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光学特性技术在水果品质检测中的应用

摘 要：近几年，随着科学技术的不断发展，用于水果品质检测和自动分级的技术也得到了迅速发展。根据其品质的不同进行合理分级及相应商品化处理，能够最大限度提高农产品的利用率、开发其商业价值^{[1, 2]}。目前比较流行且实用的水果品质检测技术主要为光学检测技术，包括近红外光谱技术（NIRS）、机器视觉技术和光谱成像技术^[3]等。其中光谱检测技术得益于其能够检测果蔬的内部品质的特性，得到了广泛的关注研究与应用^[4-6]。然而由于光谱综合了光学吸收和散射特性的效果，无法提供光在样品组织的传输特性而限制了某些应用，因此，本文就光学特性技术在水果品质方面的检测应用做了总结归纳。

关键词：水果，品质，光学特性，空间分辨光谱

引言

我国农业科技发展“十一五”、“十二五”规划：我国要加强对农产品质量安全的检测。随着生活水平的提高，人们对农产品质量和安全的要求也越来越高。对于像果蔬类农产品，消费者主要关注于其外部品质和其内部品质，其中外部品质主要包括色泽、形状、大小、有无缺陷等，而内部品质则主要包括质地、口感、营养有无病虫害等。所以我们要从可靠性，适用性，内在价值三个方面对农产品进行分类分级处理。之前的传统处理方法有物理方法（抽检），化学方法（化学试剂）等都具有一定的破坏性，另外，传统光谱技术无法区分样本组织对光的吸收和散射，所测光谱信号为光在组织内被吸收和散射后的综合结果，这一方面会导致基于比尔朗伯定律（Beer-Lambert law）模型精度的降低，也会弱化组织的吸收特性在检测其质地/硬度方面的应用^[7]。因此，在使用光学检测方法时有必要对光在组织内的传输机理进行研究分析，同时，也要对检测对象的光学特性进行准确测量。一方面，这将有助于理解光在生物组织中的传输规律和光学检测方法的工作机理，也能对光路设计起到辅助作用，同时发掘光谱分析方法中丢失的重要信息，提高检测精度^[8,9]；另一方面，所测得的光学特性参数也可直接用于对象品质的检测^[10-13]。事实上，对组织中光传输规律及组织光学特性的研究已经成为一门独立的交叉学科—组织光学。目前对组织光学特性的检测理论方法与应用研究主要集中于生物医学领域，发展也较为成熟，而在农产品及食品方面的研究较少。其实在上世纪80年代就已经出现了对食品光学特性检测的研究^[10]，但由于技术的限制未能发展壮大。与此同时，普通可见近红外光谱技术由于其方法比较简便因而在食品检测领域得到迅速发展应用，但在光学机理的研究方面显著滞后。直到20世纪初，关注点又回到农产品中的光传输及光学特性等相关机理研究上^[10]，但仍发展缓慢且有诸多限制。此种方法没有破坏性，无论是可靠性还是适用性都非常可行，值得我们去加以研究。对农产品进行光学特性的无损检测和分级是近三十五年发展形成的新技术，是光、机、电、气一体化的结晶，水果是重要的农产品，消费者在选购水果时极为看重其内部品质如口感、糖度和酸度，我们可以借助一些外在的因素来检测水果的口感、甜度以及酸度，介于此，光学特性就是一个很好的选择，我们利用光线去照射水果可以得出一定的曲线，从而建立光学特性模型得出水果的品质如何，因此研究基于水果光学特性的内部品质无损检测与分级技术并将研究成果应用到水果产后处理生产线上具有广阔的市场应用前景。

2 农产品组织光学特性测量研究现状

早在上世纪60年代，随着激光的出现及其在临床诊治疾病中的广泛应用，组织光学得到了发展，旨在揭示光学技术诊断治疗的原理、理清光与生物组织相互作用的规律。基于漫射传输理论，发展了多种描述生物组织中光传输的近似模型和理论，如 离散坐标法^[14]、Monte Carl^[15]方法、漫射近似理论^[16]等。随之也发展了测量生物组织光学特性的不同方法，主要包括积分球技术（Integrating sphere technique）^[17]、时域技术（Time-resolved technique）^[18]、空间分辨技术（Spatially-resolved technique）^[19]和频域技术（Frequency domain technique）^[20]等。

生物组织光学特性测量方法

生物组织光学特性测量方法分为直接测量法和间接测量法。直接测量法基于比尔朗伯定律，通过测量薄片样本的准直透射、全衰减投射等来计算出样本的光学特性参数。该测量方法优点为光传输模型简单，数据处理简单快速，缺点为样本切片、厚度要求严格，受样本偏振光和折射的影响比较大，从而测量过程复杂。还有一种间接测量法，该方法是通过测量样本中的光辐射能量分布反演推算光学特性参数^[7]。优点是对样本准备要求低，测量更加快速甚至可以实现无损测量，缺点则是所用光传输模型较为复杂，需要根据实际情况进行适当的简化。间接测量法可以分为非迭代间接法和迭代间接法。其中非迭代间接法可以直接通过测量值解模型方程得到光学特性参数，其中非迭代间接法可以直接通过测量值

解模型方程得到光学特性参数。间接测量法有四种技术分别为积分球方法、时域技术、频域技术和空间分辨技术。这四种技术各有各的优缺点，但就目前而言，空间分辨技术的仪器简单、价格相对低廉。光源空间分辨技术的仪器简单、价格相对低廉。光源可以为单波长的激光，也可以为连续波长的普通可见/近红外光。当光源发射光谱为可见近红外光谱时，可以实现多波长光学特性的同时测量。检测部件可以为单光纤^[21]（通过扫描方式实现多距离测量）、多光纤阵列^[22]或CCD检测器^[23，24]。使用CCD成像方式时可以实现远距离非接触式测量，减少样本的预处理过程、避免污染。上述的积分球方法、时域法、频域法、空间频域法和空间分辨法都属于迭代间接测量法。以上这些特点使空间分辨技术非常适于农产品和食品的检测，本研究也是基于空间分辨技术完成的。

2.2空间分辨技术研究现状