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高光谱成像技术在食品品质无损检测中的应用

发布时间:2023-04-21
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​随着生活水平的不断提高,人们对食品的各种质量安全问题十分关注,保障食品安全性的一个重要工作手段就是无损检测,它与人们的健康绿色生活息息相关,有利于促进我国经济和社会的可持续发展。在实践中,高光谱成像法技术是提高食品质量检测安全可靠性的重要技术。本文介绍了高光谱成像技术在食品品质无损检测中的应用。

随着生活水平的不断提高,人们对食品的各种质量安全问题十分关注,保障食品安全性的一个重要工作手段就是无损检测,它与人们的健康绿色生活息息相关,有利于促进我国经济和社会的可持续发展。在实践中,高光谱成像法技术是提高食品质量检测安全可靠性的重要技术。本文介绍了高光谱成像技术在食品品质无损检测中的应用。

高光谱成像仪

高光谱成像系统的组成:

高光谱成像系统由硬件和软件两部分组成。硬件最重要的部件是传感器,还包括光源、控制装置和扫描器等。传感器主要由物镜、CCD阵列探测器和光谱仪。光谱仪包括光栅型成像光谱仪与干涉型成像光谱仪。CCD 阵列探测器分为线阵探测器和面阵探测器。软件部分主要包括数据采集及处理软件与光谱预处理软件等。

高光谱成像系统的成像原理:

光谱仪是高光谱成像系统最重要的组成部分,光谱仪包括一个棱镜一光栅一棱镜单元,此单元可以阻止环境光的干扰,而且在光谱仪获得被测物体的一行图像时,此单元可以将光线从每行图像的像素点色散到光谱轴上,这样检测人员就可以获得在空间轴和光谱轴上的一维影像和光谱信息。物体或物镜的连续运动就形成了整个物体的光谱图像。最终,在 CCD 阵列探测器上完成对每个瞬间信号的获取,检测人员就可以得到高光谱三维图像数据块。

高光谱成像技术在绿色食品品质无损检测中的应用:

1.无损检测食品品质

传统食品品质检测方法对食物具有一定的损坏,而且需要花费的时间、人力、物力比较多,不能满足现代社会对食品质量检测的要求。硬度和可溶性固形物含量是决定食品成熟度和收获时节的重要内在指标。除此之外,重要的食品品质指标还包括口味、外观、香味和化学组成等。而基于高光谱成像技术的上述指标测定工作只需少量样本,并且可以实现相关品质指标的快速无损测定。检测人员需要从模型样本中提取到包括二维的图像像素信息和第三维的波长信息的“三维”图像块。然后,检测人员建立多元分析模型,将提取的光谱数据与样本属性的测量值进行关联,建立定量关系模型,从而对食品样本进行品质检测与分级,并对食品品质做出有效评价。

2.检测食品表面污染

据研究,检测人员用不同波段的光照射食品时,食品会对光产生散射、吸收、反射和透射等现象。研究表明,部分特定波段的光照射至食品内部时,通过透射和散射采集的光谱数据中会携带有丰富的食品内部成分信息。近年来,高光谱技术被应用于检测食品的损伤情况,应用高光谱成像的方法既能够实现无损检测,又能够快速准确获取样本的完整的图像信息和光谱信息。检测人员通过图像和光谱分析方法,检测食品的化学成分、物理结构和表面特征。在四百到一千纳米的可见光和近红外的光谱范围内,综合曝光时间、扫描速度和光谱校正等信息,检测人员可以采集到包括二维的图像像素信息和第三维的波长信息的“三维”图像块。由于高光谱数据具有多光谱通道、高光谱分辨率和连续光谱的特点,可分辨出极接近但不同波长下的两幅不同的图像,并可得到任意像素点的连续光谱曲线和不同物质的不同光谱曲线。这种技术利用正常区域的光谱值与损伤区域的光谱值在某些特定波长下,会存在比较大的差异性,能够实现对食品表面的无损检测。

3.检测食品农药残留

在实践中,农药残留检测技术比较丰富,传统的高精度检测过程对检测人员操作性要求比较高,且检测时间长,仅能用于实验室农药残留的精确分析和检测;化学检测方法一般是破坏性检测,有着消耗有机试剂、制样繁琐且检测成本高等不利特点。而高光谱成像检测能够达到高效实时与快速无损检测的目的。检测人员通过高光谱仪获得食品的高光谱图像,应用主成分分析方法对所获得的高光谱图像进行分析,并找出特征波长下的图像。检测人员利用图像处理技术来分析这些特征图像,可以检测出食品表面的农药残留含量。

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