基于微波空間反射法的蔬菜含水率及貯藏時間無損檢測

李陳孝，任 圓，趙晨宇，何 賢，于小庭，徐艷蕾

（吉林農業大學信息技術學院，吉林 長春 130118）

新鮮蔬菜中含有豐富的營養物質，是人們日常飲食中不可或缺的一部分[1]，以生菜為例，其中富含甘露醇等對人體有益的成分，常食用具有鎮痛催眠、促進血液循環等功效[2-4]。但蔬菜屬于易腐農產品，采摘后蔬菜隨著貯藏時間延長，受到氣體、濕度、溫度、微生物以及機械傷害的影響[5]，內部會發生生理變化。細胞中的葉綠素被分解，葉片逐漸發黃、衰老劣變；葉片進行蒸騰作用失水，致使組織細胞萎蔫，失去新鮮飽滿狀態和脆嫩的品質[6]，導致食用價值降低造成經濟損失。因此，實現蔬菜新鮮度的準確實時檢測，對預防貯運過程蔬菜品質劣變具有重要意義[7]。

目前，蔬菜新鮮度的檢測方法可分為2 類。一是通過將某種化學試劑制作成指示標簽與蔬菜代謝產物進行化學反應[8-9]。指示劑法較為適用于對應氣體釋放量較大的蔬菜種類，對指示劑的靈敏程度要求較高。二是利用不同類型的傳感器測定影響蔬菜新鮮度的重要參考指標。包括氣體化學傳感器[10]。電子鼻和電子舌已在魚類、肉類的新鮮度檢測中應用，樣品處理簡單、檢測速度快。氣體化學傳感器測定系統主要包括氣敏傳感器陣列、信號處理單元、模式識別單元等。由于檢測過程中傳感器一直處于工作狀態，會出現漂移現象。漂移導致數據分析準確性降低，因此影響對蔬菜新鮮度的判斷；生物傳感器[11-12]，通過識別和測定糖、氨基酸等含量來檢測蔬菜新鮮度，穩定性好、靈敏度高，采用生物活性物質作催化劑，價格昂貴、需專業人員操作；多光譜傳感器[13-18]，通過檢測葉片含水率、葉綠素的含量預測蔬菜的新鮮度，檢測過程快速、無損。多光譜傳感器的系統主要由光學部分和控制顯示部分組成。儀器價格昂貴且易受背景噪聲影響[19]，不能滿足現場檢測。

微波是一種高頻電磁波，具有傳播速度快、穿透性強等特點，可實現與材料介電特性相關參數的實時、無損、在線檢測[20]。水分子具有很強的偶極矩，當對含水物質施加高頻外電場時，電能被水強烈吸收，這種相互作用通過復介電常數ε表示[21]。在微波頻率下，含水物質復介電常數遠高于其他干物質[22]。微波技術已經開始應用于土壤、建筑材料、木材和石油等材料的含水率檢測[23-26]，在農業領域主要應用于水果、玉米、小麥等顆粒形狀糧食材料的含水率檢測[27-29]。目前，基于微波技術的蔬菜含水率檢測仍處于起步階段，基于微波傳輸衰減的測定方法[30]需要設置發射和接收2 個微波天線，蔬菜樣品需要定量放置于天線之間，限制了具體應用領域。由于蔬菜葉片較薄、表面相對光滑，微波很容易發生反射，空間中發射波與反射波相互疊加后能量會重新分布引起測定誤差，采用常規方法難以消除。

本實驗設計了一種新型的自由空間微波反射測定系統，并非消除空間波的疊加，而是建立一種基于空間行駐波參數的蔬菜含水率及貯藏時間預測方法。以生菜、油麥菜為研究對象，分析蔬菜在室溫貯藏過程中，微波自由空間行駐波的駐波比及波腹點坐標的變化，通過多元線性回歸分析建立反演方程，實現蔬菜含水率及貯藏時間的準確、實時、無損檢測。此方法只需單一的微波測定天線探頭，適用于食品貯運、蔬菜商超、智能家電等行業領域的蔬菜品質檢測。

1 材料與方法

1.1 材料

以大棚采摘的新鮮生菜、油麥菜作為實驗樣本，選取形狀完整的蔬菜葉片，采摘時間為實驗開始當天上午9:00～11:00。使用密封袋帶回實驗室，將蔬菜葉片平整放置在容器盒中，在室溫下稱量蔬菜葉片的質量并記錄樣品初始質量。實驗期間蔬菜樣本在室溫下自然存儲，每間隔2 h左右進行一次微波測定實驗，同時稱量并記錄樣品質量及測定時間。測定實驗每天進行5～6 次，每次實驗重復測定3 次，實驗共記錄6 d。

1.2 儀器與設備

XQG2000型電熱鼓風干燥箱 浙江余姚星辰儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 含水率測定

采用干燥法測定蔬菜含水率，使用電熱鼓風干燥箱，將待測蔬菜樣品放置于干燥箱中。在105 ℃條件下干燥處理至恒定質量，并測定其干質量。標準含水率按式（1）計算：

式中：M為含水率/%；mw為樣品中水分的質量/g；md為樣品中干物質的質量/g。

根據蔬菜烘干后的質量以及每次測定實驗過程中的蔬菜濕質量，反向計算得到不同時間點樣品的實際含水率數值。

1.3.2 雷達行駐波測定系統

1.3.2.1 裝置結構設計

雷達行駐波雷達測定系統裝置結構如圖1所示，該系統主要由微波腔體振蕩單元、混頻檢波單元、收發復用喇叭天線、滑軌及步進電機單元、樣品容器和單片機運算處理單元組成。

圖1 行駐波雷達測定系統裝置結構圖Fig.1 Structure of traveling-standing wave radar measurement system

由腔體振蕩單元產生微波信號，通過波導腔傳輸至喇叭天線。微波信號從喇叭天線發射后在空間中與樣品相互作用。樣品容器放置于喇叭天線的一側，與微波輻射方向垂直，長寬應足夠大以避免微波的繞射。微波與蔬菜樣品在空間中相互作用后，反射信號同樣由喇叭天線接收。天線安裝在直線滑軌上，由步進電機旋轉控制喇叭天線在軌道上不同位置進行移動測定。反射波與入射波在波導腔中的肖特基二極管中進行混頻，根據混頻檢波原理[31]，在入射波頻率和功率不變的情況下，混頻信號的直流分量大小能夠表征空間微波電場強度。在測定系統中，混頻信號通過低通濾波器濾波后，進行A/D轉換，讀取至MCU中進行內部運算處理。

行駐波雷達測定系統裝置如圖2所示，微波信號由腔體振蕩單元內部的耿氏二極管激勵產生，頻率為10.5 GHz、功率為20 mW。波導腔體被固定并連接到x波段喇叭天線，波導型號為BJ100，內部為標準尺寸22.86 mm×10.16 mm。喇叭天線口徑為96 mm，輻射角度為±6°，中心頻率下增益為17 dBi，工作于線極化。測定過程中，喇叭天線垂直于樣品容器中心位置輻射，以減小樣品容器邊緣的衍射效應和來自周圍環境的干擾。樣品容器由3 mm厚的亞克力板制作，用于夾持蔬菜樣品，使葉片能夠展開，容器長度和高度相等均為20 cm。

圖2 行駐波雷達測定系統裝置Fig.2 Physical photograph of traveling-standing wave radar measurement system

喇叭天線通過固定支架安裝在滑軌上，天線端口與樣品容器的初始距離為5 cm，測定過程中，由單片機控制步進電機轉動，使天線沿軸向移動逐漸遠離待測樣本。單片機選用STM32-F103微控制芯片，實現電機控制、數據采集運算及顯示輸出等功能。測定過程中步進電機的運行速率為120 r/min，單片機通過A/D轉換每秒鐘讀取100 個混頻檢波電壓數據。根據空間行駐波特征，檢波電壓隨天線移動距離Y呈周期性變化。單片機根據內部程序設定，記錄檢波電壓的最大值Vmax和最小值Vmin以及所對應的天線移動距離Y，利用Vmax與Vmin的比值計算電壓駐波比（Sc）。

1.3.2.2 微波空間反射測定原理

如圖3所示，入射微波Ei在自由空間中以＋y方向傳播，在邊界Y=0處與樣品相互作用。反射微波Er沿-y方向返回，與Ei在空間中疊加。入射波Ei可以表示為：

圖3 微波空間反射測定原理圖Fig.3 Schematic diagram of microwave free-space reflection measurement

式中：E0為微波的電場/（V/m）；j為虛數單位；ω為微波角頻率/（rad/s）；k為微波波數；y為微波傳輸距離/m；θ為微波初始相位角/rad。

由式（2）可知，Ei為行波，大小隨時間周期變化。在測定過程中，Ei在樣品界面發生反射。設樣品界面反射系數Г＝|Г|ejφ，則反射波Er可以表示為：

式中：φ為樣品反射系數相位，入射波Ei和反射波Er的頻率相同、傳播方向相反，在空間中相互疊加后，合成波Ec可以表示為：

將式（2）、（3）帶入式（4）中，化簡后得到如下關系式：

定義電壓駐波比按式（6）計算：

對于空間行駐波，電壓駐波比Sc與樣品介電常數ε有如下關系[32]：

式（7）說明，由水分變化引起的樣品介電常數改變可以通過電壓駐波比進行間接測定。

由式（5）可知，行駐波波腹點位置滿足條件2ky＋φ＝2nπ，其中n=0，1，2…。上式說明波腹點位置隨坐標y周期出現。當n=0時，第1波腹點位置坐標為：

式（8）說明，行駐波波腹點位置與樣品反射系數相位φ直接相關。上述分析表明，由于樣品參數變化導致的微波反射系數Г的改變，能夠通過空間行駐波駐波比Sc及波腹點位置Ym進行表征。因此，建立蔬菜含水率M、貯藏時間T與Sc及Ym的函數關系如下：

基于上述分析，使用雷達行駐波測定裝置進行實驗，通過多元回歸分析建立蔬菜含水率、貯藏時間的預測模型。

1.3.3 蔬菜含水率及貯藏時間預測流程

如圖4所示，系統主要控制流程為：啟動按鍵按下后，由信號源發出頻率為10.5 GHz連續微波信號。信號通過喇叭天線垂直于被測蔬菜輻射測定，微控制單元MCU驅動步進電機帶動喇叭天線移動。反射信號由喇叭天線接收，經過混頻檢波及低通濾波后，由A/D轉換單元將微波檢波信號轉換成數字信號。單片機進行數據處理得到行駐波駐波比與波腹點位置數據，通過蔬菜含水率（時間）預測模型進行計算，最終完成輸出。天線在滑軌上的移動速率為4 mm/s，測定過程中應保證天線運行平穩、無頓挫，每次由單片機向步進電機發出驅動脈沖指令后，立即完成A/D轉換采集及數據存儲任務，直到測定結束。根據空間波疊加原理，行駐波的波長為微波發射波波長的一半，對于測定裝置10.5 GHz的微波頻率，天線移動1.43 cm即可得到所需完整行駐波數據，因此，裝置單次測定與復位時間小于10 s。

圖4 蔬菜含水率及貯藏時間預測程序流程圖Fig.4 Flow chart of vegetable freshness prediction program

2 結果與分析

2.1 貯藏過程中蔬菜外觀及含水率的變化

2.1.1 蔬菜外觀變化

鮮綠色有光澤的蔬菜貯藏6 d葉片外觀特征變化明顯。以生菜為例，如圖5所示，第1～2天生菜顏色鮮綠、形態良好、質地飽滿，第3～4天顏色較綠、形態較好、開始出現軟化和微黃現象，第5～6天無光澤、葉邊卷曲、嚴重軟化和發黃，出現局部腐爛情況。

圖5 生菜葉片貯藏過程中外觀的變化Fig.5 Changes in the visual appearance of lettuce leaves during storage

2.1.2 蔬菜含水率的變化

對新鮮生菜、油麥菜進行連續6 d實驗，最終生菜含水率變化范圍為86.89%～93.46%、油麥菜含水率變化范圍為82.71%～92.47%，共獲得207 組數據。如圖6所示，在含水率測定范圍內，含水率與貯藏時間呈明顯負相關。第1～3天蔬菜含水率下降趨勢較緩慢，第4～6天蔬菜水分散失速度加快、含水率變化曲線下降明顯。由此可知貯藏時間對蔬菜水分的散失速率有顯著影響。

圖6 蔬菜貯藏時間與含水率的關系Fig.6 Relationship between storage time and moisture content of vegetables

2.2 蔬菜含水率對行駐波駐波比及波腹點坐標的影響分析

如圖7所示，為含水率89%的生菜樣品及含水率89.52%的生菜樣品的行駐波電場。Vmax1、Vmax2為不同含水率樣本波腹點電壓最大值，電壓最大值隨含水率降低而減小。Vmin1、Vmin2為不同含水率樣本獲取的電壓最小值，電壓最小值隨含水率降低而增大。Sc=Vmax/Vmin，Ym為最大電壓Vmax對應的天線坐標。隨著含水率的增加，空間行駐波產生明顯的相位后移，說明微波在樣品中的穿透深度與含水率直接相關。

圖7 自由空間行駐波電場Fig.7 Free-space traveling-standing wave electric field

如圖8所示，含水率測定區間在86.89%～93.46%內，Sc與Ym隨著含水率的增大而增大。Sc和Ym與蔬菜含水率在數值上單值對應，均為正相關。數據的擬合分析在Origin 2018中實現，含水率與駐波比的線性擬合方程為M＝0.130Sc-10.259，擬合優度R2為0.937。含水率與波腹點坐標的線性擬合方程為M＝1.578Ym-127.486，擬合優度R2為0.977。

圖8 生菜駐波比（a）、波腹點坐標（b）隨含水率變化散點圖Fig.8 Changes in standing wave ratio (a) and antinode coordinate (b) as a function of moisture content of lettuce

2.3 蔬菜貯藏時間對空間行駐波的影響分析

如圖9所示，黑色虛線部分為不同貯藏時間下形成的空間行駐波投影。在實驗進行的6 d內，隨著貯藏時間的延長，行駐波的幅值明顯減小，同時波腹點坐標逐漸左移。

圖9 油麥菜電壓、天線距離隨貯藏時間變化Fig.9 Changes in voltage and antenna distance as a function of storage time for leaf lettuce

如圖10所示，以油麥菜為例，貯藏時間與Sc和Ym具有良好的線性關系，Sc與Ym隨著貯藏時間的延長而減小，均為負相關。貯藏時間與駐波比的線性擬合方程為T＝-0.118Sc＋2.241，擬合優度R2為0.942。貯藏時間與波腹點坐標的線性擬合方程為T＝-0.365Ym＋11.507，擬合優度R2為0.922。

圖10 油麥菜駐波比（a）、波腹點坐標（b）隨貯藏時間變化散點圖Fig.10 Changes in standing wave ratio (a) and (b) of antinode coordinate with storage time for leaf lettuce

2.4 多元關系與誤差分析

基于以上分析，蔬菜駐波比和波腹點坐標隨含水率及貯藏時間變化趨勢一致。因此，可以通過建立雙參數方程進一步確定蔬菜含水率和貯藏時間。蔬菜樣本的三維變化關系如圖11所示。在6 d的貯存過程中，生菜、油麥菜的含水率變化范圍分別為93.46%～86.89%和92.47%～82.71%。隨著含水率的下降，生菜駐波比從1.99下降到1.04，波腹點位置從20.72 mm下降到9.49 mm；油麥菜駐波比從2.19下降到1.57，波腹點位置從11.48 mm下降到9.37 mm。2 種蔬菜行駐波參數的變化趨勢大致相同。對于駐波比以及波腹點位置的變化程度而言，油麥菜小于生菜，這與蔬菜的具體形態結構有關。生菜、油麥菜的實驗數據在空間中近似直線分布，該直線可通過多元線性擬合。

圖11 蔬菜含水率（a）、貯藏時間（b）與駐波比和波腹點坐標的三維關系Fig.11 Three-dimensional relationship of vegetable moisture content (a) and storage time (b) with standing wave ratio and antinode coordinate

在此基礎上，建立包含Sc和Ym的多元方程，Sc和Ym均隨含水率M和貯藏時間T線性變化。因此假設校準方程如下：

式中：a、b、c、d、e、f均為方程系數。

通過對實驗數據進行統計分析，確定校準系數，得到校準方程。預測模型以函數擬合優度（R2）、均方根誤差（root mean square error，RMSE）作為評價標準，其中R2越接近1，RMSE越小[33]，模型精度越高。統計結果見表1、2。對于生菜和油麥菜，含水率和貯藏時間預測方程擬合優度均大于0.95。

表1 蔬菜含水率預測模型參數Table 1 Parameters of vegetable moisture content prediction models

表2 蔬菜貯藏時間預測模型參數Table 2 Parameters of vegetable storage time prediction models

測定精度是表示系統預測性能的重要特征參數之一，本研究利用獨立測定未參與建模的69 組數據作為驗證集，以進一步評估方程性能。預測標準誤差（standard error prediction，SEP）按式（13）計算[34]：

計算結果表明，校準方程（11）、（12）預測生菜、油麥菜含水率的SEP值分別為0.310%和0.641%，預測生菜、油麥菜貯藏時間的SEP值分別為0.173 d和0.285 d。含水率、貯藏時間預測值與真實值曲線如圖12所示。該模型預測精度較高，具有良好的穩定性和重復性。基于以上分析，確定方程（11）、（12）為最終蔬菜新鮮度預測方程，可實現蔬菜新鮮度快速無損檢測。

圖12 蔬菜含水率（a）、貯藏時間（b）預測模型驗證結果Fig.12 Good agreement between model predictions and actual values of vegetable moisture content (a) and storage time (b)

3 結論

提出一種微波空間反射式蔬菜新鮮度快速無損檢測方法。設計了微波單頻率、單探頭的測定裝置。測定系統由微波腔體振蕩器、喇叭天線、步進電機、樣品容器、微波混頻單元及電壓檢測裝置組成。采用STM32-F103ZET6微控制單元，實現微波數據采集、電機系統控制、數據處理及顯示輸出等功能。避免了微波透射式裝置需要兩個探頭，所需空間較大的問題。裝置結構簡單，預測模型精度高，測定時間短，無需借助矢量網絡分析儀等復雜設備，具有先進性及實際應用價值。

本研究以生菜、油麥菜為實驗樣本，對自由空間中由于微波多重反射所形成的行駐波進行分析，根據駐波比與波腹點坐標位置的變化建立蔬菜含水率及貯藏時間的預測模型。結果表明：對于含水率為86.89%～93.46%、82.71%～92.47%，貯藏時間0～6 d內的生菜、油麥菜，含水率預測模型的擬合優度為0.979和0.959，RMSE為0.310%和0.595%，SEP為0.310%和0.641%；貯藏時間預測模型的擬合優度為0.992和0.951，RMSE為0.158 d和0.353 d，SEP為0.173 d和0.285 d。模型預測精度較高。