CN109883960A - 一种样本无需预处理的牡丹花品种分类方法及系统 - Google Patents

Abstract

针对现有技术中无法对牡丹花的种类快速分类的问题，本发明提供一种样本无需预处理的牡丹花品种分类方法及系统，首先对待分类花瓣进行颜色分类，其技术方案在于：如果颜色分类无法确定类别，将待分类牡丹花花瓣放置在样品移动控制平台上，通过激光诱导击穿光谱系统直接烧蚀待分类牡丹花花瓣的一侧，在待分类牡丹花花瓣的表面生成等离子体，等离子体辐射光经过光谱仪分光，通过光电转换和信号处理得到待分类牡丹花花瓣的成分和含量信息；再根据光谱数据与牡丹花品种光谱数据库进行比较，确定待分类牡丹花的种类。本发明能够快速准确的检测牡丹花光谱信息，实现对牡丹花品种的快速自动分类。

Description

一种样本无需预处理的牡丹花品种分类方法及系统

技术领域

本发明涉及牡丹花分类领域，具体涉及一种样本无需预处理的牡丹花品种分类方法及其应用该方法的系统。

背景技术

“唯有牡丹真国色，花开时节动京城”，牡丹花是我国的国花，以其雍容华贵、国色天香、富丽堂皇，寓意吉祥富贵、繁荣昌盛，是华夏民族兴旺发达、美好幸福的象征。牡丹花不仅具有观赏价值，而且其花瓣、花粉、根茎同样具有很高的经济价值，其根可入药，花瓣可以食用然而。长期以来，人们对牡丹花品种都是直接从株型、花色、花型等进行分类，但是牡丹花品种繁多，目前在我国大概有1500个品种的牡丹花，相似品种也不在少数，人为对牡丹花品种分类存在较大的主观性，容易出错。

为了使牡丹花品种分类更为准确，人们开始利用仪器对其进行分类。比如利用色差仪对牡丹花色进行测定，利用色谱质谱仪对牡丹花的成分和含量进行检测，利用DNA分子标记法对牡丹花品种进行鉴定，利用原子吸收法测定牡丹花中的元素含量对牡丹花品种进行分类。虽然这些方法利用仪器提高了对牡丹花品种分类的准确性，但是都有着繁琐、耗时的牡丹花样品预处理过程，不能实时快速对牡丹花进行分析分类。

激光诱导击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)是一种新型的等离子体光谱分析技术，在物质成分检测方面具有巨大的应用前景。LIBS是一种激光烧蚀光谱分析技术，激光聚焦在测试位点，当激光脉冲的能量密度大于击穿阈值时，即可产生等离子体。基于这种特殊的等离子体剥蚀技术，通常在原子发射光谱技术中分别独立的取样、原子化、激发三个步骤均可由脉冲激光激发源一次实现。等离子体能量衰退过程中产生连续的轫致辐射以及内部元素的离子发射线，通过光纤光谱仪采集光谱发射信号，分析谱图中元素对应的技术方案峰强度即可以用于样品的定性以及定量分析。

现有的，存在利用激光诱导击穿光谱技术对茶叶进行分类的方法，如中国申请CN104807787；其在对茶叶样本进行分类前需要对茶叶进行预处理，增加了检测的周期。

发明内容

针对现有技术中无法对牡丹花的种类快速分类的问题，本发明提供一种样本无需预处理的牡丹花品种分类方法及系统。本发明测量方法简单，测量步骤少，测量结果准确。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种样本无需预处理的牡丹花品种分类方法，首先对待分类牡丹花花瓣进行颜色分类；其技术方案在于：如果颜色分类无法确定类别，将待分类牡丹花花瓣放置在样品移动控制平台上，通过激光诱导击穿光谱系统直接烧蚀待分类牡丹花花瓣的一侧，在待分类牡丹花花瓣的表面生成等离子体，等离子体辐射光经过光谱仪分光，通过光电转换和信号处理得到待分类牡丹花花瓣的成分和含量信息；再根据光谱数据与牡丹花品种光谱数据库进行比较，确定待分类牡丹花的种类。

所述的一种应用权利要求1所述牡丹花品种分类方法的检测系统，其技术方案在于：包括激光诱导击穿光谱系统、用于放置待分类牡丹花花瓣的样品移动控制平台、电路控制系统以及计算机；其中，激光诱导击穿光谱系统包括用于发出激光束的脉冲激光器、用于调整脉冲激光器发出激光束的激光参数控制器、用于调整脉冲激光器发出激光束发散角的扩束镜、用于接收并反射扩束镜输出激光束的全反射镜、将全反射镜输出的激光束进行会聚的聚焦透镜、用于接收待分类牡丹花花瓣等离子体辐射的光收集器、用于传输数据的传输光纤、用于对光收集器输出的激光束进行分光的中阶梯光谱仪、与计算机连接的光电探测器；其中，电路控制系统包括信号触发器和脉冲延时发生器；所述的信号触发器与激光参数控制器相连，用于控制触发激光参数控制器；所述的脉冲延时发生器与脉冲激光器和光电探测器相连接，用于调整两者之间的时序控制。

所述待分类牡丹花花瓣的样品的光谱数据与牡丹花品种数据库中的相应信息进行比对时，采用标准光谱匹配算法：用待测牡丹花样品的光谱与牡丹花品种数据库中的标准光谱之间的相似度来进行种类识别，其相似程度用两光谱间夹角来表征，θ越小，表示两个光谱越相似；

将光谱在所有波长处的响应作为一矢量，两矢量间夹角θ定义为：

其中表示待测光谱矢量，表示标准光谱矢量。从式可以看出，光谱间夹角θ与光谱矢量的模的大小无关，即与光谱增益无关。这一点对激光诱导击穿光谱匹配十分有利，因为激光诱导击穿光谱的一个很大问题就是光谱不稳定，强度起伏明显。而现在根据光谱夹角表征相似度，只要两幅光谱的谱线位置和相对强度一致，无论光谱整体绝度强度如何，都可以得出很高的相似度，避免了由于强度起伏而导致的匹配误差。

本发明的有益效果是：本发明利用激光诱导击穿光谱技术和图像识别相结合的牡丹花品种自动分类系统，能够去除对牡丹花样品繁琐、耗时的预处理过程，达到快速实时对牡丹花品种进行分类的效果；利用激光诱导击穿光谱技术结合传统的牡丹花品种分类方法建立所述的牡丹花品种数据库，实现对牡丹花品种的快速自动分类。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为标准光谱匹配法的算法流程图。

图3为本发明实施示意图。

需要明确的是：图1中经过扩束镜203、全反射镜204、聚焦透镜205、光收集器206内的灰色线代表激光束。

需要明确的是：图3中的A代表待分类牡丹花花瓣；B代表聚焦透镜205发出的激光束。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的总体发明构思是：首先设置牡丹花颜色与种类对应数据库、牡丹花光谱数据与牡丹花品种光谱数据库两个数据库，这两个数据库可以存储在计算机PC上，然后先对待分类牡丹花花瓣A进行拍照，然后利用照片上的花瓣颜色与牡丹花颜色与种类对应数据库进行比较，进行颜色分类；如果颜色分类无法确定类别，将待分类牡丹花花瓣放置在样品移动控制平台300上，通过激光诱导击穿光谱系统200直接烧蚀待分类牡丹花花瓣A的一侧，在待分类牡丹花花瓣A的表面生成等离子体，等离子体辐射光经过光谱仪分光，由光电探测器进行光电转化，通过软件处理系统得到成分和含量信息；再根据光谱数据与牡丹花品种光谱数据库进行比较，确定待分类牡丹花的种类。

具体的，如图1、3，所述系统包括图像识别系统100、激光诱导击穿光谱系统200、样品移动控制平台300、电路控制系统400、计算机PC，该计算机PC内存储有牡丹花颜色与种类对应数据库、牡丹花光谱数据与牡丹花品种光谱数据库两个数据库。

所述图像识别系统100首先对牡丹花进行成像，经过成像镜头101把牡丹花的彩色图像成像在CCD相机102上，然后传送至计算机PC，计算机PC对图像进行分析，若直接能根据颜色分类，经过与牡丹花品种数据库中的颜色信息比对，计算机PC的显示器直接显示出所分析牡丹花种类。若由颜色不能判断，电路控制系统400中的信号触发器401触发激光诱导击穿光谱系统200启动，通过激光参数控制器201调节脉冲激光器202的初始能量和频率参数，(通过调节电压调节脉冲激光器202的输出能量)，脉冲激光器202发射波长为1064nm 的脉冲激光束，激光束穿过扩束镜203以减小光束的发散角(≤1mrad)，经过扩束的激光束经全反射镜204反射后进入聚焦透镜205，会聚之后激光束聚焦到样品移动控制平台300上的牡丹花花瓣A样品表面，激光束烧蚀牡丹花样品，在牡丹花样品表面生成等离子体，即自由电子、离子、中性原子等粒子和基团的混合体，此等离子体辐射光携带有牡丹花的成分和含量信息，通过光收集器206和传输光纤207，然后传输至中阶梯光谱仪208进行分光，由光电探测器209把光信号转换为电信号，在计算机上生成光谱图。最后，利用软件处理系统对光谱数据进行处理，得到牡丹花的成分和含量信息，再经过与牡丹花品种数据库中的成分和含量信息比对，实现对牡丹花品种的分类。其中，所述的脉冲激光器202的型号可以是：固体Nd:YAG脉冲激光器。

需要明确的是：LIBS技术具有无需样品预处理的优点，因此牡丹花花瓣A的样品可以直接放置在三维可移动样品台301上使用。

所述电路控制系统400包括信号触发器401和脉冲延时发生器402，电路控制系统400 中的脉冲延时发生器402为DG645脉冲延时发生器，与脉冲激光器202和光电探测器209相连接，用于两者之间的时序控制，已得到具有较高信噪比的牡丹花等离子体辐射光谱信号。信号触发器401用于在图像识别系统100无法通过颜色分类时，发送信号至激光参数控制器 201，触发脉冲激光器202启动，切换至激光诱导击穿光谱系统200进行LIBS分类。

所述的样品移动控制平台300包括一个三维可移动样品台301和一个步进电机驱动器 302，所述的步进电机驱动器302与计算机连接，通过计算机调节三维可移动样品台301，使位于样品台301上的待分类牡丹花花瓣A表面在聚焦透镜205的焦点位置，同时控制三维可移动样品台301以一定的步距在水平方向进行移动，以改变待分类牡丹花花瓣A表面的激光辐射位置，从而进行多次采集。

所述的三维可移动样品台301可以是如CN201010130582.7中所述的多维移动平台。

实施过程中，由于不同实验设置下，获取的光谱不完全一样。必须给出牡丹花品种数据库中标准光谱获取的实验参数，对待测样品检测时也必须保持相同的实验参数。标准光谱对应的实验参数主要包括入射激光波长、激光脉冲能量、光谱信号采集延时、聚焦透镜焦距。由于牡丹花样品成份并不是非常均匀，为了保证建立的标准光谱具有代表性，每个样品取十个不同位置进行检测，每个位置取20个脉冲累加，最后总计一百幅光谱的平均作为此牡丹花花瓣A的样品的标准光谱。每个取样点在正式采集光谱前，使用十个脉冲对表面进行清洁，以消除表面杂质的干扰。

获取了各种岩石的标准光谱后，在相同实验条件下，采集待测样品的光谱。对待测样品进行分类时，采用标准光谱匹配算法。待测样品的光谱与标准光谱之间的相似度有很多衡量方法，这里采用光谱间夹角来表征两光谱的相似程度。即将光谱在所有波长处的响应作为一矢量，两矢量间夹角θ定义为：

其中表示待测光谱矢量，表示标准光谱矢量。θ越小，表示两个光谱越相似。从式(1) 可以看出，光谱间夹角θ与光谱矢量的模的大小无关，即与光谱增益无关。这一点对激光诱导击穿光谱匹配十分有利，因为激光诱导击穿光谱的一个很大问题就是光谱不稳定，强度起伏明显。而现在根据光谱夹角表征相似度，只要两幅光谱的谱线位置和相对强度一致，无论光谱整体绝度强度如何，都可以得出很高的相似度，避免了由于强度起伏而导致的匹配误差。

标准光谱匹配法的算法流程图如图2所示，首先读取激光诱导击穿光谱系统200所获得的待分类牡丹花样品光谱数据然后与标准光谱数据库中的样品的光谱信息逐一进行匹配，分别计算出光谱间夹角θi，最后寻找θi的最小值和其相应的标准数据库中的分类i，则待测牡丹花属于类别i。

以上所述仅为发明的较佳实施例而己，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 (5)

1.一种样本无需预处理的牡丹花品种分类方法，首先对待分类牡丹花花瓣进行颜色分类；其特征在于：如果颜色分类无法确定类别，将待分类牡丹花花瓣放置在样品移动控制平台(300)上，通过激光诱导击穿光谱系统(200)直接烧蚀待分类牡丹花花瓣的一侧，在待分类牡丹花花瓣的表面生成等离子体，等离子体辐射光经过光谱仪分光，通过光电转换和信号处理得到待分类牡丹花花瓣的成分和含量信息；再根据光谱数据与牡丹花品种光谱数据库进行比较，确定待分类牡丹花的种类。

2.根据权利要求1所述的一种样本无需预处理的牡丹花品种分类方法，其特征在于：所述的颜色分类过程是指：设置牡丹花颜色与种类对应的数据库，通过图像识别系统(100)对待分类牡丹花花瓣进行图像采集，将其图像采集的数据与牡丹花颜色数据库进行比较，得出牡丹花的种类。

3.一种应用权利要求1所述牡丹花品种分类方法的检测系统，其特征在于：包括激光诱导击穿光谱系统(200)、用于放置待分类牡丹花花瓣的样品移动控制平台(300)、电路控制系统(400)以及计算机(PC)；

其中，激光诱导击穿光谱系统(200)包括用于发出激光束的脉冲激光器(202)、用于调整脉冲激光器(202)发出激光束的激光参数控制器(201)、用于调整脉冲激光器(202)发出激光束发散角的扩束镜(203)、用于接收并反射扩束镜(203)输出激光束的全反射镜(204)、将全反射镜(204)输出的激光束进行会聚的聚焦透镜(205)、用于接收待分类牡丹花花瓣等离子体辐射的光收集器(206)、用于传输数据的传输光纤(207)、用于对光收集器(206)输出的激光束进行分光的中阶梯光谱仪(208)、与计算机(PC)连接的光电探测器(209)；

其中，电路控制系统(400)包括信号触发器(401)和脉冲延时发生器(402)；所述的信号触发器(401)与激光参数控制器(201)相连，用于控制触发激光参数控制器(201)；所述的脉冲延时发生器(402)与脉冲激光器(202)和光电探测器(209)相连接，用于调整两者之间的时序控制。

4.根据权利要求3所述的检测系统，其特征在于：还包括用于对待检测牡丹花花瓣进行颜色分类的图像识别系统(100)；

其中，所述的图像识别系统(100)包括成像镜头(101)和CCD相机(102)；其中，成像镜头(101)设置在待分类花瓣的一侧，将放置在样品移动控制平台(300)上的待分类花瓣在CCD相机(102)上成像；该CCD相机(102)与计算机(PC)相连，用于将待分类牡丹花花瓣的颜色信息发送至计算机(PC)内。

5.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于：所述待分类花瓣的样品的光谱数据与牡丹花品种数据库中的相应信息进行比对时，采用标准光谱匹配算法：用待测牡丹花样品的光谱与牡丹花品种数据库中的标准光谱之间的相似度来进行种类识别，其相似程度用两光谱间夹角来表征，θ越小，表示两个光谱越相似；

将光谱在所有波长处的响应作为一矢量，两矢量间夹角θ定义为：

其中表示待测光谱矢量，表示标准光谱矢量。