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基于空间分辨光谱技术的无损检测国内外研究现状

张晨笛

摘要：水果销售之前需要进行品质分级，以提高商品的市场竞争力和经济效,满足顾客对水果品质的要求。相比于原始的人工分级，理化指标检测法和感官评定法均存在检测效率低、劳动强度大等缺陷,为了提高水果品质分级的效率，增加经济效益，需要采用一些适应大规模生产和分级销售的技术。无损检测作为一种新兴技术在水果品质分级领域上具有广泛的市场需求以及应用前景。到今天已经发展了很多技术来实现水果品质无损检测,其中以光谱技术的应用最为广泛。介绍了光谱技术中空间分辨光谱技术在水果品质检测方面的独特优势。阐述分析了国内外开发研究空间分辨光谱技术在农业等领域的实际应用以及空间分辨光谱技术的未来发展趋势。

关键词：无损检测；水果品质；空间分辨光谱

1引言

水果无损检测^[1~4]包括光谱技术^[5~6]、机器视觉^[7~9]、高光谱成像^[10~12]、电子鼻^[13~15]、声特征^[16~17]、介电特性^[18]和低场核磁共振^[19]等系列的水果品质无损检测方法，其中以光谱技术的应用最为广泛。机器视觉技术只能检测水果外部特征，无法检测水果的内部品质。高光谱检测曲面样品会因为曲率造成误差，影响精度。可见/近红外光谱技术是目前光谱技术中最常用的水果内部品质无损检测技术^[20~21]。可见/近红外光谱通常采用全透射方式检测水果内部品质信息,反射方式检测表层品质信息^[22~23]。但是可见/近红外光谱属于局部区域检测，无法提供样品的空间信息。因此，需要开发更精准的技术来检测水果品质。空间分辨光谱技术可以获得样本不同深度层次的信息，可以达到较好的水果品质检测效果。对于桃这类小型薄皮水果,以黄桃为例，果皮厚度在0.02~0.03_cm^[24]左右，适合用空间分辨光谱技术来检测。

目前，空间分辨光谱技术^[25][26]主要由两种形式，一种是基于检测光纤探头，另一种是基于高光谱成像。基于检测光纤探头的技术是通过改变恒定点光源与单个或多个光纤探头的距离来达到灵活改变检测距离和位置的目的，所以可用于检测食品的吸收和散射特性。但是该技术也存在着耗时时间长，操作移动形成测量误差等问题。基于高光谱成像的技术适合检测一些表面平坦，尺寸较大的样品。通过先扫描高光谱成像，检测快速，精确度和分辨率较高。但是该技术在检测一些表面弯曲的样本时因为表面曲率的原因需要进行复杂的修正，且波长范围有很多限制。空间分辨光谱技术在水果无损检测方面具有很多优势，能够在光谱区间550-1650nm的范围内同时获得30个空间分辨光谱，覆盖光源到检测器间距离1.5-36mm的范围。既可以测量检测样品的光学特性（吸收和散射特性），还可以得到检测样品深层次，不同深度的信息。例如可见近红外光谱对于桃这类水果的检测效果对于桃子内部的检测和桃表皮的精确度相差很多，但是通过空间分辨光谱技术所获得的不同深度信息可以提高对桃内部品质的精确度，更全面准确的获取桃子信息。由于空间分辨光谱技术适用于检测不同深度组织的特性和状况，因此广泛应用于食物的品质和内部成分分析。例如猪肉的嫩度检测^[27~28]和猪肉肌红蛋白检测^[29~30]，这些都表明了空间分辨光谱技术可以获得包含的样品不同深度的信息，目前该技术已被广泛用于医学领域和化学定量分析领域。

2空间分辨光谱国内研究现状