CN118002500A - 一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选系统及分选方法 - Google Patents
一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选系统及分选方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于光谱检测技术领域，尤其涉及一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选系统及分选方法。在分选系统中，光源单元、分光单元、采集单元均设置在传送带的上方，光源单元发出正交双偏振信号光照射在下方传送带上的识别区域；分光单元位于识别区域反射光线的路径上，分光单元将识别区域的反射光线分光成两束相互正交的偏振信号光后从分光单元的出光口射出；分光单元的各出光口处均设置有用于采集光信号的采集单元，两个采集单元将采集的光信号传送至一个识别单元内进行识别分析；分选单元设置在传送带的尾端，分选单元受识别单元控制将被测物品中的核桃壳与核桃仁进行分离。本发明能够高效地且准确地对核桃仁与核桃壳进行分选。
Description
技术领域
本发明属于光谱检测技术领域，尤其涉及一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选系统及分选方法。
背景技术
在核桃的加工过程中，需要使用核桃钳对核桃进行精确挤压后，再将核桃仁和核桃壳分离开。现有技术中主要通过人工分选、重量分选、机器视觉分选的方法来进行分选。人工分选效率低，受到人为因素影响大。核桃仁和核桃壳的质地均较轻，且核桃仁和核桃壳的重量受体积影响大，所以重量分选的准确率也相对较低。机器视觉分选主要依赖于目标样品的外形、颜色等特征，而核桃仁上有包衣，无论是颜色还是形状上都与核桃壳相似，不易分辨，因此机器视觉分选的准确率也不是很高。
目前存在的基于近红外光谱技术的核桃分选系统，主要包括两大类：一类为光谱仪；另一类使用两个及以上的光电二极管。这两类分选系统均采用白光作为系统照明光源。使用光谱仪测量可以直接获取目标核桃样品的反射光谱，在计算机上进行计算，虽具有较高的准确率，但光谱仪的成本造价极高，操作复杂且耗时较多。使用操作较为简单的光电二极管进行分选，每个光电二极管需要配合不同中心波长的窄带滤波片来获取特定波长的光强信息，但是窄带滤波片的使用会导致光电二极管接收到的信号光强大幅降低，从而降低了分选系统的信噪比，使得识别误差变大，并且特定波长的窄带滤波片价格昂贵，所以窄带滤波片数量的增加也会使得分选的成本大幅增加。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选系统，能够高效地且准确地对核桃仁与核桃壳进行分选且成本低。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选系统，包括光源单元、分光单元、采集单元、识别单元、分选单元、传送带，被测物品被放置于所述传送带上，所述光源单元、分光单元、采集单元均设置在所述传送带的上方，所述光源单元发出正交双偏振信号光照射在下方所述传送带上，将所述传送带被所述光源单元照射的区域定义为识别区域；所述分光单元位于识别区域反射光线的路径上，所述分光单元将识别区域的反射光线分光成两束相互正交的偏振信号光后从所述分光单元的出光口射出；所述分光单元的各出光口处均设置有用于采集光信号的所述采集单元，两个所述采集单元均连接至一个所述识别单元，即两个所述采集单元将采集的光信号传送至一个所述识别单元内进行识别分析；所述分选单元设置在所述传送带的尾端，所述分选单元受所述识别单元控制将被测物品中的核桃壳与核桃仁进行分离。
优选的，所述光源单元包括固体激光器、光学耦合透镜组、输入耦合镜组、非周期极化晶体、温控炉、输出耦合镜，所述光学耦合透镜组、输入耦合镜组、非周期极化晶体、输出耦合镜同轴且依次设置在所述固体激光器的出射激光路径上；所述温控炉设置在所述非周期极化晶体的外部，且所述温控炉在与所述非周期极化晶体入射光线和出射光线对应的位置处设置有通孔；所述输出耦合镜射出正交双偏振信号光。
优选的，所述光源单元还包括设置在所述输出耦合镜出射光线路径上的柱面镜，所述输出耦合镜射出正交双偏振信号光经过所述柱面镜扩束展宽后扩大了照射至下方所述传送带的识别区域。
优选的，所述传送带上包括有一个以上并排设置的输送道，每个输送道上均有被所述柱面镜射出的正交双偏振信号光所照射到的识别区域。
优选的，各输送道识别区域的反射光线路径上都设置有一个所述分光单元，同一个所述分光单元所对应的两个采集单元与同一个识别单元电连接；各输送道尾端均设置有对应的分选单元，各识别单元控制对应输送道尾端的分选单元将被传送至当前输送道尾端的被测物品进行分选；所述分光单元为二向偏振分光镜。
优选的，所述分选单元包括喷气阀、核桃仁接收箱、核桃壳接收箱，所述喷气阀设置在各输送道尾端的正下方，所述核桃仁接收箱设置在靠近所述传送带尾端的下方，所述核桃壳接收箱设置在远离传送带尾端的下方。
本发明还提供一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选方法，应用在如上述的一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选系统上，包括以下步骤：
S1，基于准相位匹配双信号光运转的光参量振荡原理，对非周期极化晶体进行设计，使光源单元产生正交双偏振信号光；
S2，确定光源单元产生的正交双偏振信号光在传送带上的识别区域，确定识别区域与传送带尾端的距离L，确定传送带的传送速度v，技术人员预先在识别单元中计算好被测物品从识别区域到达传送带尾端的时间t0；
S3，下料装置使被测物品匀速且有时间间隔地先后落在传送带上的各输送道中；
S4，当被测物品随着自身所在输送道的传送到达当前输送道上的识别区域时，正交双偏振信号光照射在被测物品上，识别区域内被测物品的反射光线进入分光单元的分光后成为两束相互正交的偏振信号光即光束a和光束b，光束a和光束b分别从分光单元的两个出光口射出；
S5，同一个分光单元两个出光口处的采集单元分别采集光束a和光束b的光强后送入同一个识别单元内进行识别分析；
S6，当被测物品到达传送带尾端时，分选单元受识别单元的控制将核桃仁和核桃壳进行分离。
优选的，在S1中还包括以下子步骤：
S11，基于准相位匹配原理和双信号光光参量振荡增益设计目标函数F：F＝G(λ1)+G(λ2)－∣G(λ1)+G(λ2)∣，
其中，λ1为第一波长，λ2为第二波长，G(·)表示特定波长下的光参量振荡增益；
S12，确定第一波长λ1、第二波长λ2：利用近红外光谱仪测量核桃仁、核桃壳的反射光谱，根据反射光谱的吸收峰选择第一波长λ1、第二波长λ2，使得核桃仁、核桃壳在第一波长λ1、第二波长λ2处反射光的比值之差的绝对值大于第一阈值ΔR1；
S13，分别选择双信号光运转的光参量振荡器各互作用光波的偏振方向：固体激光器选择1064nm的p光；对于第一波长λ1＝1200nm的信号光，选择信号光和闲频光均为o光；对于第二波长λ2＝1450nm的信号光，选择信号光和闲频光均为e光；
S14，基于目标函数F、第一波长λ1、第二波长λ2采用遗传算法来设计非周期极化晶体内每个电畴的正负极化方向，使得非周期极化晶体在第一波长λ1和第二波长λ2处的光参量振荡增益之和取极大值，且使得非周期极化晶体在第一波长λ1和第二波长λ2处的光参量振荡增益之差取极小值；设计好非周期极化晶体后，光源单元产生正交双偏振信号光。
优选的，在S4中，经分光单元的分光后所得到的两束相互正交的偏振信号光中，光束a为1200nm的o光，光束b为1450nm的e光；
在S5中，还包括以下子步骤：
S51，同一个分光单元两个出光口处的采集单元分别采集光束a和光束b的光强后转化为电流信号后送入同一个识别单元内，将光束a对应的电流信号记为Iλ1，将光束b对应的电流信号记为Iλ2；
S52，识别单元计算光束a和光束b的反射率比值R：R＝Iλ1/Iλ2；
S53，若R＜R0，则识别单元判定当前输送道识别区域内的被测物品为核桃壳，否则为核桃仁，其中R0为第一分选参数。
优选的，在S6中，还包括以下子内容：
识别单元将每轮识别分析所耗费的时间记为t1，当识别单元判定当前输送道识别区域内的被测物品为核桃壳时，则识别单元自得出判别结果时起，于(t0-t1)时间间隔后控制对应输送道的喷气阀进行喷气，使被测物品从传送带尾端下落时受到对应喷气阀喷出气体的推力落入核桃壳接收箱内，否则对应输送道的喷气阀不动作。
本发明的有益效果在于：
(1)相较于现有技术中使用两个光电二极管配合特定的窄带滤波片来进行信号采集，现有技术需采用白光作为照明光源，同时需要半反半透镜将光源分为两路，光电二极管前需要放置特定波长的窄带滤波片，这导致整个系统的光源能量利用率非常低；而本发明的光源单元发出的是正交双偏振相干光源，无需任何滤波片，仅需一个偏振分光镜就可以实现分光，光源能量利用率高。
(2)现有技术中使用两个光电二极管配合特定的窄带滤波片来进行信号采集，各窄带滤波片均有20nm左右的带宽，采集的是特征波长点附近约±10nm范围内的光强，从而降低了分选系统的信噪比，使得识别误差变大；而本发明分选系统采用的正交双偏振信号光每个波长仅有1nm左右的带宽，带宽更窄，能够更精确地针对被测物品的特征波长，大幅提升了系统的信噪比和后续识别单元的识别效率，降低了后续识别单元的识别误差。并且本发明的整个分选系统的分选结果稳定性也较高，分选结果的准确率不会忽高忽低。
(3)在本发明的光源单元中采用的是正交双偏振信号光，对应的分光单元采用偏振分光镜即可实现两个特征波长处光强的分离，偏振分光镜的消光比可以达到千分之一，所得的每个信号光都非常纯净；而现有技术中采用的滤波片虽在一个特征波长处高透(一般在60％)，但在其它波长处的透过率仍能达到1％以上，这将导致后续接收的光信号不够纯净，降低了信噪比。
(4)在本发明的光源单元中，固体激光器，配合输入耦合镜组、非周期极化晶体、温控炉、输出耦合镜所构成的光学参量振荡器，可以使照射在识别区域的光线是正交双偏振信号光，而识别区域的反射光线经过分光单元被分为相互垂直的两束光振动方向垂直的p光和s光后，分别由对应的采集单元采集光强并送入识别单元内进行分析识别，即本发明仅基于识别区域被测物品在p光和s光下的光强，即可准确的判别出被测物品为核桃仁还是核桃壳，操作简单，识别效率高、准确率高。并且因为正交双偏振信号光中所包含的是两束偏振方向正交的偏振光，彼此之间相互不干涉(即不存在同方向上的偏振分量)，所以分光单元可以轻易的将正交双偏振信号光分成两束光振动方向垂直的p光和s光，几乎不受外界因素的干扰，整个分选系统的稳定性高，分选结果的准确率也很稳定，不会忽高忽低。
(5)同时本发明相较于现有技术中的光谱仪测量，成本造价均较低，且在保证分选准确率的同时，本发明操作简单、分选效率高。
(6)本发明中在传送带上设置了多个输送道，并且通过柱面镜将正交双偏振信号光光束扩束展宽后，使得每个输送道上局有一块区域为识别区域，即本发明实现了单光源多输送道同时分选，提高了分选效率，更进一步节省了成本。
(7)本发明的分选方法，基于准相位匹配原理，利用遗传算法设计出的非周期极化晶体来产生仅包含1200nm和1450nm的正交双偏振信号光照射在识别区域上，分光单元将识别区域被测物品分成两束相互正交的偏振信号光即1200nm的光束a和1450nm的光束b后，根据1200nm和1450nm这两束光的反射率比值，来识别核桃壳与核桃仁。本发明所获得的正交双偏振信号光不受激光发射谱线的限制，可以根据被测物品的光谱特征通过设计非周期极化晶体内的各电畴的正负极化方向获得相应的波长，具有较强的灵活性与稳定性，无需任何滤波片。
(8)本发明选用第一波长、第二波长处的反射率比值，来对核桃壳与核桃仁进行识别，大大提高了分选准确率。
附图说明
图1为本发明的核桃分选系统的结构示意图；
图2为本发明的核桃分选系统的架构示意图；
图3为光源单元、分光单元、采集单元和识别单元的具体结构示意图；
图4为俯视传送带时的识别区域示意图；
图5本发明的分选方法流程图；
图6为非周期极化晶体出射光的波长与增益系数的关系图；
图7为核桃仁、核桃外壳的光谱曲线图。
本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：
1、光源单元；11、固体激光器；12、光学耦合透镜组；13、输入耦合镜组；14、非周期极化晶体；15、温控炉；16、输出耦合镜；17、柱面镜；
2、分光单元；3、采集单元；4、识别单元；
5、分选单元；51、喷气阀；52、核桃仁接收箱；53、核桃壳接收箱；
6、下料装置；7、传送带；
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清晰明确，下面结合附图对本发明进行清楚、完整地描述，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下对本发明技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，为本发明的一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选系统的结构示意图。
一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选系统，包括光源单元1、分光单元2、采集单元3、识别单元4、分选单元5、下料装置6、传送带7。
下料装置6设置在传送带7首端的上方，分选单元5设置在传送带7尾端的下方，下料装置6首端指向下料装置6尾端的方向为传送带7的传送方向；光源单元1、分光单元2、采集单元3均沿传送带7的传送方向设置在传送带7的上方。核桃仁和核桃壳从下料装置6底部的出料口落下，落至下方的传送带7首端，随着传送带7的传送到达传送带7尾端；光源单元1发出一束正交双偏振信号光，经扩束展宽后照射在下方的传送带7上，将传送带7上被正交双偏振信号光照射的区域定义为识别区域；分光单元2设置在识别区域反射光线的路径上，当核桃仁和核桃壳随着传送带7到达识别区域时，核桃仁和核桃壳上的反射光线进入分光单元2内，分光单元2将识别区域的反射光线分光成两束相互正交的偏振信号光后从分光单元2的出光口射出；两个采集单元3对应设置在分光单元2的出光口，用来采集对应入射光下的光信号；一个分光单元2的分光口处所对应的两个采集单元3对应设置在分光单元2的出光口，用来采集对应入射光下的光信号；同一个分光单元2所对应的两个采集单元3与一个识别单元4电连接，一个识别单元4与一个分选单元5电连接，两个采集单元3将采集的光信号传送至对应的识别单元4内进行识别分析，当核桃仁和核桃壳到达传送带7尾端时，分选单元5受识别单元4的控制将核桃仁和核桃壳进行分离。
具体的：
光源单元1用于产生正交双偏振光，如图3所示，包括固体激光器11、光学耦合透镜组12、输入耦合镜组13、非周期极化晶体14、温控炉15、输出耦合镜16以及柱面镜17。
固体激光器11为1064nm近红外光的泵浦光源。光学耦合透镜组12、输入耦合镜组13、非周期极化晶体14、输出耦合镜16同轴且依次设置在固体激光器11的出射激光路径上；固体激光器11输出波长为1064nm激光，激光依次经过光学耦合透镜组12、输入耦合镜组13、非周期极化晶体14、输出耦合镜16后的出射光线为一束正交双偏振信号光。柱面镜17设置在输出耦合镜16的出射光线路径上，输出耦合镜16射出的正交双偏振信号光经过柱面镜17扩束展宽后，扩大了照射在传送带7上的识别区域，识别区域的长度方向与传送带7的传送方向不平行。温控炉15设置在非周期极化晶体14的外部，用于均衡且精确的控制非周期极化晶体14的整体温度，且温控炉15在与非周期极化晶体14入射光线和出射光线对应的位置处设置有通孔，即输入耦合镜组13的出射光线通过温控炉15上的通孔直接射入非周期极化晶体14，非周期极化晶体14的出射光线也是直接射入输出耦合镜16内。
输入耦合镜组13为平面镜，该平面镜对1064nm的泵浦光透过率>95％，对波长为1200nm和1450nm的信号光反射率>99％。输出耦合镜16为曲率半径为100mm的平凹透镜，对1200nm和1450nm信号光的透过率>90％，对1064nm的泵浦光全反，并且对闲频光(>2.5μm)高吸收。因此输入耦合镜组13、非周期极化晶体14、温控炉15、输出耦合镜16部分构成的光学参量振荡器对双信号光单谐振，即输出正交双偏振光的同时，也增大了输出所包含的两个正交偏振光的光参量震荡增益，提高了整个系统的信噪比，降低后续识别单元4的识别误差。
将一个核桃壳或一个核桃仁记为一个被测物品。
可选的，下料装置6上设置一个及以上个出料口，传送带7上也设置有一个及以上并排设置的输送道，出料口的数量和位置均与输送道数量和位置相对应，每个输送道上均有被柱面镜17出射光线照射到的识别区域，如图4中绿色区域所示。每个输送道都很狭窄，各输送道上的核桃壳或核桃仁只能沿着传送方向依次排开，所以几乎不会出现两个及以上的被测物品并排出现在同一个输送道上识别区域中。在图1中可以看出，经柱面镜17扩束展宽后的出射光线以扇形辐射至下方传送带7上的每一个输送道。
分光单元2在图1中被采集单元3遮挡，详见图3，为了便于查看，图3中展示了一条输送道上的识别区域以及对应的分光单元2、采集单元3、识别单元4。
每个输送道上识别区域的反射光线路径上都设置有一个分光单元2，分光单元2为二向偏振分光镜。识别区域的反射光线进入对应的分光单元2后，分光单元2将反射光线这束正交双偏振信号光分为两束光振动方向垂直的p光和s光后分别从两个分光口射出，各分光口出设置的采集单元3对应采集p光或s光的光信号即光强后转化为电流信号后，传送至对应的一个识别单元4中(在图1中，为便于查看，将所有的识别单元4是集成在一起)。识别单元4根据两个采集单元3所采集p光和s光的光强来计算识别当前输送道内识别区域的被测物品是核桃壳还是核桃仁，以及多久之后当前输送道内识别区域的被测物品会到达当前输送道的尾端。输送道的尾端也即传送带7的尾端。
本实施例中，识别单元4为处理器MCU；二向偏振分光镜对一个振动方向的光全透，对振动方向与全透光振动方向相互正交的光全反。采集单元3为InGaAs PIN光电二极管，其光谱响应范围为0.9μm～2.57μm。
各输送道的尾端均设置有分选单元5，各识别单元4与对应输送道的分选单元5电连接。分选单元5包括喷气阀51、核桃仁接收箱52、核桃壳接收箱53，喷气阀51设置在各输送道尾端的正下方，核桃仁接收箱52设置靠近传送带7尾端的下方，核桃壳接收箱53设置在远离传送带7尾端的下方；各喷气阀51受对应识别单元4的执行信号控制进行喷气，核桃仁随着传送带7的传送自由下落至核桃仁接收箱52内，核桃壳则是在从传送带7尾端下落时受到对应喷气阀51喷出气体的推力落入核桃壳接收箱53内。
图2为本发明的核桃分选系统的架构示意图。
本发明在正式投入使用前，需基于遗传算法先设计好非周期极化晶体14的参数，非周期极化晶体14的参数确定也即确定了从输出耦合镜16射出的正交双偏振信号光所包含的两个波长λ1和λ2，这两个波长也是后续分光单元2分光后的p光和s光波长。
在本发明的光源单元1中，固体激光器11，配合输入耦合镜组13、非周期极化晶体14、温控炉15、输出耦合镜16所构成的光学参量振荡器，可以使照射在识别区域的光线是正交双偏振信号光，而识别区域的反射光线经过分光单元2被分为相互垂直的两束光振动方向垂直的p光和s光后，分别由对应的采集单元3采集光强并送入识别单元4内进行分析识别，即本发明仅基于识别区域被测物品在p光和s光下的光强，即可准确的判别出被测物品为核桃仁还是核桃壳，操作简单，识别效率高、准确率高。
完全不同于现有技术中使用气体激光器配合特定的窄带滤波片来进行分选：
①相较于现有技术中使用两个光电二极管配合特定的窄带滤波片来进行信号采集，现有技术需采用白光作为照明光源，同时需要半反半透镜将光源分为两路，光电二极管前需要放置特定波长的窄带滤波片，这导致整个系统的光源能量利用率非常低；而本发明的光源单元1发出的是正交双偏振相干光源，无需任何滤波片，仅需一个偏振分光镜就可以实现分光，光源能量利用率高。
②现有技术中使用两个光电二极管配合特定的窄带滤波片来进行信号采集，各窄带滤波片均有20nm左右的带宽，采集的是特征波长点附近约±10nm范围内的光强，从而降低了分选系统的信噪比，使得识别误差变大；而本发明分选系统采用的正交双偏振信号光每个波长仅有1nm左右的带宽，带宽更窄，能够更精确地针对被测物品的特征波长，大幅提升了系统的信噪比和后续识别单元的识别效率，降低了后续识别单元的识别误差。并且本发明的整个分选系统的分选结果稳定性也较高，分选结果的准确率不会忽高忽低。
③在本发明的光源单元1中采用的是正交双偏振信号光，对应的分光单元2采用偏振分光镜即可实现两个特征波长处光强的分离，偏振分光镜的消光比可以达到千分之一，所得的每个信号光都非常纯净；而现有技术中采用的滤波片虽在一个特征波长处高透(一般在60％)，但在其它波长处的透过率仍能达到1％以上，这将导致后续接收的光信号不够纯净，降低了信噪比。
举例来说，若希望采集波长为1200nm的光谱，则现有技术中使用特定的窄带滤波片也只能采集到1190nm～1210nm的光谱，而本发明产生的波长可精确到1199.5nm～1200.5nm的范围，这样无论是采集光谱，还是进行后续的分析，本发明都节省了大量的时间，且本发明采集过程中所引入的无关参量也更少了，所以整个系统的信噪比也进一步提高了。
同时本发明相较于现有技术中的光谱仪测量，成本造价均较低，且在保证分选准确率的同时，本发明操作简单、分选效率高。
本发明中在传送带7上设置了多个输送道，并且通过柱面镜17将正交双偏振信号光光束扩束展宽后，使得每个输送道上局有一块区域为识别区域，即本发明实现了单光源多输送道同时分选，提高了分选效率，更进一步节省了成本。
实施例2
如图5所示，为本发明的一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选方法的流程图，应用与如实施例1所描述的一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选机构，包括以下步骤：
S1，基于准相位匹配双信号光运转的光参量振荡原理，对非周期极化晶体14进行设计，使光源单元1产生正交双偏振信号光；
S2，确定光源单元1产生的正交双偏振信号光在传送带7上的识别区域，确定识别区域与传送带7尾端的距离L，确定传送带的传送速度v，技术人员预先在识别单元4中计算好被测物品从识别区域到达传送带7尾端的时间t0；
t0＝L/v；
S3，下料装置6使被测物品匀速且有时间间隔地先后落在传送带7上的各输送道中；
S4，当被测物品随着自身所在输送道的传送到达当前输送道上的识别区域时，正交双偏振信号光照射在被测物品上，识别区域内被测物品的反射光线进入分光单元2的分光后成为两束相互正交的偏振信号光即光束a和光束b，光束a和光束b分别从分光单元2的两个出光口射出；
S5，同一个分光单元2两个出光口处的采集单元3分别采集光束a和光束b的光强后送入同一个识别单元4内进行识别分析；
S6，当被测物品到达传送带7尾端时，分选单元5受识别单元4的控制将核桃仁和核桃壳进行分离。
在S1中还包括以下子步骤：
S11，基于准相位匹配原理和双信号光光参量振荡增益设计目标函数F：F＝G(λ1)+G(λ2)－∣G(λ1)+G(λ2)∣，
其中，λ1为第一波长，λ2为第二波长，G(·)表示特定波长下的光参量振荡增益。
S12，确定第一波长λ1、第二波长λ2：利用近红外光谱仪测量核桃仁、核桃壳的反射光谱，根据反射光谱的吸收峰选择第一波长λ1、第二波长λ2，使得核桃仁、核桃壳在第一波长λ1、第二波长λ2处反射光的比值差别最大。
本实施例中，第一波长λ1＝1200nm，第二波长λ2＝1450nm。
S13，分别选择双信号光运转的光参量振荡器各互作用光波的偏振方向：固体激光器11选择1064nm的p光；对于第一波长λ1＝1200nm的信号光，选择信号光和闲频光均为o光；对于第二波长λ2＝1450nm的信号光，选择信号光和闲频光均为e光。
S14，基于目标函数F、第一波长λ1、第二波长λ2采用遗传算法来设计非周期极化晶体14内每个电畴的正负极化方向，使得非周期极化晶体14在第一波长λ1和第二波长λ2处的光参量振荡增益之和取极大值，且使得非周期极化晶体14在第一波长λ1和第二波长λ2处的光参量振荡增益之差取极小值；设计好非周期极化晶体14后，光源单元1产生正交双偏振信号光。
非周期极化晶体14的晶体总长度、电畴宽度、电畴个数都是预先确定好的。在本实施例中，晶体总长度为12mm，电畴宽度选择为3μm，电畴个数为4000。
设计好非周期极化晶体14后，非周期极化晶体14内的每个电畴的正负极化方向确定，这样非周期极化晶体14提供的倒格矢能够满足第一波长λ1＝1200nm和第二波长λ2＝1450nm处双信号光振荡的相位匹配条件，为信号光的振荡提供增益。
在S4中，经分光单元2后，一束正交双偏振光将分为两束，光束a为1200nm的o光，光束b为1450nm的e光。
在S5中，还包括以下子步骤：
S51，同一个分光单元2两个出光口处的采集单元3分别采集光束a和光束b的光强后转化为电流信号后送入同一个识别单元4内，将光束a对应的电流信号记为Iλ1，将光束b对应的电流信号记为Iλ2；
S52，识别单元4计算光束a和光束b的反射率比值R：R＝Iλ1/Iλ2；
S53，若R＜R0，则识别单元4判定当前输送道识别区域内的被测物品为核桃壳，否则为核桃仁，其中R0为第一分选参数。
在本实施例中，R0＝1.55。
本发明经过多次实验发现，不同条件下(例如角度不同)，同一个被测物品在同一波长下的反射光光强都可能不同；并且当被测物品为核桃壳时，不同核桃壳表面粗糙度不同也会导致同一波长下的反射光光强不同；但是被测物品在第一波长、第二波长处的反射率比值却可以几乎保持不变。因此，本发明选用第一波长、第二波长处的反射率比值，来对核桃壳与核桃仁进行识别，大大提高了分选准确率。
在S6中，还包括以下子内容：
识别单元4将每轮识别分析所耗费的时间记为t1，当识别单元4判定当前输送道识别区域内的被测物品为核桃壳时，则识别单元4自得出判别结果时起，于(t0-t1)时间间隔后控制对应输送道的喷气阀51进行喷气，使被测物品从传送带7尾端下落时受到对应喷气阀51喷出气体的推力落入核桃壳接收箱53内，否则对应输送道的喷气阀51不动作。
在本发明分选核桃壳和核桃仁的过程中进行多次人工核验，发现分选准确率与现有技术中的光谱仪测量的准确率相差无几。经多次实验的核实，本发明非周期极化晶体出射光的波长与增益系数的关系如图6所示，核桃仁、核桃外壳的光谱曲线图如图7所示，可以看出对于核桃仁与核桃壳的分选中，在第一波长λ1＝1200nm、第二波长λ2＝1450nm处的具有较大的增益系数，在λ1＝1200nm、第二波长λ2＝1450nm处的光谱曲线也有较大差别。
本发明的分选系统和分选方法还可以对其他物品进行分选。在对其他物品进行分选时则需重新对非周期极化晶体进行设计，同时第一波长和第二波长也不一定是1200nm和1450nm了。
本发明的分选方法，基于准相位匹配原理，利用遗传算法设计出的非周期极化晶体来产生仅包含1200nm和1450nm的正交双偏振信号光照射在识别区域上，分光单元将识别区域被测物品分成两束相互正交的偏振信号光即1200nm的光束a和1450nm的光束b后，根据1200nm和1450nm这两束光的反射率比值，来识别核桃壳与核桃仁。本发明所获得的正交双偏振信号光不受激光发射谱线的限制，可以根据被测物品的光谱特征通过设计非周期极化晶体内的各电畴的正负极化方向获得相应的波长，具有较强的灵活性与稳定性，无需任何滤波片。
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选系统，其特征在于：包括光源单元(1)、分光单元(2)、采集单元(3)、识别单元(4)、分选单元(5)、传送带(7)，
被测物品被放置于所述传送带(7)上，所述光源单元(1)、分光单元(2)、采集单元(3)均设置在所述传送带(7)的上方，所述光源单元(1)发出正交双偏振信号光照射在下方所述传送带(7)上，将所述传送带(7)被所述光源单元(1)照射的区域定义为识别区域；所述分光单元(2)位于识别区域反射光线的路径上，所述分光单元(2)将识别区域的反射光线分光成两束相互正交的偏振信号光后从所述分光单元(2)的出光口射出；所述分光单元(2)的各出光口处均设置有用于采集光信号的所述采集单元(3)，两个所述采集单元(3)均连接至一个所述识别单元(4)，即两个所述采集单元(3)将采集的光信号传送至一个所述识别单元(4)内进行识别分析；所述分选单元(5)设置在所述传送带(7)的尾端，所述分选单元(5)受所述识别单元(4)控制将被测物品中的核桃壳与核桃仁进行分离。
2.根据权利要求1所述的一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选系统，其特征在于：所述光源单元(1)包括固体激光器(11)、光学耦合透镜组(12)、输入耦合镜组(13)、非周期极化晶体(14)、温控炉(15)、输出耦合镜(16)，所述光学耦合透镜组(12)、输入耦合镜组(13)、非周期极化晶体(14)、输出耦合镜(16)同轴且依次设置在所述固体激光器(11)的出射激光路径上；所述温控炉(15)设置在所述非周期极化晶体(14)的外部，且所述温控炉(15)在与所述非周期极化晶体(14)入射光线和出射光线对应的位置处设置有通孔；所述输出耦合镜(16)射出正交双偏振信号光。
3.根据权利要求2所述的一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选系统，其特征在于：所述光源单元(1)还包括设置在所述输出耦合镜(16)出射光线路径上的柱面镜(17)，所述输出耦合镜(16)射出正交双偏振信号光经过所述柱面镜(17)扩束展宽后扩大了照射至下方所述传送带(7)的识别区域。
4.根据权利要求2所述的一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选系统，其特征在于：所述传送带(7)上包括有一个以上并排设置的输送道，每个输送道上均有被所述柱面镜(17)射出的正交双偏振信号光所照射到的识别区域。
5.根据权利要求4所述的一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选系统，其特征在于：各输送道识别区域的反射光线路径上都设置有一个所述分光单元(2)，同一个所述分光单元(2)所对应的两个采集单元(3)与同一个识别单元(4)电连接；各输送道尾端均设置有对应的分选单元(5)，各识别单元(4)控制对应输送道尾端的分选单元(5)将被传送至当前输送道尾端的被测物品进行分选；所述分光单元(2)为二向偏振分光镜。
6.根据权利要求5所述的一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选系统，其特征在于：所述分选单元(5)包括喷气阀(51)、核桃仁接收箱(52)、核桃壳接收箱(53)，所述喷气阀(51)设置在各输送道尾端的正下方，所述核桃仁接收箱(52)设置在靠近所述传送带(7)尾端的下方，所述核桃壳接收箱(53)设置在远离传送带(7)尾端的下方。
7.一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选方法，应用在如权利要求6中所述的一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选系统上，其特征在于，包括以下步骤：
S1，基于准相位匹配双信号光运转的光参量振荡原理，对非周期极化晶体(14)进行设计，使光源单元(1)产生正交双偏振信号光；
S2，确定光源单元(1)产生的正交双偏振信号光在传送带(7)上的识别区域，确定识别区域与传送带(7)尾端的距离L，确定传送带的传送速度v，技术人员预先在识别单元(4)中计算好被测物品从识别区域到达传送带(7)尾端的时间t0；
S3，下料装置(6)使被测物品匀速且有时间间隔地先后落在传送带(7)上的各输送道中；
S4，当被测物品随着自身所在输送道的传送到达当前输送道上的识别区域时，正交双偏振信号光照射在被测物品上，识别区域内被测物品的反射光线进入分光单元(2)的分光后成为两束相互正交的偏振信号光即光束a和光束b，光束a和光束b分别从分光单元(2)的两个出光口射出；
S5，同一个分光单元(2)两个出光口处的采集单元(3)分别采集光束a和光束b的光强后送入同一个识别单元(4)内进行识别分析；
S6，当被测物品到达传送带(7)尾端时，分选单元(5)受识别单元(4)的控制将核桃仁和核桃壳进行分离。
8.根据权利要求7所述的一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选方法，其特征在于，在S1中还包括以下子步骤：
S11，基于准相位匹配原理和双信号光光参量振荡增益设计目标函数F：F＝G(λ1)+G(λ2)－∣G(λ1)+G(λ2)∣，
其中，λ1为第一波长，λ2为第二波长，G(·)表示特定波长下的光参量振荡增益；
S12，确定第一波长λ1、第二波长λ2：利用近红外光谱仪测量核桃仁、核桃壳的反射光谱，根据反射光谱的吸收峰选择第一波长λ1、第二波长λ2，使得核桃仁、核桃壳在第一波长λ1、第二波长λ2处反射光的比值之差的绝对值大于第一阈值ΔR1；
S13，分别选择双信号光运转的光参量振荡器各互作用光波的偏振方向：固体激光器(11)选择1064nm的p光；对于第一波长λ1＝1200nm的信号光，选择信号光和闲频光均为o光；对于第二波长λ2＝1450nm的信号光，选择信号光和闲频光均为e光；
S14，基于目标函数F、第一波长λ1、第二波长λ2采用遗传算法来设计非周期极化晶体(14)内每个电畴的正负极化方向，使得非周期极化晶体(14)在第一波长λ1和第二波长λ2处的光参量振荡增益之和取极大值，且使得非周期极化晶体(14)在第一波长λ1和第二波长λ2处的光参量振荡增益之差取极小值；设计好非周期极化晶体(14)后，光源单元(1)产生正交双偏振信号光。
9.根据权利要求8所述的一种基于近红外正交双偏振光的核桃分选方法，其特征在于：
在S4中，经分光单元(2)的分光后所得到的两束相互正交的偏振信号光中，光束a为1200nm的o光，光束b为1450nm的e光；
在S5中，还包括以下子步骤：
S51，同一个分光单元(2)两个出光口处的采集单元(3)分别采集光束a和光束b的光强后转化为电流信号后送入同一个识别单元(4)内，将光束a对应的电流信号记为Iλ1，将光束b对应的电流信号记为Iλ2；
S52，识别单元(4)计算光束a和光束b的反射率比值R：R＝Iλ1/Iλ2；
S53，若R＜R0，则识别单元(4)判定当前输送道识别区域内的被测物品为核桃壳，否则为核桃仁，其中R0为第一分选参数。
10.根据权利要求9所述的一种基于光谱的分光式检测方法，其特征在于，在S6中，还包括以下子内容：
识别单元(4)将每轮识别分析所耗费的时间记为t1，当识别单元(4)判定当前输送道识别区域内的被测物品为核桃壳时，则识别单元(4)自得出判别结果时起，于(t0-t1)时间间隔后控制对应输送道的喷气阀(51)进行喷气，使被测物品从传送带(7)尾端下落时受到对应喷气阀(51)喷出气体的推力落入核桃壳接收箱(53)内，否则对应输送道的喷气阀(51)不动作。
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|---|---|---|---|
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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