用集成光纤探头的水果果肉组织光学特性检测系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及了一种农产品对象光学检测系统和检测方法，尤其是涉及了一种用集 成光纤探头的水果果肉组织光学特性检测系统和方法。
【背景技术】
[0002] 生物组织的光学特性已在多个领域广泛应用，在农产品检测领域也屡见报道。农 产品的组织光学特征逐步用于表征其糖度、硬度等品质参数，同时在果类产品产地分类、分 级筛选、内部探伤也逐步开始应用。在组织光学特性测量中两个重要的光学性质参数是吸 收系数和约化散射系数。吸收系数可以定量分析样本组成或发色团的含量，约化散射系数 可以提供样本的微观结构信息，故提出组织光学特性参数检测方案具有实际意义。
[0003] 根据现有技术，传统用于检测光学传输特性的技术可以分为时间分辨、频域分辨 和稳态连续光三种。时间分辨和频率分辨技术需要昂贵的检测仪器，不利于在低价值的水 果果肉检测中使用。同时此类技术对检测环境的要求较高，探测器和检测组织之间应该保 持较高的清洁度。稳态连续光测量当中，通常使用的是CCD相机及镜头，相机在成像过程 中，由于水果果肉组织呈现不规则形状，而且每个样本外形均不可能绝对一致，这将引入较 大误差。还有一种测量方式为分立光纤测量，通过移动光纤在不同的径向距离捕捉漫反射， 此类方法检测速度较慢，不能作为快速和在线检测方法。同时移动部件受到机械性能制约， 机械位移误差难以保证。
[0004] 将多股光纤集成在一个探头中，是光纤技术发展后新的检测手段，具有无损，快 速，便携和低成本等优点，但是由于接收空间分辨漫反射的光纤数量是有限的，故无法采用 麦克斯韦、辐射传输等理论求解。若使用较为简便的辐射传输方程，因其建立在高散射粒子 的理论假设，其标定具有较大难度，而且光纤探头距离较近，在拟合计算中存在较大的拟合 误差。
[0005] 对于使用集成光纤探头完成水果果肉的组织光学特性参数检测，探头与水果果肉 的接触压力将引起果肉组织结构的变化，导致特性参数的偏移。与传统光纤检测方案比较， 本方法涉及的检测装置增加了接触压力显示机构，并可对机械压力进行准确控制，增加了 果肉组织预测方法的稳定性和可靠性。
【发明内容】
[0006] 为了解决【背景技术】中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用集成光纤探头的 水果果肉组织光学特性检测系统和方法，整合了带有压力控制空间漫反射探头，及相应的 校正、推算方法，故弥补了传统检测方案的不足，以解决现有技术中无法实现快速、低成本 的光学特性检测问题。
[0007] 本发明采用的技术方案是：
[0008] -、一种用集成光纤探头的水果果肉组织光学特性检测系统：
[0009] 包括卤钨光源、照明光纤、多根接收光纤、探头、载物台、切换器、光谱仪、计算机、 压力传感器、压力显示器和垂直滑台；待测样本置于载物台上，载物台正上方安装有探头， 探头固定于压力传感器的端部，探头朝向正下方的待测样本，压力传感器固定于垂直滑台 上沿滑台上下移动，探头经照明光纤与卤钨光源连接，压力传感器连接压力显示器显示压 力数据，探头经多根接收光纤与切换器连接，切换器的两个输入端分别连接计算机和光谱 仪，卤妈光源、压力传感器、光谱仪与计算机连接。
[0010] 所述的照明光纤和多根接收光纤的芯径均为100μL?，数值孔径为0. 11，照明光纤 和多根接收光纤呈一字型排列（直线排列），相邻光纤间的间距为0. 237mm。
[0011] 优选地，所述卤钨光源型号为雷畴HAL卤钨光源；切换器型号为海洋MAM2000切换 器；光谱仪型号为蔡司MSC600光谱仪；计算机型号为Z400计算机。
[0012] 二、一种用集成光纤探头的水果果肉组织光学特性检测方法：
[0013]步骤1)配置定标幻影溶液获得定标幻影溶液的实际空间分辨漫反射光谱；
[0014] 步骤2)通过理论计算获得每个定标幻影溶液的理论空间分辨漫反射光谱；
[0015] 步骤3)逐一提取每个定标幻影溶液每条接收光纤的理论空间分辨漫反射光谱和 实际空间分辨漫反射光谱，区分不同接收光纤的不同波长点，计算获得各个接收光纤对应 的不同波长点下各自的最终定标系数；
[0016] 步骤4)对待测果肉组织样本检测空间漫反射光谱并进行光谱标定；
[0017] 步骤5)对于每一波长点，先初始约化散射系数和吸收系数，保持系统的接收光纤 中心与照明光纤中心之间的距离不变，由初始约化后的散射系数和吸收系数以及接收光纤 中心与照明光纤中心之间的距离采用快速蒙特卡罗计算方法得到待测果肉组织样本在某 一波长下空间漫反射光谱的预测值；
[0018] 步骤6)接着从步骤4)得到的完成标定后果肉组织样本空间分辨漫反射光谱中提 取测量值并计算目标函数值；
[0019] 步骤7)使用单纯形优化方法，重复上述步骤5)和步骤6)，搜索约化散射系数和吸 收系数，直到目标函数值趋近于零，得到该波长下的约化散射系数和吸收系数的预测值；
[0020] 步骤8)根据步骤4)得到标定后空间分辨漫反射光谱的波长范围，重复步骤5)至 步骤7)，获得所有波长下约化散射系数和吸收系数的预测值作为水果果肉组织光学特性的 表征。
[0021] 所述的步骤1)具体如下：使用脂肪乳注射液和印度墨水，配置已知约化散射系数 和吸收系数的定标幻影溶液置于烧杯中，然后置于载物台上，将集成光纤的探头浸入定标 幻影溶液中；计算机控制卤钨光源发光，光信号经照明光纤由探头照射到定标幻影溶液中 经反射和折射后被探头接收经接收光纤传输到切换器，计算机控制切换器逐一将接收的光 信号送入光谱仪，光谱仪逐一采集接收光纤光谱信号，获得定标幻影溶液的实际空间分辨 漫反射光谱，并以二维矩阵的数据形式存于计算机中。
[0022] 所述的步骤2)具体如下：使用漫射近似方程，分别输入定标幻影溶液的已知约化 散射系数和吸收系数以及接收光纤中心与照明光纤中心之间的距离，得到漫射近似下的理 论空间分辨漫反射光谱；使用蒙特卡罗仿真方法，分别输入定标幻影溶液的已知约化散射 系数和吸收系数以及接收光纤中心与照明光纤中心之间的距离，得到漫射近似下的理论空 间分辨漫反射光谱；取漫射近似下的理论空间分辨漫反射光谱和蒙特卡罗方法下的理论空 间分辨漫反射光谱的平均值作为最终的理论空间分辨漫反射光谱。
[0023] 所述的步骤3)具体如下：对于某一接收光纤的一波长点，计算每个定标幻影溶液 的光谱定标系数=理论空间分辨漫反射光谱/实际空间分辨漫反射光谱，取所有定标幻影 溶液在同一波长下光谱定标系数均值为该接收光纤对应的该波长点下的最终定标系数。
[0024] 所述的步骤4)具体如下：将待测果肉组织样本置于载物台上，根据压力显示器的 指示通过计算机控制垂直滑台让探头平面接触待测果肉组织样本，计算机实施闭环控制， 并使得探头与待测果肉组织样本的样本平面保持预设的探测接触压力；计算机控制卤钨光 源发光，光信号经照明光纤由探头照射到待测果肉组织样本上经反射和折射后被探头接收 经接收光纤传输到切换器，计算机控制切换器逐一将接收的光信号送入光谱仪，光谱仪逐 一采集接收光纤光谱信号，获得定标幻影溶液的实际空间分辨漫反射光谱，并以二维矩阵 的数据形式存于计算机中；使用步骤3)得到的最终定标系数对待测果肉组织样本的空间 分辨漫反射光谱标定，获得空间分辨漫反射光谱的波长范围。
[0025] 所述步骤6)中的目标函数值采用以下公式；
[0026]
[0027] 其中，\_3和YliSini分别表示第i个接收光纤空间漫反射光强的测量值和预测值， i表示接收光纤的序数，N表示接收光纤的总数。
[0028] 本发明使用低成本的卤钨光源、光谱仪等仪器，通过将照明光纤和接收光纤集成 在一个探头中实现水果果肉的空间分辨漫反射光谱的探测。在探测过程中，通过计算机实 现探头与果肉样本组织接触压力的闭