一种无损检测农产品光学特性参数的方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种无损检测农产品光学特性参数的方法与装置。通过空间频域成像获得被测样品的光学特性参数信息初始值，通过相位测量轮廓术获得被测样品的表面高度信息，利用标准反射板的表面高度信息对被测样品的光学特性参数信息初始值进行修正，获得被测样品修正后的光学特性参数，利用半球形固体仿体替换被测样品重复上述步骤处理并计算获得光学特性参数拟合系数，计算得到被测样品农产品的最终光学特性参数值；装置包括投影仪、中性密度片、两块偏振片、电动平移台、滤光片和CCD相机等构成的投影部分、成像部分以及样品台部分。本发明专利技术能够实现农产品光学特性参数的无损检测，具有成像范围大，精度较高，成本低，操作简单的优点。

Method and device for nondestructive detecting optical characteristic parameters of agricultural products

The invention discloses a method and a device for nondestructive detecting the optical characteristic parameters of agricultural products. The spatial frequency domain imaging optical parameters of the initial information of the measured sample value, obtain the height information of the measured sample surface by phase measuring profilometry, using standard reflector surface height information to modify the optical parameters of the initial information of the measured sample value to obtain the measured optical parameters of samples after correction, replacement the sample repeat processing and calculated the optical parameters of fitting coefficients using hemispherical solid phantoms, finally calculated the optical parameters of the tested samples of agricultural products; apparatus including a projection instrument, neutral density piece, two polarizing plates, electric translation stage, filter and CCD camera projection, etc. the imaging section and a sample table part. The invention has the advantages of large imaging range, high precision, low cost and simple operation, and can realize the nondestructive detection of the optical characteristic parameters of the agricultural products.

【技术实现步骤摘要】
一种无损检测农产品光学特性参数的方法与装置
本专利技术涉及一种无损检测农产品光学特性参数的方法与装置，尤其是涉及了一种通过结合使用空间频域成像技术与相位测量轮廓术的无损检测农产品光学特性参数的方法与装置。
技术介绍
食品工业必须在加工操作过程中实现食品的快速、无损地检测，以确保食品质量安全。近红外光谱技术(NIRS)由于其高精度与高效率，正在迅速成为首选的农产品常规分析方法。但其作为一种经验方法，NIRS不需要对光谱数据与化学官能团之间的物理关系进行全面地了解；相反地，NIRS是基于光谱和参考数据之间的数学关系来实现农产品中一些重要的化学成分(如：SSC、酸度、水分等)的检测。光在在混浊介质(如农产品)中光传播或衰减是一个复杂的过程，主要以吸收和散射两种形式存在，分别可以用吸收系数(μa)和约化散射系数(μ’s)来表征。在可见光近红外范围内的吸收系数与一些重要的化学质量属性，如可溶性固形物(SSC)，水分含量等相关，而散射与水果组织物理性质，如硬度等有相关。然而，传统的近红外光谱技术难以将吸收特性与散射特性分离检测，从而限制了NIRS检测硬度等与物理结构相关的参数的能力。近年来，用于分离吸收与散射的技术及其在农业领域的应用研究引起了广泛关注。空间分辨光谱(SRS)和时间分辨光谱(TRS)作为新兴的方法，结合多种传统的可见/近红外光谱测量法通过光传播模型来实现吸收信息与散射信息的分离。SRS是通过获得在距离光源不同距离的探测点的漫反射光谱，使用相应的漫射模型来拟合出吸收系数与约化散射系数，TRS是通过脉冲激光照射测量光子的飞行时间，使用相应的漫射模型来拟合出吸收系数与约化散射系数。SRS根据其所使用的仪器不同，又可以分为基于阵列光纤探头的SRS，基于单色成像的SRS，基于高光谱的空间分辨成像(HISR)与空间频域成像(SFDI)。SFDI，作为一种无接触的光学成像技术，使用空间调制的照明光源照射，在空间频率域内研究样本的光学特性。由于照射光经过调制，所以可以通过改变调制光的空间频率来获得不同深度的样本的成分和结构信息。然而，由于大部分农产品的表面是非平面的，所以其外形轮廓会对SFDI检测结果有较大影响。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种无损检测农产品光学特性参数的方法与装置，能够同时实现农产品光学特性参数与表面高度的检测，通过获得的高度信息对光学特性参数信息进行修正，从而获得修正后的光学特性参数信息，从而实现农产品光学特性参数的无损检测并提高检测精度，也对提高非平面农产品光学特性无损检测的精度有重大意义。本专利技术的技术方案如下：一、一种无损检测农产品光学特性参数的方法：1)通过空间频域成像获得被测样品的光学特性参数信息初始值，被测样品为非平板农产品；光学特性参数信息初始值包括吸收系数与约化散射系数。2)通过相位测量轮廓术获得被测样品的表面高度信息；3)利用被测样品的表面高度信息对被测样品的光学特性参数信息初始值进行修正，获得被测样品修正后的光学特性参数；4)利用半球形固体仿体替换被测样品重复上述步骤处理并计算获得第一、第二、第三、第四光学特性参数拟合系数a(μa)、b(μa)、a(μ’s)和b(μ’s)，5)利用第一、第二、第三、第四光学特性参数拟合系数a(μa)、b(μa)、a(μ’s)和b(μ’s)采用以下公式计算得到被测样品农产品的最终光学特性参数值μa,measured_sample和μ’s,measured_sample，作为被测样品的最终光学特性参数：μa,measured_sample(x,y)＝a(μa)μa,corrected_sample(x,y)+b(μa)μ's,measured_sample(x,y)＝a(μ's)μ's,corrected_sample(x,y)+b(μ's)其中，μa,corrected_sample(x,y)为被测样品在像素点(x,y)处修正后的吸收系数，μ’s,corrected_sample(x,y)为被测样品在像素点(x,y)处修正后的约化散射系数。所述步骤1)具体是：1.1)通过投影仪投射多个不同空间频率的光到标准反射板与被测样品上，并且在每个空间频率下用0°、120°、240°三种不同相位的正弦灰度图案进行投射，通过相机分别测得标准反射板与被测样品的光学特性漫反射图像，得到光学特性漫反射图像的每个像素点在每个空间频率的三个相位下的反射强度值I1、I2、I3；标准反射板是表面为平面的白板。1.2)标准反射板与被测样品在每个空间频率光学特性漫反射图像下的振幅值采用下面的公式解调计算：其中，IAC，ref表示标准反射板像素对应的振幅值，IAC表示被测样品像素对应的振幅值；1.3)根据标准反射板的振幅值IAC，ref、被测样品的振幅值IAC与标准反射板的反射率Rd,ref采用以下公式计算得到被测样品在每个像素点处的反射率：其中，Rd,ref表示标准反射板像素对应的反射率，是已知值，Rd表示被测样品像素对应的反射率；1.4)通过以下公式将不同空间频率fx的被测样品的反射率Rd与其对应的空频率fx的非线性拟合，得到每个像素点(x,y)处的吸收系数μa(x,y)与约化散射系数μ’s(x,y)的初始值，作为被测样品的光学特性参数信息初始值：μtr＝(μa+μ's)μeff＝(3μaμtr)1/2a'＝μ's/μtr其中，A为比例常数，Reff表示有效反射系数，Reff＝0.636n+0.668+0.710/n-1.440/n2，n为被测样本的折射率，μtr为传输系数，μ'eff为约化衰减系数，μeff为有效衰减系数，a'为反照率，fx表示空间频率。所述步骤2)是先采用相位测量轮廓术采集标准反射板和被测样品的高度漫反射图像，并处理计算获得标准反射板和被测样品的最终解包裹相位值，接着由标准反射板的最终解包裹相位值获得相位-距离关系，然后根据相位-距离关系和被测样品的最终解包裹相位值获得被测样品的高度，作为被测样品的表面高度信息。所述步骤2)具体过程是：2.1)通过投影仪投射一个空间频率的光分别到标准反射板和被测样品上，移动标准反射板和被测样品，使得标准反射板和被测样品分别与相机之间沿光轴的间距距离hx多次变化，每个间距距离hx下所投射的空间频率下用0°、120°、240°三种不同相位正弦灰度图案进行投射，在每个间距距离上测量得到标准反射板和被测样品的高度漫反射图像，得到高度漫反射图像的每个像素点在每个间距距离的三个不同相位正弦灰度图案下的反射强度值I1、I2、I3；2.2)根据以下三步相移法的相位计算公式计算得到每个像素点在每个间距距离下的包裹相位值：其中，表示包裹相位值，n表示三个不同相位中的编号，In表示第n个相位的正弦灰度图案的反射强度值，具体为I1或者I2或者I3；由每一间距距离下高度漫反射图像中各个像素点的包裹相位值矩阵，获得该间距距离对应的包裹相位图；2.3)对包裹相位图中所有包裹相位值进行解包裹处理，得到每个间距距离的解包裹相位2.4)对标准反射板的高度漫反射图像中每个像素点(x,y)的解包裹相位值与间距距离hx进行一次项线性拟合，得到每个像素点的第一高度拟合系数A(x,y)和第二高度拟合系数B(x,y)，从而获本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无损检测农产品光学特性参数的方法，其特征在于：1)通过空间频域成像获得被测样品的光学特性参数信息初始值，被测样品为非平板农产品；2)通过相位测量轮廓术获得被测样品的表面高度信息；3)利用被测样品的表面高度信息对被测样品的光学特性参数信息初始值进行修正，获得被测样品修正后的光学特性参数；4)利用半球形固体仿体替换被测样品重复上述步骤处理并计算获得第一、第二、第三、第四光学特性参数拟合系数a(μ

【技术特征摘要】
1.一种无损检测农产品光学特性参数的方法，其特征在于：1)通过空间频域成像获得被测样品的光学特性参数信息初始值，被测样品为非平板农产品；2)通过相位测量轮廓术获得被测样品的表面高度信息；3)利用被测样品的表面高度信息对被测样品的光学特性参数信息初始值进行修正，获得被测样品修正后的光学特性参数；4)利用半球形固体仿体替换被测样品重复上述步骤处理并计算获得第一、第二、第三、第四光学特性参数拟合系数a(μa)、b(μa)、a(μ’s)和b(μ’s)，5)利用第一、第二、第三、第四光学特性参数拟合系数a(μa)、b(μa)、a(μ’s)和b(μ’s)采用以下公式计算得到被测样品农产品的最终光学特性参数值μa,measured_sample和μ’s,measured_sample，作为被测样品的最终光学特性参数：μa,measured_sample(x,y)＝a(μa)μa,corrected_sample(x,y)+b(μa)μ's,measured_sample(x,y)＝a(μ's)μ's,corrected_sample(x,y)+b(μ's)其中，μa,corrected_sample(x,y)为被测样品在像素点(x,y)处修正后的吸收系数，μ’s,corrected_sample(x,y)为被测样品在像素点(x,y)处修正后的约化散射系数。2.根据权利要求书1所述的无损检测农产品光学特性参数的方法，其特征在于：所述步骤1)具体是：1.1)通过投影仪投射多个不同空间频率的光到标准反射板与被测样品上，并且在每个空间频率下用0°、120°、240°三种不同相位的正弦灰度图案进行投射，通过相机分别测得标准反射板与被测样品的光学特性漫反射图像，得到光学特性漫反射图像的每个像素点在每个空间频率的三个相位下的反射强度值I1、I2、I3；1.2)标准反射板与被测样品在每个空间频率光学特性漫反射图像下的振幅值采用下面的公式解调计算：其中，IAC，ref表示标准反射板像素对应的振幅值，IAC表示被测样品像素对应的振幅值；1.3)根据标准反射板的振幅值IAC，ref、被测样品的振幅值IAC与标准反射板的反射率Rd,ref采用以下公式计算得到被测样品在每个像素点处的反射率：其中，Rd,ref表示标准反射板像素对应的反射率，是已知值，Rd表示被测样品像素对应的反射率；1.4)通过以下公式将不同空间频率fx的被测样品的反射率Rd与其对应的空频率fx的非线性拟合，得到每个像素点(x,y)处的吸收系数μa(x,y)与约化散射系数μ’s(x,y)的初始值，作为被测样品的光学特性参数信息初始值：μtr＝(μa+μ's)μeff＝(3μaμtr)1/2a'＝μ's/μtr其中，A为比例常数，Reff表示有效反射系数，Reff＝0.636n+0.668+0.710/n-1.440/n2，n为被测样本的折射率，μtr为传输系数，μ'eff为约化衰减系数，μeff为有效衰减系数，a'为反照率，fx表示空间频率。3.根据权利要求书1所述的无损检测农产品光学特性参数的方法，其特征在于：所述步骤2)是先采用相位测量轮廓术采集标准反射板和被测样品的高度漫反射图像，并处理计算获得标准反射板和被测样品的最终解包裹相位值，接着由标准反射板的最终解包裹相位值获得相位-距离关系，然后根据相位-距离关系和被测样品的最终解包裹相位值获得被测样品的高度，作为被测样品的表面高度信息。4.根据权利要求书1或3所述的无损检测农产品光学特性参数的方法，其特征在于：所述步骤2)具体过程是：2.1)通过投影仪投射一个空间频率的光分别到标准反射板和被测样品上，移动标准反射板和被测样品，使得标准反射板和被测样品分别与相机之间沿光轴的间距距离hx多次变化，每个间距距离hx下所投射的空间频率下用0°、120°、240°三种不同相位正弦灰度图案进行投射，在每个间距距离上测量得到标准反射板和被测样品的高度漫反射图像，得到高度漫反射图像的每个像素点在每个间...

【专利技术属性】
技术研发人员：饶秀勤，何学明，傅霞萍，李庭苇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33