CN110672551B - 一种重要生物资源的微区像谱分析方法 - Google Patents
一种重要生物资源的微区像谱分析方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110672551B CN110672551B CN201910850301.6A CN201910850301A CN110672551B CN 110672551 B CN110672551 B CN 110672551B CN 201910850301 A CN201910850301 A CN 201910850301A CN 110672551 B CN110672551 B CN 110672551B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- spectrum
- infrared
- semi
- wide
- lens
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 143
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 70
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 68
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 54
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 claims description 49
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 15
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 15
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 15
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 15
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 claims description 14
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 11
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 10
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 claims description 10
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 7
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 7
- 239000003086 colorant Substances 0.000 claims description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 2
- 238000000701 chemical imaging Methods 0.000 abstract description 6
- 230000004927 fusion Effects 0.000 abstract description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 12
- 230000008676 import Effects 0.000 description 3
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000003333 near-infrared imaging Methods 0.000 description 2
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 235000013601 eggs Nutrition 0.000 description 1
- 210000002257 embryonic structure Anatomy 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 244000144972 livestock Species 0.000 description 1
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000000985 reflectance spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/359—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using near infrared light
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3563—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing solids; Preparation of samples therefor
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3577—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing liquids, e.g. polluted water
Abstract
本发明公开了一种重要生物资源的微区像谱分析方法，该方法是在微区重要生物资源分析仪上实现的，该方法包括初始自聚焦及定标﹑微区重要生物资源像谱获取﹑像谱数据后处理等三个步骤。本发明的有益效果是，有可见光段采用彩色面阵探测器，利用三原色得到三个波长的图像，有效减少可见光段多光谱成像的成本；可见光段彩色面阵成像与LCTF近红外多光谱成像采用共轭配置，可方便实现图像配准与信息融合；在中红外段仅采用光谱分析，可节约成本，提高效率；三种像谱手段采用同轴同物镜同时采集，高效准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种微区超连续成像光谱检测方法，尤其涉及一种基于超连续谱源、均光照明、可见彩色相机、近红外多光谱成像、中红外光谱分析的微区像谱检测分析方法，适用于重要动植物资源样品的颜色、纹理、结构成像,及有机质分析，属于光电检测领域。
背景技术
重要生物资源指的是本国珍稀的具有重要经济、遗传、药用、科研、社会价值的动物、植物、微生物。对这些重要生物资源的出入境，各个国家大都制定法规加以严格的管控。例如美国农业部有相关的法规，彻底制止动物家畜类、动物的血液、胚胎、蛋以及排泄物等的出境和入境。我国近年来，随着经济的发展和进出口的急增，每年出口的动物植物及其制品逐年递增，不可避免地导致重要生物资源流失的风险，对进出口检测检疫部门提出了迫切的要求和巨大的挑战。
目前我国尚未建立重要生物资源较全面完备的包括原产地分布、生物特性、遗传类信息及表征等数据库。为了加强对重要生物资源的保护，以及对生物资源的鉴别、溯源，都使得开发各种生物资源样品的检测装置及系统势在必行。
为了实现重要生物资源出入境检测、管控、溯源方面，其形貌纹理及有机质分布等外在内在信息的获取是基础。出于对海关出入境检测的快速高效及便捷性的考虑，要求相关的检测仪器结构简单稳定及操作方便，并且尽可能节约成本及减少仪器的体积重量及功耗。
基于以上的需求，本发明提出一种基于超连续谱源、均光照明、可见彩色相机、近红外多光谱成像、中红外光谱分析相结合的像谱检测系统，适用于重要动植物资源样品的颜色、纹理、结构成像及有机质分析,可用于对重要动植物资源进行物性建库及甄别，方便海关进出口检测检疫部门进行出境重要动植物资源的检测、监管、鉴别与溯源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微区重要生物资源像谱分析方法，它是在一种微区重要生物资源像谱分析仪上实现的，可获取重要动植物资源样品可见光段高分辨三原色及全色反射率图像，反映出样品颜色、纹理的信息，及近红外高光谱反射率图像，反映出样品内部结构等信息，和中红外反射光谱，反映出样品主要有机质构成的信息，可用于海关进行出入境重要动植物资源的检测、监管、鉴别与溯源。
本发明提出的微区重要生物资源像谱分析仪主要由三维电动平台、宽谱物镜、第一宽谱半反半透镜、第二宽谱半反半透镜、中红外光纤耦合镜、中红外光纤、中红外光纤光谱仪、出射圆孔、光纤接口、宽谱光纤、超连续谱激光器、积分球、可见光镜头、彩色可见光面阵传感器、主分析控制器、近红外LCTF、LCTF控制器、无线网络收发器、近红外镜头、近红外面阵传感器、双色片组成。
其中，积分球内壁均匀涂覆白色漫反射涂层，用于将进入的光线进行匀光处理，积分球开小孔安装光纤接口，开大孔安装出射圆孔；超连续谱激光器通过宽谱光纤接至光纤接口；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，先进入宽谱光纤传输，然后通过光纤接口，进入积分球内部，经白色漫反射涂层多次反射后，形成匀光超连续谱激光照明源，通过出射圆孔沿照射光轴出射；
宽谱物镜用于将匀光超连续谱激光束进行聚焦照明至样品架上的重要动植物资源样品上，并收集其后向宽谱反射光；
可见光镜头用于将重要动植物资源样品的后向可见光部分的反射光成像至彩色可见光面阵传感器；
近红外LCTF在LCTF控制器的控制下可连续改变通过近红外LCTF的光的波长，然后通过近红外镜头成像至近红外面阵传感器上，从而获取近红外谱段的多光谱图像；
可见光镜头到双色片的距离L1与近红外镜头至双色片的距离L2相等，且彩色可见光面阵传感器与近红外面阵传感器的像素相同，即可见光与近红外成像满足共轭关系，有利于信息融合；
中红外光纤耦合镜可将中红外光耦合进中红外光纤，然后进入中红外光纤光谱仪进行中红外光谱分析；
中红外光轴、照射光轴、近红外光轴、主光轴四者共面，其中中红外光轴与近红外光轴平行，主光轴与照射光轴平行；主光轴与中红外光轴垂直；第一宽谱半反半透镜与第二宽谱半反半透镜平行安装，都与主光轴夹角45度；双色片与第一宽谱半反半透镜垂直安装，且与主光轴夹角45度；
样品架装在三维电动平台上，可随三维电动平台沿纵横及高度三个方向XYZ做精确平移，从而实现自动对焦及成像区域的拼接；
主分析控制器内的主机软件可实现系统的人机交互，采集可见光彩色图像、近红外多光谱图像及中红外光谱数据；并构建相对应的数据库，进行数据库的查询和远程传输；实现可见光彩色图像、近红外多光谱图像及中红外光谱信息的融合、分析与分类鉴别；主分析控制器输入输出端口控制程序可实现对中红外光纤光谱仪、三维电动平台、超连续谱激光器、彩色可见光面阵传感器、近红外面阵传感器、LCTF控制器的控制，并接收彩色可见光面阵传感器的输出图像、近红外面阵传感器的输出多光谱图像、中红外光纤光谱仪的光谱数据；并通过无线网络收发器联接海关部门云系统，实现数据库的上传、下载与云端查询；
本发明提出的微区重要生物资源像谱分析方法包括以下步骤：
(1)初始自聚焦及定标
将一标准白板放在样品架上；主分析控制器控制开启超连续谱激光器、彩色可见光面阵传感器、近红外面阵传感器与中红外光纤光谱仪，并设定中红外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台移动到起始位置；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，进入积分球内部，经白色漫反射涂层多次反射后，形成匀光超连续谱激光照明源，通过出射圆孔沿照射光轴出射，经第二宽谱半反半透镜反射，沿中红外光轴传输，经第一宽谱半反半透镜反射转至主光轴，由上至下经宽谱物镜照射至样品架上的标准白板上，其超连续谱反射光从下至上穿过宽谱物镜，沿主光轴行进，经第一宽谱半反半透镜反射转至中红外光轴，穿过第二宽谱半反半透镜，经中红外光纤耦合镜耦合进中红外光纤，然后进入中红外光纤光谱仪，得到标准白板中红外谱段的反射光谱信号，然后送至主分析控制器进行分析；主分析控制器计算该中红外反射光谱信号的总强度，设其为I；主分析控制器发出控制指令控制三维电动平台沿z向上下移动，同时不断计算I，直至I达到最大值Imax，此时，成像区域完成了自聚焦；主分析控制器记录此时标准白板的中红外反射光谱曲线I(λ)；在此自聚焦状态下，标准白板的超连续谱反射光从下至上穿过宽谱物镜，沿主光轴行进，穿过第一宽谱半反半透镜，经双色片分成二部分；一部分为反射光，经双色片反射沿近红外光轴传输；另一部分为透射光，透过双色片，仍沿主光轴行进；主分析控制器发出指令启动LCTF控制器，LCTF控制器控制近红外LCTF的透射光中心波长λk＝λ0+kΔλ，经双色片的反射光，透过近红外LCTF，近红外镜头成像至近红外面阵传感器上，从而获取不同λk下，近红外谱段标准白板的多光谱图像Wk(x,y)，并送至主分析控制器存储；主分析控制器发出指令启动彩色可见光面阵传感器，经双色片的透射光，经可见光镜头成像至彩色可见光面阵传感器，可获取标准白板的红绿蓝三原色及可见光全彩色图像Rw(x,y)、Gw(x,y)、Bw(x,y)、Cw(x,y)；
(2)微区重要生物资源像谱获取
将标准白板取下，将重要动植物资源样品放在样品架上，其超连续谱反射光从下至上穿过宽谱物镜，沿主光轴行进，经第一宽谱半反半透镜反射转至中红外光轴，穿过第二宽谱半反半透镜，经中红外光纤耦合镜耦合进中红外光纤，然后进入中红外光纤光谱仪，得到重要动植物资源样品在宽谱物镜成像区域的中红外平均反射光谱信号，然后送至主分析控制器进行分析；主分析控制器计算该中红外平均反射光谱信号的总强度，设其为S；主分析控制器发出控制指令控制三维电动平台沿z向上下移动，同时不断计算S，直至S达到最大值Smax，此时，重要动植物资源样品的成像区域完成了自聚焦；主分析控制器记录此时重要动植物资源样品的中红外反射光谱曲线S(λ)；在此自聚焦状态下，重要动植物资源样品的超连续谱反射光从下至上穿过宽谱物镜，沿主光轴行进，穿过第一宽谱半反半透镜，经双色片分成二部分；一部分为反射光，经双色片反射沿近红外光轴传输；另一部分为透射光，透过双色片，仍沿主光轴行进；LCTF控制器控制近红外LCTF的透射光中心波长λk＝λ0+kΔλ，经双色片的反射光，透过近红外LCTF，近红外镜头成像至近红外面阵传感器上，从而获取不同λk下，近红外谱段重要动植物资源样品的多光谱图像Sk(x,y)，并送至主分析控制器存储；主分析控制器发出指令启动彩色可见光面阵传感器，经双色片的透射光，经可见光镜头成像至彩色可见光面阵传感器，可获取重要动植物资源样品的红绿蓝三原色及可见光全彩色图像Rs(x,y)、Gs(x,y)、Bs(x,y)、Cs(x,y)；
(3)像谱数据后处理
主分析控制器将所有存储的像谱数据做如下运算处理：
重要动植物资源样品的红色反射率图像r(x,y)＝Rs(x,y)/Rw(x,y)；
绿色反射率图像g(x,y)＝Gs(x,y)/Gw(x,y)；
蓝色反射率图像b(x,y)＝Bs(x,y)/Bw(x,y)；
全色反射率图像c(x,y)＝Cs(x,y)/Cw(x,y)；
近红外谱段重要动植物资源样品的多光谱反射率图像
sk(x,y)＝Sk(x,y)/Wk(x,y)；
中红外谱段重要动植物资源样品的标准反射率曲线
s(λ)＝S(λ)/I(λ)；
主分析控制器将该重要动植物资源样品的完整像谱数据，构建其特征数据库，并将数据库信息通过无线网络收发器送至出入境监管部门云系统；从而有效进行出入境重要动植物资源的检测、监管、鉴别与溯源，维护国家生物安全。
本发明的有益效果是，有可见光段采用彩色面阵探测器，利用三原色得到三个波长的图像，有效减少可见光段多光谱成像的成本；可见光段彩色面阵成像与LCTF近红外多光谱成像采用共轭配置，可方便实现图像配准与信息融合；在中红外段仅采用光谱分析，可节约成本，提高效率；三种像谱手段采用同轴同物镜同时采集，高效准确。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图，图中：1——三维电动平台；2——样品架；3——宽谱物镜；4——第一宽谱半反半透镜；5——中红外光轴；6——双色片；7——第二宽谱半反半透镜；8——中红外光纤耦合镜；9——中红外光纤；10——中红外光纤光谱仪；11——照射光轴；12——出射圆孔；13——光纤接口；14——宽谱光纤；15——超连续谱激光器；16——积分球；17——可见光镜头；18——彩色可见光面阵传感器；19——主分析控制器；20——近红外LCTF；21——LCTF控制器；22——无线网络收发器；23——近红外镜头；24——近红外面阵传感器；25——近红外光轴；26——主光轴；27——重要动植物资源样品。
注：LCTF，即Liquid Crystal Tunable Filter，液晶可调谐光学滤光器
具体实施方式
本发明具体实施方式如图1所示。
本发明提出的微区重要生物资源像谱分析方法是在一种微区重要生物资源像谱分析仪上实现的，该微区重要生物资源像谱分析仪主要由三维电动平台1、宽谱物镜3、第一宽谱半反半透镜4、第二宽谱半反半透镜7、中红外光纤耦合镜8、中红外光纤9、中红外光纤光谱仪10、出射圆孔12、光纤接口13、宽谱光纤14、超连续谱激光器15、积分球16、可见光镜头17、彩色可见光面阵传感器18、主分析控制器19、近红外LCTF 20、LCTF控制器21、无线网络收发器22、近红外镜头23、近红外面阵传感器24、双色片6组成。
其中，积分球16内壁均匀涂覆白色漫反射涂层，用于将进入的光线进行匀光处理，积分球16开小孔安装光纤接口13，开大孔安装出射圆孔12；超连续谱激光器15(注：本实施例其光谱范围400-2400nm，平均功率5W)通过宽谱光纤14(注：本实施例其内芯径为50微米)接至光纤接口13(注：本实施为FC光纤接口)；超连续谱激光器15发出的可见至中红外谱段的超连续谱激光，先进入宽谱光纤14传输，然后通过光纤接口13，进入积分球16内部，经白色漫反射涂层多次反射后，形成匀光超连续谱激光照明源，通过出射圆孔12沿照射光轴11出射；
宽谱物镜3用于将匀光超连续谱激光束进行聚焦照明至样品架2上的重要动植物资源样品27上，并收集其后向宽谱(注：从可见光到中红外)反射光；
可见光镜头17用于将重要动植物资源样品27的后向可见光部分(注：本实施例为400-750nm)的反射光成像至彩色可见光面阵传感器18；
近红外LCTF 20在LCTF控制器21的控制下可连续改变通过近红外LCTF20的光的波长，然后通过近红外镜头23成像至近红外面阵传感器24上，从而获取近红外谱段(注：本实施例为750-1100nm)的多光谱图像；
可见光镜头17到双色片6的距离L1与近红外镜头23至双色片6的距离L2相等，且彩色可见光面阵传感器18与近红外面阵传感器24的像素相同，即可见光与近红外成像满足共轭关系，有利于信息融合；
中红外光纤耦合镜8可将中红外光耦合进中红外光纤9，然后进入中红外光纤光谱仪10(注：本实施例光谱范围为1100-2500nm)进行中红外光谱分析；
中红外光轴5、照射光轴11、近红外光轴25、主光轴26四者共面，其中中红外光轴5与近红外光轴25平行，主光轴26与照射光轴11平行；主光轴26与中红外光轴5垂直；第一宽谱半反半透镜4与第二宽谱半反半透镜7平行安装，都与主光轴26夹角45度；双色片6与第一宽谱半反半透镜4垂直安装，且与主光轴26夹角45度；
样品架2装在三维电动平台1上，可随三维电动平台1沿纵横及高度三个方向XYZ做精确平移，从而实现自动对焦及成像区域的拼接；
主分析控制器19内的主机软件可实现系统的人机交互，采集可见光彩色图像、近红外多光谱图像及中红外光谱数据；并构建相对应的数据库，进行数据库的查询和远程传输；实现可见光彩色图像、近红外多光谱图像及中红外光谱信息的融合、分析与分类鉴别；主分析控制器19输入输出端口控制程序可实现对中红外光纤光谱仪10、三维电动平台1、超连续谱激光器15、彩色可见光面阵传感器18、近红外面阵传感器24、LCTF控制器21的控制，并接收彩色可见光面阵传感器18的输出图像、近红外面阵传感器24的输出多光谱图像、中红外光纤光谱仪10的光谱数据；并通过无线网络收发器22联接海关部门云系统，实现数据库的上传、下载与云端查询；
本发明提出的微区重要生物资源像谱分析方法包括以下步骤：
(1)初始自聚焦及定标
将一标准白板放在样品架2上；主分析控制器19控制开启超连续谱激光器15、彩色可见光面阵传感器18、近红外面阵传感器24与中红外光纤光谱仪10，并设定中红外光纤光谱仪10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台1移动到起始位置；超连续谱激光器15发出的可见至中红外谱段的超连续谱激光，进入积分球16内部，经白色漫反射涂层多次反射后，形成匀光超连续谱激光照明源，通过出射圆孔12沿照射光轴11出射，经第二宽谱半反半透镜7反射，沿中红外光轴5传输，经第一宽谱半反半透镜4反射转至主光轴26，由上至下经宽谱物镜3照射至样品架2上的标准白板上，其超连续谱反射光(注：本实施例为400-2500nm)从下至上穿过宽谱物镜3，沿主光轴26行进，经第一宽谱半反半透镜4反射转至中红外光轴5，穿过第二宽谱半反半透镜7，经中红外光纤耦合镜8耦合进中红外光纤9，然后进入中红外光纤光谱仪10，得到标准白板中红外谱段的反射光谱信号，然后送至主分析控制器19进行分析；主分析控制器19计算该中红外反射光谱信号的总强度(注：光谱曲线包围的总面积)，设其为I；主分析控制器19发出控制指令控制三维电动平台1沿z向上下移动，同时不断计算I，直至I达到最大值Imax，此时，成像区域完成了自聚焦；主分析控制器19记录此时标准白板的中红外反射光谱曲线I(λ)；在此自聚焦状态下，标准白板的超连续谱反射光从下至上穿过宽谱物镜3，沿主光轴26行进，穿过第一宽谱半反半透镜4，经双色片6分成二部分；一部分为反射光(注：本实施例为750-1100nm)，经双色片6反射沿近红外光轴25传输；另一部分为透射光(注：本实施例为400-750nm)，透过双色片6，仍沿主光轴26行进；主分析控制器19发出指令启动LCTF控制器21，LCTF控制器21控制近红外LCTF 20的透射光中心波长λk＝λ0+kΔλ(注：本实施例λ0＝750nm，Δλ＝5nm，k＝0,1,2,3,4,...,70)，经双色片6的反射光，透过近红外LCTF 20，近红外镜头23成像至近红外面阵传感器24上，从而获取不同λk下，近红外谱段标准白板的多光谱图像Wk(x,y)(注：x,y指的是二维图像像素的序号)，并送至主分析控制器19存储；主分析控制器19发出指令启动彩色可见光面阵传感器18，经双色片6的透射光，经可见光镜头17成像至彩色可见光面阵传感器18，可获取标准白板的红绿蓝三原色及可见光全彩色图像Rw(x,y)、Gw(x,y)、Bw(x,y)、Cw(x,y)(注：下标w指的是标准白板white board的简写)；
(2)微区重要生物资源像谱获取
将标准白板取下，将重要动植物资源样品27放在样品架2上，其超连续谱反射光从下至上穿过宽谱物镜3，沿主光轴26行进，经第一宽谱半反半透镜4反射转至中红外光轴5，穿过第二宽谱半反半透镜7，经中红外光纤耦合镜8耦合进中红外光纤9，然后进入中红外光纤光谱仪10，得到重要动植物资源样品27在宽谱物镜3成像区域的中红外平均反射光谱信号，然后送至主分析控制器19进行分析；主分析控制器19计算该中红外平均反射光谱信号的总强度(注：光谱曲线包围的总面积)，设其为S；主分析控制器19发出控制指令控制三维电动平台1沿z向上下移动，同时不断计算S，直至S达到最大值Smax，此时，重要动植物资源样品27的成像区域完成了自聚焦；主分析控制器19记录此时重要动植物资源样品27的中红外反射光谱曲线S(λ)；在此自聚焦状态下，重要动植物资源样品27的超连续谱反射光从下至上穿过宽谱物镜3，沿主光轴26行进，穿过第一宽谱半反半透镜4，经双色片6分成二部分；一部分为反射光，经双色片6反射沿近红外光轴25传输；另一部分为透射光，透过双色片6，仍沿主光轴26行进；LCTF控制器21控制近红外LCTF 20的透射光中心波长λk＝λ0+kΔλ(注：本实施例λ0＝750nm，Δλ＝5nm，k＝0,1,2,3,4,...,70)，经双色片6的反射光，透过近红外LCTF 20，近红外镜头23成像至近红外面阵传感器24上，从而获取不同λk下，近红外谱段重要动植物资源样品27的多光谱图像Sk(x,y)(注：x,y指的是二维图像像素的序号)，并送至主分析控制器19存储；主分析控制器19发出指令启动彩色可见光面阵传感器18，经双色片6的透射光，经可见光镜头17成像至彩色可见光面阵传感器18，可获取重要动植物资源样品27的红绿蓝三原色及可见光全彩色图像Rs(x,y)、Gs(x,y)、Bs(x,y)、Cs(x,y)(注：下标s指的是样品sample的简写)；
(3)像谱数据后处理
主分析控制器19将所有存储的像谱数据做如下运算处理：
重要动植物资源样品27的红色反射率图像r(x,y)＝Rs(x,y)/Rw(x,y)；
绿色反射率图像g(x,y)＝Gs(x,y)/Gw(x,y)；
蓝色反射率图像b(x,y)＝Bs(x,y)/Bw(x,y)；
全色反射率图像c(x,y)＝Cs(x,y)/Cw(x,y)；
近红外谱段重要动植物资源样品27的多光谱反射率图像
sk(x,y)＝Sk(x,y)/Wk(x,y)；(注：本实施例k＝0,1,2,3,4,...,70，共70个多光谱反射率图像)
中红外谱段重要动植物资源样品27的标准反射率曲线
s(λ)＝S(λ)/I(λ)；
主分析控制器19将该重要动植物资源样品27的完整像谱数据，构建其特征数据库，并将数据库信息通过无线网络收发器22送至出入境监管部门云系统；从而有效进行出入境重要动植物资源的检测、监管、鉴别与溯源，维护国家生物安全。
Claims (1)
1.一种重要生物资源的微区像谱分析方法，该方法是在微区重要生物资源像谱分析仪上实现的，所述分析仪由三维电动平台(1)、宽谱物镜(3)、第一宽谱半反半透镜(4)、第二宽谱半反半透镜(7)、中红外光纤耦合镜(8)、中红外光纤(9)、中红外光纤光谱仪(10)、出射圆孔(12)、光纤接口(13)、宽谱光纤(14)、超连续谱激光器(15)、积分球(16)、可见光镜头(17)、彩色可见光面阵传感器(18)、主分析控制器(19)、近红外LCTF(20)、LCTF控制器(21)、无线网络收发器(22)、近红外镜头(23)、近红外面阵传感器(24)、双色片(6)组成；其特征在于所述的分析方法包括以下步骤：
1)初始自聚焦及定标
将一标准白板放在样品架上；主分析控制器控制开启超连续谱激光器、彩色可见光面阵传感器、近红外面阵传感器与中红外光纤光谱仪，并设定中红外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台移动到起始位置；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，进入积分球内部，经白色漫反射涂层多次反射后，形成匀光超连续谱激光照明源，通过出射圆孔沿照射光轴出射，经第二宽谱半反半透镜反射，沿中红外光轴传输，经第一宽谱半反半透镜反射转至主光轴，由上至下经宽谱物镜照射至样品架上的标准白板上，其超连续谱反射光从下至上穿过宽谱物镜，沿主光轴行进，经第一宽谱半反半透镜反射转至中红外光轴，穿过第二宽谱半反半透镜，经中红外光纤耦合镜耦合进中红外光纤，然后进入中红外光纤光谱仪，得到标准白板中红外谱段的反射光谱信号，然后送至主分析控制器进行分析；主分析控制器计算该中红外反射光谱信号的总强度，设其为I；主分析控制器发出控制指令控制三维电动平台沿z向上下移动，同时不断计算I，直至I达到最大值Imax，此时，成像区域完成了自聚焦；主分析控制器记录此时标准白板的中红外反射光谱曲线I(λ)；在此自聚焦状态下，标准白板的超连续谱反射光从下至上穿过宽谱物镜，沿主光轴行进，穿过第一宽谱半反半透镜，经双色片分成二部分；一部分为反射光，经双色片反射沿近红外光轴传输；另一部分为透射光，透过双色片，仍沿主光轴行进；主分析控制器发出指令启动LCTF控制器，LCTF控制器控制近红外LCTF的透射光中心波长λk＝λ0+kΔλ，经双色片的反射光，透过近红外LCTF，近红外镜头成像至近红外面阵传感器上，从而获取不同λk下，近红外谱段标准白板的多光谱图像Wk(x,y)，并送至主分析控制器存储；主分析控制器发出指令启动彩色可见光面阵传感器，经双色片的透射光，经可见光镜头成像至彩色可见光面阵传感器，可获取标准白板的红绿蓝三原色及可见光全彩色图像Rw(x,y)、Gw(x,y)、Bw(x,y)、Cw(x,y)；
2)微区重要生物资源像谱获取
将标准白板取下，将重要动植物资源样品放在样品架上，其超连续谱反射光从下至上穿过宽谱物镜，沿主光轴行进，经第一宽谱半反半透镜反射转至中红外光轴，穿过第二宽谱半反半透镜，经中红外光纤耦合镜耦合进中红外光纤，然后进入中红外光纤光谱仪，得到重要动植物资源样品在宽谱物镜成像区域的中红外平均反射光谱信号，然后送至主分析控制器进行分析；主分析控制器计算该中红外平均反射光谱信号的总强度，设其为S；主分析控制器发出控制指令控制三维电动平台沿z向上下移动，同时不断计算S，直至S达到最大值Smax，此时，重要动植物资源样品的成像区域完成了自聚焦；主分析控制器记录此时重要动植物资源样品的中红外反射光谱曲线S(λ)；在此自聚焦状态下，重要动植物资源样品的超连续谱反射光从下至上穿过宽谱物镜，沿主光轴行进，穿过第一宽谱半反半透镜，经双色片分成二部分；一部分为反射光，经双色片反射沿近红外光轴传输；另一部分为透射光，透过双色片，仍沿主光轴行进；LCTF控制器控制近红外LCTF的透射光中心波长λk＝λ0+kΔλ，经双色片的反射光，透过近红外LCTF，近红外镜头成像至近红外面阵传感器上，从而获取不同λk下，近红外谱段重要动植物资源样品的多光谱图像Sk(x,y)，并送至主分析控制器存储；主分析控制器发出指令启动彩色可见光面阵传感器，经双色片的透射光，经可见光镜头成像至彩色可见光面阵传感器，可获取重要动植物资源样品的红绿蓝三原色及可见光全彩色图像Rs(x,y)、Gs(x,y)、Bs(x,y)、Cs(x,y)；
3)像谱数据后处理
主分析控制器将所有存储的像谱数据做如下运算处理：
重要动植物资源样品的红色反射率图像r(x,y)＝Rs(x,y)/Rw(x,y)；
绿色反射率图像g(x,y)＝Gs(x,y)/Gw(x,y)；
蓝色反射率图像b(x,y)＝Bs(x,y)/Bw(x,y)；
全色反射率图像c(x,y)＝Cs(x,y)/Cw(x,y)；
近红外谱段重要动植物资源样品的多光谱反射率图像：
sk(x,y)＝Sk(x,y)/Wk(x,y)；
中红外谱段重要动植物资源样品的标准反射率曲线：
s(λ)＝S(λ)/I(λ)；
主分析控制器将该重要动植物资源样品的完整像谱数据，构建其特征数据库，并将数据库信息通过无线网络收发器送至出入境监管部门云系统。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910850301.6A CN110672551B (zh) | 2019-09-10 | 2019-09-10 | 一种重要生物资源的微区像谱分析方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910850301.6A CN110672551B (zh) | 2019-09-10 | 2019-09-10 | 一种重要生物资源的微区像谱分析方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110672551A CN110672551A (zh) | 2020-01-10 |
| CN110672551B true CN110672551B (zh) | 2021-11-19 |
Family
ID=69077691
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910850301.6A Active CN110672551B (zh) | 2019-09-10 | 2019-09-10 | 一种重要生物资源的微区像谱分析方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110672551B (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106254796A (zh) * | 2016-10-11 | 2016-12-21 | 公安部第研究所 | 一种基于光电摄像管的红外激光光斑探测成像装置及方法 |
| CN109358374A (zh) * | 2018-10-29 | 2019-02-19 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种进境农林动植物危险因子检测方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6717668B2 (en) * | 2000-03-07 | 2004-04-06 | Chemimage Corporation | Simultaneous imaging and spectroscopy apparatus |
| US6693280B2 (en) * | 2001-08-03 | 2004-02-17 | Sensir Technologies, L.L.C. | Mid-infrared spectrometer attachment to light microscopes |
| JP2006109120A (ja) * | 2004-10-06 | 2006-04-20 | Funai Electric Co Ltd | 赤外線撮像装置 |
| CN102036599B (zh) * | 2008-03-18 | 2013-06-19 | 诺瓦达克技术公司 | 用于组合的全色反射和近红外成像的成像系统 |
-
2019
- 2019-09-10 CN CN201910850301.6A patent/CN110672551B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106254796A (zh) * | 2016-10-11 | 2016-12-21 | 公安部第研究所 | 一种基于光电摄像管的红外激光光斑探测成像装置及方法 |
| CN109358374A (zh) * | 2018-10-29 | 2019-02-19 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种进境农林动植物危险因子检测方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 一种基于RGB比值特征统计模型的高亮点检测算法;刘志刚等;《红外技术》;20160624(第06期);全文 * |
| 基于可见光光谱图像的红外多光谱图像仿真生成;许洪等;《红外与激光工程》;20090425(第02期);全文 * |
| 基于比较测量法的LCTF光谱相机光谱反射率重建研究;王霞等;《光谱学与光谱分析》;20180115(第01期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110672551A (zh) | 2020-01-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10393725B2 (en) | Automated imaging of chromophore labeled samples | |
| CN105181594B (zh) | 便携式智能多光谱成像检测装置及方法 | |
| CN106226247A (zh) | 一种基于高光谱显微成像技术的细胞检测方法 | |
| CN207379913U (zh) | 一种基于反射和透射高光谱成像的棉花杂质检测装置 | |
| CN107044959B (zh) | 显微多模态融合光谱检测系统 | |
| CN103630240B (zh) | 物体表面颜色测量装置与方法 | |
| US20180018537A1 (en) | Non-spectroscopic imaging of plants | |
| Li et al. | Deriving backscatter reflective factors from 32-channel full-waveform LiDAR data for the estimation of leaf biochemical contents | |
| CN101793671A (zh) | 均匀光源照明可变滤色片式多光谱成像仪 | |
| CN109358374B (zh) | 一种进境农林动植物危险因子检测方法 | |
| CN204718692U (zh) | 便携式智能多光谱成像检测装置 | |
| CN110672551B (zh) | 一种重要生物资源的微区像谱分析方法 | |
| CN107727607B (zh) | 一种适用于生物资源检测的综合光谱成像仪 | |
| CN110672550B (zh) | 一种微区重要生物资源像谱分析仪 | |
| CN110567902A (zh) | 一种霉菌检测装置及检测方法 | |
| CN107727598B (zh) | 一种用于含水透明组织的透射光谱成像方法 | |
| Das | Portable UV–Visible Spectroscopy–Instrumentation, Technology, and Applications | |
| CN107941334B (zh) | 一种标准反射式超连续谱成像仪器 | |
| CN107976408A (zh) | 一种文物无损检测装置 | |
| CN109342339A (zh) | 进境农林动植物危险因子的微区图谱合一检测系统 | |
| CN111829961A (zh) | 一种基于便携式成像光谱仪的食品质量检测方法及系统 | |
| CN2733343Y (zh) | 果蔬类农产品内部非破坏性整体分析装置 | |
| CN107727610B (zh) | 一种用于含水透明组织的透射光谱成像仪 | |
| Luo et al. | 4D dual-mode staring hyperspectral-depth imager for simultaneous spectral sensing and surface shape measurement | |
| CN107727606A (zh) | 一种适用于生物资源检测的综合光谱成像方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |