近红外牛奶成分检测光学机制及其精度影响因素的研究

Recently, it is still difficult to apply the near infrared spectroscopy technique to the production in dairy industry. The current researches mainly focus on the field of contents measurement. However, due to the lack of study on the interaction mechanism of light in milk, the measurement precision can’t meet the requirements of practical production. According to the present situation, the tissue optics theory will be firstly introduced to make a detailed analysis of light transmission in milk. Then, the associated transmission model will be constructed and the key factors which have the importance influence on precision of measurement will be revealed. To develop the suitable measuring method, the useful information distribution of milk in near infrared band will also be studied in detail by digital signal processing technology, and the influence of different interferences will be determined explicitly. At last, the development of prediction model with high robustness and precision will be attempted to execute based on the success of efficient method design for useful information extraction. The characteristics and innovation of this study lies in the method for key influence factors determination, which combine the tissue optics theory and the practical detection operation. The theory and technical fundaments established in this project will effectively improve the precision of content measurement in milk and will also accelerate the development of corresponding instruments.

当前国内外牛奶质量近红外检测技术还很难应用于工业生产中，目前的研究主要集中在检测方面，而对于牛奶近红外检测内部作用机理缺乏系统研究，导致目前检测精度还无法满足实际的需要。针对这一现状，本课题欲采用组织光学的研究方法，系统研究近红外光在牛奶中的传播规律，在建立符合光与牛奶实际作用过程的光学模型基础上，结合实际检测过程分析影响牛奶近红外检测的关键点，进而提出适宜的解决方案；利用数字信号处理技术明确近红外牛奶光谱有用信息的分布，研究各种干扰信号对牛奶成分预测误差的影响程度，设计合理的有用信息拾取方法，建立高精度、稳健的校正模型。项目的特色和创新之处在于先采用组织光学方法获得理论依据，再与实际检测过程相结合确定影响精度的关键因素，具有快速、高效和系统性强的特点，为有效提高牛奶及奶制品近红外检测精度以及研制新型近红外牛奶质量检测仪奠定理论和技术基础。

近红外光谱技术在牛奶质量检测中具有重要的发展前景和实用价值，但国内至今未应用于生产实践中。本项目从检测原理和过程入手，对近红外牛奶检测中的应用进行了机理性的分析，系统研究脂肪、蛋白质浓度与牛奶光学特性参数之间的关系，建立了适合牛奶测量的光学辐射模型，并从分子水平上分析了牛奶内部结构的变化对近红外光在牛奶传播的影响，阐明了强散射作用下牛奶主要成分浓度与吸光度之间的关系，得出了牛奶散射特性即所含粒子的尺寸分布对光的传输影响很大，明确了光散射作用是引起牛奶光谱背景变化的主要因素。系统研究了牛奶近红外检测实际应用中温度和均质两个关键的影响因素，基于二维相关技术和组织光学方法揭示了温度变化和均质操作对近红外牛奶测量影响的机制，构建了全局校正模型和专一校正模型来消除温度背景的影响，利用不同预处理方法和分段子模型方法来扣除均质背景的影响；在此基础上，通过小波变换技术对牛奶光谱信号进行处理，从时域和频域上分析有用信息的分布规律，利用信息融合方法转变了信号的响应变量，减小了散射背景信息的影响，建立了稳健的校正模型，牛奶中脂肪和蛋白质含量模型的RMSEP值均低于0.09，为研制新型近红外牛奶质量检测仪奠定理论和技术基础。