基于連續(xù)波的雙層瓜果組織光學(xué)特性無損檢測(cè)方法與裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種生物組織光學(xué)特性無損檢測(cè)方法與裝置，尤其涉及一種基于連續(xù) 波的雙層瓜果組織光學(xué)特性無損檢測(cè)方法與裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 光譜分析技術(shù)，尤其是可見與近紅外波段，在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)分析領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十 分廣泛，目前主要應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)，例如瓜果類的糖度、硬度及病變等。但常規(guī)光譜 分析技術(shù)獲得的光譜為光與生物組織相互作用后的所有光信號(hào)，無法將吸收特性與散射特 性進(jìn)行分離，且不具有指紋圖譜的特性，在后期分析時(shí)只能通過化學(xué)計(jì)量學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 分析建模，有人稱此過程為"暗箱"。在光源設(shè)計(jì)及布置時(shí)，也只能通過經(jīng)驗(yàn)與后期建模效果 來進(jìn)行對(duì)比，過程繁瑣且可靠性差。這主要是由于缺乏對(duì)光在生物組織中傳播的理解及生 物組織光學(xué)特性的相關(guān)知識(shí)。生物組織光學(xué)特性在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研宄已經(jīng)相當(dāng)深入，通過光 學(xué)特性進(jìn)行疾病診斷已經(jīng)成為醫(yī)療診斷的重要方法之一。但對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品光學(xué)特性的研宄卻 鮮有報(bào)道。因此，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品光學(xué)特性的檢測(cè)，尤其是針對(duì)雙層組織結(jié)構(gòu)的瓜果類光學(xué)特性的 檢測(cè)，就顯得尤為重要。
[0003] 光與生物組織的相互作用主要包括吸收與散射，與之相對(duì)應(yīng)的光學(xué)特性參數(shù)分別 為吸收系數(shù)（U a)、約化散射系數(shù)（μ/ )。對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品諸如瓜果類，光與生物組織的相互 作用主要表現(xiàn)出弱吸收、強(qiáng)散射的特性。福射傳輸理論（Radiation Transfer Theory)能 夠較為準(zhǔn)確的描述光在生物組織中的傳播，但該模型較為復(fù)雜，變量較多，不適用于實(shí)際應(yīng) 用。擴(kuò)散近似理論（Diffusion Approximation)作為福射傳輸理論的簡化，已被證明并廣 泛應(yīng)用于生物組織內(nèi)光傳輸?shù)拿枋??；跀U(kuò)散近似理論的光學(xué)特性檢測(cè)方法主要有時(shí)域方 法、頻域方法、空間分辨方法和積分球方法等。其中基于連續(xù)波的空間分辨方法能夠?qū)崿F(xiàn)寬 波段檢測(cè)，較適合于農(nóng)產(chǎn)品光學(xué)特性檢測(cè)。
[0004][0005] 對(duì)于瓜果類農(nóng)產(chǎn)品，大多屬于雙層結(jié)構(gòu)組織（果皮、果肉），且果皮和果肉的光學(xué) 特性通常存在較大差異。因此有必要對(duì)雙層結(jié)構(gòu)組織分別測(cè)出其光學(xué)特性參數(shù)。Kienle 等（參見 Kienle A,等· Noninvasive determination of the optical properties of two-layered turbid media.Applied optics, 1998,37(4):779-791.)基于擴(kuò)散近似理 論推導(dǎo)出了用于雙層生物組織光學(xué)特性參數(shù)檢測(cè)的理論模型，可用于雙層生物組織光 學(xué)特性參數(shù)的反演計(jì)算。Cen等（參見Cen H,等.Quantification of the optical properties of two-layer turbid materials using a hyperspectral imaging-based spatially-resolved technique. Applied optics, 2009, 48 (29) :5612-5623.)對(duì)上述模型 進(jìn)行了驗(yàn)證及應(yīng)用，結(jié)果表明，在已知第一層光學(xué)特性參數(shù)及厚度的情況下，反演計(jì)算得到 的第二層光學(xué)特性參數(shù)精度較高，而對(duì)雙層光學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行同時(shí)反演計(jì)算時(shí)，精度較差， 誤差高達(dá)23%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服上述【背景技術(shù)】的不足，提供一種基于連續(xù)波的 雙層瓜果組織光學(xué)特性無損檢測(cè)方法與裝置，本發(fā)明綜合了高光譜成像技術(shù)、空間分辨漫 反射技術(shù)、傾斜反射技術(shù)（oblique reflectrometry)及有限元分析方法，可以非侵入的方 式實(shí)時(shí)、無損的獲取瓜果果皮與果肉的吸收系數(shù)μ 3和約化散射系數(shù)μ s'。
[0007] 本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：一種基于連續(xù)波的雙層瓜果組織光學(xué)特性無損檢測(cè) 方法，其特征在于：首先在傾斜入射光源條件下，通過高光譜成像系統(tǒng)掃描采集樣本在不同 位置的漫反射高光譜圖像，之后通過反向有限元方法反演計(jì)算漫反射高光譜圖像包含的第 一層組織的光學(xué)特性信息，得到第一層組織被掃描區(qū)域的平均吸收系數(shù)U al和約化散射系 數(shù) ysl' ；
[0008] 然后在垂直入射光源的條件下，通過高光譜成像系統(tǒng)掃描采集樣本的漫反射高光 譜圖像，最后通過反向有限元方法反演計(jì)算漫反射高光譜圖像包含的第一層及第二層組織 的光學(xué)特性信息，其中第一層組織的光學(xué)特性信息已知，得到第二層組織被掃描區(qū)域的平 均吸收系數(shù)μ a2和約化散射系數(shù)μ s2'
[0009] 上述基于連續(xù)波的雙層瓜果組織光學(xué)特性無損檢測(cè)方法，包括下列步驟：
[0010] (1)用計(jì)算機(jī)控制位移平臺(tái)輸送樣本至光源正下方停止，開啟傾斜入射光源，然后 高光譜成像系統(tǒng)通過沿樣本運(yùn)動(dòng)方向的線掃描獲取樣本漫反射高光譜圖像，此圖像由二維 數(shù)組組成，包括空間信息和光譜信息；線掃描的位置通過鏡頭中心且沿樣本運(yùn)動(dòng)方向；由 于傾斜入射光源朝鏡頭中心方向傾斜入射，所采集的圖像只包含樣本第一層的光學(xué)特性信 息；
[0011] (2)提取步驟（1)中采集的漫反射高光譜圖像得到不同波長對(duì)應(yīng)的空間分辨漫反 射光譜，通過反向有限元方法反演計(jì)算得到第一層組織被掃描區(qū)域的平均吸收系數(shù)μ al和 約化散射系數(shù)ysl' ；
[0012] (3)保持樣本位置不動(dòng)，開啟垂直入射光源，高光譜成像系統(tǒng)通過線掃描方式采集 樣本的漫反射高光譜圖像，此圖像由二維數(shù)組組成，包括空間信息和光譜信息，此圖像包含 第一層及第二層組織的光學(xué)特性信息；
[0013] (4)提取步驟（3)中采集的漫反射高光譜圖像得到不同波長對(duì)應(yīng)的空間分辨漫反 射光譜，通過反向有限元方法反演計(jì)算得到第二層組織被掃描區(qū)域的平均吸收系數(shù)μ a2和 約化散射系數(shù)μ s2'。
[0014] 所述步驟（2)包括下列操作內(nèi)容：
[0015] (2a)步驟（1)所采集的圖像為二維數(shù)組，其中一維為光譜信息，另一維為空間信 息；空間分辨漫反射光譜提取時(shí)保留所有空間信息，即一個(gè)波長提取出一條空間分辨漫反 射光譜，然后將提取出的空間分辨漫反射光譜進(jìn)行平滑降噪；
[0016] (2b)所述反演算法具體包括：有限元方法基于初始光學(xué)特性參數(shù)值對(duì)傾斜入射 光在單層組織內(nèi)的傳輸進(jìn)行仿真得出相應(yīng)的空間分辨漫反射光譜，將該光譜與高光譜成像 系統(tǒng)采集的空間分辨漫反射光譜進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出光譜所有位置縱坐標(biāo)的差值平方和，并 通過非線性偏最小二乘法進(jìn)行優(yōu)化并對(duì)初始光學(xué)特性參數(shù)值進(jìn)行更新迭代，當(dāng)兩條光譜的 差值平方和小于設(shè)置的閾值時(shí)停止計(jì)算，得出對(duì)應(yīng)的吸收系數(shù)U al和約化散射系數(shù)μ sl' ；
[0017] (2c)依次提取不同波長對(duì)應(yīng)的空間分辨漫反射光譜，重復(fù)步驟（2b)，計(jì)算出所有 波長下的光學(xué)特性參數(shù)。
[0018] 所述步驟⑷包括以下操作內(nèi)容：
[0019] (4a)步驟（3)所采集的圖像為二維數(shù)組，其中一維為光譜信息，另一維為空間信 息；空間分辨漫反射光譜提取時(shí)保留所有空間信息，即一個(gè)波長提取出一條空間分辨漫反 射光譜，然后將提取出的空間分辨漫反射光譜進(jìn)行平滑降噪；
[0020] (4b)所述反演算法具體包括：有限元方法基于初始光學(xué)特性參數(shù)值對(duì)垂直入射 光在雙層組織內(nèi)的傳輸進(jìn)行仿真得出相應(yīng)的空間分辨漫反射光譜，將該光譜與高光譜成像 系統(tǒng)采集的空間分辨漫反射光譜進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出光譜所有位置縱坐標(biāo)的差值平方和，并 通過非線性偏最小二乘法進(jìn)行優(yōu)化并對(duì)初始光學(xué)特性參數(shù)值進(jìn)行更新迭代，當(dāng)兩條光譜的 差值平方和小于設(shè)置的閾值時(shí)停止計(jì)算，得出對(duì)應(yīng)的吸收系數(shù)U a2和約化散射系數(shù)μ s2'。
[0021] 一種基于連續(xù)波的雙層瓜果組織光學(xué)特性無損檢測(cè)裝置，其特征在于：包括高光 譜成像系統(tǒng)、光源系統(tǒng)及樣本輸送裝置；其中，高光譜成像系統(tǒng)包括依次連接的CCD相機(jī)、 成像光譜儀及鏡頭，鏡頭豎直朝下布置；光源系統(tǒng)包括兩個(gè)光源，分別與兩個(gè)光源耦合的垂 直入射光纖、傾斜入射光纖及光纖固定支架，垂直入射光纖、傾斜入射光纖分別通過固定螺 母垂直固定在光纖固定支架上，且垂直入射光纖位于傾斜入射光纖的前側(cè)，光纖固定支架 沿樣本運(yùn)動(dòng)方向布置，并與鏡頭的軸線呈一定夾角。
[0022] 所述樣本輸送裝置包括電機(jī)、聯(lián)軸器、線性滑軌和托盤；電機(jī)通過聯(lián)軸器與線性滑 軌的轉(zhuǎn)軸連接，托盤固定在線性滑軌的滑塊上。
[0023] 所述傾斜入射光纖的固定螺母中，其中一個(gè)固定螺母將傾斜入射光纖的下端固 定在光纖固定支架上，另一個(gè)螺母安裝在光纖固定支架的弧形槽內(nèi)并固定著傾斜入射光 纖的中部，螺母可在弧形槽內(nèi)滑動(dòng)從而調(diào)節(jié)傾斜入射光纖與水平面的夾角，該夾角范圍為