阈值时，判定所述待测样品不合格。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测样品的检测环境的空气湿度小于或等于2％。
8.一种基于太赫兹波检测大米的系统，其特征在于，包括：
太赫兹扫描装置，用于以太赫兹频段的电磁波作为入射波扫描待测样品；
太赫兹采集装置，用于采集所述待测样品所反射的太赫兹频段的反射波，并获取所述反射波的反射光谱；
处理器，用于根据所述反射光谱对所述待测样品进行垩白区域检测。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述太赫兹采集装置在不同时刻检测由所述待测样品反射的反射波，得到与所述入射波的入射点在所述待测样品表面处的切平面平行的不同截面的反射光谱；其中，任一时刻的反射光谱对应于由相应的截面反射的反射波的光谱；
对于任一截面的反射光谱，所述处理器根据该反射光谱判断相应的截面是否存在垩白区域，对于待测样品的各个截面，如果有截面存在垩白区域，则处理器判定待测样品存在垩白区域。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，对于任一截面的反射光谱，所述处理器将反射光强落入预设范围内的区域判定为垩白区域。
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