一種田間水果的可見與近紅外光譜采集裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種田間水果的可見與近紅外光譜采集裝置與方法。裝置殼體內(nèi)裝有快門和積分球，光源與快門連接，快門裝在積分球入射孔上方，積分球出射孔位于裝置殼體輸出探頭上，外周圍安裝有環(huán)形橡膠墊圈；積分球下方通孔裝有準直鏡，準直鏡的光經(jīng)輸出光纖后由光譜分析儀的檢測器接收；分別測得田間果實在光譜分析儀光源和現(xiàn)場環(huán)境光共同作用下的現(xiàn)場光譜和僅在現(xiàn)場環(huán)境光作用下的田間背景光譜，經(jīng)光譜校正后，可得到能真實反映果實田間品質(zhì)的可見與近紅外光譜信息。本發(fā)明能有效減小田間環(huán)境光照的影響，有利于可見與近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用從室內(nèi)走向田間，能充分發(fā)揮可見與近紅外光譜技術(shù)在果實的田間管理、采收成熟度檢測等方面的潛力。
【專利說明】一種田間水果的可見與近紅外光譜采集裝置與方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水果的光譜采集裝置與方法，具體涉及光學測量【技術(shù)領(lǐng)域】的一種田間水果的可見與近紅外光譜采集裝置與方法。

【背景技術(shù)】
[0002]可見與近紅外光譜技術(shù)已廣泛用于水果產(chǎn)后內(nèi)部品質(zhì)檢測，水果的光譜采集多在室內(nèi)、恒溫、恒濕等條件進行，有研究表明，該技術(shù)可用于水果采前田間成熟度的檢測。然而，受儀器條件以及田間復雜光照、溫度等環(huán)境的影響，近紅外光譜技術(shù)在水果采前的應(yīng)用未能得到發(fā)展。目前，在田間水果近紅外光譜采集的試驗中，現(xiàn)有技術(shù)有采用套袋方式遮擋現(xiàn)場光線的方法能得到較理想的結(jié)果，但檢測效率低，不利于實際應(yīng)用；儀器暗場校正和參考光譜校正等方法有利于減小模型誤差，然而這兩種方法僅考慮了環(huán)境對儀器及光源的影響，不能有效消除田間環(huán)境光照的干擾，所測得的光譜不能真實反映田間水果樣品的內(nèi)部信息。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種田間水果的可見與近紅外光譜采集裝置與方法，該裝置內(nèi)置了快門和快門開關(guān)，通過光纖與光譜分析儀連接，克服田間光照對水果可見與近紅外光譜測量的影響。
[0004]本發(fā)明采用的技術(shù)方案:
一、一種田間水果的可見與近紅外光譜采集裝置:
包括積分球、快門、輸入光纖、快門開關(guān)、輸出光纖、檢測器、光源、準直鏡和環(huán)形橡膠墊圈；裝置殼體內(nèi)裝有快門和積分球，積分球安裝在裝置殼體探頭部，光譜分析儀的光源經(jīng)輸入光纖與快門連接，快門安裝在積分球的入射孔的正上方，與入射孔正對的積分球另一端的出射孔安裝在裝置殼體的輸出探頭上，裝置殼體的輸出探頭外周圍安裝有環(huán)形橡膠墊圈，環(huán)形橡膠墊圈與果實緊密接觸；
積分球下方開有通孔，通孔上裝有準直鏡，光源發(fā)出的光經(jīng)快門由入射孔的正上方對準積分球從出射孔經(jīng)裝置殼體的輸出探頭出射到果實表面，然后依次經(jīng)果實的反射或折射以及積分球內(nèi)壁的反射后入射到準直鏡，投射到準直鏡中的光經(jīng)輸出光纖后由光譜分析儀的檢測器接收；裝置殼體外側(cè)面安裝有與快門連接的快門開關(guān)。
[0005]所述的經(jīng)快門出射的光所在直線方向與連接積分球入射孔和出射孔的中心軸線之間的夾角為8°，使得快門出射光偏心照射到果實上，避免在果實被測面形成鏡面反射。
[0006]所述的積分球內(nèi)壁材料為聚四氟乙烯，內(nèi)壁反射面的反射率至少為99%。
[0007]二、一種田間水果的可見與近紅外光譜采集方法，包括以下步驟:
1)將裝置殼體的輸出探頭對準樹上果實，使裝置殼體輸出探頭外周圍的環(huán)形橡膠墊圈與果實完全接觸；
2)打開快門開關(guān)，光譜分析儀的光源發(fā)出的光經(jīng)快門出射和田間環(huán)境光線共同照射到水果上，經(jīng)積分球內(nèi)壁反射后入射到準直鏡中，再經(jīng)輸出光纖后由光譜分析儀的檢測器接收，輸出得到水果田間現(xiàn)場光譜Si ；
3)保持輸出探頭與果實的位置不變，關(guān)閉快門開關(guān)，僅有田間環(huán)境光線照射到水果，依次經(jīng)果實內(nèi)部的反射或折射、積分球內(nèi)壁反射后入射到準直鏡中，再經(jīng)輸出光纖后由光譜分析儀的檢測器接收，輸出得到田間背景光譜S2 ；
4)經(jīng)光譜分析儀處理校正得到田間水果的可見與近紅外光譜S，可見與近紅外光譜S=水果田間現(xiàn)場光譜S1-田間背景光譜S2。
[0008]所述的積分球內(nèi)壁材料為聚四氟乙烯，內(nèi)壁反射面的反射率至少為99%。
[0009]本發(fā)明具有的有益效果是:
本發(fā)明在光源探頭前加裝快門，將背景光譜從現(xiàn)場光譜中扣除，克服背景光對田間光譜測量的影響。
[0010]本發(fā)明裝置與方法能有效減小田間復雜環(huán)境光照的影響，有利于可見與近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用從室內(nèi)走向田間，將充分發(fā)揮可見與近紅外光譜技術(shù)在果實的田間管理、采收成熟度檢測等方面的潛力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的連接結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖2是本發(fā)明實施例得到的黃花梨漫反射光譜圖。
[0013]圖中:1、果實,2、裝置殼體,3、積分球,4、快門，5、輸入光纖,6、快門開關(guān),7、輸出光纖，8、檢測器，9、光源，10、準直鏡，11、環(huán)形橡膠墊圈。
[0014]【具體實施方式】:
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0015]如圖1所不,本發(fā)明包括積分球3、快門4、輸入光纖5、快門開關(guān)6、輸出光纖7、檢測器8、光源9、準直鏡10和環(huán)形橡膠墊圈11 ;裝置殼體2內(nèi)裝有快門4和積分球3，積分球3安裝在裝置殼體2探頭部，快門4經(jīng)輸入光纖5與光譜分析儀的光源9連接，快門4安裝在積分球3的入射孔的正上方，與入射孔正對的積分球3另一端的出射孔安裝在裝置殼體2的輸出探頭上，裝置殼體2的輸出探頭外周圍安裝有環(huán)形橡膠墊圈11，環(huán)形橡膠墊圈11與果實I緊密接觸，以阻止外界光線直接進入積分球；
積分球3下方開有通孔，通孔上裝有準直鏡10，光源I發(fā)出的光經(jīng)快門4由入射孔的正上方對準積分球3從出射孔經(jīng)裝置殼體2的輸出探頭出射到果實I表面，然后依次經(jīng)果實I內(nèi)部的反射或折射以及積分球3內(nèi)壁的反射后入射到準直鏡10，投射到準直鏡10中的光經(jīng)輸出光纖7后由光譜分析儀的檢測器8接收；裝置殼體2外側(cè)面安裝有與快門4連接的快門開關(guān)6，快門開關(guān)6用于控制快門4啟閉。
[0016]經(jīng)快門4出射的光所在直線方向與連接積分球3入射孔和出射孔的中心軸線之間的夾角為8°，使得快門4出射光偏心照射到果實I上，避免在果實I被測面形成鏡面反射。
[0017]本發(fā)明的采集方法包括以下步驟:
1)將裝置殼體2的輸出探頭對準樹上果實，使裝置殼體輸出探頭外周圍的環(huán)形橡膠墊圈與果實完全接觸；
2)打開快門開關(guān)，光譜分析儀的光源9發(fā)出的光經(jīng)快門4出射和田間環(huán)境光線共同照射到水果上，光源9發(fā)出的光照射到水果上，在水果內(nèi)部發(fā)生反射或折射，田間環(huán)境光線照射到水果上經(jīng)果內(nèi)的反射或折射從裝置殼體2的輸出探頭進入積分球3內(nèi)，經(jīng)積分球3內(nèi)壁反射后入射到準直鏡10中，再經(jīng)輸出光纖7后由光譜分析儀的檢測器8接收，輸出得到水果田間現(xiàn)場光譜SI ；
3)保持輸出探頭與果實的位置不變，關(guān)閉快門開關(guān)，僅有田間環(huán)境光線照射到水果，依次經(jīng)果實內(nèi)部的反射或折射、積分球3內(nèi)壁的反射后入射到準直鏡10中，再經(jīng)輸出光纖7后由光譜分析儀的檢測器8接收，輸出得到田間背景光譜S2 ；
4)經(jīng)光譜分析儀處理校正得到田間水果的可見與近紅外光譜S，可見與近紅外光譜S=水果田間現(xiàn)場光譜S1-田間背景光譜S2。
[0018]本發(fā)明采用積分球有利于提高樣品光譜的信噪比，其積分球3內(nèi)壁材料為聚四氟乙烯，內(nèi)壁反射面的反射率至少為99%。
[0019]因田間環(huán)境光照復雜，太陽直射光及其散射光嚴重干擾了現(xiàn)場的光譜采集。本發(fā)明通過在光譜采集探頭前加裝快門，打開快門時測得樣品在光譜分析儀光源和田間環(huán)境光線共同作用下的田間現(xiàn)場光譜，關(guān)閉快門時測得樣品僅在現(xiàn)場環(huán)境光線作用下的田間背景光譜，采用將田間背景光譜從水果田間現(xiàn)場光譜中扣除的方法進行背景光校正，由此可僅測得從水果內(nèi)部發(fā)出、被內(nèi)部反射或折射的光，得到反映果實品質(zhì)的可見與近紅外光譜信肩、O
[0020]本發(fā)明的實施例和實施過程如下:
以樹上黃花梨作為水果實驗對象，實驗前選擇20棵開心形黃花梨果樹，均為30年生的三主枝果樹。采樣在2012年8月19日至9月9日間分4次進行，采樣間隔約一周。每次從選定的果樹上選擇陰遮擋條件較好，且易于現(xiàn)場光譜采集的果實26個，共采集黃花梨樣品104個。
[0021]光譜試驗采用德國蔡司(Zeiss,Germany)公司的MCS600陣列式光纖光譜儀，內(nèi)置光源為CHL600 (1W)，采集的光譜范圍為500-1700nm，光譜采集軟件為Aspect Plus 2.0o積分球的內(nèi)部材料為Teflon聚四氟乙烯，積分球直徑為35 (mm)，輸出探頭的開口直徑為1mm,環(huán)形橡膠墊圈內(nèi)開口直徑為1mm,厚度為0.5mm。
[0022]光源經(jīng)光纖與快門到達積分球，從積分球上部沿法線方向8°C入射，積分球出射孔有直徑為1mm的圓形開口，測量時此開口與果實的被測面接觸，其邊緣有厚度為0.5mm的黑色軟橡膠墊圈，以阻止外界光線直接進入積分球，積分球的使用有利于提高樣品光譜的信噪比。本發(fā)明裝置安放在一個可在田間行走、裝載有UPS電源的移動平臺上。
[0023]打開光譜分析電源，輸入光纖5與光譜分析儀的光源9連接、通過輸出光纖7與光譜分析儀的檢測器8連接，對光譜儀器校正后，將探頭接近樹上的黃花梨，使環(huán)形橡膠墊圈11與果實接觸，打開快門開關(guān)6，將在田間環(huán)境光線和光譜分析儀光源共同作用于果實的光通過輸出光纖7到達光譜分析儀的檢測器8，計算輸出水果田間現(xiàn)場光譜SI，如圖2所示。保持探頭和果實的位置不變，關(guān)閉快門開關(guān)6，將僅在田間環(huán)境光線與水果作用后的光通過光纖7傳至光譜分析儀的檢測器8，計算輸出田間背景光譜S2，經(jīng)光譜分析儀軟件進行校正，得到田間黃花梨果實的可見與近紅外光譜S，S= S1-S2，如圖2所示。S’為上述相同的黃花梨與輸出探頭保持相同位置下在實驗室測量得到的漫反射光譜。
[0024]針對于光譜用于糖度檢測的具體實施，本發(fā)明分別建立了樣品室內(nèi)和田間陰影處光譜與其糖度的數(shù)學模型，選擇70個樣品組成校正集，余下34個樣品為預(yù)測集。利用室內(nèi)采集的樣品光譜S’建立黃花梨糖度檢測時，得到預(yù)測集均方根誤差為0.27° Brix，室內(nèi)測量的樣品光譜能較好地反映其內(nèi)部糖度信息，模型的穩(wěn)健性較為理想，與現(xiàn)有研究結(jié)果相近。
[0025]但是在利用校正集樣品的田間現(xiàn)場光譜SI建立模型時，得到預(yù)測集的均方根誤差為0.89° Brix，且預(yù)測集樣品糖度預(yù)測值與真實值的相關(guān)系數(shù)R僅為0.1，結(jié)果表明由于田間環(huán)境光照的干擾，果實的田間現(xiàn)場光譜SI不能反映黃花梨內(nèi)部糖度信息。而采用本發(fā)明的裝置與方法，利用校正后的校正集樣品田間光譜S建立黃花梨糖度檢測時，得到預(yù)測集均方根誤差為0.42° Brix，減少了糖度檢測誤差，提高了真實性，較為理想，由此得到的田間樣品光譜S能準確反映黃花梨內(nèi)部糖度信息。
[0026]通過比較不同光照條件下的樣品光譜以及背景光譜，本實施例表明，本發(fā)明提出的裝置與方法能有效減小田間環(huán)境光照對果實可見/近紅外光譜采集的影響，該方法將有利于可見與近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用從室內(nèi)走向田間，將充分發(fā)揮可見與近紅外光譜技術(shù)在果實的田間管理、采收成熟度檢測等方面的潛力。
【權(quán)利要求】
1.一種田間水果的可見與近紅外光譜采集裝置，其特征在于:包括積分球(3)、快門(4)、輸入光纖(5)、快門開關(guān)(6)、輸出光纖(7)、檢測器(8)、光源(9)、準直鏡(10)和環(huán)形橡膠墊圈(11);裝置殼體(2 )內(nèi)裝有快門(4 )和積分球(3 )，積分球(3 )安裝在裝置殼體(2 )探頭部，光譜分析儀的光源(9)經(jīng)輸入光纖(5)與快門(4)連接，快門(4)安裝在積分球(3)的入射孔的正上方，與入射孔正對的積分球(3)另一端的出射孔安裝在裝置殼體(2)的輸出探頭上，裝置殼體(2)的輸出探頭外周圍安裝有環(huán)形橡膠墊圈(11)，環(huán)形橡膠墊圈(11)與果實(I)緊密接觸； 積分球(3)下方開有通孔，通孔上裝有準直鏡(10)，光源(I)發(fā)出的光經(jīng)快門(4)由入射孔的正上方對準積分球(3)從出射孔經(jīng)裝置殼體(2)的輸出探頭出射到果實(I)表面，然后依次經(jīng)果實(I)的反射或折射以及積分球(3)內(nèi)壁的反射后入射到準直鏡(10)，投射到準直鏡(10)中的光經(jīng)輸出光纖(7)后由光譜分析儀的檢測器(8)接收；裝置殼體(2)外側(cè)面安裝有與快門(4)連接的快門開關(guān)(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種田間水果的可見與近紅外光譜采集裝置，其特征在于:所述的經(jīng)快門(4)出射的光所在直線方向與連接積分球(3)入射孔和出射孔的中心軸線之間的夾角為8°，使得快門(4)出射光偏心照射到果實(I)上，避免在果實(I)被測面形成鏡面反射。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種田間水果的可見與近紅外光譜采集裝置，其特征在于:所述的積分球(3)內(nèi)壁材料為聚四氟乙烯，內(nèi)壁反射面的反射率至少為99%。
4.應(yīng)用于權(quán)利要求1所述裝置的一種田間水果的可見與近紅外光譜采集方法，其特征在于包括以下步驟: 1)將所述裝置殼體(2)的輸出探頭對準樹上果實，使裝置殼體輸出探頭外周圍的環(huán)形橡膠墊圈與果實完全接觸； 2)打開所述快門開關(guān)，光譜分析儀的光源(9)發(fā)出的光經(jīng)快門(4)出射和田間環(huán)境光線共同照射到水果上，經(jīng)積分球(3)內(nèi)壁反射后入射到準直鏡(10)中，再經(jīng)輸出光纖(7)后由光譜分析儀的檢測器(8)接收，輸出得到水果田間現(xiàn)場光譜SI ； 3)保持輸出探頭與果實的位置不變，關(guān)閉快門開關(guān)，僅有田間環(huán)境光線照射到水果，依次經(jīng)果實內(nèi)部的反射或折射、積分球(3)內(nèi)壁反射后入射到準直鏡(10)中，再經(jīng)輸出光纖(7)后由光譜分析儀的檢測器(8)接收，輸出得到田間背景光譜S2 ； 4)經(jīng)光譜分析儀處理校正得到田間水果的可見與近紅外光譜S，可見與近紅外光譜S=水果田間現(xiàn)場光譜S1-田間背景光譜S2。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種田間水果的可見與近紅外光譜采集方法，其特征在于:所述的積分球(3)內(nèi)壁材料為聚四氟乙烯，內(nèi)壁反射面的反射率至少為99%。
【文檔編號】G01J3/28GK104406693SQ201410639094
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月13日
【發(fā)明者】應(yīng)義斌, 劉輝軍 申請人:浙江大學