CN111665221A - 基于透射光谱检测种子活力的装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及种子活力检测技术领域，提供了一种基于透射光谱检测种子活力的装置及其使用方法。该装置包括超连续激光器、小孔光阑、各种形式的夹具、光纤探头、光谱仪和光谱处理分析系统；结构简单、操作方便、光谱一致性好；提供的夹具装置可以检测同时安装的多粒种子的活力，提高了检测效率。其使用方法包括：先建立透射光谱‑活力数据模型，然后获取待测种子的透射光谱信号，最后根据该透射光谱信号和透射光谱‑活力数据模型判断待测种子是否具有活力；该方法无需预处理、对种子无损伤；通过采集种子的透射光谱，能够获得种子内部特征组分信息，从而提高检测结果的准确性，尤其适用于检测籽实较小、稃层较厚的水稻种子的活力。
Description
技术领域
本发明涉及种子活力检测技术领域，更具体而言，涉及一种基于超连续光源的透射光谱检测种子活力的装置及其使用方法。
背景技术
种子活力是指充分成熟、充实饱满、健康无病虫、完整无损伤、耐贮性好的非休眠种子,在广泛环境条件下,表现出抗逆性强,发芽、出苗快速整齐,茁壮生长,正常发育,能长成健壮整齐的、正常的幼苗,具有实现高产量和品质的潜在能力。因此，在播种之前对种子进行活力检测便成为必不可少的一环，对农业生产起着至关重要的作用。传统的种子活力检测方法如：ATP含量测定、酶活性的测定、葡萄糖代谢的测定、呼吸强度的测定、电导率法、发芽速度测定、幼苗生长测定、冷冻测定和加速老化测定等。这些方法可以准确的检测种子活力，但往往需要浸水预处理、破坏种子结构或通过发芽直接测定，测定后的种子没有继续保存、使用的价值，因此只能作为评价种子活力的检定方法，需要发展非侵入式的光谱检测方法实现种子活力的无损检测。
目前国内外针对于种子活力检测的光谱方法主要是基于漫反射光谱的近红外光谱与高光谱图像检测方法，例如CN 101911877 B公布了一种基于激光漫反射图像技术的种子生命力鉴别装置和方法，CN 103636315 B公布了一种基于高光谱的种子发芽率在线检测装置及方法，CN 104255118 B公布了一种基于近红外光谱技术的水稻种子发芽率快速无损测试方法。然而水稻种子籽实较小，且存在厚的稃层，漫反射式光谱探测方法只能探测表面稃层的光谱信息，难以获得种子内部特征组分信息，从而影响种子活力检测的准确度。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出了一种基于超连续光源的透射光谱检测种子活力的技术方案。
本发明的目的可通过以下技术措施来实现：
本发明第一方面提供了一种基于透射光谱检测种子活力的装置，所述装置包括：
超连续激光器，用于发出准直的脉冲宽谱带光束；
小孔光阑，用于截取所述脉冲宽谱带光束的中心部分形成第一光束；
夹具，用于固定种子；
光纤探头，用于接收所述第一光束照射所述种子后产生的透射光束；
光谱仪，获取所述透射光束的光谱信号；
光谱处理分析系统，根据所述光谱信号判断待测种子是否具有活力。
优选地，所述脉冲宽谱带光束的光谱范围为400～2400nm；和/或
所述透射光束的光谱信号范围为900～2200nm。
优选地，所述小孔光阑上设有通光孔，所述通光孔的直径小于所述种子短轴方向的直径；和/或
所述通光孔的直径为0.5～2mm。
优选地，所述光纤探头采用多模光纤，所述多模光纤的芯径为20～1000μm。
优选地，所述夹具包括用于固定种子的第一不透光板和第二不透光板，两块所述不透光板上均设有一个或多个位置一一对应的通孔；所述第一光束经过所述第一不透光板的通孔后照射所述种子，产生的透射光束经过所述第二不透光板的通孔后被所述光纤探头接收。
更优选地，两块所述不透光板之间设有定位板，所述定位板上设有与所述通孔位置一一对应的种子容置孔，用于放置所述种子。
优选地，所述通孔的直径小于所述种子短轴方向的直径并大于所述通光孔的直径；和/或
所述定位板的厚度为1～3mm；和/或
两块所述不透光板通过螺母的方式固定种子；和/或
两块所述不透光板和定位板通过螺母的方式将种子固定在所述种子容置孔中。
本发明第二方面提供了上述装置的使用方法，所述方法包括：
建立透射光谱-活力数据模型；
获取待测种子的透射光谱信号；
根据所述透射光谱信号和所述透射光谱-活力数据模型判断待测种子是否具有活力。
优选地，所述透射光谱-活力数据模型通过机器学习方法建立，所述机器学习方法选自主成分分析、偏最小二乘法、支持向量机中的任意一种。
优选地，所述获取待测种子的透射光谱信号包括：
用所述脉冲宽谱带光束照射所述待测种子；
获取所述脉冲宽谱带光束照射所述待测种子后产生的透射光束的光谱信号。
与现有技术相比，本发明提供的检测装置结构简单，操作方便，光谱一致性好；提供的夹具装置不仅可以检测单粒种子的活力，还可以检测多粒种子的活力，减少了因为安装种子所需花费的时间，提高了检测效率；提供的一种该装置的使用方法无需预处理、对种子无损伤；通过采集种子的透射光谱，能够获得种子内部特征组分信息，从而提高检测结果的准确性，尤其适用于检测籽实较小、稃层较厚的水稻种子的活力。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于超连续光源的透射光谱的种子活力检测装置示意图。
图2是本发明一个实施例提供的种子透射光谱信号图。
图3是本发明实施例提供的第一种单粒种子夹具结构示意图。
图4是本发明实施例提供的第二种单粒种子夹具结构示意图。
图5是本发明实施例提供的第一种多粒种子夹具结构示意图。
图6是本发明实施例提供的第二种多粒种子夹具结构示意图。
图7是本发明实施例提供的第三种多粒种子夹具结构示意图。
图8是本发明实施例提供的第四种多粒种子夹具结构示意图。
图中：1、超连续激光器；2、小孔光阑；21、通光孔；3、夹具；4、种子；5、光纤探头；6、光谱仪；7、光谱处理分析系统；8、不透光板；9、通孔、10、定位板；11、种子容置孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
本发明提供了一种基于超连续光源的透射光谱检测种子活力的方法，该方法包括：先通过机器学习方法建立透射光谱-活力数据模型；然后用超连续光束照射待测种子，获取超连续光束经过待测种子后产生的透射光束的光谱信号；再对该透射光谱信号预处理获得透射光谱数据，与透射光谱-活力数据模型计算后判断该待测种子是否具有活力。根据本发明的一些实施方式，可以选择本领域中任何合适的机器学习方法建立数据模型，例如主成分分析、偏最小二乘法或支持向量机。
本发明提供的检测方法无需预处理、对种子无损伤；通过采集种子的透射光谱，能够获得种子内部特征组分信息，从而提高检测结果的准确性，尤其适用于判断籽实较小、稃层较厚的水稻种子的活力。
本发明第二方面提供了实施上述检测方法的装置，如图1所示，该装置包括超连续激光器1、小孔光阑2、夹具3、光纤探头5、光谱仪6、光谱处理系统7，其中，超连续激光器1用于发出准直的脉冲宽谱带光束，该脉冲宽谱带光束的光谱范围为400～2400nm；小孔光阑2上设有通光孔21，用于截取该脉冲宽谱带光束的中心部分形成第一光束；第一光束照射在由夹具3固定的种子4上，经过种子4透射的光束由种子后方的光纤探头5接收，传输到光谱仪6上进行分光探测，获得光谱信号，根据本发明的一些实施例，该透射光束的光谱信号范围为900～2200nm；光谱处理分析系统7对该光谱信号预处理后，与前期建立的透射光谱-活力数据模型计算，从而检测种子是否具有活力。
在本发明中，通光孔21的直径小于种子短轴方向的直径，使得第一光束能够全部照射在种子上，在本发明的一些实施例中，该通光孔的直径为0.5～2mm，该大小可以使得第一光束能够全部照射在水稻种子上。
根据本发明的一些实施方式，光纤探头5为多模光纤，根据本发明的另一些实施方式，该多模光纤的芯径为20～1000μm。
在本发明的一些实施例中，光谱仪通过光栅分光或傅里叶变换分光的方式探测种子的透射光束的光谱信号，在本发明的另一些实施例中，该光谱仪的光谱分辨率小于10nm，请参阅图2所示的本发明一实施例提供的种子透射光谱信号图，光谱处理分析系统7对该光谱信号预处理后获得透射光谱数据，与前期建立的透射光谱-活力数据模型计算，就可以判断出该种子是否具有活力。
请参阅图3～图8所示本发明实施例提供的夹具结构示意图，夹具3包括了分别固定在种子4前后两侧的不透光板8，两块不透光板8上均设有一个或多个位置一一对应的通孔9，第一光束经过前不透光板8的通孔9后照射种子，产生的透射光束经过后不透光板8的通孔9后被光纤探头5接收。图3和图4所示的不透光板8上均只有一个通孔9，用于固定单粒种子；图5～图8所示的不透光板8上均设有多个通孔9，用于同时固定多粒种子，通过一维平移台(图5和图6)或二维平移台(图7)或旋转移动(图8)调节实现多粒种子检测，减少了因为安装种子所需花费的时间，提高了检测效率，尤其适用于当种子籽实较小时。根据本发明的一些实施方式，通孔9的直径小于种子短轴方向的直径并大于通光孔21的直径，以使得第一光束完全经过前不透光板8的通孔9，且光纤探头5接收到的光谱信号均为待测种子的透射光束的光谱信号。根据本发明的另一些实施方式，两块不透光板8可以选择本领域中任何合适的方式将种子4固定在中间，例如，通过螺母的方式，操作简单。
为了更方便地将种子安置在两块不透光板之间，在本发明的一些实施例中，如图4，图6～图8中所示，在两块不透光板8之间设置了定位板10，定位板10上设有与通孔9位置一一对应的种子容置孔11，用于放置种子。根据本发明的一些实施方式，定位板10的厚度应小于或略大于种子在短轴方向的直径，定位板10的厚度太小会影响种子在种子容置孔11中的预固定效果，定位板10的厚度太大，不便于操作；根据本发明的另一些实施例，定位板10的厚度为1～3mm，该厚度下的种子容置孔11适宜于放置水稻种子。两块不透光板8和定位板10可以通过本领域中任何合适的方式将种子4固定通在种子容置孔11中，例如，通过螺母的方式，操作简单。
本发明提供的基于超连续光源的透射光谱检测种子活力的装置结构简单，操作方便，光谱一致性好；提供了多种结构形式的夹具，不仅可以检测单粒种子的活力，还可以检测多粒种子的活力，减少了因为安装种子所需花费的时间，提高了检测效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (10)
1.一种基于透射光谱检测种子活力的装置，其特征在于，所述装置包括：
超连续激光器，用于发出准直的脉冲宽谱带光束；
小孔光阑，用于截取所述脉冲宽谱带光束的中心部分形成第一光束；
夹具，用于固定种子；
光纤探头，用于接收所述第一光束照射所述种子后产生的透射光束；
光谱仪，获取所述透射光束的光谱信号；
光谱处理分析系统，根据所述光谱信号判断待测种子是否具有活力。
2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述脉冲宽谱带光束的光谱范围为400～2400nm；和/或
所述透射光束的光谱信号范围为900～2200nm。
3.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述小孔光阑上设有通光孔，所述通光孔的直径小于所述种子短轴方向的直径；和/或
所述通光孔的直径为0.5～2mm。
4.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述光纤探头采用多模光纤，所述多模光纤的芯径为20～1000μm。
5.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述夹具包括用于固定种子的第一不透光板和第二不透光板，两块所述不透光板上均设有一个或多个位置一一对应的通孔；所述第一光束经过所述第一不透光板的通孔后照射所述种子，产生的透射光束经过所述第二不透光板的通孔后被所述光纤探头接收。
6.如权利要求5所述装置，其特征在于，两块所述不透光板之间设有定位板，所述定位板上设有与所述通孔位置一一对应的种子容置孔，用于放置所述种子。
7.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述通孔的直径小于所述种子短轴方向的直径并大于所述通光孔的直径；和/或
所述定位板的厚度为1～3mm；和/或
两块所述不透光板通过螺母的方式固定种子；和/或
两块所述不透光板和定位板通过螺母的方式将种子固定在所述种子容置孔中。
8.一种权利要求1～7中任一项所述装置的使用方法，其特征在于，所述方法包括：
建立透射光谱-活力数据模型；
获取待测种子的透射光谱信号；
根据所述透射光谱信号和所述透射光谱-活力数据模型判断待测种子是否具有活力。
9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述透射光谱-活力数据模型通过机器学习方法建立，所述机器学习方法选自主成分分析、偏最小二乘法、支持向量机中的任意一种。
10.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述获取待测种子的透射光谱信号包括：
用所述脉冲宽谱带光束照射所述待测种子；
获取所述脉冲宽谱带光束照射所述待测种子后产生的透射光束的光谱信号。
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