本发明涉及食品/农产品品质检测技术领域，尤其涉及一种水果内部品质评价的光谱仪及衰减斜率计算方法。
背景技术：
水果产业是我国种植业中位列粮食、蔬菜之后的第三大产业，是我国农村经济发展的支柱产业之一，也是农民就业、增收的重要途径。尽管我国是水果生产大国，并且出口量总体也在上升，但是水果消费市场仍然主要集中在国内。水果增产、优果俏销、劣果滞销成为近年中国水果销售的典型特征，主要原因是果农在生产中片面追求高产，忽视品质，水果商品化处理水平低，平均质量较差。消费者往往宁可购买价格贵的水果，也不愿意购买有损伤甚至腐烂的水果，这直接导致水果产业巨大的经济损失，同时还带来了严重的食品安全隐患和环境污染等问题。因此，采后的各个环节中，及时地将对水果品质检测并分级，对提高我国水果质量，减小水果产业的经济损失，增强国际竞争力，具有非常重要的现实意义。发展一种能够进行水果品质检测并分级的精确、可靠、快速的自动检测技术已经成为水果产业的重要科研目标。水果品质分级分为外观品质分级和内部品质分级。光学分级技术结合机器视觉技术是水果的外观品质分级的热点和主要发展方向。遗憾的是外观品质分级只能解决对水果的品相需求，无法确定内部品质。随着消费者对水果口感好坏关注度越来越高，水果内部品质检测显得尤为重要。目前，介电特性检测技术、核磁共振检测技术、电子舌与电子鼻技术、声学及超声波检测技术、光学检测技术等都尝试用于水果内部品质检测。其中光学检测技术(尤其是可见光/近红外光谱技术和高光谱成像技术)，因其具有非接触、稳定性强、高精度、受环境影响小、无损伤、可自动化产业化等优点，成为主要的手段和方法。然而，光谱技术本质上是一种经验技术，它是用统计方法将光谱特征与样品的化学或者物理性质建立相关联系，并不能反映水果内部散射、水果表面蒸发、水果内部微粒的布朗运动等物理变化，也不能反映细胞器的运动、细胞质流、细胞内物质的运输、细胞分裂和生长等生理变化，而且光在水果组织内部的传播也不完全遵循beer-lambert定律，因此，可见光/近红外光谱技术存在分析模型不稳定、适应性不好、分析精度难于进一步提高等问题。高光谱成像技术将图像技术和光谱技术结合起来实现水果品质的检测，依靠光谱信息来反映样品内部的物理结构、化学成分的差异，也存在光谱技术一样的困难。
近红外扩散相关光谱(diffusecorrelationspectroscopy，dcs)是一种无损检测生物组织深层物理变化过程和生理变化过程的新方法，目前在生物医学领域中已经广泛采用，在癌症成像、诊断和治疗检测，中风的检测和诊断，线粒体疾病检测，癫痫症检测，脑功能活动和大脑受伤的检测，肌肉活性检测等方面得到了很好的应用。dcs技术借助快速单光子检测技术和光纤技术，通过计算表面组织散斑光斑光强度的时间相关函数，从而进行组织内部深层物理变化和生理变化的定量检测。水果内部物理变化和生理状态变化与水果散斑活性有关。水果散斑活性是指采用相干光照射水果组织，与水果组织相互作用产生生物散斑的现象。生物散斑图像实际上是组织内部变化引起的光强波动散斑的混合图像。目前，国内外尚未有采用近红外扩散相关光谱检测水果内部品质的方法及设备。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提供了一种水果内部品质评价的光谱仪及衰减斜率计算方法；一种水果内部品质评价的光谱仪，包括计算机、半导体激光器、准直镜、多模光纤、非接触式探头、单模光纤、单光子探测器、数据采集卡和光衰减器；
其中，半导体激光器出光口前设置准直镜，半导体激光器发射的激光经准直镜准直后的导入光衰减器，通过光衰减器调节入射激光的强度；
光衰减器出光口采用fc接口接多模光纤的一端；
多模光纤的另一端通过fc接口垂直固定于非接触式探头；
单模光纤的一端通过fc接口垂直固定于非接触式探头，另一端连接单光子探测器；非接触式探头采集到的断续的随机光子流经过单模光纤传输至单光子探测器，并由单光子探测器转换为电脉冲流；
单光子探测器与数据采集卡的输入端电性连接；数据采集卡根据所述电脉冲流对单位时间内的光子总数进行采样；
数据采集卡的输出端电性连接至计算机；计算机获取数据采集卡的采样结果并存储于内存，进行光强的归一化相关计算。
进一步地，所述准直镜为非球面透镜准直镜；非接触式探头包括：成像镜头、长通滤光片、光源和探测器光纤探头板；长通滤光片与成像镜头同轴设置，且安装在成像镜头前方，光源和探测器光纤探头板安装在成像镜头的像平面处；成像镜头、长通滤光片、光源和探测器光纤探头板用铝合金外壳封装后组成非接触式探头。
进一步地，一种水果内部品质评价的衰减斜率计算方法，具体包括如下步骤：
s101：利用半导体激光器发射激光，所述激光通过准直镜准直后进入多模光纤，多模光纤中的激光通过非接触式探头入射至待测水果表面；
s102：入射至待测水果的激光进入水果组织内部被散射，在水果组织表面与入射位置不同距离溢出漫射光，漫射光由非接触式探头收集后进入单模光纤，单模光纤采集到的断续的随机光子流由单光子探测器转换为电脉冲流；
s103：数据采集卡接收所述电脉冲流，并通过数据采集卡的输出采样时钟控制计数器的时钟端，对输入到计数器的单位采样时钟内的光子计数，得到计数结果，并将所述计数结果传输至数据采集卡；
s104：数据采集卡获取所述计数结果，并发送至计算机，计算机将所述计数结果存储于本地内存中；同时对计数结果进行归一化自相关计算，拟合计算得到归一化自相关衰减斜率。
进一步地，步骤s104中，采用光强的归一化自相关函数对计数结果进行归一化自相关计算，具体公式如下：
其中，g(i,τ)为光强的归一化自相关函数；n(i)表示第iδt时刻的光子数；n(i τ)表示(i τ)δt时刻的光子数，<·>表示时间平均；δt为采集时间；i为当前第i次采样；τ表示延迟时间；k为计算时从内存中提取的数据个数；η为自相关计算时平移操作的数据个数；计算机1从内存中提取k个数据，利用差分计算单位时间内的光子数，对光子数数组进行η平移，然后相乘，即实现延迟时间为ηδt的自相关计算，拟合计算归一化自相关衰减斜率。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明提出的技术方案，通过计算水果表面组织散斑光斑光强度的时间相关函数，从而实现水果组织内部深层物理变化和生理变化的低成本、快速、无损、实时和可定性定量的光学无损检测，该仪器受环境影响小，稳定性好，采用单光子计数器进行软件相关计算，成本低，能够灵活设置参数。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种水果内部品质评价的光谱仪的装置图；
图2是本发明实施例中计数器进行光脉冲采样的原理示意图；
图3是本发明实施例中一种水果内部品质评价的衰减斜率计算方法的流程示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种水果内部品质评价的光谱仪及衰减斜率计算方法。
请参阅图1，图1是本发明实施例中一种水果内部品质评价的光谱仪的装置图；本发明实施例提出的光谱仪包括：计算机1、半导体激光器2、准直镜3、多模光纤4(芯径200μm，na＝0.17)、非接触式探头5、单模光纤7(芯径4.7μm，na＝0.13)、单光子探测器8、数据采集卡9和光衰减器14；非接触式探头5安装在距离待测水果11预设距离处；本发明实施例中，非接触式探头5与待测水果11之间的距离为5cm；
其中，半导体激光器2出光口前设置准直镜3，半导体激光器2发射的激光经准直镜3准直后的导入光衰减器14，通过光衰减器调节入射激光的强度；
光衰减器14出光口采用fc接口接多模光纤4的一端；
多模光纤4的另一端通过fc接口垂直固定于非接触式探头5；
单模光纤7的一端通过fc接口垂直固定于非接触式探头5，另一端连接单光子探测器8；非接触式探头5采集到的断续的随机光子流经过单模光纤7传输至单光子探测器8，并由单光子探测器8转换为电脉冲流；
单光子探测器8与数据采集卡9的输入端电性连接；数据采集卡9根据所述电脉冲流对单位时间内的光子总数进行采样；
数据采集卡9的输出端电性连接至计算机1；计算机1获取数据采集卡9的采样结果并存储于内存，进行光强的归一化相关计算。
本发明实施例中，所述数据采集卡9采用ni公司的pci6602采集卡；检测到的光信号经由单模光纤7进入高灵敏度单光子探测器8，pci6602采样时钟输入到计数器的时钟端，单光子探测器8输出25ns的ttl脉冲信号通过ni公司pci6602采集数据进入计算机1。
本发明实施例中，所述准直镜3为非球面透镜准直镜。非接触式探头5包括：成像镜头6、长通滤光片12(630nm以下)、光源和探测器光纤探头板13；长通滤光片12与成像镜头6同轴设置，且安装在成像镜头6前方，光源和探测器光纤探头板13安装在成像镜头6的像平面处；成像镜头6、长通滤光片12、光源和探测器光纤探头板13用铝合金外壳封装后组成非接触式探头5。
光源和探测器光纤探头板13带有多个光源探测器间距，光源部分采用波长为785nm的长相干半导体连续激光器，激光功率为100mw，相干长度大于5m，激光器稳定度高，3小时内不发生跳模现象，功率稳定性在1％。
多模光纤4通过fc接口垂直固定于光源和探测器光纤探头板13，探测用的单模光纤7通过fc接口垂直固定于光源和探测器光纤探头板13。
请参阅图2，图2是本发明实施例中计数器进行光脉冲采样的原理示意图；数据采集卡9带有数字i/o线的8通道计数器/定时器；数据采集卡9的所述计数器通过所述电脉冲流对单位时间内的光子总数进行采样。
单模光纤7可以是多个，通过fc垂直固定于光源和探测器光纤探头板13设置的探测不同深度的接口。
光强的归一化相关计算，具体公式如下：
其中，g(i,τ)为光强的归一化自相关函数；n(i)表示第iδt时刻的光子数；n(i τ)表示(i τ)δt时刻的光子数，<·>表示时间平均；δt为采集时间；i为当前第i次采样；τ表示延迟时间；k为计算时从内存中提取的数据个数；η为自相关计算时平移操作的数据个数；计算机(1)从内存中提取k个数据，利用差分计算单位时间内的光子数，对光子数数组进行η平移，然后相乘，即实现延迟时间为ηδt的自相关计算，拟合计算归一化自相关衰减斜率。
请参阅图3，图3是本发明实施例中一种水果内部品质评价的衰减斜率计算方法的流程示意图，应用于所述的一种水果内部品质评价的光谱仪中；本发明实施例提出的衰减斜率计算方法，具体包括如下步骤：
s101：利用半导体激光器2发射激光，所述激光通过准直镜3准直后进入多模光纤4，多模光纤4中的激光通过非接触式探头5入射至待测水果11表面；
s102：入射至待测水果11的激光进入水果11组织内部被散射，在水果11组织表面与入射位置不同距离溢出漫射光，漫射光由非接触式探头5收集后进入单模光纤7，单模光纤7采集到的断续的随机光子流由单光子探测器8转换为电脉冲流；
s103：数据采集卡9接收所述电脉冲流，并通过数据采集卡9的输出采样时钟控制计数器的时钟端，对输入到计数器的单位采样时钟内的光子计数，得到计数结果，并将所述计数结果传输至数据采集卡9；
s104：数据采集卡9获取所述计数结果，并发送至计算机1，计算机1将所述计数结果存储于本地内存中；同时对计数结果进行归一化自相关计算，拟合计算得到归一化自相关衰减斜率。
最后，计算机1将所述自相关衰减斜率带入预先建立好的水果品质预测模型中，对待测水果11的内部品质进行预测。
步骤s104中，采用光强的归一化自相关函数对计数结果进行归一化自相关计算，具体公式如下：
上式中，g(i,τ)为光强的归一化自相关函数；n(i)表示第iδt时刻的光子数；n(i τ)表示(i τ)δt时刻的光子数，<·>表示时间平均；δt为采集时间；i为当前第i次采样；τ表示延迟时间；k为计算时从内存中提取的数据个数；η为自相关计算时平移操作的数据个数；计算机1从内存中提取k个数据，利用差分计算单位时间内的光子数，对光子数数组进行η平移，然后相乘，即实现延迟时间为ηδt的自相关计算，拟合计算归一化自相关衰减斜率；
将该衰减斜率与水果内部品质参数建立预测模型。kδt为测量的时间分辨率，如需调整时间分辨率，修改k值即可。删除光子数数组中的前η个光子数及最后η个光子数，可实现ηδt的延迟时间，改变删除的光子数个数η，即可实现不同延迟时间光强归一化相关计算。
自相关是一个信号于其自身在不同时间点的互相关，即两次观察之间的相似度对它们之间的时间差的函数，这里计算的是光强的归一化自相关，因为光强信号表现为离散的光脉冲信号，也就是光子数，所以<n(i)·n(i τ)>表示i和i τ两次测量之间的相似度对它们之间的时间差的平均。
在本公开实例中，自相关运算和计数同时进行，并通过计算机设定从内存中提取数据个数来设置dcs的时间分辨率，通过对光子矩阵进行平移操作的步数来设置dcs的延迟时间。
本发明的有益效果是：本发明提出的技术方案，通过计算水果表面组织散斑光斑光强度的时间相关函数，从而实现水果组织内部深层物理变化和生理变化的低成本、快速、无损、实时和可定性定量的光学无损检测，该仪器受环境影响小，稳定性好，采用单光子计数器进行软件相关计算，成本低，能够灵活设置参数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种水果内部品质评价的光谱仪，其特征在于：包括：计算机(1)、半导体激光器(2)、准直镜(3)、多模光纤(4)、非接触式探头(5)、单模光纤(7)、单光子探测器(8)、数据采集卡(9)和光衰减器(14)；
其中，半导体激光器(2)出光口前设置准直镜(3)，半导体激光器(2)发射的激光经准直镜(3)准直后的导入光衰减器(14)，通过光衰减器调节入射激光的强度；
光衰减器(14)出光口采用fc接口接多模光纤(4)的一端；
多模光纤(4)的另一端通过fc接口垂直固定于非接触式探头(5)；
单模光纤(7)的一端通过fc接口垂直固定于非接触式探头(5)，另一端连接单光子探测器(8)；非接触式探头(5)采集到的断续的随机光子流经过单模光纤(7)传输至单光子探测器(8)，并由单光子探测器(8)转换为电脉冲流；
单光子探测器(8)与数据采集卡(9)的输入端电性连接；数据采集卡(9)根据所述电脉冲流对单位时间内的光子总数进行采样；
数据采集卡(9)的输出端电性连接至计算机(1)；计算机(1)获取数据采集卡(9)的采样结果并存储于内存，进行光强的归一化计算。
2.如权利要求1所述的一种水果内部品质评价的光谱仪，其特征在于：所述准直镜(3)为非球面透镜准直镜。
3.如权利要求1所述的一种水果内部品质评价的光谱仪，其特征在于：所述非接触式探头(5)包括：成像镜头(6)、长通滤光片(12)、光源和探测器光纤探头板(13)；长通滤光片(12)与成像镜头(6)同轴设置，且安装在成像镜头(6)前方，光源和探测器光纤探头板(13)安装在成像镜头(6)的像平面处；成像镜头(6)、长通滤光片(12)、光源和探测器光纤探头板(13)用壳体封装后组成非接触式探头(5)。
4.如权利要求3所述的一种水果内部品质评价的光谱仪，其特征在于：所述壳体的材质为铝合金。
5.如权利要求3所述的一种水果内部品质评价的光谱仪，其特征在于：多模光纤(4)通过fc接口垂直固定于光源和探测器光纤探头板(13)，探测用的单模光纤(7)通过fc接口垂直固定于光源和探测器光纤探头板(13)。
6.如权利要求1所述的一种水果内部品质评价的光谱仪，其特征在于：数据采集卡(9)带有数字i/o线的(8)通道计数器；数据采集卡(9)的所述计数器通过所述电脉冲流对单位时间内的光子总数进行采样。
7.一种水果内部品质评价的衰减斜率计算方法，应用于如权利1-6任意一项所述的一种水果内部品质评价的光谱仪中；其特征在于：所述一种水果内部品质评价的衰减斜率计算方法，具体包括如下步骤：
s101：半导体激光器(2)发射激光，所述激光通过准直镜(3)准直后进入多模光纤(4)，多模光纤(4)中的激光通过非接触式探头(5)入射至待测水果(11)表面；
s102：入射至待测水果(11)的激光进入水果(11)组织内部被散射，在水果(11)组织表面与入射位置不同距离溢出漫射光，漫射光由非接触式探头(5)收集后进入单模光纤(7)，单模光纤(7)采集到的断续的随机光子流由单光子探测器(8)转换为电脉冲流；
s103：数据采集卡(9)接收所述电脉冲流，并通过数据采集卡(9)的输出采样时钟控制计数器的时钟端，对输入到计数器的单位采样时钟内的光子计数，得到计数结果，并将所述计数结果传输至数据采集卡(9)；
s104：数据采集卡(9)获取所述计数结果，并发送至计算机(1)，计算机(1)将所述计数结果存储于本地内存中；同时对计数结果进行归一化自相关计算，拟合计算得到归一化自相关衰减斜率。
8.如权利要求7所述的一种水果内部品质评价的衰减斜率计算方法，其特征在于：步骤s104中，采用光强的归一化自相关函数对计数结果进行归一化自相关计算，具体公式如下：
其中，g(i,τ)为光强的归一化自相关函数；n(i)表示第iδt时刻的光子数；n(i τ)表示(i τ)δt时刻的光子数，<·>表示时间平均；δt为采集时间；i为当前第i次采样；τ表示延迟时间；k为计算时从内存中提取的数据个数；η为自相关计算时平移操作的数据个数；计算机(1)从内存中提取k个数据，利用差分计算单位时间内的光子数，对光子数数组进行η平移，然后相乘，即实现延迟时间为ηδt的自相关计算，拟合计算归一化自相关衰减斜率。
技术总结