農(nóng)產(chǎn)品光學參數(shù)測量的雙積分球系統(tǒng)

利用近紅外光譜技術對谷物、水果、肉品等農(nóng)產(chǎn)品進行定量分析已經(jīng)十分普遍,這種定量方法是基于化學計量學的思想建立化學值與光譜數(shù)據(jù)間的關系。隨著應用和研究的不斷深入 ,針對其適用性和分析精度 ,研究人員進行了一些探索,鑒于農(nóng)產(chǎn)品是對光具有吸收、散射作用的多組分復雜體系 ,目前對其組織內部光輸運規(guī)律研究不多 ,一般是將散射等引起的變化 (光學路徑變化 )歸結到光譜形狀的變化,由于散射作用將引起模型不穩(wěn)定和較大的誤差。為了進一步提升近紅外光譜技術在農(nóng)產(chǎn)品品質分析領域應用的適用性和準確性 ,應從生物組織內部入手來研究光和樣品的相互作用 ,直接或間接地得到吸收系數(shù) _ a、散射系數(shù) _ s 和各向異性因子 g 等光學參數(shù) ,將散射與吸收系數(shù)分開 ,進而計算出物質含量 。

測量原理

光在生物組織中的輸運過程中包含吸收和散射作用兩個部分 ,研究光在生物組織中輸運要解決兩方面的問題: 1)描述在光學參數(shù)已知條件下 ,研究光子在組織內部的輸運過程和規(guī)律 ,例如 ,漫射方程及在一定邊界條件下的解、 Mo nte Carlo仿真模型等 ; 2)由測試數(shù)據(jù)反演出組織的吸收系數(shù)、散射系數(shù)和各向異性因子等光學參數(shù)。 為了得到農(nóng)產(chǎn)品的光學參數(shù) ,采用雙積分球系統(tǒng)的測量方法,其原理是將一片薄片樣品 (如鮮肉組織 )置于兩個積分球之間 ,當一束激光入射樣品的時候 ,同時對兩個積分球內所收集的漫反射光和漫透射光進行檢測 ;此外 ,還要同步檢測激光傳播方向上距離漫透射積分球 60 cm以外的準直透射光信號 ,這樣同時得到漫反射率 Rd、漫透射率 Td 和準直透射率 Tc三個物理量 ,進而運用一種光傳輸模型的逆算法反演出組織的吸收系數(shù)_ a、散射系數(shù)_ s和各向異性因子 g 等光學參數(shù) ,逆倍增 ( Inverse Adding-Doubling, IAD)算法是其最常用也是最快速準確的一種算法 。

在組織光學中 ,一般用吸收系數(shù) _ a、散射系數(shù) _ s及各向異性因子 g 表征生物組織的特性 . 積分球系統(tǒng)獲取組織光學特性參量 ,是通過總的反射、漫透射及準直透射的測量 ,再利用逆加折疊 (簡稱 IAD)或 M onte Ca rlo方法來確定光學特性參量 . IAD方法作為一種迭代法計算起來非常快 ,在處理各向異性散射及處理邊界上的內部反射時很靈活 ,并可通過增加計算時間使其達到任意的精度 ; 而 Mo nte Carlo方法常常需要較長的運行時間 . 因此通過雙積分球測量 ,獲取生物組織光學特性參量時 ,一般都采用 IAD 方法.IAD方法由以下幾步組成: 1)猜參量 ; 2)利用逆加折疊計算反射率和透射率 ; 3)將測量值與計算值進行比較 ; 4)檢查是否滿足精度 ,否則重復前三步 .

雙積分球系統(tǒng)采用的是相對測量技術 ,即反射率、漫透射率及準直透射率都是相對于某個基線的測量 ,各量均介于 0~ 1,三者之和的量大值也不可能大于 1.球內壁上的探測器所探測到的信號與入射到探測器上的功率成正比 ,即V=K Pd ( 1)式中 K 取決于探測器的特性 . 實際上還有一些背景光 Vn ,它由探測系統(tǒng)的噪音及雜散光的大小決定 ,因此上式可改寫為Pd= K -1( V - Vn) ( 2)這樣就可以根據(jù)入射光功率 P、探測系數(shù) K ,利用透射球外的第三個探測器對準直的透射光的測量 ,可得到準直的透過率Tc= (Vc - Vn ) Tref /(V C0- Vn ) ( 3)由于激光束在不經(jīng)過樣品直接照射到準直通道上時 ,所探測的信號會很大 ,所以在沒有樣品的情況下 ,常在樣品口放置一個衰減片 ,以避免探測的信號過大而超出鎖相放大的范圍 . VC0為準直通道相對衰減片所測得的值 , Tr ef為衰減片的透過率 (本系統(tǒng)采用的值為 6 % ) ,Vc 是在有樣品無衰減片時的測量值 .

雖然入射光功率可以直接測量 ,但為方便起見 ,常常把漫反射系數(shù)為 Rref ( 99. 9% )的標準片放在樣品口 ,通過相對測量來實現(xiàn). 反射率 R與漫透射率 Td 的獲取與光源的準直性有關 ,它是通過以下幾個量的測量來實現(xiàn)的 .V(%) = (Vmeasure - Vn ) /( V0- Vpn ) ( 4)式中 V(% )為反射率 R或漫透射率 Td ,V n 與前面類似 ,是相應積分球上探測器的噪音 ; Vpn是在沒有樣品的情況下光穿過球時的測量值 ;而 V0是將標準的反射片 ( 99. 9% )放于樣品口 ,激光照射在鏡片上時 ,探測器所探測的信號 . 所有的參考測量都是對單球而言的 . 如果激光器的準直性較好 ,光路調整好以后均會有 Vpn≈ Vn,即無論入射口 (反射球 )或出射光口 (透射球 )擋住與否 ,都會有相同的測量值 . 事實上 ,由于我們實現(xiàn)了對光信號的調制 ,鎖定放大器消除了背景噪音的干擾 ,所以只要調整好光路 , 均有 Vpn≈Vn≈ 0.

組織光學特性參量的測量是通過可探測的光學量 (如反射、透射等 )來獲得的 ,這些量表征著光子在生物組織的傳輸 2. 雙積分球技術是將樣品放在兩個積分球之間 ,通過對一片樣品的測量 ,來同時獲取其對光的反射率、漫透射率及準直透射率 ;再根據(jù)生物組織中特定的光子傳輸理論 ,進而推算出其光學特性參量: 吸收系數(shù) _ a、散射系數(shù)_s 及名向異性因子 g. 這里_ a ( mm-1)和 _ s ( mm-1 )的倒數(shù)分別表示光子在介質中被吸收或散射前所走過的平均距離 , g 是光子在不同方向上的散射幾率 . 當光通量的空間分布變化不是很大 ,或遠離邊界及源的區(qū)域時 ,散射各向異性的細節(jié)并不重要 ,因而常將 _ s和 g 簡化成單一的散射系數(shù) _′ s= _ s ( 1- g ) , 利用雙積分球測量樣品的反射率與透射率是一種很成熟的技術 . 探測器所探測的信號與光源功率、球的幾何參量 (球壁面積、洞口的大小 ,樣品的面積 )、 球壁的反射率及樣品的反射率有關 ,Pickering等對此進了深入細致的探討,這里不再贅述 ,但雙積分球技術用于組織光學特性參量測量卻是近幾年發(fā)展起來的.改進雙積分球系統(tǒng)由以下幾個部分組成: 激光器、斬波器、分光鏡、積分球 (四個 )、鎖定放大器、相關的探測電路及轉換電路、計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) . 而常用的雙積分球準直激光經(jīng)斬波器 ( ND-3型可變頻率雙參考光斬波器 ,頻率波動為 0. 1 % )調制后 ,通過透過率為 80%的分光鏡將其分成兩束 ,反射光作為參考探測 ,以監(jiān)測光源功率的波動情況 ,透射光通過反射球的入光口直接照在樣品上 . 來自參考球、反射球、透射球及準直透射球上各探測器 ( SiPIN, S1223-01型 )的四路信號通過開關電路后 ,依次送入鎖定大器 ( M odel SR830 DSP Lock- inAm plifier可將頻率鎖定在 0. 1Hz范圍內內 ) ,最后被計算機所采集 .

積分球理論在對樣品的反射及透射測量中的誤差分析表明 ,準直入射比漫入射時的情況更好. 因此用雙積分球系統(tǒng)測量組織光學特性參量時常采用準直較好的激光光源 .

用于反射及漫透射測量的兩個積分球是對稱放置的 . 球的內表面由 Ba SO4噴涂而成 ,具有較高的漫反射特性 ;兩球內徑為 220m m± 1mm,樣品口直徑為 25± 0. 1mm ,反射球的入光口與透射球的出光口直徑為 7± 0. 1m m;另外在樣品口與探測口之間設置了擋板 ,這將避免樣品上的反射光直接被探測器所收集 . 為使來自樣品的規(guī)則反射光不至于從入光口逃離出去 ,我們將光軸與樣品口平面的法線方向設置成 3° 的夾角 ,這樣反射球上的探測器所探測到的信號就是漫反射光與規(guī)則反射光之和 ,即總的反射光強 .

由于光斑會聚成一個小點直接照在探測器上時 ,會降低探測器的線性度 . 為此 ,在參考通道及準直透射光強的探測中 ,我們也采用了積分球 (內徑為 70± 0. 5mm ) ,入光口大小為 7± 0. 1mm ,這樣將使光經(jīng)過漫反射后均勻地照射在探測器的光敏面上 . 在準直探測中 ,為避免漫透射信號的影響 ,準直探測球與透射球之間的距離應大于700m m,在這里我們將其設定為 800m m.在弱光信號檢測中 ,斬波及鎖定放大將能很好的消除背景光的干擾 .與常用的雙積分球系統(tǒng)相比 ,我們引入了參考測量監(jiān)測光源功率的變化 ,以此消除光源波動對測量的影響 . 這是因為雙積分球系統(tǒng)采用的是相對的測量技術 ,各探測器 (光電二極管與光電倍增管 )所探測到的信號與入射到探測器上的光強成正比 ,因此對光功率的穩(wěn)定性有著較高的要求 ,否則會給測量帶來較大的誤差.為同時測量反射、漫透射、準直透射信號 ,并實現(xiàn)對光源功率波動的監(jiān)測 ,通過一個開關轉換電路 ,將四路信號分時送到鎖定放大器上 ,這一點通過計算機采集系統(tǒng)是很容易控制的 . 由于機械調制本身存在的局限性 ,我們將斬波器的頻率設置為 1000Hz,相應的鎖定放大器的積分時間設置為 30m s. 在對不同通道的信號進行分時采集時 ,為避免各路信號之間的相互影響 ,將每路信號采集的時間間隔設置為 500ms. 由于光源本身的波動非常緩慢 ,所以這樣的延遲對測量所帶來的影響是可以忽略的 .

激光在生物組織中的傳輸一直是激光醫(yī)學所關注的問題 ,為研究組織中的光子傳輸規(guī)律 ,諸多模型被提出來了 ,理論的準確性取決于組織光學特性參量的測量 . 生物組織的光學特性常用這樣一些參量來描述: 吸收系數(shù)、散射系數(shù)及各向異性因子 .

組織光學特性參量的測量方法有很多 ,從生物組織所處的狀態(tài)來看 ,可分為離體測量與在體測量. 組織光學特性參量的在體測量可以直接應用劑量學 ,然而現(xiàn)有的測量技術所能提供的信息非常有限。而離體測量則能分別考慮組織的層狀結構 ,如可以對離體的真皮與表皮分別測量 ,在體測量卻只能得到整個皮膚的參量. 在所有離體測量中 ,雙積分球技術是目前公認的最為精確的一種測量技術 ,它將測量方法與輻射傳輸理論的精確解結合起來 ,可以同時獲取離體組織的光學特性參量. 但雙積分球技術對光源穩(wěn)定性要求很高 ,否則會給測量帶來很大的誤差 .

IAD算法是 AD算法 (一種正向光傳輸模型 ,稱之為倍增模型 )的求逆算法 , AD倍增模型的基本思想是:對于一片已知光學參數(shù)的光學薄層 S 1 來說 ,若它的漫反射率和漫透射率是已知的 ,那么對于兩倍于它厚度的同樣光學性質的另一光學薄層 S2 來說 ,其漫反射率和漫透射率就相當于把原來兩片相同的光學薄層 S 1 并置在一起進行加倍 ( Doubling)計算得到的漫反射率和漫透射率 ,通過這種處理 ,薄層厚度即可成倍地增加 ,一直達到所期望的組織厚度為止 ,同時計算出該組織的總漫反射率和總漫透射率 ;對于不同光學性質的其他介質層也可以采用同樣的方法來處理 ,然后將幾個介質層的漫反射率分量和漫透射率分量進行加和 ( Adding )計算 ,這樣得到包含若干層結構的總漫反射率和總漫透射率。"玻璃 - 樣品 - 玻璃"就是這樣一個典型的 3層結構 。

IAD算法主要包含四個步驟: 1)根據(jù)實測的漫反射率、漫透射率和準直透射率來估計一組光學參數(shù) ,把它們作為迭代初始值 ; 2)將這組光學參數(shù)代入 AD算法來計算實測物理量所對應的理論值 ; 3)通過實測值和理論值兩者之間的比較來確定下一步驟的操作 ; 4)如果已經(jīng)達到設定的精度 ,那么當前所設定的光學參數(shù)就是最后的輸出結果 ;否則 ,根據(jù)比較結果重新設定一組光學參數(shù) , 就是最后的輸出結果 ;否則 ,根據(jù)比較結果重新設定一組光學參數(shù) ,然后重復這個過程 ,直到輸出最后結果或者超出迭代最大步驟為止 。