CN109358374B - 一种进境农林动植物危险因子检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种进境农林动植物危险因子检测方法，该方法是在微区图谱合一检测系统上实现的，该方法包括初始化、当前成像区光谱自聚焦及光谱信号采集、当前成像区宽光谱成像、扫描宽谱探测及成像、图谱后处理五个步骤。本发明的有益效果是，采用图谱合一方法同时获取危险因子的超连续激光反射显微成像及反射光谱；显微成像采用区域拼接的方法获得较大样品的高分辨超连续谱显微图像；超连续反射光谱计算均值期望光谱及方差光谱，提供样品的重要光谱特征，为检测、建库、溯源与鉴别提供重要支撑。

Description

一种进境农林动植物危险因子检测方法

技术领域

本发明涉及一种微区图谱合一检测方法，尤其涉及一种基于积分球、超连续谱激光源、多通道光谱仪的微区检测系统与方法，适用于进境农林动植物危险因子的检测、建库、远程鉴别,属于光电检测领域。

背景技术

在口岸检测检疫领域，近年来，中国进口的农林动植物逐年增多，但其中可能含有昆虫、杂草、真菌、线虫、螨类、细菌、病毒等危险及高危因子，例如：紫茎泽兰、薇甘菊、非洲大蜗牛、福寿螺、枣实蝇、桉树枝瘿姬小蜂、无花果蜡蚧、松材线虫、香蕉穿孔线虫、尖金镰古巴专化型4号小种、克氏原螯虾、豹纹脂身鲇、红腹锯鲑脂鲤、云斑原吻虾虎鱼、食蚊鱼、斑马贝、沙筛贝、指甲履螺、美洲大蠊、德国小蠊、埃及伊蚊等外来入侵高危生物因子。对它们的检测、鉴别非常重要，是保护我国生物环境与安全的重要保障，目前对这些高危生物因子检测、鉴别尚未开发专门的仪器，也未建立完善的入侵来源地鉴定、物性及遗传表征等元数据库。加强对进境农林动植物危险因子检测、管控、溯源研究以及开发高危因子检测系统势在必行。

在进境农林动植物危险因子检测、管控、溯源方面，高分辨率的显微超连续谱成像及光谱分析可反映出其纹理、光学、含水、形态等多方面的特征，是可行高效的技术手段。

本发明提出一种采用超连续谱积分球匀光照明光源，用于获取进境农林动植物危险因子样品的可见及中红外谱段显微图像及反射光谱的图谱合一检测方法，可用于危险因子的物性建库及甄别，方便海关进出口检测检疫部门进行进境农林动植物危险因子的检测、建库、溯源与鉴别。

发明内容

本发明的目的在于提供一种进境农林动植物危险因子的微区图谱合一检测方法，可获取危险因子样品的可见及中红外谱段显微图像及反射光谱，用于进行进境农林动植物危险因子的检测、建库、溯源与鉴别。

本发明是这样来实现的：

本发明提出的进境农林动植物危险因子的微区图谱合一检测方法是在一种进境农林动植物危险因子的微区图谱合一检测系统实现的，该系统主要由超连续谱激光器、积分球、光电探测器、宽带比例分光片、成像镜头、数码相机、主分析控制器、光纤光谱仪、网络收发器、三维电动平移台、显微物镜、以及一些辅助部件组成；辅助部件包括发射光纤、外罩、T型遮光罩、光纤耦合镜、接收光纤；

其中，积分球内壁均匀涂覆白色漫反射涂层，安装固定在外罩内；积分球与外罩之间开有探测器安装孔，光电探测器安装在探测器安装孔，可探测积分球内沿监测光轴传播的光强；超连续谱激光器通过发射光纤接至发射光纤接口，发射光纤接口内有进积分球的通孔；超连续谱激光器发出的可见至中红外谱段的超连续谱激光，沿该通孔沿发射光轴进入积分球内部，经白色漫反射涂层多次反射后，形成匀光超连续谱照明源；在积分球及外罩与主光轴相交的上下部分都开有安装通孔，显微物镜安装在下通孔位置，成像镜头安装在上通孔位置，上通孔与T型遮光罩相通；成像像头与数码相机联连，数码相机内有面阵成像探测器，可进行可见至中红外谱段的成像；光纤光谱仪通过接收光纤接至接收光纤接口，接收光纤接口内有进积分球的通孔，该通孔与T型遮光罩相通；T型遮光罩内有宽带比例分光片、光纤耦合镜，T型遮光罩开有下通孔，可约束仅限沿主光轴传输的光线进入T型遮光罩，T型遮光罩的外壁涂覆白色漫反射涂层，内壁涂覆黑色漫吸收涂层，防止杂散光的干扰；主光轴、光谱接收光轴、监测光轴、发射光轴四者共面，其中光谱接收光轴与发射光轴平行，主光轴与光谱接收光轴垂直；宽带比例分光片与主光轴和光谱接收光轴夹角为45度安装，光纤耦合镜与光谱接收光轴垂直安装；

样品分析区在三维电动平移台上，样品分析区由若干个单次成像区组成；

主分析控制器内的主机软件可实现系统的人机交互，图像及光谱数据库构建、查询、远程传输，图像及光谱信息的融合、分析、分类鉴别；主分析控制器输入输出端口控制程序可实现对网络收发器、光纤光谱仪、三维电动平移台、超连续谱激光器、光电探测器、数码相机的控制，并接收数码相机的输出图像、光纤光谱仪的光谱数据与光电探测器的输出信号，并通过网络收发器网络联连出入境部门云系统，实现数据库的上传、下载与云端查询；

本发明提出的微区图谱合一检测方法包括以下步骤：

(1)初始化

将危险因子检测对象放在样品分析区上；主分析控制器控制开启超连续谱激光器、光电探测器、数码相机与光纤光谱仪，并设定光纤光谱仪的曝光参数；主分析控制器发出控制指令控制三维电动平移台移动到起始位置；此时，对危险因子检测对象位于第一个单次成像区的部分进行检测，此时当前成像区为第一个单次成像区；

(2)当前成像区光谱自聚焦及光谱信号采集

超连续谱激光器发射的超连续谱激光束进入积分球内部，经白色漫反射涂层多次反射后，通过显微物镜照射到危险因子检测对象位于当前成像区的部分，其超连续谱反射光从下至上穿过显微物镜，沿主光轴进入T型遮光罩，经宽带比例分光片反射后沿光谱接收光轴行进，经光纤耦合镜会聚进入接收光纤，然后进入光纤光谱仪，得到样品单次成像区危险因子检测对象位于当前成像区部分的超连续光谱信号，然后送至主分析控制器进行分析；主分析控制器计算该超连续光谱信号的总强度(即光谱曲线包围的总面积)，设其为W，同时主分析控制器读取光电探测器的输出信号K(注：该值反映了背景平均光强)，然后计算比例系数C＝W/K；主分析控制器发出控制指令控制三维电动平移台沿z向上下移动，同时不断计算C，直至C达到最大值，此时，当前成像区为紧聚焦状态；主分析控制器记录此时的超连续光谱信号作为该单次成像区的光谱信号；

(3)当前成像区宽光谱成像

在紧聚焦状态下，危险因子检测对象当前成像区部分的超连续谱反射光从下至上穿过显微物镜，沿主光轴进入T型遮光罩，经宽带比例分光片透射后经成像镜头成像至数码相机的面阵成像探测器获得宽谱数字图像；该宽谱数字图像送至主分析控制器存储，作为当前成像区的宽谱图像；

(4)扫描宽谱探测及成像

主分析控制器发出控制指令控制三维电动平移台沿xy平面移动至第二个单次成像区成为当前成像区；重复步骤(1)-(3)，得到第二个单次成像区的光谱信号及宽谱图像；主分析控制器发出控制指令控制三维电动平移台沿xy平面移动至第三个单次成像区成为当前成像区；重复步骤(1)-(3)，得到第三个单次成像区的光谱信号及宽谱图像；

类似地，依次完成第四、第五、...直至最后一个单次成像区的光谱信号及宽谱图像采集；

(5)图谱后处理

主分析控制器将所有的单次成像区的宽谱图像进行几何图像拼接，得到危险因子检测对象的完整宽谱显微图像；将所有的单次成像区的宽谱段光谱数据求光谱均值及方差；主分析控制器将该危险因子检测对象的完整宽谱显微图像、光谱均值及方差以及其种属、产地信息汇合，构建其特征数据库，并将该危险因子检测对象的数据库信息通过网络收发器网络送至出入境监管部门云系统；从而有效进行危险因子监控，维护国家生物安全。

本发明的有益效果是，采用图谱合一方法同时获取危险因子的超连续激光反射显微成像及反射光谱；显微成像采用区域拼接的方法获得较大样品的高分辨超连续谱显微图像；超连续反射光谱计算均值期望光谱及方差光谱，提供样品的重要光谱特征，为检测、建库、溯源与鉴别提供重要支撑。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图，图中：1——超连续谱激光器；2——发射光纤；3——发射光纤接口；4——外罩；5——积分球；6——监测光轴；7——光电探测器；8——探测器安装孔；9——宽带比例分光片；10——成像镜头；11——数码相机；12——面阵成像探测器；13——主光轴；14——T型遮光罩；15——光谱接收光轴；16——光纤耦合镜；17——接收光纤接口；18——接收光纤；19——主分析控制器；20——光纤光谱仪；21——网络收发器；22——发射光轴；23——三维电动平移台；24——样品分析区；25——单次成像区；26——危险因子检测对象；27——显微物镜。

具体实施方式

本发明具体实施方式如图1所示。

本发明提出的进境农林动植物危险因子的微区图谱合一检测方法是在一种进境农林动植物危险因子的微区图谱合一检测系统实现的，该系统主要由超连续谱激光器1、积分球5、光电探测器7、宽带比例分光片9、成像镜头10、数码相机11、主分析控制器19、光纤光谱仪20、网络收发器21、三维电动平移台23、显微物镜27、以及一些辅助部件组成；辅助部件包括发射光纤2、外罩4、T型遮光罩14、光纤耦合镜16、接收光纤18；

其中，积分球5内壁均匀涂覆白色漫反射涂层，安装固定在外罩4内；积分球5与外罩4之间开有探测器安装孔8，光电探测器7安装在探测器安装孔8，可探测积分球5内沿监测光轴6传播的光强；超连续谱激光器1(注：本实施例其光谱范围400-2500nm，平均功率10W)通过发射光纤2(注：本实施例其内芯径为100微米)接至发射光纤接口3(注：本实施为SMA905接口)，发射光纤接口3内有进积分球5的通孔；超连续谱激光器1发出的可见至中红外谱段的超连续谱激光，沿该通孔沿发射光轴22进入积分球5内部，经白色漫反射涂层多次反射后，形成匀光超连续谱照明源；在积分球5及外罩4与主光轴13相交的上下部分都开有安装通孔，显微物镜27安装在下通孔位置，成像镜头10安装在上通孔位置，上通孔与T型遮光罩14相通；成像像头10与数码相机11联连，数码相机11内有面阵成像探测器12，可进行可见至中红外谱段的成像；光纤光谱仪20(注：本实施例为光谱范围400＝2500nm的多通道光纤光谱仪)通过接收光纤18(注：本实施例其内芯径为200微米)接至接收光纤接口17(注：本实施为SMA905接口)，接收光纤接口17内有进积分球5的通孔，该通孔与T型遮光罩14相通；T型遮光罩14内有宽带比例分光片9(注：本实施例为透3反7的400-2500nm的比例分光片)、光纤耦合镜16，T型遮光罩14开有下通孔，可约束仅限沿主光轴13传输的光线进入T型遮光罩14，T型遮光罩14的外壁涂覆白色漫反射涂层，内壁涂覆黑色漫吸收涂层，防止杂散光的干扰；主光轴13、光谱接收光轴15、监测光轴6、发射光轴22四者共面，其中光谱接收光轴15与发射光轴22平行，主光轴13与光谱接收光轴15垂直；宽带比例分光片9与主光轴13和光谱接收光轴15夹角为45度安装，光纤耦合镜16与光谱接收光轴15垂直安装；

样品分析区24在三维电动平移台23上，样品分析区24(注：本实施例为边长为2cm的正方形)由若干个(注：本实施例为100个)单次成像区25(注：本实施例为边长为2mm的正方形)组成；

主分析控制器19内的主机软件可实现系统的人机交互，图像及光谱数据库构建、查询、远程传输，图像及光谱信息的融合、分析、分类鉴别；主分析控制器19输入输出端口控制程序可实现对网络收发器21、光纤光谱仪20、三维电动平移台23、超连续谱激光器1、光电探测器7、数码相机11的控制，并接收数码相机11的输出图像、光纤光谱仪20的光谱数据与光电探测器7的输出信号，并通过网络收发器21网络联连出入境部门云系统，实现数据库的上传、下载与云端查询；

本发明提出的微区图谱合一检测方法包括以下步骤：

(1)初始化

将危险因子检测对象26放在样品分析区24上；主分析控制器19控制开启超连续谱激光器1、光电探测器7、数码相机11与光纤光谱仪20，并设定光纤光谱仪20的曝光参数；主分析控制器19发出控制指令控制三维电动平移台23移动到起始位置；此时，对危险因子检测对象26位于第一个单次成像区25的部分进行检测，此时当前成像区为第一个单次成像区25；

(2)当前成像区光谱自聚焦及光谱信号采集

超连续谱激光器1发射的超连续谱激光束进入积分球内部，经白色漫反射涂层多次反射后，通过显微物镜27(注：本实施例为40倍无穷远平场消像差物镜)照射到危险因子检测对象26位于当前成像区的部分，其超连续谱反射光从下至上穿过显微物镜27，沿主光轴13进入T型遮光罩14，经宽带比例分光片9反射后沿光谱接收光轴15行进，经光纤耦合镜16会聚进入接收光纤18，然后进入光纤光谱仪20，得到样品单次成像区25危险因子检测对象26位于当前成像区部分的超连续光谱信号，然后送至主分析控制器19进行分析；主分析控制器19计算该超连续光谱信号的总强度(即光谱曲线包围的总面积)，设其为W，同时主分析控制器19读取光电探测器7的输出信号K(注：该值反映了背景平均光强)，然后计算比例系数C＝W/K；主分析控制器19发出控制指令控制三维电动平移台23沿z向上下移动，同时不断计算C，直至C达到最大值，此时，当前成像区为紧聚焦状态；主分析控制器19记录此时的超连续光谱信号作为该单次成像区25的光谱信号；

(3)当前成像区宽光谱成像

在紧聚焦状态下，危险因子检测对象26当前成像区25部分的超连续谱反射光从下至上穿过显微物镜27，沿主光轴13进入T型遮光罩14，经宽带比例分光片9透射后经成像镜头10成像至数码相机11的面阵成像探测器12形成获得宽谱数字图像；该宽谱数字图像送至主分析控制器19存储，作为当前成像区的宽谱图像；

(4)扫描宽谱探测及成像

主分析控制器19发出控制指令控制三维电动平移台23沿xy平面移动至第二个单次成像区25成为当前成像区；重复步骤(1)-(3)，得到第二个单次成像区25的光谱信号及宽谱图像；主分析控制器19发出控制指令控制三维电动平移台23沿xy平面移动至第三个单次成像区25成为当前成像区；重复步骤(1)-(3)，得到第三个单次成像区25的光谱信号及宽谱图像；

类似地，依次完成第四、第五、...直至最后一个(注：本实施例为100个)单次成像区25的光谱信号及宽谱图像采集；

(5)图谱后处理

主分析控制器19将所有的单次成像区25的宽谱图像进行几何图像拼接，得到危险因子检测对象26的完整宽谱显微图像；将所有的单次成像区25的宽谱段光谱数据求光谱均值及方差；主分析控制器19将该危险因子检测对象26的完整宽谱显微图像、光谱均值及方差以及其种属、产地信息汇合，构建其特征数据库，并将该危险因子检测对象26的数据库信息通过网络收发器21网络送至出入境监管部门云系统；从而有效进行危险因子监控，维护国家生物安全。

Claims (1)

1.一种进境农林动植物危险因子检测方法，该方法是在进境农林动植物危险因子的微区图谱合一检测系统上实现的，所述检测系统包括超连续谱激光器(1)、积分球(5)、光电探测器(7)、宽带比例分光片(9)、成像镜头(10)、数码相机(11)、主分析控制器(19)、光纤光谱仪(20)、网络收发器(21)、三维电动平移台(23)、显微物镜(27)；其特征在于方法步骤如下：

1)初始化

将危险因子检测对象放在样品分析区上；主分析控制器控制开启超连续谱激光器、光电探测器、数码相机与光纤光谱仪，并设定光纤光谱仪的曝光参数；主分析控制器发出控制指令控制三维电动平移台移动到起始位置；此时，对危险因子检测对象位于第一个单次成像区的部分进行检测，此时当前成像区为第一个单次成像区；

2)当前成像区光谱自聚焦及光谱信号采集

超连续谱激光器发射的超连续谱激光束进入积分球内部，经白色漫反射涂层多次反射后，通过显微物镜照射到危险因子检测对象位于当前成像区的部分，其超连续谱反射光从下至上穿过显微物镜，沿主光轴进入T型遮光罩，经宽带比例分光片反射后沿光谱接收光轴行进，经光纤耦合镜会聚进入接收光纤，然后进入光纤光谱仪，得到样品单次成像区危险因子检测对象位于当前成像区部分的超连续光谱信号，然后送至主分析控制器进行分析；主分析控制器计算该超连续光谱信号的总强度，即光谱曲线包围的总面积，设其为W，同时主分析控制器读取光电探测器的输出信号K，该值反映了背景平均光强，然后计算比例系数C＝W/K；主分析控制器发出控制指令控制三维电动平移台沿z向上下移动，同时不断计算C，直至C达到最大值，此时，当前成像区为紧聚焦状态；主分析控制器记录此时的超连续光谱信号作为该单次成像区的光谱信号；

3)当前成像区宽光谱成像

在紧聚焦状态下，危险因子检测对象当前成像区部分的超连续谱反射光从下至上穿过显微物镜，沿主光轴进入T型遮光罩，经宽带比例分光片透射后经成像镜头成像至数码相机的面阵成像探测器获得宽谱数字图像；该宽谱数字图像送至主分析控制器存储，作为当前成像区的宽谱图像；

4)扫描宽谱探测及成像

主分析控制器发出控制指令控制三维电动平移台沿xy平面移动至第二个单次成像区成为当前成像区；重复步骤1)—3)，得到第二个单次成像区的光谱信号及宽谱图像；主分析控制器发出控制指令控制三维电动平移台沿xy平面移动至第三个单次成像区成为当前成像区；重复步骤1)—3)，得到第三个单次成像区的光谱信号及宽谱图像；

类似地，依次完成第四、第五、...直至最后一个单次成像区的光谱信号及宽谱图像采集；

5)图谱后处理

主分析控制器将所有的单次成像区的宽谱图像进行几何图像拼接，得到危险因子检测对象的完整宽谱显微图像；将所有的单次成像区的宽谱段光谱数据求光谱均值及方差；主分析控制器将该危险因子检测对象的完整宽谱显微图像、光谱均值及方差以及其种属、产地信息汇合，构建其特征数据库，并将该危险因子检测对象的数据库信息通过网络收发器网络送至出入境监管部门云系统；从而有效进行危险因子监控。

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