基于高光谱散射图像的水果光学特性参数无损测量及其应用研究

The measurement of optical property parameters provides a new way for quantitative analysis of the chemical properties and tissue structures in fruits. By means of the obtained optical property parameters, a better evaluation system for internal quality in fruits is developed. To solve the nondestructive measurement problems of optical property parameters, using typical fruits as the research objects, the high order models are studied for the optical transmission in fruit tissue to develope its steady-state spatial-resolved high-order transmission models. Hyperspectral scattering images are utilized to acquire the resolved full wavelengths image. Meanwhile, Monte Carlo simulations and experimental verification are researched on the effect factors for the measurement results to implement the optimization design of the instrument parameters. The hierarchical identification principle and the multi-innovation identification theory are adopted to study the higher-order transmission model inversion identification algorithm to improve the measurment accuracy of the optical property parameters in fruits. Finally, a set of the nondestructive measurement system for the optical property parameters in fruits is formed using steady-state spatial-resolved hyperspectral scattering image technique. The prediction models for internal qualities in fruits are developed based on the optical property parameters to improve the nondestructive detection accuracy of internal qualities in fruits. The research results of this project can be extended to other agricultural products nondestructive detection and biomedical engineering fields.

水果光学特性参数测量提供了定量分析水果化学特性与组织结构的新途径，借助于获得的水果光学特性参数，可以更好地建立水果内部品质的评价方法。项目针对水果光学特性参数难以无损测量问题，以我国典型水果为研究对象，采用高阶近似模型研究水果组织光学传输规律，建立其稳态空间分辨高阶传输模型；利用高光谱散射图像技术实现水果稳态空间分辨全波段图像采集，结合Monte Carlo模拟和实验验证研究相关参数对测量结果的影响，实现仪器参数的优化设计；利用递阶辨识原理和多新息辨识理论研究高阶传输模型的反演辨识方法，提高水果光学特性参数测量精度；最终形成一套基于稳态空间分辨高光谱散射图像技术的水果光学特性参数无损测量方法体系。并在此基础上，研究利用高阶光学特性参数建立水果内部品质指标预测模型的方法，提高水果内部品质无损检测精度。本项目的研究可以推广到其它农产品内部品质检测和生物医学工程等领域。

项目针对水果的光学特性参数难以快速无损测量问题，以稳态空间分辨高光谱散射图像技术为检测手段，并提出一系列解决算法和模型，最终形成一套基于稳态空间分辨高光谱散射图像技术的水果光学特性参数测量方法体系。主要的研究成果有：利用国外的先进实验设备和本实验室实验设备的改造，完成了利用高光谱散射图像技术的有关实验研究。开展了蒙特卡洛模拟相关研究，利用MC模拟，研究光子在水果组织内部传输的统计规律。根据光子在组织表面的统计分布，可了解到不同光学特性参数在组织内部的传输模型，为后续高光谱成像技术应用到水果组织光学特性参数测量奠定了理论基础。研究了改进漫射模型，数据变换方法、迭代反演方法和傅里叶分解方法来提高光学特性参数反演准确度。这些方法能够有效地降低光学特性参数的反演误差，提高反演准确度，丰富了现有的生物组织光学特性参数测量方法。深入探索了利用高光谱散射图像研究番茄成熟度、苹果硬度、糖度和损伤敏感性、面粉粒子大小和密度的快速无损检测方法。深入研究了水果和其它农产品内部品质无损检测特征提取与预测建模新方法。研究成果对于提高水果和其它农产品的内部品质检测技术具有重要的意义。