一種水果果肉組織光學(xué)特性參數(shù)的重構(gòu)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)特性參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種水果果肉組織光學(xué)特性參數(shù)的 重構(gòu)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，水果的組織光學(xué)參數(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于水果內(nèi)在品質(zhì)的多種特征、參數(shù) 的快速、無(wú)損檢測(cè)。比較典型的應(yīng)用有預(yù)測(cè)水果的糖度，水果的果肉的硬度，水果的貨架期 等，應(yīng)用的水果對(duì)象的種類也逐步被推廣。
[0003] 在水果果肉組織光學(xué)傳輸特性測(cè)量中組織光學(xué)特性參數(shù)主要是吸收系數(shù)和約化 散射系數(shù)。吸收系數(shù)可以定量分析相果肉中化學(xué)或者組成物質(zhì)的含量，約化散射系數(shù)可以 提供果肉細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)信息。用于檢測(cè)光學(xué)傳輸特性的技術(shù)可以分為時(shí)間分辨、頻域分 辨和穩(wěn)態(tài)連續(xù)光三種技術(shù)。然而，時(shí)間分辨和頻率分辨光測(cè)量方法需要大量的昂貴設(shè)備，無(wú) 法在水果果肉這種廉價(jià)對(duì)象中推廣。最近，使用穩(wěn)態(tài)連續(xù)光空間漫反射光譜測(cè)試組織樣本 光學(xué)特性的方法，被認(rèn)為是一個(gè)較為簡(jiǎn)便的選擇方案。
[0004] 常規(guī)的連續(xù)波空間漫反射測(cè)量使用的是高光譜技術(shù)，用CCD相機(jī)及鏡頭測(cè)定水果 果肉檢測(cè)面上空間分辨漫反射情況，測(cè)量裝置的缺點(diǎn)是設(shè)備體積大，而且標(biāo)定過程過于復(fù) 雜，也不能作為快速檢測(cè)方法。光纖探頭穩(wěn)態(tài)連續(xù)空間漫反射光方法結(jié)合了光纖檢測(cè)的無(wú) 損，快速，便攜和低成本的優(yōu)點(diǎn)，值得在水果果肉組織檢測(cè)中進(jìn)一步探究推廣，并需進(jìn)一步 提出組織光學(xué)特性參數(shù)的重構(gòu)方法。麥克斯韋方程組，輻射傳輸方程，無(wú)法使用光纖采集 的光譜信息求解。而漫射近似求解，由于缺乏有效的擬合標(biāo)定，也難于展開大規(guī)模應(yīng)用。另 一種常見的方法就是開著大規(guī)模的隨機(jī)仿真，較為典型的是MonteCarlo模擬數(shù)值方法 (MC)。在搜索組織光學(xué)特性參數(shù)的過程中，每次搜索，都進(jìn)行一次隨機(jī)仿真，將耗費(fèi)大量的 時(shí)間，按照目前普通微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算水平，大概需要數(shù)個(gè)小時(shí)，嚴(yán)重制約檢測(cè)效率。如果 事先建立查找表、則需要花費(fèi)大量的時(shí)間和光子來(lái)保證模擬精度，基于MC的查表法雖然可 節(jié)省計(jì)算時(shí)間，在模擬過程中，隨機(jī)噪聲將干擾光的傳播性質(zhì)。然而，集成探頭的漫反射光 對(duì)一次或幾次MC模擬中的的隨機(jī)噪聲特別敏感，降低的光學(xué)傳輸性能預(yù)測(cè)方法的穩(wěn)定性。 綜上所述，對(duì)于集成光纖探頭中的漫反射光譜推算水果果肉的組織光學(xué)特性參數(shù)，上述方 法都不能完成快速組織光學(xué)特性參數(shù)重構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種水果果肉組織光學(xué)特性參數(shù)的重構(gòu)方法，以解 決現(xiàn)有技術(shù)不能快速完成組織光學(xué)特性參數(shù)重構(gòu)的問題。
[0006] 本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種水果果肉組織光學(xué)特性參數(shù)的重構(gòu)方法，所述 方法包括：
[0007] 通過光纖探頭獲取水果果肉組織的光譜，將所述光譜描述為一個(gè)二維數(shù)字矩陣， 并獲取所述光纖探頭中接收光纖與發(fā)射光纖之間的距離；
[0008] 根據(jù)所述距離通過蒙特卡羅隨機(jī)仿真，繪制約化散射系數(shù)與空間漫反射率的理論 關(guān)系曲線，確定所述光纖探頭的理論最大空間漫反射率，并獲取所述理論最大空間漫反射 率對(duì)應(yīng)的理論約化散射系數(shù)；
[0009] 配置多個(gè)約化散射系數(shù)在所述理論約化散射系數(shù)預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)的聚苯乙烯微球溶 液；
[0010] 將所述聚苯乙烯微球溶液的光譜描述為一個(gè)三維數(shù)字矩陣；
[0011] 從所述三維矩陣中提取每條接收光纖每個(gè)波長(zhǎng)的聚苯乙烯微球溶液的約化散射 系數(shù)與空間漫反射率數(shù)據(jù)，通過樣條曲線法擬合關(guān)系曲線，從所述擬合曲線中，獲取所述光 纖探頭中接收光纖的實(shí)際最大空間漫反射率和所述實(shí)際最大空間漫反射率對(duì)應(yīng)的實(shí)際約 化散射系數(shù)；
[0012] 根據(jù)所述理論最大空間漫反射率和實(shí)際最大空間漫反射率，確定空間漫反射率的 標(biāo)定系數(shù)，根據(jù)所述理論最大約化散射系數(shù)和實(shí)際最大約化散射系數(shù)，確定約化散射系數(shù) 的標(biāo)定系數(shù)，根據(jù)所述標(biāo)定系數(shù)對(duì)所述二維數(shù)字矩陣中的每個(gè)元素進(jìn)行標(biāo)定，獲取標(biāo)定后 的二維數(shù)字矩陣；
[0013] 在所述標(biāo)定后的二維數(shù)字矩陣中，根據(jù)不同的波長(zhǎng)，提取所述標(biāo)定后的接收光纖 采集的水果果肉的空間漫反射率數(shù)據(jù)和約化散射系數(shù)的標(biāo)定系數(shù)，并通過漫射近似方程 及最小二乘優(yōu)化方法搜索水果果肉組織在不同波長(zhǎng)下的初定約化散射系數(shù)和初定吸收系 數(shù)；
[0014] 使用經(jīng)驗(yàn)公式描述波長(zhǎng)和約化散射系數(shù)的關(guān)系，并使用參數(shù)擬合方法擬合所述初 定約化散射系數(shù)和波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，并以波長(zhǎng)為輸入變量，獲取水果果肉組織在不同波長(zhǎng) 下的約化散射系數(shù)重構(gòu)值；
[0015] 在所述標(biāo)定后的二維數(shù)字矩陣中，根據(jù)不同的波長(zhǎng)，提取所述標(biāo)定后的組織空間 漫反射率和所述約化散射系數(shù)重構(gòu)值，使用漫射近似方程和最小乘優(yōu)化方法，獲得水果果 肉組織在不同波長(zhǎng)下的吸收系數(shù)重構(gòu)值。
[0016] 本發(fā)明實(shí)施例，利用蒙特卡羅仿真中約化散射系數(shù)與空間漫反射率曲線產(chǎn)生的特 征峰，與不同散射系數(shù)聚苯乙烯顆粒的實(shí)際擬合曲線比對(duì)產(chǎn)生定標(biāo)系數(shù)，簡(jiǎn)化了定標(biāo)流程， 加快了定標(biāo)的步驟，并增加的理論模型和實(shí)際模型的匹配度。本發(fā)明采用漫射近似方程推 算水果果肉的組織光學(xué)特性參數(shù)，簡(jiǎn)化了計(jì)算難度，提高了計(jì)算效率，縮短了計(jì)算時(shí)間，并 具備在線應(yīng)用的可行性；在計(jì)算過程中引入了經(jīng)驗(yàn)公式的約束，提高了約化散射系數(shù)曲線 的平滑性，并采用二次擬合吸收系數(shù)，提高生了重構(gòu)模型的穩(wěn)定性和精確度。
【附圖說明】
[0017] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述 中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些 實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些 附圖獲得其他的附圖。
[0018] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的水果果肉組織光學(xué)特性參數(shù)重構(gòu)方法的流程圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的水果果肉中豐水梨的約化散射系數(shù)的示意圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的水果果肉中豐水梨的吸收系數(shù)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0022] 為了說明本發(fā)明所述的技術(shù)方案，下面通過具體實(shí)施例來(lái)進(jìn)行說明。
[0023] 實(shí)施例一
[0024] 如圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例提供的水果果肉組織光學(xué)特性參數(shù)重構(gòu)方法的流程 圖，所述方法包括以下步驟：
[0025] 步驟S101，通過光纖探頭獲取水果果肉組織的光譜，并將所述光譜描述為一個(gè)二 維數(shù)字矩陣，并獲取所述光纖探頭中接收光纖與發(fā)射光纖之間的距離。
[0026] 在本發(fā)明實(shí)施例中，光纖探頭通常包含1條發(fā)射光纖和3條接收光纖，通過接收 光纖即可獲取水果果肉組織的光譜，將光譜描述為一個(gè)二維數(shù)字矩陣，矩陣中的元素對(duì)應(yīng) 水果果肉組織的空間漫反射率，矩陣的行方向?qū)?yīng)光譜波長(zhǎng)的變化（變化范圍為500~ 850nm)，矩陣的列方向?qū)?yīng)3條接收光纖，記錄有接收光纖與發(fā)射光纖的距離（分別為 0· 94mm、1. 41mm和 1. 88mm)。
[0027] 步驟S102,根據(jù)所述距離通過蒙特卡羅隨機(jī)仿真，繪制約化散射系數(shù)與空間漫反 射率的理論關(guān)系曲線，確定所述光纖探頭的理論最大空間漫反射率，并獲取所述理論最大 空間漫反射率對(duì)應(yīng)的理論約化散射系數(shù)。
[0028] 在本發(fā)明實(shí)施例中，蒙特卡羅仿真中，光子數(shù)為107,單層組織深度為10cm，組織界 面寬度為l〇cm，對(duì)于光纖探頭，模擬半無(wú)限介質(zhì)。
[0029] 步驟S103,配置多個(gè)約化散射系數(shù)在所述理論約化散射系數(shù)附近的聚苯乙烯微球 溶液。
[0030] 在本發(fā)明實(shí)施例中，根據(jù)MIE散射理論，配置不同濃度的聚苯乙烯微球溶液樣本， 溶液的約化散射系統(tǒng)均勻分布在理論約化散射系數(shù)的附近。優(yōu)選的，聚苯乙烯微球溶液樣 本的數(shù)量為20個(gè)，分布區(qū)間為2~100cm\聚苯乙烯微球的直徑為100um，折射率為1. 60。
[0031] 步驟S104,將所述聚苯乙烯微球溶液的光譜描述為一個(gè)三維數(shù)字矩陣。
[0032] 在本發(fā)明實(shí)施例中，將上述步驟中配置的聚苯乙烯微球溶液的光譜描述為一個(gè)三 維數(shù)字矩陣，矩陣中的元素對(duì)應(yīng)聚苯乙烯微球溶液的空間漫反射率，矩陣第一維度的方向 對(duì)應(yīng)聚苯乙烯微球溶液的光譜的波長(zhǎng)的變化，波長(zhǎng)變化范圍為500~850nm，矩陣第二維度 的方向?qū)?yīng)3條接收光纖，矩陣第三維度的方向?qū)?yīng)聚苯乙烯微球溶液的約化散射系數(shù)的 變化。
[0033] 步驟S105,從所述三維矩陣中提取每條接收光纖每個(gè)波長(zhǎng)的聚苯乙烯微球溶液的 約化散射系數(shù)與空間漫反射率數(shù)據(jù)，通過樣條曲線法擬合關(guān)系曲線，從所述擬合曲線中，獲 取所述光纖探頭中接收光纖的實(shí)際最大空間漫反射率和所述實(shí)際最大空間漫反射率對(duì)應(yīng) 的實(shí)際約化散射系數(shù)。
[0034] 步驟S106,根據(jù)所述理論最大空間漫反射率和實(shí)際最大空間漫反射率，確定空間 漫反射率的標(biāo)定系數(shù)，根據(jù)所述理論最大約化散射系數(shù)和實(shí)際最大約化散射系數(shù)，確定約 化散射系數(shù)的標(biāo)定系數(shù)，根據(jù)所述標(biāo)定系數(shù)對(duì)所述二維數(shù)字矩陣中的每個(gè)元素進(jìn)行標(biāo)定， 獲取標(biāo)定后的二維數(shù)字矩陣。
[0035] 在本發(fā)明實(shí)施例中，空間漫射率的標(biāo)定系數(shù)=理論最大空間漫反射率/實(shí)際最