一种测量光学参数谱的装置及其消除散射影响的定量方法

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图2所示，依据漫射光原理设计出的典型快速的适用于不同形态农产品测量光学参数谱检测装置是一个综合装置，它既可以应用同步测量到的农产品样品的漫反射率、漫透射率和准直透射率来获得样品吸收系数谱，此种方式定为样品测量方式1，适用于待测样品一45的农产品样品形态包括片状、液态、粉末；又可以应用同步测量到的农产品样品表面多个位置的漫反射率来获得样品吸收系数谱，此种方式定为样品测量方式2，适用于待测样品二46的农产品样品形态包括固态、液态、粉末或活体样品。本发明中的控制器44可以为个人计算机、服务器等，只要能满足对整个装置的控制及数据处理即可。

具体实施如下：复色光源11由钨灯光源(12V30W的卤钨灯)经准直透镜12准直，与由9根光谱波长范围在600nm-1700nm之内，直径为400μm的光纤组成的光纤束藕合，每3根光纤形成一个光纤束，共形成光强相等的三束光纤，分别为第一光纤13、第二光纤14、第三光纤15，其中第一光纤13作为参考光光纤，与第一高速光开关30相连，经由公共的光栅40(在600nm-1700nm范围内为最佳响应)、CCD 41(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)(型号：TAOS 102和AvaSpec-NIR256)、采集控制电路42，测量为入射光强I0(λ)；第二光纤14作为漫反射积分球23的入射光纤，经由电子快门一22进入漫反射积分球23的入光孔31，入光孔31的面积占积分球内表面积不超过2％，漫反射积分球23具有一个与入射孔31同轴的出光孔32，该孔占积分球内表面积不超过2％，与这两孔轴线垂直的侧面有一个漫反射光测量孔33，其面积占积分球内表面积不超过1％，测量孔33由内径800μm的光纤19连至第一高速光开关30的输入端，经由第一高速光开关30的输出端连至光栅40、CCD41、采集控制电路42，这样能够测量光强I1(λ)；待测样品一45置于漫反射积分球23与漫透射积分球24之间，漫透射积分球24也包括入光孔34、出光孔35、测量孔36，三个孔的结构与漫反射积分球的三个孔结构一致，测量孔36由内径800μm的光纤20连至公共的第一高速光开关30的输入端，经由光开光输出端连至公共光栅40、CCD41、采集控制电路42，这样能够检测光强I2(λ)；与漫透射积分球24距离不小于20cm处有一个准直光积分球25，包括入光孔一37、入光孔二38、测量孔39，孔结构与漫反射积分球孔结构要求相同，测量孔39由内径800μm的光纤21连至第一高速光开关30的输入端，经由光开光输出端连至公共光栅40、CCD41、采集控制电路42，这样能够测量光强I3(λ)。控制器44算出漫反射率T1(λ)＝I1(λ)/I0(λ)、漫透射率T2(λ)＝I2(λ)/I0(λ)、准直透射率T3(λ)＝I3(λ)/I0(λ)。为了计算出吸收系数谱μa(λ)、散射系数谱μs(λ)采用迭代与误差反馈的算法逐个波长点计算；每个波长点都给出光学参数的初始值μa₀(λi)、μs₀(λi)和g₀(λi)，i为波长点标号；在给定的样品厚度范围内，先正向计算出它的漫反射率和漫透射率，分别与T1(λ)、T2(λ)及T3(λ)比较，根据误差采用单纯形方法得到光学参数，最终解算出吸收系数谱μa(λ)、散射系数谱μs(λ)和各向异性因子。单纯形法的一般解题步骤可归纳如下：①把线性规划问题的约束方程组表达成典范型方程组，找出基本可行解作为初始基本可行解。②若基本可行解不存在，即约束条件有矛盾，则问题无解。③若基本可行解存在，从初始基本可行解作为起点，根据最优性条件和可行性条件，引入非基变量取代某一基变量，找出目标函数值更优的另一基本可行解。④按步骤3进行迭代，直到对应检验数满足最优性条件(这时目标函数值不能再改善)，即得到问题的最优解。⑤若迭代过程中发现问题的目标函数值无界，则终止迭代。(具体详解见参考文献：唐铁桥，用单纯形法来讨论拟合问题，邵阳学院学报：社会科学版，2003，2(5)：14-16)。

第三光纤15作为待测样品二46的入射光光纤，直接与待测样品二46的样品表面紧密耦合；在第三光纤15的一侧，放置至少2条内径大于800μm的检测光纤，本实施例中分别为光纤一16和光纤二17，并与第三光纤15在一条直线上，它们间隔为3-10mm，且等间距，每相邻的光纤之间距离不小于3mm；与第三光纤15相邻最近的光纤一16的位置为1处位置，光纤二17的位置为2处位置。光纤一16、光纤二17分别与第二高速光开关47的输入端相连，再经过第二高速光开关47的输出端连一条内径800μm的光纤18至准直光积分球25上的入光孔38，入光孔38上安装有电子快门五29，漫反射积分球23、漫透射积分球24、准直光积分球上25的入光孔31、34、37、38和出光孔32、35均设置有由电子快门控制电路43通过控制线48控制的电子快门一22、电子快门二26、电子快门三27、电子快门四28、电子快门五29，在需要时可以阻断光路。在控制器44的控制下，电子快门控制电路43控制电子快门一22、电子快门二26、电子快门三27、电子快门四28关闭，电子快门五29开启，第一高速光开关30选择第一光纤13的入射光，检测入射光强I0(λi)，第二高速光开关47选择光纤一16，传输给准直光积分球25上的入光孔38，第一高速光开关30选择光纤21传来的从待测样品二46的1处位置漫反射出来的光强If1(λi)，同理，第二高速光开关47选择光纤二17，传输给准直光积分球25上的入光孔38，第一高速光开关30选择光纤21传来的从待测样品二46的2处位置漫反射出来的光强If2(λi)，用If1(λi)除以入射光强I0(λi)得到漫反射率Tf1(λi)；用If2(λi)除以入射光强I0(λi)得到漫反射率Tf2(λi)；

采用以下步骤进行拟合计算，精确求得吸收系数谱μa(λ)，约化散射系数谱μs’(λ)。

利用上述装置，用以下步骤实现片状或粉末样品在600nm-1700nm范围内吸收系数谱和散射系数谱的计算，波长分辨率不低于8nm；步骤如下：

1)对于厚度小于2mm片状或粉末样品放在漫反射积分球和漫透射积分球之间；

2)电子快门控制电路关闭电子快门一、二、三、四、五，第一高速光开关选择第一光纤的入射光，控制器获取入射光强I₀(λ)；所述电子快门控制电路关闭电子快门五，打开电子快门一、二、三、四，所述第一高速光开关选择与漫反射积分球测量孔连接的入射光，所述控制器获取入射光强I₁(λ)；所述电子快门控制电路关闭电子快门五，打开电子快门一、二、三、四，所述第一高速光开关选择与漫透射积分球测量孔连接的入射光，所述控制器获取入射光强I₂(λ)；所述电子快门控制电路关闭电子快门五，打开电子快门一、二、三、四，所述第一高速光开关选择与准直积分球测量孔连接的入射光，所述控制器获取入射光强I₃(λ)；

3)准直透射率T3(λ)由准直光测量单元所得光强值I3(λ)除以入射参考光源光强值I0(λ)得到；

4)漫反射透射率T1(λ)由漫反射透射率测量单元所得光强值I1(λ)除以入射参考光源光强值I0(λ)计算得到；

5)漫透射率T2(λ)由漫透射率测量单元所得光强值I2(λ)除以入射参考光源光强值I0(λ)计算得到；

6)为了计算出吸收系数谱μa(λ)、散射系数谱μs(λ)和各向异性因子谱g(λ)，采用正向算法(现有技术)迭代与测量结果比较所得的误差反馈的算法逐个波长点计算；每个波长点都设置光学参数的初始值μa₀(λi)、μs0(λi)和g0(λi)，i为波长点标号；在给定的样品厚度范围内(样品厚度小于2mm)，先正向计算出它的预设漫反射率和漫透射率，再分别与T1(λ)、T2(λ)及T3(λ)比较获得计算值与其误差值，根据误差调整光学参数，最终解算出吸收系数谱μa(λ)、散射系数谱μs(λ)和各向异性因子。预置光学参数μa₀(λi)、μs₀(λi)和g₀(λi)，把它们作为迭代初始值；

将这组光学参数代入正向算法，(正向算法详解可参见以下文献：1S.A.Prahl，“The Adding-Doubling Method，”in Optical ThermalResponse of Laser Irradiated Tissue，edited by A.J.Welch and M.J.C.van Gemert，Plenum Press，New York，pp.101-129，1995)来计算物理量所对应的准直透射率、漫反射透射率、漫透射率；通过实测值和理论值两者之间的误差值来确定下一步骤的操作；如果已经达到设定的精度，那么当前所设定的光学参数就是最后的输出结果，否则，根据比较结果重新设定一组光学参数，然后重复这个过程，直到输出最后结果或者超出迭代最大步骤为止。

利用上述装置，以下步骤实现块状或活体样品的在600nm-1700nm范围内吸收系数谱和约化散射系数谱的计算，波长分辨率不低于8nm；步骤如下：

1)连接到光源的光纤将入射光由光纤与样品表面紧密藕合。

2)与光源在一条直线上的至少2个检测光纤分别放置在等间隔为3-10mm的位置上，与光源与其相邻最近的检测光纤位置不小于3mm；如果不考虑成本因素，可以设置多条检测光纤，每条光纤分别检测光强，根据检测结果进行分析，从而得到更加精确的检测结果。

3)电子快门控制电路控制电子快门一、二、三、四关闭，电子快门五开启，第一高速光开关选择第一光纤的入射光，检测入射光强I₀(λ_i)，第二高速光开关选择光纤一，传输给准直光积分球上的入光孔二，第一高速光开关选择从所述准直光积分球测量孔传来的从待测样品二上的光纤一位置处的漫反射出来的光强If₁(λ_i)，第二高速光开关选择光纤二，传输给准直光积分球上的入光孔二，第一高速光开关选择从所述准直光积分球测量孔传来的从待测样品二上的光纤二位置处的漫反射出来的光强If₂(λ_i)。

4)为了求出吸收系数谱μa(λ)、约化散射系数谱μs’(λ)，逐个波长点进行如下计算：

a用检测光纤1处得到的光强If1(λi)除以入射光强得到漫反射率Rf1(λi)；

b用检测光纤2处得到的光强If2(λi)除以入射光强得到漫反射率Rf2(λi)；

c某一波长下，理论漫射率符合以下公式(5-1)：

R＝EXP(-r μeff)/[(μa+μs’)r²]                        (5-1)式中μeff＝[3μa(μa+μs’)]^1/2，根据(5-1)式，每个波长下，对应光纤的2个检测距离r1和r2处的理论漫反射率R1(λi)和R2(λi)，(5-2)和(5-3)式：

R1(λi)＝EXP(-r1 μeff(λi))/[(μa(λi)+μs’(λi))r1²] (5-2)

R2(λi)＝EXP(-r2 μeff(λi))/[(μa(λi)+μs’(λi))r2²] (5-3)

其中，EXP是指e幂函数，e＝2.718。

构造目标函数F(λi)，见(5-4)式

F(λi)＝[R1(λi)-Rf1(λi)]²+[R2(λi)-Rf2(λi)]²         (5-4)

采用非线性拟合算法(单纯形算法)，求得使F(λi)达到最小时的μa(λi)和μs’(λi)，这样逐个波长点计算可以得到最终结果吸收系数谱μa(λ)和约化散射系数谱μs’(λ)。μa吸收系数，单位mm^-1，μs’＝(1-g)μs为约化散射系数，单位mm^-1，μeff＝(3μa*(μa+μs’))^1/2mm^-1，其他参数为无量纲。

上述两种方式可以适用于多种测量要求和多种农产品样品形态，可以用于测量牛奶、果汁等混浊液态体系待测样品的待测化学组分含量，也可以对叶片、粉末状物质、鲜肉切片、肉块及活体等待测样品的待测化学组分含量进行测定。利用测量光学参数谱的装置获取农产品、生物组织样品的吸收系数谱μa(λ)、散射系数谱μs(λ)；应用化学计量学算法建立吸收系数谱μa(λ)与农产品、生物组织样品化学值之间的数学模型，该数学模型采用多元回归模型，求得农产品、生物组织样品中待测物质化学值。应用上述综合装置所获得的吸收系数谱μa(λ)与化学值建立模型，模型建立可以采用偏最小二乘方法，其预测过程见图3所示。由图3可以看出，基于光学参数分离的农产品品质分析中消除散射影响的定量方法，包括两个过程，即建立模型过程和预测化学值过程。下面介绍求得农产品、生物组织样品中待测物质化学值的具体步骤：

建立模型之前先用现有化学测量样品的待测成分的浓度值(化学值)Ci(i＝1，2…，h)，i表示不同样品编号和浓度，每个浓度将有一条吸收系数谱μai(λ)；

建立模型过程如下：首先选择较少的代表性样品h个，然后测量h个样品每个样品的P种成分含量，即化学值的含量，利用上述测量光学参数谱检测装置针对h个样品测量挑选波长下的光学参数μa、μs获得吸收系数谱μa_ij(吸收与散射被分离)，根据化学值建立化学值矩阵：

C₁₁......C_1p

   ......

C_h1......C_hp

根据吸收系数谱μa_ij建立标准吸收系数谱阵：

μa₁₁...μa_1m

     ......

μa_h1...μa_hm

其中，i＝1，2...h，j＝1，2...m。

然后根据化学值矩阵和标准吸收系数谱阵建立多元预测模型：

ni r(μa)-C1

ni r(μa)-C2

     ......

ni r(μa)-Cp

预测化学值过程包括：首先挑选待测的K个样品，利用上述测量光学参数谱检测装置针对k个样品测量挑选波长下的光学参数μa、μs获得吸收系数谱μa_ij(吸收与散射被分离)，根据吸收系数谱μa_ij建立待测的k个样品吸收系数谱阵：

μa₁₁...μa_1m

     ......

μa_k1...μa_km

其中，i＝1，2...k；j＝1，2...m，表示波长。

然后根据吸收系数谱阵，利用与建立模型过程中的建立多元预测模型的同一个模型建立预测化学值过程的多元预测模型：

nir(μa)-C1

nir(μa)-C2

    ......

nir(μa)-Cp

然后根据化学值矩阵和标准吸收系数谱阵建立多元线性回归模型，线性回归方法本身是现有技术，化学值计算模型表达为：

C_k＝μa_k1×a1+μa_k2×a2+.....μak_m×am

a 1，a2，..am是回归所得系数。

最后，根据建立的预测化学值过程的多元预测模型得到待测的k个样品化学值预测结果：

C₁₁......C_1p

   ......

C_k1......C_kp

计算结束，求得农产品、生物组织样品中待测物质化学值。

下面，用一组具体的实验结果来说明本发明。由传统方法测试得到的光谱，如图4所示。纵坐标为光密度值OD(光密度值OD无量纲)，横坐标为波长。表1为采用传统光谱建立模型预测值与肌红蛋白真值对比。

表1采用传统光谱建立模型预测值与肌红蛋白真值对比

模型变异系数CV＝标准差/均差＝23.1％。

图5是采用本发明方法得到的吸收系数谱，纵坐标为吸收系数值(单位：mm^-1)，横坐标为波长。表2为采用吸收系数谱建立模型预测值与肌红蛋白真值对比。

表2采用吸收系数谱建立模型预测值与肌红蛋白真值对比

CV＝标准差/均差＝1.1％，模型变异系数CV为1.1％。由图4可以看出，由传统方法测试得到的五条谱线并没有完全重合，而存在较大的差异。由图5可以看出，采用本发明的装置和方法，五条谱线已经基本上重合，结果表明本发明方法显著提高了模型精度。

这种方法用于测量牛奶、果汁等混浊液态体系待测化学组分含量，也可以对叶片、粉末状物质、鲜肉切片、肉块及活体等样品的待测化学组分含量进行测定。

由以上实施例可以看出，本专利申请与现有技术相比其优点在于：

第一，以“光学参数分离”的观点重新看待农产品组织中的光吸收和光散射作用，理解组织光学参数与光谱数据之间的相互关系，通过吸收系数谱与化学值建模的方法来解决经典建模方法中吸收与散射分不开的问题，从信息源头上直接削弱散射的影响。

第二，农产品“光学参数分离技术”，将为研制新型的消弱散射影响的光谱分析仪器提供理论和技术基础，可成为具有应用价值的研究方法。

第三，由于采用同一套综合装置完成了多种不同检测方法下的光学参数谱，满足不同测量样品的要求，使用方便。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。