一种微型拉曼光谱水稻检测装置及方法与流程

本发明涉及农产品检测技术领域，特别涉及一种微型拉曼光谱水稻检测装置及方法。

背景技术：

拉曼光谱（ramanspectra）是一种散射光谱，是由印度科学家拉曼在1928年首次发现的，其是一种基于拉曼效应的分子光谱。拉曼光谱技术作为一项间接性的检测技术，成为农产品品质检测的一种可行技术。但要想满足国家在粮食、食品安全领域所注重的标准优化和现场实时监测能力，仍然存在如下问题：①直接应用于拉曼光谱检测系统的拉曼光谱光谱仪市场价格仍过高，不便于直接携带，离不开计算机等辅助计量工具，尤其在核心技术方面基本被国外完全垄断；②基于表面增强拉曼（surface-enhancedramanscattering，简称sers）技术的活性基底检测重复性不够、稳定且成本低廉的批量化产能严重不足，限制了拉曼光谱作为粮食、食品安全现场应急检测技术标准市场化推广。且长期以来，大型拉曼光谱仪由于设备大、价格高昂等原因，仅在高校实验室以及相关科研院所使用。随着环境检测、食品安全以及实时安检等众多领域对拉曼检测系统需求越来越大，便携式和微型化的拉曼散射检测系统引起了国内科研机构和大型研发公司的关注。

但在便携式系统方面国外方面许多公司都致力于拉曼光谱仪的研制与开发。国外便携式拉曼光谱仪以优良的性能在中国占有绝大部分市场份额，但国外仪器价格普遍较高，一般在几万到十几万美元左右，不利于我国大范围推广应用拉曼光谱技术进行农产品品质检测。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于多光谱技术的水稻品质快速检测装置及方法，以解决现有的水稻检测设备存在的成本高昂、不方便现场检测及稳定性差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种微型拉曼光谱水稻检测装置，包括：

激光光源，用于产生检测用拉曼光谱的激光；

拉曼探头，用于传导所述激光至待测样品，以及采集样品反射的拉曼散射光；

mems色散模块，用于将所述拉曼散射光按照波长进行分散得到分散光；

ccd模块，用于将所述分散光进行光电转换得到电信号；

控制模块，用于对所述电信号进行预处理，得到水稻检测数据；

其中，所述拉曼探头设置有收集光纤，用于收集所述拉曼散射光。

较佳地，所述mems色散模块包括：反射光栅、f-p色散滤波器及f-p腔，其中，所述反射光栅用于将所述拉曼散射光按波长成分进行分光；所述f-p色散滤波器用于将分光后的色散光进行光滤波；f-p腔用于输出滤波后的分散光。

较佳地，所述收集光纤的前端设置有陷波滤波器，用于滤除进入所述拉曼探头的拉曼散射光的瑞利散射部分。

较佳地，还包括数据处理模块，用于对所述水稻检测数据进行拉曼光谱特征分析，得到分析结果。

较佳地，所述数据处理模块通过视觉图像处理对所述水稻检测数据进行拉曼光谱特征分析，得到分析结果。

较佳地，所述控制模块还包括信号放大器、a/d转换器及微型处理器，所述信号放大器用于对采集的电信号进行放大，所述a/d转换器用于将放大的电信号进行a/d转换处理得到二进制的数字图像矩阵，所述微型处理器用于对数字图像矩阵进行处理，得到所述水稻检测数据。

本发明还提供了一种微型拉曼光谱水稻检测方法，利用上述的微型拉曼光谱水稻检测装置对水稻进行拉曼光谱监测，包括：

采用激光光源产生检测水稻用的拉曼光谱的激光；

采用拉曼探头传导所述激光至待测样品，以及采集样品反射的拉曼散射光；

采用mems色散模块将所述拉曼散射光按照波长进行分散得到分散光；

采用ccd模块将所述分散光进行光电转换得到电信号；

利用控制模块对所述电信号进行预处理，得到水稻检测数据。

较佳地，还包括利用数据处理模块对所述水稻检测数据进行拉曼光谱特征分析，得到分析结果。

较佳地，所述数据处理模块通过视觉图像处理对所述水稻检测数据进行拉曼光谱特征分析，得到分析结果。

本发明装置及方法具有以下有益效果：

1、将拉曼系统进行结构设计优化，通过拉曼光谱技术和ccd图像传感技术进行集成创新应用，实现现场的微型拉曼光谱检测；

2、通过在拉曼探头设置陷波滤波器实现对瑞利散射光的滤除，提高后续检测精度；

3、通过使用mems色散模块实现分光，基于微机电系统(mems)技术的f-p滤波器不仅能充分展现其原有的性能，而且要具有体积小、成本低和集成度高等优点，使得装置整体具有微型化和成本低的优势；

4、通过设置ccd模块，利用ccd图像传感技术与拉曼光谱技术的集成，实现基于图像处理的新型检测技术，并为进一步基于图像处理的数据分析提供技术基础。

附图说明

图1为本发明优选实施例提供的微型拉曼光谱水稻检测装置组成示意图；

图2为本发明优选实施例二提供的微型拉曼光谱水稻检测装置组成示意图；

图3为本发明优选实施例提供的微型拉曼光谱水稻检测方法流程图。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

参考图1所示，本实施例提供了一种微型拉曼光谱水稻检测装置，该装置包括以下几个部分：

激光光源10，用于产生检测水稻用的拉曼光谱的激光；

拉曼探头20，用于传导所述激光至待测样品，以及采集样品反射的拉曼散射光；

mems色散模块30，用于将所述拉曼散射光按照波长进行分散得到分散光；

ccd模块40，用于将所述分散光进行光电转换得到电信号；

控制模块50，用于对所述电信号进行预处理，得到水稻检测数据。

此外，参考图2所示，在进一步的优选实施例二中，该装置还包括数据处理模块60。在优选实施例二中，除新增的数据处理模块60外，其他模块均与上述实施例的实施方式相同。本实施例中，数据处理模块60用于对得到的水稻检测数据进行拉曼光谱特征分析，得到分析结果。这里的数据处理模块60可以设置在装置内，方便进行本地的数据处理和分析。在其他的变形实施例中，数据处理模块60还可以设置在智能手持终端设备、台式计算机设备、云端服务器等具有计算和存储能力的设备上，通过无线或有线的形式与控制模块进行通信，方便用户远程查看分析结果。

使用该装置可以进行稻种品质及水稻生长状态的检测，也即将水稻作为检测样品使用该装置完成快速的现场检测。具体地，该装置工作时，激光光源10通过拉曼探头20的输入端将监测用的激光照射到水稻的待测样品上，在待测样品处激发产生拉曼散射光。再由拉曼探头20收集在样品处被激光激发而产生的拉曼散射光后，将采集的拉曼散射光传输至上述的mems色散模块30，由mems色散模块30将拉曼散射光按照波长进行分散后入射到ccd模块40中进行光电转换，ccd模块40可以将在mems色散模块30中得到的分散光转换为具有拉曼散射光特征的图像信号（也即便于计算机存储和处理的电信号）；最后由控制模块50对光电转换后的电信号进行处理得到水稻检测数据。这里控制模块50仅对上述电信号进行简单的初步处理。

下面关于装置的进一步说明均可作为上述各实施例的进一步改进，相同部分不再赘述，仅对改进之处作进一步说明，具体如下：

该装置的激光光源10作为拉曼光谱的激发因素，其性能直接决定拉曼散射的强度以及质量。该装置中，通过控制模块50可以执行对激光光源10的参数设置，从而调整其产生的激光的强度及质量。

这里的控制模块50由一嵌入式操作系统构成，其不仅可以控制激光光源的工作过程及具体的工作参数，也可以控制ccd（chargecoupleddevice-电荷耦合器件）模块的工作过程，并由其自带的数据处理功能执行对来自ccd模块电信号的预处理从而得到水稻检测数据（也即ccd图像数据）。而得到的水稻检测数据可以进一步上传至的数据处理模块以进行进一步的数据处理分析。这里的数据处理模块可以独立于控制模块单独设置一具有较强的数据处理能力的设备，或者设置于与上述控制模块在同一设备处（如该嵌入式操作系统自身具备较强的计算能力和数据处理分析能力时，可分配一定的资源执行针对水稻检测数据的分析工作）。当然，在其他优选实施例中，数据处理模块也可设置于上位机，通过上位机进行后续的数据分析工作。

具体地，水稻检测数据中包含拉曼光谱信息，而拉曼光谱信息所对应的光谱特征直接与水稻的稻种内含水分、蛋白质、脂肪、霉变等物质含量具有对应关系，通过分析拉曼光谱信息所对应的光谱特征，即可直接采用该微型拉曼光谱监测装置得到水稻的品质结果。这里数据处理可以根据需要使用数据融合技术。该装置在水稻品质监测，以及在在田间植株病害检测管理方面，通过该装置的拉曼光谱信息获取技术即可检测稻田植株叶片的所含霉菌种类，实现田间稻米生产状态下的疾病精准识别，为稻米的精准种植提供便捷、有效的技术支撑。

进一步地，本实施例中，拉曼探头20中还设置有收集光纤，拉曼探头20通过该收集光纤来收集在待测样品处由于激光照射所激发的拉曼散射光。而收集光纤的前端进一步设置有陷波滤波器，该陷波滤波器用于滤除进入拉曼探头的拉曼散射光所包含的瑞利散射光。本实施例中，检测样品的拉曼探头中，激光照明系统（拉曼探头20的输入端）与拉曼散射光的收集系统（设置在拉曼探头20内的收集光纤）共用光路，使得装置具有紧凑性。且本实施例通过进一步通过设置陷波滤波器，滤除公用光路内的瑞利散射光，从而可以在保证该装置的紧凑性的同时，避免照明光在激光透镜内的多次反射后形成瑞利散射光以外的杂散光以及电路部分的ccd暗电流噪声等杂散光部分对检测的结果的影响。

上述的mems色散模块30进一步包括：反射光栅、f-p色散滤波器及f-p腔。其中，反射光栅用于将拉曼散射光按波长成分进行分光，得到波长范围不同的单色光。具体地，本实施例中通过设置反射光栅作为分光系统，把包含多种波长成分的拉曼散射光分开，再射向不同的方向，得到许多波长范围狭小的单色光，从而能够辨认出入射光的波长成分。由于棱镜分光系统的分辨率较低，在此选用光栅分光系统。由于使用透射光栅往往容易损失大量光能，且效率低下，所以本实施例中采用反射光栅作为分光系统，从而有效地避免了光能的大量损失。而这里设置的f-p色散滤波器（fabry-perot）用于将分光后的色散光进行进一步的光滤波，通过使用f-p色散滤波器，可对分光后的光进行进一步去除杂波，有利于后续的拉曼光谱图像信息的采集。而f-p腔则用于输出f-p色散滤波器滤波后的分散光。

f-p色散滤波器是一种全光纤器件，其基于fabry-perot干涉结构设计，产生的干涉条纹非常细锐，因此，使用该滤波器滤波可以有利于进行超精细的光谱滤波处理。而f-p腔的使用，可以使得滤波后的光在f-p腔内被多次反射和透射相干叠加，使得投射的光谱结构明显地区别于入射光光谱，从而将f-p色散滤波器滤波后的光的连续宽光谱改变为透射光的准分立谱，也即得到分散光，便于后续转换为电信号后从上述的水稻检测数据中提取水稻的光谱特征以及进行相应的光谱特征分析。

本实施例采用基于微机电系统(mems)技术的f-p滤波器不仅能充分展现其原有的性能，而且具有体积小、成本低和集成度高等优点，这是实现本实施例装置微型化和低成本的关键。

本实施例中，检测装置通过ccd模块40的使用可以将来自mems色散模块30的分散光进行光电转换得到电信号，也即将原光学信号转换为电荷信号对应的图像信息，从而便于实现对检测样品结构的图像处理及存储。ccd模块（电荷耦合器件，chargecoupleddevice）为一种电子感测器，其可以实现将光学影像转换为电子信号，以便数据被传送至后续的控制模块进行处理。本实施例中，ccd模块主要采用ccd作为感光元件进行光信号的采集。从而获得电信号。再由控制模块对该电信号进行初步的预处理。

具体地，本实施例中的控制模块包括：信号放大器、a/d转换器、微型处理器。由于ccd采集的信号过于微弱，因此，还需要使用信号放大器对采集的电信号进行放大，以便后续进行电信号的a/d转换。a/d转换器的输入即为放大的电信号，经a/d转换器处理后，即可得到二进制的数字图像矩阵。微型处理器主要由dsp芯片及其外围电路构成。微型处理器对来自a/d转换器的数字图像矩阵进行处理，以将其中的数字信息整合成完整的图像。这里的微型处理器主要进行将上述的数字图像矩阵转换为可绘制的图像数据，以及为图像数据对应的图像分配其中每个像素的颜色和灰度。分配像素颜色后，在将像素按照预设的时钟周期进行排列，组成完整的图像。在优选的实施例中，微型处理器还对图像数据进行格式压缩，使得图像数据的存储更加节省内存。

因此，控制模块对该电信号进行初步的预处理后，即可得到与所检测样品对应的水稻检测数据（图像数据），且该水稻检测数据中包含了拉曼光谱的谱特征。进而使得上述的数据处理模块能够通过视觉图像处理技术对水稻检测数据进行拉曼光谱特征分析，得到分析结果。

当然，在其他的优选实施例中，上述实施例中控制模块内的信号放大器、a/d转换器也可直接集成在ccd模块中，或单独作为独立的模块构成本发明的微型拉曼光谱监测装置。本领域技术人员可根据需要自由改变具体的组合实施方式。

对应地，如图3所示，本实施例还提供了一种微型拉曼光谱水稻检测方法，利用上述的微型拉曼光谱水稻检测装置对水稻进行拉曼光谱监测，包括以下步骤：

s1：采用激光光源产生检测水稻用的拉曼光谱的激光；

s2：采用拉曼探头传导所述激光至待测样品，以及采集样品反射的拉曼散射光；

s3：采用mems色散模块将所述拉曼散射光按照波长进行分散得到分散光；

s4：采用ccd模块将所述分散光进行光电转换得到电信号；

s5：利用控制模块对所述电信号进行预处理，得到水稻检测数据。

其中，上述的步骤s5中或步骤s5之后还包括利用数据处理模块对水稻检测数据进行拉曼光谱特征分析，得到分析结果。这里的数据处理模块可以集成在控制模块中也可为与控制模块进行通信的上位机处理器，本领域技术人员可以自由设置。

进一步优选地，上述的数据处理模块具体通过视觉图像处理技术对水稻检测数据进行拉曼光谱特征分析，得到分析结果。通过采用图像处理的方式可以有效地分析处水稻检测数据对应的图像中的拉曼光谱特征，进一步提高检测结果的准确性。

本实施例提供的微型拉曼光谱水稻检测装置的结构紧凑简单，可以实现现场的微型拉曼光谱检测，并可以在检测过程中有效滤除杂波影响。特别是，使用该装置进行现场检测时，由于拉曼散射信号是很微弱的，强度比入射光低了六个数量级，所以噪声对拉曼信号的干扰是影响拉曼信号的关键因素，本发明装置通过拉曼探头进行滤波及mems色散模块进一步的分光后滤波，提高了检测精度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。