空间频域成像技术测量单双层农产品组织光学特性的研究

发布时间：2021-05-13 20:22

　　光的吸收和散射是光与生物组织相互作用过程中的两个基本现象,通常用吸收系数μa和约化散射系数μs’来表征。由于吸收系数和约化散射系数分别与生物组织的化学成分和物理性质相关,近年来组织光学特性测量受到越来越多的关注。组织光学特性测量有助于理解光在组织中的传输情况,解释光学测量数据,优化光学实验装置,从而提高农产品与食品质量及安全的无损检测精度。但是,如何提高光学特性测量精度一直是该领域的研究难题。作为一种新的光学测量技术,空间频域成像技术能得到生物组织的二维或三维吸收系数图和约化散射系数图,可用于表征组织光学特性的空间分布。同时,通过选择结构光的空间频率可控制光穿透深度,从而获取不同层次组织光学信息,为两层或多层组织光学特性的准确测量提供可能。因此,本论文采用空间频域成像技术无损测量单层和双层生物组织（液体固体光学仿生样本、牛奶样本、农产品样本）的光学特性参数,对逆向参数拟合算法进行研究,旨在提高光学特性的测量精度,解析光在农产品组织中的传输规律,为光学检测技术提供理论依据。主要研究内容和结论如下:（1）初步研制并开发空间频域成像系统,包括系统组成和操作方法,并用该系统测量固体仿生样本和3... 

【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：204 页

【学位级别】：博士

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致谢
摘要
Abstract
相关符号及缩略词
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 生物组织光学特性
        1.2.1 吸收系数
        1.2.2 约化散射系数
        1.2.3 其他光学特性参数
    1.3 光传输模型
        1.3.1 漫射近似方程
        1.3.2 Monte Carlo方法
        1.3.3 Adding Doubling方法
    1.4 光学特性测量方法
        1.4.1 积分球方法
        1.4.2 时域方法
        1.4.3 频域方法
        1.4.4 空间分辨方法
        1.4.5 空间频域成像方法
    1.5 农产品组织光学特性测量的研究现状及存在的问题
        1.5.1 农产品组织光学特性的测量及应用
        1.5.2 空间频域成像技术研究现状
        1.5.3 光学特性测量存在的问题
    1.6 本研究的目标、内容和技术路线
        1.6.1 研究目标
        1.6.2 主要研究内容
        1.6.3 技术路线
    1.7 本章小结
第二章 空间频域成像系统的初步研制
    2.1 引言
    2.2 空间频域成像初步系统
    2.3 材料与方法
        2.3.1 光传输模型
        2.3.2 样本准备
        2.3.3 光学特性测量
    2.4 结果与讨论
        2.4.1 固体仿生样本的光学特性测量
        2.4.2 苹果的光学特性测量
    2.5 存在的问题
    2.6 本章小结
第三章 单积分球技术中不同光学变量对测量组织散射特性的影响研究
    3.1 引言
    3.2 材料与方法
        3.2.1 单积分球系统和准直透射系统
        3.2.2 样本准备
        3.2.3 光学特性测量
        3.2.4 IAD中的光学变量
        3.2.5 单积分球系统的性能评价指标
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 IAD中的光学变量对测量散射特性的影响
            3.3.1.1 折射率
            3.3.1.2 积分球内壁反射率
            3.3.1.3 光斑在样本上的位置
            3.3.1.4 光斑尺寸
            3.3.1.5 镜面反射
        3.3.2 单积分球系统的性能评价
            3.3.2.1 精度
            3.3.2.2 重复性
            3.3.2.3 检测限
        3.3.3 约化散射系数的测量误差分析
    3.4 本章小结
第四章 结构光在农产品组织中传输的有限元模拟
    4.1 引言
    4.2 理论与模拟实验
        4.2.1 漫射近似方程解析解
        4.2.2 Monte Carlo模拟
        4.2.3 有限元模拟
        4.2.4 模拟样本
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 组织表面漫反射随距离变化的比较
        4.3.2 不同μs'/μa下组织表面漫反射随频率变化的比较
        4.3.3 不同mfp'下组织表面漫反射随频率变化的比较
        4.3.4 无量纲吸收和无量纲散射对组织表面漫反射的影响
    4.4 本章小结
第五章 空间频域成像技术测量单层组织光学特性方法的优化及实验验证
    5.1 引言
    5.2 空间频域成像改进系统
        5.2.1 系统组成
        5.2.2 系统响应的线性度
    5.3 材料和方法
        5.3.1 光传输模型及灵敏系数
        5.3.2 Monte Carlo模拟
        5.3.3 实验样本
        5.3.4 光学特性测量及算法优化
            5.3.4.1 数据平滑
            5.3.4.2 空间频率优化
            5.3.4.3 两步法反演光学特性
    5.4 结果与讨论
        5.4.1 灵敏系数分析
        5.4.2 数据平滑方法对比
        5.4.3 空间频率优化选择
        5.4.4 两步法与传统一步法反演光学特性对比
        5.4.5 仿生样本的光学特性测量
    5.5 本章小结
第六章 空间频域成像技术测量双层组织光学特性的理论与方法
    6.1 引言
    6.2 材料和方法
        6.2.1 光传输模型
            6.2.1.1 单层光传输模型
            6.2.1.2 双层光传输模型
        6.2.2 灵敏系数
        6.2.3 Monte Carlo模拟和样本
        6.2.4 逆向算法反演光学特性参数
    6.3 结果与讨论
        6.3.1 光传输模型与Monte Carlo模拟的漫反射对比
        6.3.2 灵敏系数分析
        6.3.3 光学特性的变化对空间频域漫反射的影响
        6.3.4 首层组织厚度的约束条件
    6.4 本章小结
第七章 空间频域成像技术测量双层组织光学特性方法的优化与验证
    7.1 引言
    7.2 材料和方法
        7.2.1 光传输模型
        7.2.2 Monte Carlo模拟与样本
        7.2.3 光学特性参数反演
    7.3 结果与讨论
        7.3.1 基于双层模型的Monte Carlo漫反射校正
        7.3.2 不同光学变量及其相对关系对反演首层组织光学特性参数的影响
            7.3.2.1 首层组织厚度d值
            7.3.2.2 mfp_1'/mfp_2'
            7.3.2.3 μ_(a1)/μ_(a2)
            7.3.2.4 μ_(s1)'/μ_(s2)'
            7.3.2.5 μ_(s1)'/μ_(a1)
        7.3.3 空间频率的优化选择
        7.3.4 首层组织光学特性反演
        7.3.5 次层组织光学特性反演
    7.4 本章小结
第八章 基于空间频域成像技术的双层组织样本光学特性测量
    8.1 引言
    8.2 材料与方法
        8.2.1 实验样本
        8.2.2 空间频域成像系统
        8.2.3 较优频率区间简化
        8.2.4 光学特性参数测量
    8.3 结果与讨论
        8.3.1 较优频率区间简化
        8.3.2 双层固体样本的光学特性测量
        8.3.3 双层液体样本的光学特性测量
        8.3.4 农产品果皮和果肉的光学特性测量
            8.3.4.1 苹果
            8.3.4.2 狝猴桃
            8.3.4.3 芒果
            8.3.4.4 测量误差分析与讨论
    8.4 本章小结
第九章 结论与展望
    9.1 主要研究结论
    9.2 主要创新点
    9.3 进一步研究展望
参考文献
作者简介及攻读博士期间的主要科研成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]果蔬光学参数测量及其在品质检测方面的研究进展[J]. 潘磊庆,魏康丽,曹念念,孙柯,刘强,屠康,朱启兵.  南京农业大学学报. 2018(01)
[2]基于单积分球系统的猕猴桃组织吸收和散射特性（英文）[J]. Zhen-huan FANG,Xia-ping FU,Xue-ming HE.  Journal of Zhejiang University-Science B（Biomedicine & Biotechnology）. 2016(06)
[3]Effect of light beam on measurements of reflectance and transmittance of turbid media with integrating sphere:Monte Carlo simulation[J]. Xiewei ZHONG,Shenxia TAN,Xiang WEN,Dan ZHU.  Frontiers of Optoelectronics. 2015(02)
[4]激光治疗前后鲜红斑痣生化成分的空间频域成像的初步研究[J]. 陈德福.  中国激光医学杂志. 2013(03)
[5]新疆红肉苹果果皮果肉呈色差异机理[J]. 王延玲,张艳敏,冯守千,宋杨,徐玉亭,张友朋,陈学森.  中国农业科学. 2012(13)
[6]用稳态空间分辨光谱技术检测农产品光学参数的研究及应用[J]. 刘志存,王忠义,黄岚,徐志龙,侯瑞锋,王成,乔晓军.  农业工程学报. 2008(09)
[7]苹果多酚氧化酶的提取及其抑制作用的研究[J]. 刘文山,肖凯军,郭祀远.  现代食品科技. 2006(04)
[8]苹果梨中多酚氧化酶酶学特性的研究[J]. 程建军,马莺,杨咏丽,凌海波,焦明晶,庄严.  园艺学报. 2002(03)

博士论文
[1]空间分辨高光谱成像技术测量单/双层农产品组织光学特性的研究[D]. 王爱臣.浙江大学 2017
[2]基于可见/近红外光谱的水果糖度检测模型优化及应用研究[D]. 徐惠荣.浙江大学 2010
[3]水果内部品质可见/近红外光谱无损检测方法的实验研究[D]. 傅霞萍.浙江大学 2008
[4]生物组织的光学描述与光传输规律研究[D]. 来建成.南京理工大学 2005
[5]生物组织中的光传输及生物组织光学特性参数测量的研究[D]. 许棠.南开大学 2004
[6]光与生物组织的相互作用及生物组织光学特性参数测量[D]. 张连顺.南开大学 2003

硕士论文
[1]水果组织的光学描述与光传输规律研究[D]. 石舒宁.华中农业大学 2016
[2]用于水果组织光传输特性检测的单积分球系统研制及应用[D]. 方振欢.浙江大学 2015



本文编号：3184647