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基于太赫兹成像技术的小麦麦芽糖定量检测研究

更新时间：2019-12-27 13:38:38 大小：2M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：太赫兹成像技术 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

粮食芽变初始于内部胚芽部分,萌芽早期活动发现困难,成为制约粮食储备安全的一个瓶颈。粮食芽变过程主要是将淀粉转化为用于生长的麦芽糖。采用太赫兹(Terahertz,THz)成像技术,研究不同浓度的小麦麦芽糖混合物的图像特征,在图像中样品区域各个像素点提取出一条THz光谱,并求平均,得到一条平均光谱。通过主成分分析方法(principal component analysis,PCA)前5个主成分的累计方差贡献率达到98%以上,用前5个主成分的得分值矩阵代替原始光谱数据,建立基于径向基核函数的支持向量机(support vector machine,SVM)定量分析模型。对比结果表明,太赫兹成像技术结合化学计量学方法对小麦麦芽糖含量具有较好的判别效果,其中SVM模型获得最好的预测结果,为通过小麦种麦芽糖含量实现对小麦芽变程度的检测,保障粮食品质,提升国家储藏科技水平奠定了理论和技术基础。


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，
，
，
Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．１０ ３０１７３０２２  
ｐｐ  
第
卷
３８  
２０１８ １０  
ꢀꢀꢀ ꢀ  
第
期
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓｅｃｔｒｏｓｃｏ ａｎｄＳｅｃｔｒａｌＡｎａｌｓｉｓ  
ｙ
ꢀ
１０  
ꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
－
，
Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１８  
ꢀ
年
月
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀ ｐ ꢀｐ  
ｐｙ  
ꢀ
ꢀ
基于太赫兹成像技术的小麦麦芽糖定量检测研究  
，
１ ２  
，
１ ２  
１
＊
，
，
蒋玉英  
葛宏义  
张
元
ꢀ
，
河南工业大学粮食信息处理与控制教育部重点实验室 河南 郑州  
１．  
４５０００１  
ꢀ
，
河南工业大学信息科学与工程学院 河南 郑州  
２．  
４５０００１  
ꢀ
，
，
。
摘
要
粮食芽变初始于内部胚芽部分 萌芽早期活动发现困难 成为制约粮食储备安全的一个瓶颈 粮食  
ꢀ
ꢀ
。
芽变过程主要是将淀粉转化为用于生长的麦芽糖 采用太赫兹  
（
，
Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ＴＨｚ  
）
，
成像技术 研究不同浓度的  
，
小麦麦芽糖混合物的图像特征 在图像中样品区域各个像素点提取出一条  
，
，
光谱 并求平均 得到一条  
ＴＨｚ  
。
平均光谱 通过主成分分析方法  
（
，
）
ｒｉｎｃｉａｌｃｏｍ ｏｎｅｎｔａｎａｌｓｉｓ ＰＣＡ ５  
ｐ ꢀ  
前
个主成分的累计方差贡献率达到  
ｐ
ｐ
ꢀ
ｙ
，
，
（
ｓｕ ｏｒｔ  
ｐｐ  
以上 用前 个主成分的得分值矩阵代替原始光谱数据 建立基于径向基核函数的支持向量机  
５
９８％  
，
ｖｅｃｔｏｒｍａｃｈｉｎｅ ＳＶＭ  
ꢀ
）
。
，
定量分析模型 对比结果表明 太赫兹成像技术结合化学计量学方法对小麦麦芽糖含  
，
量具有较好的判别效果 其中  
，
模型获得最好的预测结果 为通过小麦种麦芽糖含量实现对小麦芽变程  
ＳＶＭ  
，
，
。
度的检测 保障粮食品质 提升国家储藏科技水平奠定了理论和技术基础  
；
；
；
；
ＳＶＭ  
关键词  
成像 定量分析 小麦芽变 麦芽糖  
ＴＨｚ  
ꢀ
：
：
Ａ
： ／ （ ）  
ＤＯＩ １０．３９６４ ．ｉｓｓｎ．１００００５９３２０１８１０３０１７０６  
－
中图分类号  
文献标识码  
Ｏ４３４．３  
ꢀꢀ  
ꢀꢀꢀ  
ｊ
－
－
、
传统的检测粮食芽变的方法主要有目测法和人工法  
染
［
］
７８  
，
－
，
色法和免疫色谱 法 等  
这 些 方 法 存 在 较 大 的 主 观 性  
费
引
言
ꢀ
，
。
，
时
费力并且不能实现对芽变的早期检测 近年来 逐渐出  
［］  
９
（
０．１ １０ＴＨｚ １ ＴＨｚ＝  
～
太 赫 兹 辐 射 通 常 是 指 频 率 在  
。
Ｔａｋｅｕｃｈｉ  
现了众多发芽小麦的可视化无损检测系统  
等
采
ꢀꢀ  
１２  
ꢀ
１０ Ｈｚ  
－１  
），  
，
波长范围在  
波数在  
用机器视觉方法 检 测 了 大 麦 颗 粒 发 芽 过 程 中 内 部 形 态 的 变  
［ ］  
１０  
３０ ｍ ３ｍｍ  
～
μ
３．３ ３３０ｃｍ  
～
，
，
。
之间的电磁波 介于微波和红外之间 处于宏观电子学和微  
化
等
采用 射线技术检测 了 正 常 小 麦 和 发  
Ｘ
Ｎｅｅｔｈｉｒａａｎ  
ｊ
。
（
）、  
观光子学的过渡区 分子之间的弱相互作用 氢键  
偶极子  
，
芽小麦 结果显示在 射线图像中发现发芽小麦内部存在白  
Ｘ
［ ］  
１１  
、
的旋转和震动跃迁 大分子的骨架振动及晶体中晶格的低频  
。
Ｋｒｉｓｈｎａｎ  
色条状部分  
等
采用核磁共振光谱检测了正 常  
［ ］  
１２  
，
振动吸收频率则均处于太赫兹波段 其光谱中包含有丰富的  
。
Ｘｉｎ  
小麦和发芽小麦种子内部水分含量的变化  
等
采用  
ｇ
，
、
物理和化学信息 正逐渐成为拉曼光谱学 傅里叶红外光谱  
／
可见 近红外高光谱成像技术对加拿大西部红春小麦的芽变  
［
］
１２  
，
－
、
学和 射线技术的有效补充  
Ｘ
已经在生物医学 物质识  
。
损失进行了检测 这些技术虽然已经广泛地应用到粮食的芽  
［
］
３５  
－
、
。
，
，
别
农产品质量安全与控制等领域  
得到了广泛的应用  
变检测中 但是它们同时也具有各自的局限性 不能满足粮  
，
。
小麦是我国主要的粮食作物 同时也是很多食品的原材  
［］  
６
食芽变早期检测的实际应用需求  
，
、
。
，
技术在粮食品质检测中 的 独 特 优 势 本 文 采  
料
它含有丰富的淀粉 蛋白质和脂肪等营养物质  
如果  
由于  
ＴＨｚ  
，
、
、
，
储藏不当 极易发生芽变 霉变 虫蚀等生化反应 使小麦  
用
时域光谱成像技术对不同浓度的麦芽糖混合物进行  
ＴＨｚ  
，
，
；
检测和识别 并采用主成分分析方法对  
的品质发生变化 甚至无法食用 对人畜的健康造成一定的  
图像进行原始  
ＴＨｚ  
，
。
；
数据压缩和特征提取 最后使用提取的图像特征数据建立支  
影响 并将造成我国巨大的粮食产后损失 小麦芽变过程是  
，
，
，
持向量机小麦麦芽糖定量分析模型 以实现对小麦芽变程度  
小麦开始发芽到长成植物的过程 在这个过程中 经历了很  
，
多复杂的生物化学变化阶段 其中最主要的过程就是将小麦  
，
，
的检测 是小麦品质等级鉴定 食品工业质量安全的重要部  
（
内部淀粉转化为用于生长的糖类 麦芽糖和葡萄糖  
）。  
，
分
同时也是保障国家储粮安全和降低粮食产后损失的重要  
：
，
：
２０１７１１０２  
－
收稿日期  
修订日期  
２０１７０６２６  
－ －  
ꢀ
－
：
基金项目 国家  
（
８６３  
）
计划 项目  
（
），  
国家自然科学基金项目  
（
），  
河南省高校基本科研业务费专项资金项目青年支持  
２０１２ＡＡ１０１６０８  
６１７０５０６１  
ꢀ
（
），  
（
）
项目  
河南省高等学校重点科研计划项目  
资助  
２０１７ＱＮＪＨ１７  
２０１７ＢＳ００６  
：
作者简介 蒋玉英  
，
１９８４  
，
年生 河南工业大学信息科学与工程学院讲师  
：
ｅｍａｉｌ ｉａｎ ｕｉｎ１１ １６３．ｃｏｍ  
ꢀꢀ ｊ ｇｙｙ ｇ  
ꢀ
－
＠
：
ｅｍａｉｌ ｚｈａｎ ｕａｎ ｈａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ  
ｇｙ  
通讯联系人  
＊
ꢀꢀ  
－
＠
光谱学与光谱分析  
第
卷
３８  
３０１８  
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ  
。
，
飞秒激光通过分束镜后被分为两束 一束为较强的泵浦  
基础  
ꢀꢀ  
，
。
光
另一束较弱的为探测光 泵浦光入射到发射晶体上产生  
；
脉冲 通过多次反射后的探测光经过偏振片后由硅片将  
实验部分  
ＴＨｚ  
１
ꢀ
，
其和太赫兹脉冲共线反射到电光探测晶体上 使得探测脉冲  
，
的偏振态发生改变 进而能够间接地探测出  
仪器  
脉冲电场  
１．１  
ＴＨｚ  
ꢀ
。
的变化信息及大小 该探测脉冲经过  
／
１４  
本实验采用美国  
公 司 生 产 的  
太 赫 兹 时 域 光  
波片后通过偏振分  
Ｚｏｍｅａ  
ｇ
Ｚ３  
，
谱系统 其有效光谱范围为  
，
，
束镜被分为相互垂直的两束光 最后经由锁相放大器后被连  
峰值动态范围大  
０．１ ３．５ＴＨｚ  
～
［
］
３１４  
－
１
（
１０００７０ｄＢ  
ꢀ
），  
系统信噪比大于  
。
３０００  
ꢀ
。
于
系统基本光路结构  
接到计算机端进行数据采集及处理  
为了更加满足实际  
（）  
所示  
，
（）  
，
（）  
１ｃ  
，
应用需求 全部实验过程是在常温常湿环境下进行的  
。
如图  
图
为样品的  
频率光谱  
图
为
１ａ  
１ｂ  
ＴＨｚ  
。
样品的  
图像  
ＴＨｚ  
图
太赫兹时域光谱技术  
１
ꢀ
（）：  
；（）：  
太赫兹频域光谱  
；（）：  
太赫兹图像  
系统结构示意图  
Ｆｉ．１ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚｔｉｍｅｄｏｍａｉｎｓｅｃｔｒｏｓｃｏ  
ｐｙ  
ａ
ｂ
ｃ
ꢀ
ꢀ
－
ꢀ
ｐ
ｇ
（）：  
ａ
；（）：  
ｂ
；（）：  
ｃ ＴＨｚｉｍａｅ  
ꢀ
ＴＨｚｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕ  
ꢀ ｐ ꢀ  
ＴＨｚｆｒｅｕｅｎｃ ｓｅｃｔｒｕｍ  
ｑ ｙ ｐ  
ꢀ
ｐ
ꢀ
ｇ
样品制备  
图像获取  
１．２  
１．３  
ꢀ
ꢀ
、
实验所需的麦芽糖 小麦淀粉和聚乙烯等材料均是从西  
将不同浓度的小麦麦芽糖混合物样品放置在  
时域  
ＴＨｚ  
。
格玛公司购买的分析纯标准品 将麦芽糖分别与小麦粉和聚  
，
，
光谱系统的移动平台上 并对其进行反射成像 系统最大扫  
（
），  
，
。
０．１ｍｍ  
乙烯按照重量配置成含量为  
即纯聚乙烯或纯小麦粉  
描面积是  
空间分辨率设置为  
由计  
０％  
５０ｍｍ×５０ｍｍ  
， ， ， ， ， ， ， ， ，  
１％ ３％ ５％ ７％ １０％ １５％ ２０％ ２５％ ３０％ ３５％  
，
。
算机端的太赫兹分析和控制软件控制整个图像获取过程  
获
，
和
４０％ ４５％ ５０％ １４  
、
，
等
个浓度麦芽糖聚乙烯混合物和麦芽  
得的图像以三维格式创建 记录和存储 不仅包含了空间信  
，
，
，
。
，
糖小麦粉混合物 其成分关系如表 所示 并放置于振荡器  
１
息
同时也包含了光谱信息 因此 图像中每个像素点都能  
，
。
，
光谱 每条  
ＴＨｚ  
上振荡  
保证混合物的均匀混合 并用  
的压力  
提取出一条完整的  
光谱包括  
个时  
１ｍｉｎ  
６ ＭＰａ  
ＴＨｚ  
５１２  
，
域点 频率范围从  
。
、
将各个浓度混合物压制成厚度约为  
直径为  
０ ３．５ＴＨｚ  
～
１．０ｍｍ  
１３ｍｍ  
，
，
。
模式识别方法  
的薄片 保证两面光滑无裂痕 并标志其浓度和厚度 每个  
１．４  
ꢀ
（
，
ｓｕ ｏｒｔｖｅｃｔｏｒｍａｃｈｉｎｅ ＳＶＭ  
ꢀ
）
，
个片 因此每种麦芽糖混合物总共可以得到  
支持向量机  
是由  
浓度样品压  
Ｖａｎｉｋ  
ｐ
３０  
ｐｐ  
ꢀ
［
］
５
。
１
，
年首先提出的 是一种基于统计的机器学习方法  
。
、
于
个样品 为避免样品在称重 压片过程中由于样品遗失  
１９９２  
４２０  
，
，
，
，
在
模型中 根据支持向量机理论 当引入松弛因子  
而影响样品混合物浓度值 一定要仔细转移 尽量将全部样  
ＳＶＭ  
ｉ
ξ
＊
，
０
。
和
则问题变化为在约束条件下  
品都能转移到压片模具中  
０
≥
≥
ｉ
ξ

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