华东交通大学机电与车辆工程学院, 江西 南昌 330013
糖度是评价脐橙内部品质的重要指标之一, 由于水果自身尺寸差异, 造成糖度预测模型稳健性差, 预测精度不高, 因此消除水果尺寸差异带来的影响, 对提高水果分选模型精度具有重要意义。 对比分析了脐橙漫透射、 多点发射与接收及环形发射与接收漫反射光谱, 其中, 不同检测平台上, 由于光程差的不同, 大果光谱能量均比小果光谱能量要强, 而环形发射与接收漫反射光谱能量要强于其他两种光谱, 漫透射光谱能量最弱, 波峰与波谷位置大致相同。 分别建立不同检测方式下脐橙尺寸预测模型, 其中, 漫透射检测方式下尺寸预测模型的预测集相关系数为0.60, 预测集均方根误差为3.95 mm, 多点发射与接收漫反射检测方式下尺寸预测模型的预测集相关系数为0.97, 预测集均方根误差为1.46 mm, 环形发射与接收漫反射检测方式下小果预测模型的预测集相关系数为0.96, 预测集均方根误差为1.73 mm。 分别建立三种不同检测方式下大果、 小果、 混合果以及多元散射校正预处理的混合果糖度预测模型, 小果的糖度预测模型精度均要高于大果和混合果, 其中漫透射检测方式下小果预测模型的预测集相关系数为0.76, 预测集均方根误差为0.81°Brix, 多点发射与接收漫反射检测方式下小果预测模型的预测集相关系数为0.72, 预测集均方根误差为0.97°Brix, 环形发射与接收漫反射检测方式下小果预测模型的预测集相关系数为0.72, 预测集均方根误差为0.93°Brix。 经过多元散射校正预处理光谱后, 近红外漫透射光谱的混合果模型精度要优于小果的模型, 模型预测集相关系数为0.84, 预测集均方根误差为0.64°Brix, 而在两种漫反射检测方式中, 多混合果模型精度反而降低。 实验结果表明: 在漫透射检测方式中, 使用多元散射校正预处理光谱可以消除尺寸差异影响, 在漫反射检测方式中, 先进行尺寸分选, 再进行糖度分选, 也可以避免尺寸差异带来的影响。 该研究为大宗水果快速在线分选提供了参考和理论支持。
脐橙 近红外 尺寸差异 无损检测 糖度 Navel orange Near infrared Size effect Nondestructive testing Sugar content 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3241
1 华东交通大学 机电与车辆工程学院，江西 南昌 330013
2 水果智能光电检测技术与装备国家地方联合工程研究中心，江西 南昌 330013
为了实现不同产地苹果糖度的快速在线无损检测，减少产地差异对近红外光谱检测模型的影响，建立了不同产地苹果糖度的在线检测通用模型。首先，采用水果动态在线检测设备采集了包括栖霞、洛川与会宁3个产地的红富士苹果的漫透射光谱。其次，采用偏最小二乘算法（PLS），结合无信息变量消除（UVE）方法，筛选出58个特征变量，建立了苹果糖度的UVE-PLS通用模型，该模型对个体产地预测集及总预测集的均方根误差分别为0.50~0.74°Brix与0.63°Brix，较原始个体模型分别提高了23.2%~44.4%与35.7%。最后，提出了一个新的外部验证样本集对模型性能进行评价，其残留预测偏差为2.33，预测值在±1.0°Brix和±1.5°Brix误差范围内的占比分别为85%与100%。实验结果表明：建立多个产地苹果糖度的在线检测通用模型，能够提高其他产地样本糖度的预测稳健性，并且采用合适的波长筛选方法能够简化模型。开发不同产地水果内部品质通用模型在波长有限的光谱设备中具有良好的应用潜力。
在线检测 近红外光谱 糖度 偏最小二乘 online detection near infrared spectroscopy soluble solids partial least squares
华东交通大学机电与车辆工程学院, 水果智能光电检测技术与装备国家地方联合工程研究中心, 江西 南昌 330013
由于果实内部细胞结构、 组成成分和光学传输特性的不同, 品种差异会对近红外建模分析果实内部品质时产生较大的影响, 以致原有模型无法高精度地预测果实品质参数。 探讨开发不同品种近红外通用模型用于在线检测苹果内部品质的可行性。 采用水果动态在线分选设备, 设置运行参数为: 积分时间100 ms, 运动速度5 s-1, 采集包括冰糖心, 红富士及水晶富士三个品种苹果的近红外漫透射光谱。 分析了三个品种近红外漫透射光谱的响应特征, 其光谱曲线走势基本一致, 在650, 709和810 nm附近存在突出吸收峰, 而在670, 750与830 nm附近存在波谷, 其差异主要表现为光谱吸收强度的差异。 采用多元散射校正, Savitzky-Golay卷积平滑及归一化处理方法, 减少了不同品种引起的光谱信息差异。 混合三个品种各校正集样本, 采用偏最小二乘回归算法建立了不同品种糖度的通用模型, 并利用无信息变量消除法（UVE）对建模变量进行筛选, 最终得到的有效变量个数为155。 所建立的UVE-PLS模型对验证集的决定系数, 均方根误差以及残留预测偏差分别为0.80, 0.61%与2.21。 在UVE筛选变量的基础上, 采用连续投影算法再对建模变量进行选择, 最终选出的变量个数为22。 采用多元线性回归（MLR）方法建立了简化后的通用模型, 对验证集的决定系数与均方根误差分别为0.78与0.64%。 测试集用于评估最佳的不同品种糖度通用模型的实际性能, 模型对每个品种测试集的潜变量数, 决定系数与均方根误差分别为6~10, 0.77~0.79与0.45~0.75%。 结果表明水果动态在线分选设备对不同品种苹果内部品质检测的潜力。 通过建立通用模型, 扩大了单一品种模型的预测范围, 提高了模型在不同品种间的预测稳健性。 并且采用合适的变量选择方法能够减少模型变量个数, 降低模型复杂程度, 并最终提高模型速率。 开发不同品种水果内部品质通用模型在波长有限的近红外光谱设备中具有良好的潜在应用。
在线检测 近红外光谱 通用模型 偏最小二乘法 无信息变量消除 苹果 糖度 Detection online Near infrared spectroscopy Universal model Partial least squares Uninformative variable elimination Apple Soluble solid content
华东交通大学机电工程学院, 江西 南昌 330013
可溶性固形物和碰伤是影响番茄品质的两个主要因素。 研究的目的是探索可见近红外漫透射光谱同时在线检测番茄碰伤和可溶性固形物的可行性。 在单通道送果速度5个每秒条件下, 采集番茄近红外漫透射光谱。 对比分析碰伤与正常番茄样品的近红外漫透射光谱特性, 结果表明, 碰伤与正常番茄样品的近红外漫透射光谱在光强上存在明显差异, 碰伤果光强要强于正常果, 其原因可能是碰伤后果肉变软, 透光性变强; 在650和675 nm处碰伤果比正常果要多两个吸收峰, 可能是碰伤后, 番茄表皮颜色发生变化所致。 选取贡献率占比最多的前三个主成数, 对正常果与碰伤果近红外漫透射光谱主成分定性分析, 正常果与碰伤果不能有效聚类, 故近红外漫透射光谱主成分定性分析效果不明显, 需选择建立高维近红外漫透射光谱定性判别模型。 故建立了碰伤番茄样品的近红外漫透射光谱偏最小二乘定性判别模型, 误判率为0%, 能正确判别碰伤果, 故选用碰伤番茄样品的近红外漫透射光谱偏最小二乘定性判别模型作为番茄碰伤果在线剔除分选模型。 通过对未参与建模的样品进行验证, 能正确识别出碰伤果。 经近红外漫透射光谱偏最小二乘定性判别模型剔除碰伤果后, 按照可溶性固形物指标进行分级。 分别使用全部波段和606～850 nm的波段进行建模预处理, 且对全部波段和606～850 nm波段光谱进行2阶导数预处理, 前后平滑设为9, 利用连续投影算法与遗传算法优选可溶性固形物的光谱建模变量, 对比发现, 利用未经算法筛选过的606～850 nm波段光谱变量进行建模, 效果最好, 建立了可溶性固形物在线检测模型, 预测集均方根误差为0.43 Brix°。 采用未参与建模的样品进行碰伤和可溶性固形物同时在线检测验证, 碰伤样品的分选准确率达96%, 可溶性固形物样品的分选准确率达91%。 表明: 番茄碰伤和可溶性固形物近红外漫透射光谱同时在线检测是可行的。
漫透射 近红外光谱 在线检测 碰伤 可溶性固形物 Diffuse transmission Spectroscopy On-line detection Bruises Soluble solids 光谱学与光谱分析
2019, 39(12): 3910
华东交通大学 光机电技术及应用研究所, 南昌 330013
为了证实以近红外漫透射光谱技术结合化学计量学方法能有效实现西红柿成熟度的检测, 采用美国海洋光学公司的QE65000光谱仪取得了西红柿的漫透射光谱数据, 采用日本柯尼卡美能达CR-10反射式色差计取得了亮度、红绿色相、黄蓝色相和总色差颜色数据;通过标准数学建模方法建立了颜色模型, 并通过偏最小二乘回归校正算法建立了近红外光谱模型。结果表明, 两组模型都是以红绿色相指标建模时效果最佳, 在99个未知样品数据中, 预测模型的颜色模型误判情况分别为未成熟0%、半成熟33.33%、成熟0%; 而近红外预测模型的误判情况分别为未成熟32.14%、半成熟50%、成熟0%。该研究验证了近红外光谱技术对西红柿成熟度进行无损检测的可行性, 这对实现西红柿的快速、批量分选具有一定的实际意义。
光谱学 Lab颜色指标 近红外漫透射光谱 偏最小二乘回归算法 定性 西红柿 spectroscopy Lab color index near-infrared diffuse transmission spectroscopy partial least squares regression algorithm qualitative tomato
Author Affiliations
Abstract
Institute of Turbomachinery, School of Mechanical and Power Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
The liquid crystal thermography is a high-resolution and non-intrusive optical technique for full-field temperature measurement. We present detailed calibration data for a wide-bandwidth thermochromic liquid crystal (TLC) to investigate the effect of the coating thickness on the hue-temperature characteristics and the measurement uncertainty of the TLC. It is found that the coating thickness has appreciable effect on the TLC hue-temperature curve. For TLC coatings with the thickness over 20 μm, a thicker TLC coating shows a relatively smaller measurement uncertainty, but the effect of the coating thickness is non-distinctive on the measurement uncertainty.
120.6780 Temperature 160.3710 Liquid crystals 100.2000 Digital image processing Chinese Optics Letters
2010, 8(4): 395
Author Affiliations
Abstract
Institute of Turbomachinery, School of Mechanical and Power Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
Liquid crystal thermography is a high-resolution, non-intrusive optical technique for full-field temperature measurement. We present the detailed calibration data for the thermochromic liquid crystal (TLC) with a useful range of 41-60 \circ C. The calibration is done with true color image processing by using an isothermal calibrator. The hue-temperature curve of the TLC is obtained, and the measurement uncertainty is analyzed. Combined with the image noise reduction technique of a 5×5 median filter, the measurement accuracy of the liquid crystal thermography can be significantly improved by approximately 57.1%.
液晶热像 彩色图像处理 120.6780 Temperature 160.3710 Liquid crystals 100.2000 Digital image processing Chinese Optics Letters
2009, 7(9): 795
