蘋果表面色澤變化的紅外光譜特性研究

袁 鵬,蒙振章

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) a.理學(xué)院; b.工學(xué)院，湖北 武漢 430070)

1 引 言

近年來，農(nóng)產(chǎn)品的智能化無損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)愈發(fā)成熟[1]，這一技術(shù)的發(fā)展使得農(nóng)產(chǎn)品的檢測(cè)更加方便、快捷和廉價(jià). 其中最具代表性的應(yīng)屬紅外光譜分析技術(shù)，它因?yàn)榫哂锌焖佟?zhǔn)確和無損傷檢測(cè)等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的無損檢測(cè)領(lǐng)域[2]. 徐源等[3]借助傅里葉變換紅外光譜儀得到了快速定量無損傷測(cè)量塑料薄膜厚度的方法. 張師平等[4]利用紅外光譜儀成功地?zé)o損測(cè)量了氮化鎵薄膜載流子濃度和遷移率. 孫旭東等[5]運(yùn)用紅外光譜分析技術(shù)進(jìn)行了果樹葉片SPAD值無損檢測(cè)研究，為果樹精準(zhǔn)肥水管理提供了參考數(shù)據(jù). 王丹等[6]利用可見/近紅外漫反射光譜研究了甜柿果實(shí)硬度，并確定了其在甜柿果實(shí)硬度無損檢測(cè)方面的可行性.

在本次研究過程中，我們的研究對(duì)象是蘋果，針對(duì)蘋果的表面品質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)過程中以蘋果表面的不同顏色為研究點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)主要可以分為3類：黃色、紅色和褐色，其中褐色代表?yè)p壞的部分，在對(duì)這三部分不同顏色的區(qū)域運(yùn)用紅外光譜技術(shù)進(jìn)行研究后，找出了2點(diǎn)比較明顯的區(qū)別，這些區(qū)別將有利于更近一步研究蘋果智能化無損檢測(cè). 將紅外光譜技術(shù)運(yùn)用到無損檢測(cè)蘋果各種品質(zhì)的研究有很多，孫炳新等[7]借助近紅外光譜技術(shù)進(jìn)行了無損檢測(cè)蘋果脆皮的研究. 李桂峰等[8]利用傅里葉變換近紅外光譜技術(shù)探討快速無損檢測(cè)蘋果硬度方法的可行性. 董一威等[9]應(yīng)用自行搭建的CCD近紅外光譜系統(tǒng)成功地檢測(cè)了蘋果的糖酸度. 李晉華等[10]運(yùn)用近紅外漫透射技術(shù)成功檢測(cè)了玉米成分，韓東海等[11]通過對(duì)富士蘋果的正常部位和損傷部位的組織觀察、近紅外光譜的測(cè)量分析以及顏色的測(cè)量，探索了近紅外光譜運(yùn)用于蘋果無損檢測(cè)的可行性. 文建萍等[12]建立贛南臍橙顏色指標(biāo)定量數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合可見近紅外漫反射光譜法探索了用顏色進(jìn)行水果分級(jí)的新方法.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

實(shí)驗(yàn)選用必達(dá)泰克公司的CCD陣列光譜儀(型號(hào)BRC112E-V )及FRP光纖反射探頭. 實(shí)驗(yàn)的樣品蘋果全部購(gòu)于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)貿(mào)市場(chǎng).

2.2 光譜的獲取

實(shí)驗(yàn)過程中獲取紅外光譜時(shí)使用的CCD陣列光譜儀的參量如下：波長(zhǎng)范圍350～1 050 nm，光譜分辨率為0.5 nm，采樣時(shí)間為8 000 ms，光源為鎢燈.

在樣品蘋果的赤道部位均勻選取5個(gè)點(diǎn)，將這些點(diǎn)分別按黃色、紅色和褐色分為3類. 如圖1所示，搭建光譜系統(tǒng)，然后接通電源，設(shè)置參量，調(diào)節(jié)儀器，待調(diào)節(jié)完畢后，將FRP光纖反射探頭直接接觸這些測(cè)量點(diǎn)，逐一獲取蘋果表面的紅外反射信號(hào).

圖1 CCD陣列光譜儀

3 結(jié)果與討論

蘋果表面的顏色主要分為黃色、紅色和褐色，其中褐色為損傷部位的顏色. 用紅外光譜儀分別獲取了蘋果這3種顏色相應(yīng)部位的紅外圖譜如圖2～4所示.

通過對(duì)圖2～4的仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)在780～950 nm范圍內(nèi)，3幅紅外光譜圖有較大差異，而且光譜值在首尾噪聲較大，故選取780～950 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅外光譜圖進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及研究. 圖5中A代表蘋果黃色部位，B代表蘋果紅色部位，C代表蘋果的損傷部位.

圖2 蘋果黃色部位紅外光譜圖

圖3 蘋果紅色部位的紅外圖譜

圖4 蘋果的褐色部位紅外圖譜

圖5 蘋果3個(gè)區(qū)域的紅外光譜圖

在855 nm處，黃色部位和紅色部位均出現(xiàn)1個(gè)吸收峰，而褐色損傷部位沒有相應(yīng)的吸收峰出現(xiàn). 同時(shí)在910 nm處，黃色部位出現(xiàn)了1個(gè)較強(qiáng)的吸收峰，而紅色部位和褐色損傷部位均出現(xiàn)若干小碎峰. 其他波段也存在差異，但是差異較小，不足以用來作為評(píng)價(jià)蘋果好壞的標(biāo)準(zhǔn). 如在815 nm左右，紅色區(qū)域和黃色區(qū)域均存在2個(gè)峰，而褐色部位則只有1個(gè)峰，造成這種差別的原因除了蘋果表面固有的差異外，不能排除實(shí)驗(yàn)過程中的誤差給光譜圖造成的影響，故這些相對(duì)較小的、不太明顯的差別不作評(píng)價(jià)蘋果好壞的標(biāo)準(zhǔn).

綜合圖2～4所顯示的相關(guān)信息，可以清楚地看到，855 nm和910 nm兩波長(zhǎng)處出現(xiàn)的峰有很大的區(qū)別，可以作為區(qū)別蘋果好壞的標(biāo)準(zhǔn). 在具體應(yīng)用的過程中，若在855 nm處未出現(xiàn)吸收峰，且在910 nm處出現(xiàn)的吸收峰為小碎峰，則該檢測(cè)的部位很可能已經(jīng)損壞；若在855 nm和910 nm處均出現(xiàn)強(qiáng)吸收峰，則該檢測(cè)樣品的表皮很可能偏黃色；若在855 nm處出現(xiàn)強(qiáng)吸收峰，而在910 nm處出現(xiàn)的吸收峰為小碎峰，則該檢測(cè)樣品的表皮很可能偏紅色.

4 結(jié) 論

以蘋果為研究對(duì)象，運(yùn)用紅外光譜技術(shù)分別獲取了蘋果表皮黃色區(qū)域、紅色區(qū)域和褐色區(qū)域的紅外光譜圖. 通過對(duì)紅外光譜圖的分析與研究，針對(duì)如何無損檢測(cè)蘋果，得出了比較理想的結(jié)論. 主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：在855 nm處，黃色部位和紅色部位均出現(xiàn)1個(gè)吸收峰，而褐色損傷部位沒有相應(yīng)的吸收峰出現(xiàn)；在910 nm處，黃色部位出現(xiàn)了1個(gè)較強(qiáng)的吸收峰，而紅色部位和褐色損傷部位均出現(xiàn)若干小碎峰. 實(shí)際上，以上兩個(gè)方面只是眾多區(qū)別中最明顯的，其他差別相對(duì)它們而言顯得不明顯. 故僅選擇855 nm和910 nm處的差別作為評(píng)價(jià)蘋果是否損壞的標(biāo)準(zhǔn).

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