一种不同检测方式互补的苹果霉心病无损检测系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种不同检测方式互补的苹果霉心病无损检测系统与方法，属于农产品无损检测领域。解决的技术问题是一种互补的检测方式融合策略用于提高苹果霉心病判别模型准确率。本发明专利技术包括微型光谱仪、检测暗室、检测光源驱动模块、核心控制模块、电源模块、人机交互模块、检测自动触发模块等。将苹果放入检测暗室的苹果托盘上，关闭检测门时自动触发检测程序，依次打开透射与漫反射检测光源，微型光谱仪将获取的光信号转化为电信号并发送给核心控制模块，根据获取的透射与相互作用光谱数据运行苹果霉心病判别模型，将判别结果发送至显示屏。本发明专利技术可用于苹果霉心病快速无损检测，并提高了苹果霉心病判别准确率。

【技术实现步骤摘要】
一种不同检测方式互补的苹果霉心病无损检测系统与方法
本专利技术属于农产品无损检测领域，特别涉及一种不同检测方式互补的苹果霉心病无损检测系统与方法。
技术介绍
苹果具有口感酸甜、营养价值高、可预防多种疾病等益处，成为消费者最青睐的水果之一。苹果在生长和储藏过程易受到病虫害、生理失调等侵害，导致苹果内部发生缺陷。霉心病是一种由多种真菌复合浸染所产生的果实内部病害，其中链格孢菌、镰刀菌、单端孢等真菌会分泌70多种具有不同化学结构的次级代谢产物，部分成分有影响生育、引发癌症以及减弱人体免疫等危害。由于苹果霉心病病发于果心，霉心病苹果与健康苹果表面没有明显的差异，传统的检测方法需要将苹果切开后才能判断，存在破坏苹果、检测复杂、浪费资源等问题，因此采用无损检测技术实现苹果霉心病快速无损检测对于保障苹果品质、提升苹果商品价值具有重要意义。专利公告号CN110954483A，专利名称为“一种剔除苹果严重霉心病果实的简易测定”，其特征在于：选取待检测苹果样本，使用色差计分别测定果实胴部两侧，记录变黄b值，两側取平均值，将待测苹果样本果实切半检测有无严重霉心病，确定严重霉心病果实的最低b值，并将最低b值设定色差计报警提醒值，以此对果园内其它苹果进行检测，该专利基于色差仪用于苹果霉心病检测，但只能检测严重霉心病苹果；专利公告号CN104965973B，专利名称为“一种苹果霉心病多因子无损检测判别模型及其建立方法”，其特征在于：确定与苹果霉心病检测最相关的12个透射波长值、1个直径值、1个重量值，将数据进行归一化处理后进行主成分分析，选取累计贡献率超过90%的前四个主成分，建立了Fisher判别模型，实现了对苹果霉心病的快速、无损、精准检测，但该专利采用USB2000+商用光谱仪，存在设备价格昂贵、成本高等不足；此外专利公告号CN104931439B，专利名称为“苹果霉心病检测仪”，其特征在于：基于窄带光源和影响霉心病吸光度的苹果直径来检测苹果霉心病，该专利只采用了半波宽度为25nm、中心波长为710nm的LED光源作为检测光源，尽管可以有效简化判别模型，并开发便携式检测设备，但获取的光谱信息较少，导致模型判别准确率较低。综上所述，现有的研究都是基于单一的检测方式获取的光谱信息用于苹果霉心病无损检测，由于不同的检测方式所获取的光谱信息代表着不同维度的信息，如：透射检测方式可以获取更多的苹果内部信息，而漫反射检测方式更多的是苹果表皮及浅层信息，不同的检测方式具有各自检测的优势及实际应用场景，但目前还未发现将不同的检测方式融合实现光谱信息间优势互补用于提高苹果霉心病判别模型性能。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种不同检测方式互补的苹果霉心病无损检测系统与方法，基于微型光谱仪技术，透射与相互作用融合的检测方式用于提高苹果霉心病检测的准确性。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种不同检测方式互补的苹果霉心病无损检测系统与方法，其特征在于：将苹果放入检测暗室的苹果托盘上，关闭检测门时自动触发检测程序，透射检测光源和相互作用检测光源依次打开，光与检测苹果生物组织相互作用后，微型光谱仪依次接收光信号并转化为电信号发送至核心处理模块，根据获取的透射与相互作用光谱数据运行苹果霉心病判别模型，将检测结果发送至显示屏，具体包括以下步骤：（1）样本选取：富士苹果样本于2020年10月3日从陕西省扶风县某果园获得，挑选大小均匀、表面无缺陷的329个疑似霉心病和健康苹果，获取苹果光谱数据后，用水果刀沿苹果茎轴处切开，根据果核内部是否有病害组织，分为健康苹果和霉心病果，用“1”表示健康苹果，“-1”表示霉心病；（2）光源预热：检测系统开机系统初始化后，打开透射与相互作用检测光源预热15分钟；（3）光谱校正：在检测暗室中分别保存透射暗光谱Td和相互作用暗光谱Id，分别用φ80的聚乙烯球和白板保存透射亮光谱Tw和相互作用亮光谱Iw，计算得到校正后的透射率T和反射率I；（4）光谱数据采集：将苹果样本放置于暗室的苹果检测托盘上，且果柄轴向方向与透射检测光源照射方向垂直，在每个样本赤道面处以120°均匀选择3个位置进行透射及相互作用光谱测量，将3个数据的平均值作为该样本的光谱数据；（5）光谱预处理：所有光谱数据采用Savitzky-Golay（S-G）平滑预处理，降低光谱数据噪声、提高光谱数据的信噪比和可靠性；（6）变量选择：采用竞争性自适应加权（CARS）变量选择算法消除近红外光谱数据中大量的无关、冗余以及重叠信息，达到降低模型计算复杂度、提高模型判别性能的目的；（7）苹果霉心病判别模型：建立了基于透射与相互作用方式检测融合的特征光谱的偏最小二乘线性判别（PLS-DA）模型。进一步，所述透射和相互作用积分时间分别为：70ms和6ms，平均扫描次数为5，平滑度为5，透射检测光谱波长范围为500-850nm，相互作用检测光谱波长范围为400-850nm。进一步，所述校正后透射率T的计算方法为T=(Tr-Td)/(Tw-Td)，校正后透射率I的计算方法为I=(Ir-Id)/(Iw-Id)。进一步，所述竞争性自适应加权变量选择算法中根据交叉验证建模中均方根误差（RMSECV）最小的变量作为特征波长，蒙特卡洛采样次数为100，采用10折交叉验证；偏最小二乘线性判别（PLS-DA）模型中最佳潜在变量个数是根据10折交叉验证的最低均方根误差确定。一种不同检测方式互补的苹果霉心病无损检测系统与方法，其特征在于：包括微型光谱仪、检测暗室、检测光源驱动模块、核心控制模块、电源模块、人机交互模块、检测自动触发模块等。进一步，所述检测系统模块及整个检测过程是在暗室中进行，避免外界环境杂散光影；响透射检测光源位于检测苹果的正上方处，漫反射检测光源内嵌在苹果托盘上，且安装方向与微型光谱安装方向成45°；微型光谱仪在橡胶苹果托盘的正下方，透射检测光源中心与微型光谱仪探测器中心在空间位置上对齐，保证透射检测光源穿过苹果果心，获取到苹果内部病害信息。进一步，所述微型光谱仪采用日本滨松公司生产的C12880MA型，光谱分辨率：2nm，光谱光谱范围：340nm-850nm，重量：5g，价格：1000元左右，是一种高灵敏度、宽光谱范围、低成本、超紧凑型的可见/近红外微型光谱仪。进一步，所述检测光源驱动模块包括透射光源驱动电路和相互作用光源驱动电路，保证检测光信号稳定输出；核心控制模块完成霉心病判别模型运行、控制检测光源、光谱数据采集、系统电量监测等任务；电源模块分为为光源驱动模块、微型光谱仪、核心控制模块、人机交互模块等提供电源；人机交互模块用于显示霉心病判别模型计算结果。本专利技术的检测原理：近红外光谱无损检测技术以水果生物组织与光的相互作用（吸收、反射、散射、透射等）为基础，水果的物理结构、化学成分、生理状态等因素都会影响影响光在水果组织中的相互作用规律，霉心病发病于果心，透射光谱穿过整个苹果，因此透射检测方式的光谱携带了更多的苹果的内部病害信息，而研究发现霉心本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种不同检测方式互补的苹果霉心病无损检测系统与方法，其特征在于，将苹果放入检测暗室的苹果托盘上，关闭检测门时自动触发检测程序，透射检测光源和相互作用检测光源依次打开，光与检测苹果生物组织相互作用（吸收、反射、散射、透射等）后，微型光谱仪依次接收光信号并转化为电信号发送至核心处理模块，根据获取的透射与相互作用光谱数据运行苹果霉心病判别模型，将检测结果发送至显示屏；/n其特征在于，包括以下步骤：/n（1）样本选取：富士苹果样本于2020年10月3日从陕西省扶风县某果园获得，挑选大小均匀、表面无缺陷的329个疑似霉心病和健康苹果，获取苹果光谱数据后，用水果刀沿苹果茎轴处切开，根据果核内部是否有病害组织，分为健康苹果和霉心病果，用“1”表示健康苹果，“-1”表示霉心病；/n（2）光源预热：检测系统开机系统初始化后，打开透射与相互作用检测光源预热15分钟；/n（3）光谱校正：在检测暗室中分别保存透射暗光谱T

【技术特征摘要】
1.一种不同检测方式互补的苹果霉心病无损检测系统与方法，其特征在于，将苹果放入检测暗室的苹果托盘上，关闭检测门时自动触发检测程序，透射检测光源和相互作用检测光源依次打开，光与检测苹果生物组织相互作用（吸收、反射、散射、透射等）后，微型光谱仪依次接收光信号并转化为电信号发送至核心处理模块，根据获取的透射与相互作用光谱数据运行苹果霉心病判别模型，将检测结果发送至显示屏；
其特征在于，包括以下步骤：
（1）样本选取：富士苹果样本于2020年10月3日从陕西省扶风县某果园获得，挑选大小均匀、表面无缺陷的329个疑似霉心病和健康苹果，获取苹果光谱数据后，用水果刀沿苹果茎轴处切开，根据果核内部是否有病害组织，分为健康苹果和霉心病果，用“1”表示健康苹果，“-1”表示霉心病；
（2）光源预热：检测系统开机系统初始化后，打开透射与相互作用检测光源预热15分钟；
（3）光谱校正：在检测暗室中分别保存透射暗光谱Td和相互作用暗光谱Id，分别用φ80的聚乙烯球和白板保存透射亮光谱Tw和相互作用亮光谱Iw，计算得到校正后的透射率T和反射率I；
（4）光谱数据采集：将苹果样本放置于暗室的苹果检测托盘上，且果柄轴向方向与透射检测光源照射方向垂直，在每个样本赤道面处以120°均匀选择3个位置进行透射及相互作用光谱测量，将3个数据的平均值作为该样本的光谱数据；
（5）光谱预处理：所有光谱数据采用Savitzky-Golay（S-G）平滑预处理，降低光谱数据噪声、提高光谱数据的信噪比和可靠性；
（6）变量选择：采用竞争性自适应加权（CARS）变量选择算法消除近红外光谱数据中大量的无关、冗余以及重叠信息，达到降低模型计算复杂度、提高模型判别性能的目的；
（7）苹果霉心病判别模型：建立了基于透射与相互作用方式检测融合的特征光谱的偏最小二乘线性判别（PLS-DA）模型。


2.根据权利要求书1所述一种不同检测方式互补的苹果霉心病无损检测系统与方法，其特征在于，所述透射和相互作用积分时间分别为：70ms和6ms，平均扫描次数为5，平滑度为5；透射检测光谱波长范围为500-850nm，相互作用检测光谱波长范围为400-850nm。


3.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡瑾，张仲雄，刘昊灵，张东莉，李豪，浦育歌，赵娟，张佐经，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61