随着生活水平的提高,人们对农产品质量和安全的要求越来越高。近年来,用于果蔬等农产品品质无损检测和自动化分级的技术也得到了快速发展。目前较为热门且能实现在线检测农产品品质的快速无损检测技术主要为光学检测技术,包括近红外光谱技术(Near-infrared spectroscopy,NIRS)、机器视觉技术和光谱成像技术等。其中光谱检测技术得益于其能够检测内部品质的特性,得到了较为广泛的研究和应用。光谱检测技术主要通过化学计量学方法建立光谱和目标成分间的相关模型,隐去了光与生物组织间复杂的相互作用,使得模型的建立过程非常简单,但预测结果不稳定、模型适应性差且原因较难追溯。另外,由于缺乏对生物组织光学特性及光传输规律的深刻理解,在搭建光谱采集设备时主要依靠主观经验,缺乏严格的理论依据且参数变量不可控。因此,有必要对农产品组织的光学特性及光在农产品组织中的传输规律进行研究。本课题综合利用Monte Carlo模拟技术、有限元模拟技术、高光谱成像技术、空间分辨技术、积分球技术和信号分析处理等多种技术手段,研究了空间分辨高光谱成像技术用于单/双层农产品组织光学特性的测量方法。基于漫射近似方程,通过有限元方法模拟了光在农产品组织中的传输特性;对空间分辨技术测量单层组织光学特性的反演算法进行了优化;提出并优化了空间分辨技术测量双层组织光学特性参数的序贯方法;制作了固体双层农产品组织光学仿生样本;对空间分辨高光谱成像系统进行了标定和校正;最后使用上述算法和高光谱成像系统对液体、固体光学仿生样本和实际农产品样本(芒果、牛奶)的光学特性进行了测量。本研究旨在提供一种单/双层农产品组织光学特性的快速无损测量方法,为掌握农产品组织光学特性、理解光在农产品组织中的传输规律打下基础,同时为光学检测方法提供理论依据。主要研究内容、结果和结论如下:(1)采用有限元方法在不同边界条件及光源照射条件下求解漫射近似方程,模拟了光在单层农产品组织中的传输情况。无穷小点光源照射条件下有限元方法在三种边界条件(部分流边界条件PCBC,外推边界条件EBC和零边界条件ZBC)下的模拟结果表明:1)PCBC和EBC计算所得组织内部辐射能流率Φ(z)与Monte Carlo模拟结果较为吻合,ZBC则效果较差。2)在靠近光源(r<1mfp’)处,有限元方法在PCBC和EBC两种边界条件下计算所得组织表面辐射能流率Φ(r)与漫射近似模型所得结果都远小于Monte Carlo模拟结果,在远离光源(r>1mfp’)处,FEM-PCBC结果最优,表明以漫射近似方程为光传输模型时PCBC边界条件更适于计算组织表面的辐射能流率Φ(r)。3)靠近光源处,漫射近似模型和有限元方法得到的空间分辨漫反射光谱R(r)较Monte Carlo结果误差较大,而在远离光源处,FEM-PCBC和FEM-EBC所得空间分辨漫反射光谱R(r)与漫射近似模型和Monte Carlo所得结果吻合。有限大小光斑照射条件下有限元方法在EBC边界条件下的模拟结果表明:在光源直射范围内,有限大小光斑引起的R(r)误差较大;在光源照射范围外,光斑直径越大,引起的R(r)误差越大。(2)对空间分辨技术结合漫射近似模型反演单层组织光学特性参数的算法进行了优化研究,并针对单层组织光学特性参数计算提出了一种分步参数反演法。结果表明:1)原始数据、移动平滑和局部加权多项式平滑法(loess)所得结果差异不显著,而经rloess平滑算法处理后所得结果误差较大。2)常规归一化、平均归一化和平滑归一化方法在无噪声影响时所得结果接近,但在加入人工噪声后常规归一化和平滑归一化方法稳健性较差,平均归一化方法效果较优。3)平均归一化方法中平均数据点数m值在0.05mm空间分辨率时优选为为10,0.1mm空间分辨率时优选为5,0.2mm空间分辨率时优选为3。4)随μs’/μa^值的增大,空间分辨漫反射光谱较优光谱区间起点由3mfp’减小至1.6mfp’,光谱区间终点则稳定在16mfp’。5)分步参数反演法能有效提高单层组织光学特性参数的反演精度,0.1mm空间分辨率下分步法较常规一步参数反演法计算μa的平均精度提高18.4%,计算μs’的平均精度提高51.4%。(3)提出了一种通过空间分辨技术结合漫射近似模型测量双层组织光学特性参数的序贯方法,确定了其可行的约束条件,并研究了从双层组织漫反射光谱反演计算首层组织光学特性参数的影响因素。结果表明:1)使用漫射近似模型时序贯方法可行的约束条件Ⅰ为:当首层组织厚度d值大于其2倍平均自由程(d>2mfp’)时,其光学特性参数才可能用单层光传输模型准确反演;约束条件Ⅱ为:当首层组织厚度d值小于其16倍平均自由程(d<16mfp’)时,次层组织的光学特性参数才可能被准确反演。2)d/mfp1’对首层组织光学特性参数反演的影响明显,随着d/mfp1’值的增大,μa1和μs,’更容易反演得到,且较优光谱区间终点值逐渐变大;mfp1’/mfp2’和μa1/μa2的影响主要体现为μeff1/μeff2,当该值接近于1时,首层组织光学特性参数较容易反演获得;μs1’/μa1对μa1和μs1’的反演无明显影响。(4)基于Monte Carlo模拟对空间分辨技术测量双层组织光学特性参数的序贯方法进行了优化研究。针对首层组织光学特性参数盲反演提出了"粗测方法一"和"粗测方法二"两种方法,结果表明粗测方法二反演μa1和μs1’的精度较粗测方法一更优。以mfp1’为计量单位优选了反演μa1和μs1’的较优光谱区间起点为1 mfp1’,终点随d/mfp1’值的增大而增大,通过函数y=1.4752x+1.5169确定(x为d/mfp1’值,y为光谱区间终点,单位mfp1’),并基于上一步粗测结果用此优化光谱区间对μa1和μs1’进行了二次反演计算,结果表明,基于粗测方法一的二次反演精度得到明显提高,μ a 1平均精度提高17%,μs1 ’平均精度提高8%,而基于粗测方法二的二次反演结果变化不明显。针对次层组织光学特性参数的反演,对已知μa1和μs1’时反演μa2和μs2’进行了光谱区间优化选择,优选的反演μa2和μs2’的较优光谱区间起点为3.5 mm,终点由光谱信号强度值5e-5确定。基于测得的μa1和μs1’利用序贯方法对μa2和μs2’进行了反演计算,结果表明,序贯方法反演所得μa2和μs2’较常规一步法所得结果更为精确,μa2平均精度提高22%,μs2’平均精度提高9%,两种方法计算精度差异显著。(5)提出了一种制作厚皮固体双层农产品组织光学仿生样本的连续浇注法,制作了模拟农产品组织光学特性的固体双层组织仿生样本,并对其光学特性参数进行了标定测量。结果表明,通过控制加入吸收和散射材料的量可以较为准确控制仿生样本的光学特性参数,该方法能够保证两层组织的紧密无缝贴合,且能精确控制首层组织的厚度。(6)用空间分辨高光谱成像系统(OPA)结合序贯方法测量了双层组织仿生样本、芒果果皮和果肉及桶内不同浓度牛奶的光学特性参数,并分析了实验测量结果相对于模拟数据较差的原因。结果表明:1)OPA系统结合序贯方法能较为准确的测出双层组织仿生样本首层组织的光学特性参数,μa1的平均测量误差小于23%,μs1’的平均测量误差小于12%。2)测得的芒果果皮吸收系数光谱能反映出果皮内物质在特定波段的吸收峰,果皮约化散射系数普遍高于果肉的约化散射系数。3)测得牛奶的μs’值与其浓度有显著的线性相关性,630 nm和850 nm处的决定系数R2分别为0.985和0.972。4)导致实验测量结果相对较差原因主要有OPA系统的测量误差、所用模型的不精确性、光源强度与成像相机动态范围的限制、各光学特性参数相互耦合及测量误差的传递作用等。