基于可见光、近红外、太赫兹融合光谱技术的大米新陈品质检测装置及检测方法与流程

本发明为基于可见光、近红外、太赫兹融合光谱技术的大米新陈品质检测装置，涉及农产品检测技术领域。

背景技术：

大米是东方人的主食，大米可提供丰富维生素、谷维素、蛋白质、花青素等营养成分，具有补脾、和胃、清肺功效。然而，大米经过长时间的贮存后，由于环境因素(温度、水分等)的影响，大米中的淀粉、脂肪和蛋白质等会发生各变化，使大米失去原有的色、香、味，营养成分和食用品质下降，甚至产生有毒有害物质(如黄曲霉毒素等)。按国家规定，陈化米只能通过拍卖的方式向特定的饲料加工和酿造企业定向销售，并严格按规定进行使用，倒卖、平价转让、擅自改变使用用途的行为都是违法的。然而，仍然有不法商贩进行陈化米的加工贩卖，扰乱了粮米市场的规范并对人体健康构成了巨大威胁。

近年来，国内外不少科学研究人员先后利用近红外、可见光、太赫兹等光谱技术对作物内部品质检测进行了探讨和研究。研究结果表明，近红外光谱可以用来确定大米分子所含的官能团，可以用于大米内部蛋白质等品质指标的检测，但检测精确度有待提高；可见光在色泽外观形态方面检测取得了较好效果，采用可见光单波段信息，信息量不够全面，检测精度有待提高；太赫兹光谱能够对作物分子结构的细微变化作出分析和鉴别，但也仅局限于农产品内部某些品质的定性鉴别研究。仅结合近红外与可见光光谱，无法实现氨基酸的检测，从而有效大米新陈品质的检测精度。研究可见光、近红外、太赫兹融合光谱检测技术，能有效的增加大米新陈品质检测特征数量，拓宽检测光谱宽度，从而实现大米新陈品质的精确检测。

本发明综合考虑可表征含氢原子团伸缩振动倍频的近红外谱区，对图像外观、纹理有显著映射的可见光谱区，以及能表征大米内部氨基酸定性分析的太赫兹光谱，发明了一种基于可见光、近红外、太赫兹融合光谱技术的大米新陈品质检测装置及检测方法。

技术实现要素：

基于以上所述，本发明提出了基于可见光、近红外、太赫兹融合光谱技术来快速无损定量检测大米新陈品质的装置和方法。实现本发明的技术方案如下：

基于可见光、近红外、太赫兹融合光谱技术的大米新陈品质检测装置，包括仪器台架、卤素灯光源、旋转式样本放置器、可见光/近红外高光谱传感器、THz-TDS系统以及计算机；

所述卤素灯光源设置在所述仪器台架的上表面；所述仪器台架上面的两端对称设有竖直的电控样本台摇臂，两个电控样本台摇臂之间设有水平的凹槽式样本台，所述旋转式样本放置器设置所述凹槽式样本台的中心位置；所述THz-TDS系统固定在凹槽式样本台上，位于旋转式样本放置器的一侧；其中一个电控样本台摇臂的侧面设有竖直放置的电控检测摇臂；所述电控检测摇臂的顶端通过水平支架固定所述可见光/近红外高光谱传感器；

所述仪器台架的下面设有数据采集卡以及模式切换按钮；所述数据采集卡与所述THz-TDS系统、可见光/近红外高光谱传感器相连，用于采集可见光、近红外、太赫兹光谱数据；所述计算机分别与所述电控检测摇臂、电控样本台摇臂、旋转式样本放置器、卤素灯光源相连，用于样品数据采集前仪器调整；所述模式切换按钮一方面用于实现旋转式样本放置器的0°至90°的角度切换、另一方面用于切换采集THz光谱和可见光/近红外光谱；

所述计算机分别与所述数据采集卡、所述模式切换按钮相连；所述计算机一方面控制仪器调整使得待测样本处于合适的采集位置，通过模式切换按钮依次采集待测样本的可见光/近红外高光谱和太赫兹光谱；所述计算机另一方面对采集的待测样本的光谱信息进行处理，得到待测大米的新陈状况并显示。

进一步，所述THz-TDS系统包括平面反射镜、延时装置、斩波器、分束器、平面镜、THz发射极、离轴抛物面镜、旋转式样本放置器、二分之一波片、探测极、聚透镜、飞秒激光器；

在采集太赫兹光谱时，飞秒激光器发出波长为780nm，频率为80MHz的飞秒激光脉冲序列，经二分之一波片后，通过多级平面反射镜后光到达聚透镜；通过聚透镜，光到达THz发射极；THz发射极发射两部分光，一部分光通过离轴抛物面镜照射样本，透射光经过离轴抛物面镜后到达探测极，后经过斩波器、分束器；另一部分光通过延时装置后，经过平面反射镜，由THz发射极发射两部分光，最终在分束器处交汇，最终到达平面镜。

采集过程中，太赫兹脉冲需要扩束，探测光敏感的CCD相机需要与飞秒激光脉冲实现同步触发。

进一步，所述仪器台架上面还设有遮光罩，所述遮光罩将所述仪器台架上面的装置均包裹盖住。

进一步，所述可见光/近红外高光谱传感器聚焦点、旋转式样本放置器体心以及卤素灯光源在同一延长线上。

进一步，所述旋转式样本放置器为圆柱形透明器皿，其直径为3cm，厚度为2.5mm；所述凹槽式样本台中心位置设有圆形孔洞，直径大小为5cm。

进一步，所述延时装置采用不同的反射镜来构成的延时结构。

基于上述装置，本发明提出了基于可见光、近红外、太赫兹融合光谱技术的大米新陈品质检测方法，包括如下步骤：

1)针对待测大米样品，采集其太赫兹光谱、近红外/可见光光谱信息数据；在获取大米样本太赫兹和近红外、可见光光谱信息后，利用化学检测方法对相关稻米样本的蛋白质、氨基酸进行检测，采用茚三酮柱后衍生法，利用氨基酸自动分析仪进行测定大米中各氨基酸，利用凯氏定氮法测定大米蛋白质含量；将实验检测结果作为定量标定大米样本的新陈品质标签以及相关蛋白质、氨基酸定性分析依据；

2)对获取的太赫兹光谱信息进行特征提取，所述太赫兹光谱信息包括透过率、反射率、位相差、吸光度、吸光系数、折射率；所述特征提取的实现方法包括：通过太赫兹波透过率和相位的变化，结合密度泛函理论计算，进行分子结构与振动模式分析，建立太赫兹谱图分析，研究大米太赫兹光谱折射率、吸收系数特征的变化规律；利用小波变换化学计量方法，结合太赫兹谱段内大米主要5种氨基酸的吸收峰，来实现太赫兹谱段特征波长提取；

3)对获取的可见光-近红外高光谱进行特征提取；所述特征提取的方法包括：对于近红外波段光谱数据，利用小波变换化学计量方法，结合近红外谱区主要基团C-H、N-H和O-H基频、合频、倍频吸收带的中心位置，来实现大米中蛋白质、氨基酸各自的近红外谱区的特征波长提取；对于可见光波段高光谱，利用逐步回归法优选出对大米中蛋白质、氨基酸区分度最大的组合特征；

4)以相关性和独立性为原则对所获取的特征进行筛选，分别建立蛋白质、氨基酸各自的组合特征空间，具体实现方法包括：利用小波变换算法对各独立特征空间进行特征提取时，选取不同的小波基函数以及分解层数，对多维信息进行多尺度变换分解，提取奇异性较大、鲁棒性较高的特征，建立多变量组合特征空间；

5)通过化学计量算法得到的太赫兹、近红外、可见光光谱多变量组合特征空间，分别针对不同新陈品质大米样本数据，利用多信息融合技术，进行反映各独立特征与蛋白质、氨基酸之间的灵敏度分析，分别确定各特征的各自权重，利用支持向量机回归算法，建立大米新陈指标的综合信息定量检测模型，给出大米新陈品质水平的综合评价。

进一步，所述步骤1)的实现包括：

1-1)首先对样本进行表面杂物去除的前期处理，以符合实验要求；然后将遮光罩内的空气干燥处理；再将样品放置在旋转式样本放置器中；

1-2)通过计算机调整旋转式样本放置器高度至电控样本台摇臂、电控检测摇臂的转动中心线一致，并使样本位于卤素灯光源和可见光/近红外高光谱传感器的延长线交点的检测位置；

1-3)对可见光/近红外高光谱传感器、透射式太赫兹时域光谱系统进行黑白板标定；通过模式切换按钮对旋转式样本放置器进行角度转换以及太赫兹检测模式与可见光-近红外光谱检测模式切换，以采集其太赫兹、近红外、可见光光谱信息数据。

进一步，采集太赫兹光谱的方法包括：调整飞秒激光器发出波长为780nm，频率为80MHz的飞秒激光脉冲序列，经二分之一波片后，通过多级平面反射镜后光到达聚透镜；通过聚透镜，光到达THz发射极；THz发射极发射两部分光，一部分光通过离轴抛物面镜照射样本，透射光经过离轴抛物面镜后到达探测极，后经过斩波器、分束器；另一部分光通过延时装置后，经过平面反射镜；两部分光在分束器处交汇，最终到达平面镜。

采集过程中，需要将太赫兹脉冲扩束，对探测光敏感的CCD相机需要与飞秒激光脉冲实现同步触发；利用电光效应探测THz波的电场信息，通过扫描THz脉冲和探测激光脉冲的相对时间延迟，利用探测光在不同时刻对THz脉冲电场强度进行取样测量，即可得到THz信号的时域波形，获取光谱显示，进而获取各频率下的太赫兹光谱信息。

进一步，所述步骤5)还包括：

在定量模型建立前，采用蒙特卡罗结合马氏距离法对样本进行预处理，即剔除异常样本及建模集样本的选取，从而提高模型的准确性以及预测精度；

依据训练样本数据，就新米、陈米、陈化米的新陈指标进行统计，制定各类新陈程度大米的新陈指标范围，以此为依据，判别大米的新陈状况。

本发明的有益效果：

(1)本发明基于可见光、近红外、太赫兹融合光谱技术，属于无损检测仪器，对环境友好、无污染。

(2)本发明以不同新陈品质下的大米为研究对象，探索不同新陈品质下大米内部蛋白质、氨基酸变化对可见光、近红外、太赫兹光谱分布等多维信息的作用机理，提出融合光谱的特征提取、特征优化组合及大米新陈品质的定量分析方法。

(3)本发明提取对大米新陈品质检测具有综合优势的可见光、近红外及太赫兹融合光谱特征，较单一的可见光、近红外、太赫兹光谱技术，拓展了有效光谱波段范围，丰富了光谱信息，提高了特征提取的有效性和可分性。

(4)本发明利用不同新陈品质下大米所对应的可见光、近红外及太赫兹融合光谱特征以及相关的化学检测方法获取的定量标签，所建立的定量检测模型可以判定大米新陈品质以及相关的蛋白质、氨基酸的含量。

附图说明

图1为本发明的模块结构示意图；

图2为透射式太赫兹时域光谱系统结构示意图；

图中标记，1-可见光/近红外高光谱传感器；2-遮光罩；3-电控检测摇臂；4-透射式太赫兹时域光谱系统(THz-TDS系统)；5-旋转式样本放置器；6-凹槽式样本台；7-电控样本台摇臂；8-卤素灯光源；9-计算机；10-数据采集卡；11-控制模块；12-模式切换按钮；13-仪器台架，14-平面反射镜；15-延时装置；16-斩波器；17-分束器；18-平面镜；19-THz发射极；20-离轴抛物面镜；5-旋转式样本放置器；21-二分之一波片；22-探测极；23-聚透镜；24-飞秒激光器。

具体实施方式

本发明装置结构示意图如图1所示，包括卤素灯光源8、可见光/近红外高光谱传感器1、透射式太赫兹时域光谱系统(THz-TDS系统)4、旋转式样本放置器5、凹槽式样本台6、电控检测摇臂3、电控样本台摇臂7、计算机9、数据采集卡10、控制模块11、模式切换按钮12、遮光罩2、仪器台架13。

所述卤素灯光源8设置在所述仪器台架13的上表面；所述仪器台架13上面的两端对称设有竖直的电控样本台摇臂7，两个电控样本台摇臂7之间设有水平的凹槽式样本台6，所述旋转式样本放置器5设置所述凹槽式样本台6的中心位置；所述THz-TDS系统4固定在凹槽式样本台6上，位于旋转式样本放置器的一侧；其中一个电控样本台摇臂7的侧面设有竖直放置的电控检测摇臂3；所述电控检测摇臂3的顶端通过水平支架固定所述可见光/近红外高光谱传感器1；

所述仪器台架13的下面设有数据采集卡10、控制模块11以及模式切换按钮12；所述数据采集卡10与所述THz-TDS系统4、可见光/近红外高光谱传感器1相连，用于采集可见光、近红外、太赫兹光谱数据；所述计算机9分别与所述电控检测摇臂3、电控样本台摇臂7、旋转式样本放置器5、卤素灯光源8相连，用于样品数据采集前仪器调整；所述模式切换按钮12一方面用于实现旋转式样本放置器5的0°至90°的角度切换、另一方面用于切换采集THz光谱和可见光/近红外光谱；

所述计算机9分别与所述数据采集卡10、所述控制模块11及所述模式切换按钮12相连；所述计算机9一方面通过控制模块11进行仪器调整使得待测样本处于合适的采集位置，通过模式切换按钮12依次采集待测样本的可见光/近红外高光谱和太赫兹光谱；所述计算机9另一方面对采集的待测样本的光谱信息进行处理，得到待测大米的新陈状况并显示。

进一步，所述透射式太赫兹时域光谱系统4(THz-TDS系统)结构示意如图2所示，包括平面反射镜14、延时装置15、斩波器16、分束器17、平面镜18、THz发射极19、离轴抛物面镜20、旋转式样本放置器5、二分之一波片21、探测极22、聚透镜23、飞秒激光器24。

在太赫兹光谱采集时，飞秒激光器24发出波长为780nm，频率为80MHz的飞秒激光脉冲序列，经二分之一波片21后，通过多级平面反射镜14，光到达聚透镜23。通过聚透镜23，光到达THz发射极19。由THz发射极19发射两部分光，一部分光通过离轴抛物面镜20照射样本，透射光经过离轴抛物面镜20，到达探测极22，后经过斩波器16、分束器17。另一部分光通过延时装置15后，经过平面反射镜14。由THz发射极19发射两部分光，最终在分束器17处交汇，最终到达平面镜18。在实验中，需要将太赫兹脉冲扩束，对探测光敏感的CCD相机需要与飞秒激光脉冲实现同步触发。利用电光效应探测THz波的电场信息，通过扫描THz脉冲和探测激光脉冲的相对时间延迟，利用探测光在不同时刻对THz脉冲电场强度进行取样测量，即可得到THz信号的时域波形。获取光谱显示(透过率、反射率、位相差、吸光度、吸光系数、折射率)，获取各频率下的太赫兹光谱信息。

进一步，所述仪器台架上面还设有遮光罩，所述遮光罩将所述仪器台架上面的装置均包裹盖住。

进一步，所述可见光/近红外高光谱传感器聚焦点、旋转式样本放置器体心以及卤素灯光源在同一延长线上。

进一步，所述旋转式样本放置器为圆柱形透明器皿，其直径为3cm，厚度为2.5mm；所述凹槽式样本台中心位置设有圆形孔洞用以透射卤素灯光源，直径大小为5cm。

进一步，所述延时装置采用不同的反射镜来构成的延时结构。

本发明检测方法的具体步骤如下：

1)针对待测大米样品，采集其太赫兹、近红外、可见光光谱信息数据。实现方法如下：

首先对样本进行一定的前期处理，如表面杂物去除等，以符合实验要求，然后将遮光罩2内的空气干燥处理。再将样品放置在旋转式样本放置器5中，进行样本检测。通过控制模块11对电控检测摇臂3、电控样本台摇臂7、旋转式样本放置器5、卤素灯光源8进行样品数据采集前仪器调整；所述仪器调整的方法为：通过计算机调整旋转式样本放置器(5)高度至电控样本台摇臂、电控检测摇臂的转动中心线一致，并使样本位于光源和可见光/近红外高光谱传感器的延长线交点的检测位置。对可见光/近红外高光谱传感器1、透射式太赫兹时域光谱系统4进行黑白板标定(黑板标定用以消除暗电流噪声，白板标定作为最大信号输出标准)。通过模式切换按钮12，对旋转式样本放置器5进行角度转换以及太赫兹检测模式与可见光-近红外光谱检测模式切换。

在获取大米样本太赫兹和近红外、可见光光谱信息后，利用化学检测方法对相关稻米样本的蛋白质、氨基酸进行检测，采用茚三酮柱后衍生法，利用氨基酸自动分析仪进行测定大米中各氨基酸，利用凯氏定氮法测定大米蛋白质含量；将实验检测结果作为定量标定大米样本的新陈品质标签以及相关蛋白质、氨基酸定性分析依据。

2)对获取的太赫兹光谱信息(透过率、反射率、位相差、吸光度、吸光系数、折射率)进行特征提取。具体实现：通过太赫兹波透过率和相位的变化，结合密度泛函理论计算，进行分子结构与振动模式分析，建立太赫兹谱图分析，研究大米太赫兹光谱折射率、吸收系数特征的变化规律。利用小波变换等化学计量方法，结合太赫兹谱段内大米主要5种氨基酸(谷氨酸、天冬氨酸、精氨酸、亮氨酸、缬氨酸)吸收峰，来实现太赫兹谱段特征波长提取。

3)对获取的可见光-近红外高光谱进行特征提取。具体实现：对于近红外波段光谱数据，利用小波变换等化学计量方法，结合近红外谱区主要基团C-H、N-H和O-H基频、合频、倍频吸收带的中心位置，来实现大米中蛋白质、氨基酸各自的近红外谱区的特征波长提取。对于可见光波段高光谱，利用逐步回归法优选出对大米中蛋白质、氨基酸区分度最大的组合特征。

4)以相关性和独立性为原则对所获取的特征进行筛选，分别建立蛋白质、氨基酸各自的组合特征空间。利用小波变换算法对各独立特征空间进行特征提取时，选取不同的小波基函数以及分解层数，对多维信息进行多尺度变换分解，提取奇异性较大、鲁棒性较高的特征，建立多变量组合特征空间。

5)通过化学计量算法得到的太赫兹、近红外、可见光光谱多变量组合特征空间，分别针对不同新陈品质大米样本数据，利用多信息融合技术，进行反映各独立特征与蛋白质、氨基酸之间的灵敏度分析，分别确定各特征的各自权重，利用支持向量机回归算法，建立大米新陈指标的综合信息定量检测模型，给出大米新陈品质水平的综合评价。

进一步，步骤5)还包括：在定量模型建立前，采用蒙特卡罗结合马氏距离法对样本进行预处理，即剔除异常样本及建模集样本的选取，从而提高模型的准确性以及预测精度；

依据训练样本数据，就新米、陈米、陈化米的新陈指标进行统计，制定各类新陈程度大米的新陈指标范围，以此为依据，判别大米的新陈状况。

本发明基于可见光、近红外、太赫兹融合光谱技术，属于无损检测仪器，对环境友好、无污染。以不同新陈品质下的大米为研究对象，探索不同新陈品质下大米内部蛋白质、氨基酸变化对可见光、近红外、太赫兹光谱分布等多维信息的作用机理，提出融合光谱的特征提取、特征优化组合及大米新陈品质的定量分析方法。提取对大米新陈品质检测具有综合优势的可见光、近红外及太赫兹融合光谱特征，较单一的可见光、近红外、太赫兹光谱技术，拓展了有效光谱波段范围，丰富了光谱信息，提高了特征提取的有效性和可分性。利用不同新陈品质下大米所对应的可见光、近红外及太赫兹融合光谱特征以及相关的化学检测方法获取的定量标签，所建立的定量检测模型可以判定大米新陈品质以及相关的蛋白质、氨基酸的含量。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。