CN109387489B - 偏振散射测量红枣组织光学参数的方法及装置 - Google Patents

偏振散射测量红枣组织光学参数的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了偏振散射测量红枣组织光学参数的方法及装置，涉及农产品品质光学参数测量方法领域，解决了红枣品质无损检测中忽略表面薄层纹理和折射率分布特征对光谱偏振态的影响，无法得到较高检测精度的问题。主要采用偏振散射法测量红枣组织光学参数，包括：对红枣不同组织结构特征的等效散射模型进行理论仿真，得出理论对照特征参数；对不同时期的红枣切片理化指标测量，标记对应红枣偏振散射图，获取组织光学参数与微孔尺度特征参量对应关系；对上述切片多角度的偏振反射和偏振透射检测，得出实际光学组织参数；将理论对照参数与实际光学组织参数进行偏差修正，得到红枣组织光学参数模型，用以判断实际检测中的红枣品质。

Description

偏振散射测量红枣组织光学参数的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种农产品品质光学参数测量方法技术领域，尤其涉及一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法及装置。
背景技术
在红枣品质检验中，通常利用无损检测方法中，常规光谱无损检测方法采取多元散射校正MSC，标准正态变量变换SNV的方法提高稳定性的同时降低精度,但是由于红枣是天然产物，结构复杂，成分分布不均匀，其内部组织可等效为不同尺度的散射单元随机分布的散射介质；由于不同等效尺度的散射单元的折射率随波长变化分布不同，散射光的偏振态和方向受尺度、折射率色散等多种因素影响，出现散射和衍射并存，散射和色散并存的现象；常规光谱无损检测方法中忽略了表面薄层组织结构特征对光谱偏振态的影响，因而在红枣品质检测中无法获得精细品质信息。
在实现上述检测时，仍然存在以下问题：红枣品质无损检测中忽略了表面薄层纹理和折射率分布特征对光谱偏振态的影响，无法得到较高检测精度。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法及装置，主要目的是解决枣品质无损检测中忽略了表面薄层纹理和折射率分布特征对光谱偏振态的影响，无法得到较高检测精度的问题。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术发难：
一方面，本发明实施例提供了一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，包括如下步骤：
对红枣不同组织结构特征的等效散射模型切片进行微孔尺度大小分布统计，并进行多角度散射偏振的理论仿真，得出对应光谱偏振特征、相关参数以及相互之间的影响、变化规律，作为理论对照光学组织特征参数；
对不同时期的红枣切片进行品质特征理化指标测量并标记建立对应的特征偏振散射云图，获取组织光学参数与微孔尺度大小、折射率分布统计特征的对应关系；
对上述不同时期标记了理化指标的红枣切片在四个偏振方向上进行多角度的反射检测和透射检测，得出实际光学组织参数；
将理论对照光学组织特征参数与实际光学组织参数进行对比且互为参照进行调整修正误差，得到红枣的组织光学参数模型，用以判断实际检测中的红枣品质。
可选的，前述的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，其中所述红枣组织结构等效散射模型为按照红枣结构特点将其按不同折射率进行理想分层，包括表面反射层、中间散射层和吸收层在内多层介质的圆形、圆锥形或三角棱形的几何体。
可选的，前述的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，其中所述理论仿真为结合基于米散射理论的多角度散射偏振仿真，在不同尺度、不同折射率以及不同散射角度上反演红枣的组织光学参数，获取散射光强随尺度变化规律、散射光强随方向变化规律、散射光强随波长在变化规律、偏振特征随方向和波长变化规律以及获取红枣高散射低吸收介质的光学组织参数。
可选的，前述的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，其中所述理化特征指标包括表皮粗糙度、光泽度、折射率、含水率、糖度以及酸度等。
可选的，前述的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，其中所述不同时期包括红枣的脆熟期、白熟期和完熟期。
可选的，前述的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，其中多角度是指不同方位角以及不同高度角上的检测。
可选的，前述的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，其中所述反射检测为将光源和探测器置于红枣切片的同一侧以光源为固定方位，将探测器相对于红枣切片进行高度角和方位角的移动进行反射检测。
可选的，前述的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，其中所述反射检测还包括将光源和探测器都相对于红枣切片进行高度角和方位角的移动进行的返射检测。
可选的，前述的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，其中所述透射检测为将光源和探测器置于红枣切片的相对侧以光源为固定方位，将探测器相对于光源进行高度角和方位角的移动进行透射检测。
可选的，前述的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，其中所述透射检测还包括将光源和探测器都相对于红枣切片进行高度角和方位角的移动进行的透射检测。
另一方面，本发明实施例还提供一种用于实行上述偏振散射测量红枣组织光学参数的方法的装置，该装置包括：
光源，所述光源为准直光源，用于照射红枣切片；
探测器，所述的探测器设置于转台上，所述的转台与所述的光源均在以红枣切片为圆心的圆环上；
偏振片，所述的偏振片同时设置在光源和探测器上，且所述偏振片上设有四个偏振方向，用于将光线向所述的四个方向进行偏振；
滤光片，所述的滤光片设置在所述光源上，用于过滤第一波长的光线；
滤光轮，所述的滤光轮可旋转的设置在所述探测器上，且所述滤光轮上设置多个特征波长的滤光片，用于循环采集所述第一波长光在所述四个方向上与多个特征波长光的偏振光谱图。
借由上述技术方案，本发明偏振散射测量红枣组织光学参数的方法及装置至少具备下列有优点：本发明通过仿真模型关键因子设计和组织光学参数印证方法，通过显微偏振和宏观散射方向和特征波长装置，拍摄大量不同品质红枣在不同方位角，高度角等角度特征散射云图，获取组织光学参数如散射系数与微孔尺度大小分布统计特征对应关系，本发明通过理论仿真与实际测量数据进行反复对比，创建较为准确和涵盖面较广的红枣组织光学参数模型，为后续的红枣品质检测提供参考与对照；本发明在四个方向上对红枣切片进行反射与透射的检测，得出偏振对红枣组织光学参数的影响，对于传统的红枣品质检测提供了较为准确且全面的参考；本发明主要用在农产品品质组织光学参数的测定方法，从仿真模型及实验印证方面，从微观尺度和宏观散射相互印证层面，对农产品光谱无损检测机理做了研究。对提高光谱无损检测模型的稳定性和精度有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法中红枣等效散射模型的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法中光源探测多角度双向反射率测定试验的示意图；
图3为本发明实施例提供的采用反射方式测量红枣组织光学参数的模拟图；
图4为本发明实施例提供的采用透射方式测量红枣组织光学参数的模拟图；
图5是本发明实施例提供的用于测量红枣组织光学参数的装置的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的偏振测量红枣组织光学参数的流程示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员；因而为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法及装置其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
在红枣品质检验中，通常利用无损检测方法中，常规光谱无损检测方法采取多元散射校正MSC，标准正态变量变换SNV的方法提高稳定性的同时降低精度,但是由于红枣是天然产物，结构复杂，成分分布不均匀，其内部组织可等效为不同尺度的散射单元随机分布的散射介质；由于不同等效尺度的散射单元的折射率随波长变化分布不同，散射光的偏振态和方向受尺度、折射率色散等多种因素影响，出现散射和衍射并存，散射和色散并存的现象；常规光谱无损检测方法中忽略了偏振影响，因而在红枣品质检测中无法获得精细品质信息。
在实现上述检测时，仍然存在以下问题：红枣品质无损检测中忽略了表面薄层纹理和折射率分布特征对光谱偏振态的影响，无法得到较高检测精度。
本发明实施例提供的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，参考附图6，该方法包括：
101、对红枣不同组织结构特征的等效散射模型切片进行微孔尺度大小分布统计，并进行多角度散射偏振的理论仿真，得出对应光谱偏振特征、相关参数以及相互之间的影响、变化规律，作为理论对照光学组织特征参数；
其中，参考附图1，本发明实施例提供的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，在具体实施中，所述红枣组织结构等效散射模型为按照红枣结构特点将其按不同折射率进行理想分层，包括表面反射层7、中间散射层和吸收层8在内多层介质的圆形、圆锥形或三角棱形的几何体；
红枣在不同时期(脆熟期、完熟期、白熟期)品质特征不同，相应的组织光学参数不同，本发明中将红枣等效为一系列不同尺度和折射率的微团随机分布的散射介质，利用显微镜拍摄切片图像或用OCT做红枣表皮结构成像获得红枣的尺度参数，如通常红枣不同时期折射率不同，催熟期表皮厚度约50um，微孔尺度100um左右，折射率约1.33左右；完熟期折射率约1.55，尺度200um，表皮厚度150um；依据上述切片微孔尺度大小分布统计并对四个方向(0、45、90、135)进行多角度散射偏振的理论仿真，得出对应光谱偏振特征(尺度统计分布模型、尺度范围对应的偏振特征模型、尺度范围对应的光谱特征模型)、相关参数(尺度特征、折射率、散射系数、吸收系数、波长、散射强度、偏振泰)以及各参数之间的相互影响、变化规律，作为理论对照光学组织特征参数；
所述的理论仿真是基于Mie散射理论，从影响红枣光谱无损检测的影响因子进行仿真模拟，获取散射光强随尺度变化规律；获取散射光强随方向变化规律；获取散射光强随波长在变化规律；获取偏振特征随方向和波长变化规律；获取红枣高散射低吸收介质的组织光学参数如：散射系数，散射截面，吸收系数，吸收截面，为下一步BRDF实验探测方式的选择提供参考。
102、对不同时期的红枣切片进行品质特征理化指标测量并标记建立对应的特征偏振散射云图，获取组织光学参数与微孔尺度大小、折射率分布统计特征的对应关系；
其中，首先测量不同时期红枣品质特征理化指标，表皮薄层粗糙度，光泽度，折射率，含水量等；其次，用显微偏振方式拍摄大量不同时期、不同品质红枣表皮薄层和中间层的分层组织切片，标记不同特征拍摄切片特征偏振散射云图，利用星空云图处理软件对不同特征标记，建立不同品质特征红枣切片图像；分别叠加做强度分布处理；改变显微镜放大倍数，按以上方法拍摄较大范围红枣切片组织特征图像，获取组织光学参数如散射系数与微孔尺度大小分布统计特征对应关系。
103、对上述不同时期标记了理化指标的红枣切片在四个偏振方向上进行多角度的反射检测和透射检测，得出实际光学组织参数；
其中，对以上进行了标记理化指标的红枣切片样品，用反射和透射两种方式分别拍摄大量不同品质红枣切片表皮薄层和中间散射吸收层的散射云图；改变角度方位，在不同方位角，高度角等角度特征偏振散射云图，对切片位置特征和角度方位特征标记，与偏振散射光谱图像对应；建立散射偏振特征图像云图库，通过同一时期多切片强度叠加，通过特征波长光谱和不同偏振态相关方法等处理，获得散射强度等特征与折射率分布，散射系数，吸收系数等组织光学参数的对应关系；
参考附图2、附图3，图中θi为光源1的入射高度角、θr为探测器2的高度角、Фi为光源1的入射方位角、Фr为探测器2的方位角、dA为红枣切片的待测截面；所述反射检测为将光源和探测器置于红枣切片的同一侧以光源为固定方位，将探测器相对于红枣切片进行高度角和方位角的移动进行反射检测；所述反射检测还包括将光源和探测器都相对于红枣切片进行高度角和方位角的移动进行的返射检测；
参考附图2以及附图4，图中θi为光源1的入射高度角、θr为探测器2的高度角、Фi为光源1的入射方位角、Фr为探测器2的方位角、dA为红枣切片的待测截面；所述透射检测为将光源和探测器置于红枣切片的相对侧以光源为固定方位，将探测器相对于光源进行高度角和方位角的移动进行透射检测；所述透射检测还包括将光源和探测器都相对于红枣切片进行高度角和方位角的移动进行的透射检测。
104、将理论对照光学组织特征参数与实际光学组织参数进行对比且互为参照进行调整修正误差，得到红枣的组织光学参数模型，用以判断实际检测中的红枣品质。
其中，对理论仿真得出的理论对照光学组织特征参数和实际多角度的测量结果多次的进行对比，例如通过角度云图和品质特征对应关系，与红枣微观尺度和折射率分布的组织光学参数比对印证，做出相应的偏差修正，使得理论对照光学组织特征参数和实际多角度的测量结果符合一个相同的大致规律或范围，得出最终的红枣的组织光学参数模型。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，具体的理解为：可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一中情况。
另一方面，参考附图5，本发明实施例还提供用以实行上述测量方法的装置，其包括光源1、探测器2、偏振片3、滤光片4以及滤光轮5，所述光源1为准直光源，用于照射红枣切片；所述的探测器2设置于转台上，所述的转台与所述的光源1均在以红枣切片为圆心的圆环上；所述的偏振片3同时设置在光源1和探测器2上，且所述偏振片3上设有四个偏振方向，用于将光线向所述的四个方向进行偏振；所述的滤光片4设置在所述光源1上，用于过滤第一波长的光线；所述的滤光轮5可旋转的设置在所述探测器2上，且所述滤光轮5上设置多个特征波长的滤光片4，用于循环采集所述第一波长光在所述四个方向上与多个特征波长光的偏振光谱图。
其中，红枣切片通过载玻片6置于载物台上，所述光源1侧的偏振片3为同时包含四个偏振方向的偏振片3，分别为0、45、90、135，所述的光源1照射时同时被偏振为四个方向对红枣组织进行照射；所述光源1侧设置的为固定波长的滤光片4，对红枣组织照射的为四个偏振方向的单一波长的光；所述探测器2侧的滤光片4则是多个滤光片4设置在滤光轮5上，针对单一波长的照射光分别采集不同波长的反射光和折射光，用以循环采集单一波长光在0度、45度、90度、135度四个偏振方向上与多个特征波长光的偏振光谱图。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：
对红枣不同组织结构特征的等效散射模型切片进行微孔尺度大小分布统计，并进行多角度散射偏振的理论仿真，得出对应光谱偏振特征、相关参数以及相互之间的影响、变化规律，作为理论对照光学组织特征参数；所述红枣组织结构的等效散射模型为按照红枣结构特点将其按不同折射率进行理想分层，包括表面反射层、中间散射层和吸收层在内多层介质的圆形、圆锥形或三角棱形的几何体；所述理论仿真为结合基于米散射理论的多角度散射偏振仿真，在不同尺度、不同折射率以及不同散射角度上反演红枣的组织光学参数，获取散射光强随尺度变化规律、散射光强随方向变化规律、散射光强随波长在变化规律、偏振特征随方向和波长变化规律以及获取红枣高散射低吸收介质的光学组织参数；
对不同时期的红枣切片进行品质特征理化指标测量，并标记建立对应的特征偏振散射云图，获取组织光学参数与微孔尺度大小、折射率分布统计特征的对应关系；
对上述不同时期标记了理化指标的红枣切片在四个偏振方向上进行多角度的反射检测和透射检测，得出实际光学组织参数；
将理论对照光学组织特征参数与实际光学组织参数进行对比且互为参照进行调整修正误差，得到红枣的组织光学参数模型，用以判断实际检测中的红枣品质。
2.根据权利要求1所述的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，其特征在于，对不同时期的红枣切片进行品质特征理化指标测量，并标记建立对应的特征偏振散射云图，获取组织光学参数与微孔尺度大小、折射率分布统计特征的对应关系的方法：
其中，所述品质特征理化特征指标至少包括表皮粗糙度、光泽度、折射率、含水率、糖度以及酸度。
3.根据权利要求1所述的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，其特征在于，所述的对上述不同时期标记了理化指标的红枣切片在四个偏振方向上进行多角度的反射检测和透射检测，得出实际光学组织参数；
其中所述不同时期包括红枣的脆熟期、白熟期和完熟期。
4.根据权利要求1所述的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，其特征在于，所述的对上述不同时期标记了理化指标的红枣切片在四个偏振方向上进行多角度的反射检测和透射检测，得出实际光学组织参数的方法；
其中，多角度是指不同方位角以及不同高度角上的检测。
5.根据权利要求4所述的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，其特征在于，所述的对上述不同时期标记了理化指标的红枣切片在四个偏振方向上进行多角度的反射检测和透射检测，得出实际光学组织参数的方法：
其中，所述反射检测为将光源和探测器置于红枣切片的同一侧以光源为固定方位，将探测器相对于红枣切片进行高度角和方位角的移动进行反射检测。
6.根据权利要求4所述的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，其特征在于：
所述反射检测还包括将光源和探测器都相对于红枣切片进行高度角和方位角的移动进行的反射检测。
7.根据权利要求4所述的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，其特征在于，所述的对上述不同时期标记了理化指标的红枣切片在四个偏振方向上进行多角度的反射检测和透射检测，得出实际光学组织参数的方法：
其中，所述透射检测为将光源和探测器置于红枣切片的相对侧以光源为固定方位，将探测器相对于光源进行高度角和方位角的移动进行透射检测。
8.根据权利要求4所述的一种偏振散射测量红枣组织光学参数的方法，其特征在于：
所述透射检测还包括将光源和探测器都相对于红枣切片进行高度角和方位角的移动进行的透射检测。
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