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《浙江大学》 2006年
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水果内部品质可见/近红外光谱实时无损检测关键技术研究

陆辉山  
【摘要】: 近红外光谱分析技术以其高效、快速、成本低、非破坏和绿色环保的优点广泛应用在多个研究领域中。国内近红外光在水果品质检测的研究在基础研究方面已经取得了较好的成绩,但在实际应用中还是存在一定的差距。我国水果总产量一直居世界前列,而由于水果产后加工和处理水平不高,水果年出口量仅占总产量的3%左右,这与世界水果第一王国的身份极不相称。国内的水果内部品质近红外光谱无损检测装置的研究还处于初级阶段,以水果糖酸度可见/近红外光谱在线无损检测中的关键技术为研究起点,研究通用型的水果内部品质可见/近红外光谱检测方法和装置,实现快速动态实时无损检测水果的内部品质有其重大理论价值和现实意义。 基于目前国内外对厚皮水果内部品质的实时无损检测还处在实验室研究阶段,现有在线无损实时检测技术和方法还不成熟且投入商业化应用较少的现状,本研究选择柑橘类水果为研究对象,对柑橘水果的内部品质中最重要的糖度和酸度指标进行实验分析,设计完成了基于可见/近红外光谱水果内部品质在线检测试验台装置,研究了实时在线检测中存在的一些技术难点,综合多学科的知识解决一些基于可见/近红外光水果内部品质在线检测中的关键技术问题,为实现在线检测提供理论指导和参考依据。 论文的主要研究内容及结论有: 1)阐述了近红外光谱检测技术的理论基础,以及近红外光谱检测中常见的光谱预处理方法和光谱定量分析方法,为水果光谱在线检测提供一定理论基础。 2)实验研究了基于实验室的光谱信息有效提取方法,包括:光谱不同预处理方法的试验研究(导数方法、MSC和SNV、Savitzky-Golay平滑滤波和小波滤波);不同建模方法的研究(MLR、PCR和PLS等);多变量校正模型的波长优选方法研究(相关分析波长优选、显变分析波长优选、回归系数/光谱参差波长优选和遗传算法波长优选方法);研究基于模型稳定性的模型奇异点剔除方法;研究了不同光谱检测方式(漫反射和漫透射检测方式)。在荸荠样品的SSC检测中,试验研究表明,采用一阶微分光谱预测结果要比不进行微分处理和其它微分处理要好,其建立模型的结果分别为r~2=0.9055、RMSEC 0.456和RMSEP=0.491。在猕猴桃样品的SSC检测中,对原始光谱进行MSC和SNV处理以后,模型的预测结果有显著的变化。经过SNV光谱处理后建立的模型要比未处理和MSC处理后建模的结果要好,其r~2、RMSEC和RSMEP分别只有0.9712、0.316和0.427。采用Savitzky-Golay光谱平滑方法时,不同平滑点数处理后对荸荠SSC的预测效果是不同的。当平滑点数为8时预测效果最好,r~2、RMSEC和RMSEP分别为:0.8179、0.459和0.498。对温州蜜橘的SSC检测中,经过小波滤噪处理后的结果没有原始光谱下建立的模型的结果好,默认阈值WT下模型的r、RMSEC和RMSEP分别为0.847、0.511和0.587;选定阈值WT下模型的r、RMSEC和RMSEP分别为0.892、0.499和0.506;未经WT滤波下模型的r、RMSEC和RMSEP分别为0.908、0.404和0.431。在福建早桔SSC检测实验中,PLS和PCR预测模型的结果区别较大。PLS模型各个参数评价指标都要好于PCR预测模型,结果分别为:r=0.8949、RMSEC=0.351和RMSEP=0.409。 3)实验研究对比了相关分析法、显变分析法、回归系数/参差和遗传算法的波长优选方法,结果表明采用遗传算法对建模波长进行优选能够有效地提高模型的预测能力。采用遗传算法在500-950 nm(共901个波长变量)进行变量优选,并采用交互验证法来评价PLS模型的预测能力。遗传算法的参数设定:初始群体40,最大繁殖代数200,交叉概率0.6,变异概率0.05。遗传算法优选波长的过程中,将采用交互验证方法得到的预测精度(RMSECV)作为目标函数。建模的波长个数减少81.6%,RMSEC虽然增高了一点点,但RMSEP却降低了0.024。;研究了光谱数据奇异点检测和剔除方法对预测模型结果的影响;研究了不同光谱检测方式来有效提取光谱信息及对检测结果影响,比较了漫透射检测方法和漫反射检测方法,分析了不同检测方式的应用环境,选择适应于柑橘等厚皮水果在线检测方式为光谱漫透射检测方式。在对漫透射和漫反射检测方式对“华朋”脐橙SSC检测结果的影响研究实验中,漫反射检测方式的预测结果(r~2=0.9151,RMSEP=0.325)较次于漫透射检测方式所得到的预测结果(r~2=0.9749,RMSEP=0.282)。 4)实验研究了不同水果样品温度参数对检测结果的影响,对于单个温度下的模型而言,当样品温度与室温接近时,检测模型要好于远离室温下建立的模型,为了消除或减小水果样品温度差异对在线检测的影响,实验应用了三种模型建立和预测方案来实现这一目的,对检测精度影响的温度补偿模型。全局温度下的模型稳定性和适应性较好,由于建立的模型覆盖比较广的温度范围,所以预测水果SSC时就不需要对待检测的水果样品进行温度测量,也不需要重新建立新模型,此外基本可排除建立的模型由于会闯入不可预知的误差而不正确从而导致预测结果不准确。 5)实验研究了用三种不同尺寸描述方法建立了SSC预测模型(横径尺寸模型、纵径尺寸模型和估测体积尺寸模型),其中每种模型下又根据水果尺寸的大小分为三个模型。在基于横径尺寸的SSC预测模型试验中,71-80 mm模型对其它尺寸水果(60-70 mm和81-90 mm)的预测效果要好于其它两个模型。在基于纵径尺寸的SSC预测模型试验中,71-80 mm模型对其它尺寸水果(50-70 mm和81-96 mm)的预测效果要好于其它两个模型。在基于估测体积尺寸的SSC预测模型试验中,200-250 cm~3模型对其它尺寸水果(150-200 cm~3和250-300 cm~3)的预测效果要好于其它两个模型。从三种不同描述方法的SSC模型来看,估测体积尺寸模型的结果最好。综合整个试验研究表明水果的尺寸大小对模型的预测结果有影响,如果建模时能保证有每个尺寸梯度下的大量样品参与建模,就可以有效的提高模型的稳健性,从而减小模型对水果尺寸的敏感性。 6)实验研究了正立、侧躺和任意三种水果放置姿态对水果SSC检测结果的影响,虽然不同的水果放置姿态对检测的结果有一定的影响,但结果表明:当水果以侧躺姿态进行检测时SSC的接测结果要好于其它两种放置姿态,但是其它放置姿态下的检测结果也不是很差。对于在线而言,不可能人为的以某种姿态放置水果,对于实际生产而言更多的是水果任意姿态下的检测,从试验研究来看,柑橘水果放置姿态对检测结果影响不是很大,在线检测不需考虑水果的放置姿态的影响。 7)实验研究了在采用透射方式不同光照强度下对水果SSC检测结果的影响。从100-500W每隔100W为一个梯度,随着光照强度的增加,r~2有上升的趋势,RMSEC和RMSEP都有下降的趋势。在400W光照强度下获得最好的检测结果,500W的结果有下降的趋势。所以夏橙样品的最佳光照强度为400W,在该强度下获得最佳的检测结果:r=0.8582,RMSEC=0.272,RMSEP=0.304,SSC实际值和预测值之间的拟合方程为y=0.7191x+2.7442。 8)设计了评价各种实时光谱预处理的效果指数:F=(α·r~2+β(RMSEP·e~(|RMSEC-RMSEP|)))/t,考虑光谱预处理方法和积分时间选取是否合理对在水果内部品质检测中预测模型精度和准确性的影响,为选择合适的实时光谱预处理方法提供可靠的参考。实验验证几种光谱预处理方法及他们之间的组合方法的对在线检测中的效果评价,当光谱预处理方法采用一阶微分处理时所得到的效果指数值最大为0.6369,此时积分时间为0.05 s,r=0.9883、RMSEC=0.174、RMSEP=0.92。 9)建立了基于水果可见/近红外光特性的内部品质SSC和酸度在线无损检测硬件系统,可以实现水果以一定速度范围的输送、使光照箱的光有效照射水果表面,光谱仪通过光纤探头能准确、实时、有效地获取来自检测对象内部的透射光谱信息,经过计算机对透射光谱信息的计算处理完成被测水果样品SSC品质指标的预测,实现水果内部品质(SSC、酸度)的在线无损检测。 10)研究开发了水果内部品质实时在线检测的软件系统,该系统由实时光谱文件管理,实时光谱显示,实时光谱信号处理(预处理),实时光谱校正模型的选择与管理,未知样品糖酸度预测及等级评价等五大功能模块构成。实现多种光谱仪器光谱格式兼容性,光谱分析功能全面,建模算法选择多样性,内部品质指标预测准确性,软件系统易维护性,用户使用操作方便性等特点,为水果内部品质在线检测提供了很好的技术支持。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:S226.5

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前3条
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3 李军良;王从庆;;量子进化算法在苹果漫透射近红外光谱分析中的应用[J];浙江大学学报(农业与生命科学版);2011年04期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 樊景超;苹果果实病害近红外光谱信息获取与识别模型研究[D];中国农业科学院;2011年
2 石礼娟;基于可见光/近红外光谱的稻米质量快速无损检测研究[D];华中农业大学;2011年
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【参考文献】
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【共引文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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6 代芬;黄冠勇;洪添胜;;基于光谱技术的砂糖橘品质无损检测方法研究[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年
7 刘洁;李小昱;王为;李培武;肖武;张军;周竹;;基于近红外光谱的板栗蛋白质检测方法研究[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年
8 田潇瑜;彭彦昆;马世榜;徐杨;牛力钊;;利用VIS/NIR反射光谱预测并评价牛肉嫩度[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年
9 田海清;王春光;吴桂芳;李建康;陈浩;;马铃薯品质可见近红外漫反射光谱检测研究[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年
10 周兴藩;杨增玲;黄光群;刘贤;韩鲁佳;;遗传算法在DDGS蛋白含量预测中的应用[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 陈祯;基于近红外光谱分析的土壤水分信息的提取与处理[D];华中科技大学;2010年
2 颜辉;植物油的亚油酸、亚麻酸红外光谱融合和模型优化方法的研究[D];江苏大学;2010年
3 尹浩;地中海贫血筛查指标的FTIR/ATR光谱分析方法研究[D];暨南大学;2010年
4 黄富荣;人体血液胆固醇、甘油三酯近红外光谱无试剂分析方法研究[D];暨南大学;2010年
5 包鑫;稳健回归技术及其在光谱分析中的应用[D];浙江大学;2010年
6 郭俊先;基于高光谱成像技术的棉花杂质检测方法的研究[D];浙江大学;2011年
7 邵咏妮;水稻生长生理特征信息快速无损获取技术的研究[D];浙江大学;2010年
8 徐惠荣;基于可见/近红外光谱的水果糖度检测模型优化及应用研究[D];浙江大学;2010年
9 陈国林;油菜籽饼粕氨基酸含量的近红外模型创建及发育遗传研究[D];浙江大学;2010年
10 孙通;梨可溶性固形物和酸度的可见/近红外光谱静态和在线检测研究[D];浙江大学;2011年
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1 武少伟;铁锰硅对凤眼莲生物质结构的影响[D];华中农业大学;2010年
2 展慧;基于多源信息融合技术的板栗分级检测方法研究[D];华中农业大学;2010年
3 胡红;矿区植物胁迫作用与遥感信息提取[D];山东科技大学;2010年
4 刘帅男;机织物规格要素与其光泽性能的关系研究[D];浙江理工大学;2010年
5 何文;近红外漫反射光谱结合PLS-ANN算法对药物有效成分的定量分析测定[D];郑州大学;2010年
6 王晓东;基于红外吸收型CO_2浓度分析仪设计[D];郑州大学;2010年
7 侯黎黎;聚丙烯蜡接枝与乳化研究[D];郑州大学;2010年
8 王宁;PA66/RCT/rPET/滑石粉复合材料的研究[D];郑州大学;2010年
9 陈志强;红富士苹果花营养诊断及其硼含量监测模型的构建[D];山东农业大学;2010年
10 李响;油品调和优化问题的研究[D];大连理工大学;2010年
【同被引文献】
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1 徐国;;巢湖地区菠菜中有机磷农药残留状况调查[J];安徽化工;2010年01期
2 陈翔;王兆锋;杨庆勇;祁春节;郭良兴;;赣南脐橙产业发展中存在的问题及对策[J];安徽农业科学;2007年15期
3 张涛;李军科;刘柱;袁士芳;;食品科学中拉曼光谱研究进展[J];安徽农业科学;2007年33期
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5 樊景超;周国民;;苹果近红外光谱采集影响因素研究[J];安徽农业科学;2011年01期
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7 李兆华;王小虎;郑秀苹;尹济滨;;现代生物学技术在农兽药残留检测中的应用[J];环境科学与管理;2009年11期
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10 罗彬;殷亚方;姜笑梅;骆秀琴;刘波;郭起荣;;3种无损检测方法评估巨尾桉木材抗弯和抗压强度性质[J];北京林业大学学报;2008年06期
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8 李晓霞;人体血液成分无创检测的动态光谱理论分析及实验研究[D];天津大学;2005年
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2 刘冰;近红外光谱法在涪陵榨菜品质检测方面的应用研究[D];西南大学;2011年
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6 李南;色质联用技术在坚果中农药多残留分析中的应用[D];河北大学;2011年
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【二级引证文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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4 喻晓强;刘木华;郭恩有;杨勇;;基于荧光高光谱图像的柑桔糖度无损检测[J];安徽农业科学;2007年36期
5 薛龙;黎静;刘木华;王晓;罗春生;;荧光光谱检测脐橙表面敌敌畏残留试验研究[J];江西农业大学学报;2011年02期
6 齐永峰;徐华东;王立海;;四种方法测木质材料动弹性模量的对比研究[J];森林工程;2011年01期
7 应义斌,蔡东平,何卫国,金娟琴;农产品声学特性及其在品质无损检测中的应用[J];农业工程学报;1997年03期
8 戚大伟;牟洪波;;人工神经网络在木材缺陷检测中的应用[J];森林工程;2006年01期
9 孙丽萍;张澎涛;;基于能量算法的中密度纤维板超声波无损检测[J];木材加工机械;2006年04期
10 王逢瑚;朱晓冬;孙建平;;小波分析在中密度纤维板无损检测中的应用[J];林业科学;2006年10期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 于翔;卫振海;;无损检测技术在防护工程中的应用[A];第八届全国建设工程无损检测技术学术会议论文集[C];2004年
2 陈江明;王进明;;网络时代中的无损检测探讨[A];无损检测专业委员会第七届年会论文集[C];2000年
3 杨勇;刘木华;邹小莲;苗蓬勃;赵珍珍;;基于高光谱图像技术的猕猴桃硬度品质检测[A];走中国特色农业机械化道路——中国农业机械学会2008年学术年会论文集(下册)[C];2008年
4 刚铁;;焊接无损检测技术的现状及发展[A];第十次全国焊接会议论文集(第2册)[C];2001年
5 吴文术;左宪章;原亮;;无损检测信息支持系统的开发[A];’2004计算机应用技术交流会议论文集[C];2004年
6 孙晓晴;王渝;;便携式无损检测机器人的运动控制研究[A];《制造业自动化与网络化制造》学术交流会论文集[C];2004年
7 舒晓平;;提高无损检测准确度保证方法探讨[A];江苏省计量测试学会2006年论文集[C];2006年
8 白艳平;秦玉文;樊海波;曲日;;一种新的复合材料检测技术的应用研究[A];“力学2000”学术大会论文集[C];2000年
9 凌树森;;无损检测的可靠性研究——NDT可靠性软件的研制[A];全国材料理化测试与产品质量控制学术研讨会论文专辑(物理测试部分)[C];2002年
10 严春妍;李午申;;金属磁记忆(MMM)检测方法[A];第十一次全国焊接会议论文集(第1册)[C];2005年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 ;特种设备无损检测行业公约[N];中国质量报;2004年
2 张轶;浅谈无损检测的发展及作用[N];中国石油报;2003年
3 孙志恒;水工混凝土结构的无损检测[N];中国水利报;2004年
4 记者 史爱萍;“中国有色金属工业无损检测中心”等通过评审[N];中国有色金属报;2009年
5 本报记者 王惜纯;搭建无损检测服务新平台[N];中国质量报;2010年
6 记者 甘丰录;《材料与焊接规范》2011年修改通报生效[N];中国船舶报;2011年
7 李秀贤 记者 栾哲;吉林石化与哈工大共建无损检测实验室[N];吉林日报;2009年
8 杨明通讯员 佘军;辽河油建大型储罐施工得心应手[N];中国石油报;2007年
9 龚春艳;SGS无损检测培训考试中心落户上海[N];大众科技报;2008年
10 本报记者 郭海方;为了高速公路不再“开膛破肚”[N];河南日报;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 陆辉山;水果内部品质可见/近红外光谱实时无损检测关键技术研究[D];浙江大学;2006年
2 范永哲;汽轮机转子热脆化的非破坏性检测法研究[D];华北电力大学(河北);2006年
3 陈香维;猕猴桃近红外光谱无损检测技术研究[D];西北农林科技大学;2009年
4 赵延广;基于锁相红外热像理论的无损检测及疲劳性能研究[D];大连理工大学;2012年
5 陈为真;大型结构振动信号处理与模态参数识别研究[D];华中科技大学;2010年
6 詹湘琳;超声相控阵油气管道环焊缝缺陷检测技术的研究[D];天津大学;2007年
7 金燕;基于神经网络和机器视觉的南方葡萄专家系统研究[D];湖南农业大学;2009年
8 李久政;钢管漏磁探伤中的内外伤区分方法[D];华中科技大学;2009年
9 宋明大;多层包扎尿素合成塔检验与剩余寿命评估方法研究[D];山东大学;2008年
10 刘灏;胃癌阿霉素敏感性预测模型的建立与验证[D];第四军医大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 肖君;基于近红外三波长血糖检测系统的研制[D];华中科技大学;2006年
2 柯大观;基于介电特性的苹果无损检测系统研究[D];浙江工业大学;2002年
3 朱晓冬;小波分析在中密度纤维板无损检测中的应用[D];东北林业大学;2004年
4 江杰;应力波法锚杆加固无损检测与锚固效果评价的研究[D];武汉理工大学;2005年
5 秦莹;锚杆无损检测及锚固质量评价[D];武汉理工大学;2006年
6 庞彦伟;工业CT技术研究——提高CT图像质量的几个途径[D];华北工学院;2001年
7 李刚;激光超声技术及其在金属无损检测方面的应用[D];华中师范大学;2004年
8 唐圣学;X射线底片图像处理系统[D];湖南大学;2004年
9 焦标强;基于DSP技术的超声波无损检测研究[D];北京工业大学;2005年
10 钟超荣;扫描SQUID显微镜分辨率的改进及其在漏电电流无损检测中的应用研究[D];重庆大学;2005年
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