閻 聰，朱榮光，黃昆鵬，邱園園，范中建，孟令峰

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】羊胴體在加工，運(yùn)輸、儲(chǔ)藏過程中易被細(xì)菌污染而變質(zhì)，為保證流入市場(chǎng)羊肉品質(zhì)安全，需對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)?，F(xiàn)有傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)感官評(píng)定操作簡(jiǎn)單，結(jié)果因人而異，而理化試驗(yàn)和微生物測(cè)定精準(zhǔn)，但費(fèi)時(shí)耗力，不能滿足羊肉大批量、快速無損檢測(cè)的需求。近紅外光譜分析技術(shù)通過光攜帶樣本內(nèi)部的特征信息，通過對(duì)得到光譜進(jìn)行分析來檢測(cè)樣本內(nèi)部品質(zhì)，具有檢測(cè)速度快、無損傷和綠色等特點(diǎn)，已被各個(gè)領(lǐng)域所關(guān)注。但在光譜采集過程中也受到眾多因素的影響，不同配置的光譜采集系統(tǒng)、采集參數(shù)和采集方式對(duì)樣品光譜采集質(zhì)量影響很大。在近紅外檢測(cè)分析過程中，誤差來源除了檢測(cè)環(huán)境、樣品物理特性、儀器性能狀態(tài)和操作者自身因素外還來源于模型自身[1]，除模型自身因素外其他誤差源對(duì)模型精度的影響其實(shí)質(zhì)都是由樣品光譜采集的質(zhì)量影響引起的。【前人研究進(jìn)展】現(xiàn)已有許多學(xué)者研究了試驗(yàn)誤差、濕度、樣品物理性能、光譜儀特性及采集參數(shù)、預(yù)處理方法等因素的影響[2-9]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前研究大多集中在檢測(cè)環(huán)境和樣品物理特性對(duì)模型預(yù)測(cè)性能的影響。關(guān)于光源、光纖參數(shù)、儀器檢測(cè)時(shí)間、檢測(cè)距離和采集參數(shù)對(duì)光譜質(zhì)量影響的研究較少。研究羊肉近紅外光譜采集質(zhì)量影響因素。【擬解決的關(guān)鍵問題】以新疆羊肉為研究對(duì)象，從儀器誤差來源角度理論結(jié)合試驗(yàn)分析光源性能、光纖參數(shù)、儀器檢測(cè)時(shí)間、檢測(cè)距離和采集參數(shù)對(duì)采集光譜質(zhì)量的影響，為近紅外光譜硬件系統(tǒng)開發(fā)研究和光譜采集等環(huán)節(jié)的改進(jìn)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)羊肉采集于新疆石河子市農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)剛屠宰的薩?？搜?。選取羊背脊部位，將羊肉放于保溫箱中運(yùn)送回石河子大學(xué)實(shí)驗(yàn)室。由專業(yè)人員在無菌試驗(yàn)臺(tái)上去除羊背脊肉表面的脂肪和結(jié)締組織，并將肉切成尺寸約為40 mm×40 mm×20 mm后放在保鮮袋中，置于4℃恒溫箱中保存。

試驗(yàn)的儀器為美國(guó)海洋光學(xué)的近紅外光譜儀NIRQuest256-2.5，VIVO(輸出功率為30 W，波長(zhǎng)范圍為360～2 000 nm)和HL-2000(輸出功率為5 W，波長(zhǎng)范圍為360～2 400 nm)鹵鎢燈光源，光纖規(guī)格包括4種，分別是QP400-1-VIS-NIR，QP600-1-VIS-NIR，QR400-7-VIS-NIR和QBIF600-VIS-NIR。

1.2 方 法

近紅外光譜采集系統(tǒng)包括：NIRQuest256-2.5近紅外光譜儀，4種不用型號(hào)光纖、光源、遮光暗箱和微型計(jì)算機(jī)等。使用海洋光學(xué)提供Ocean Optics SpectraSuite軟件系統(tǒng)進(jìn)行羊肉光譜采集，采集光譜范圍為900～2 500 nm，儀器分辨率9.5 nm。試驗(yàn)地點(diǎn)在石河子大學(xué)機(jī)電學(xué)院農(nóng)畜產(chǎn)品無損檢測(cè)研究實(shí)驗(yàn)室。在光譜采集前，對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，15 min后采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)白板對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行黑白校正，再對(duì)拭除表面水分的羊肉樣品進(jìn)行漫反射光譜采集，為了避免樣品的誤差干擾，對(duì)樣品的同一側(cè)采集6個(gè)點(diǎn)的光譜，取平均值作為最后的光譜值，討論光纖參數(shù)、儀器檢測(cè)時(shí)間、檢測(cè)距離、光源性能和采集參數(shù)等影響因素對(duì)光譜采集的影響。

試驗(yàn)采用VIVO和HL-2000光源與QR400-1-VIS-NIR的連接裝置分別采集羊肉樣品的近紅外光譜。

采用QP400-1-VIS-NIR，QP600-1-VIS-NIR兩種光纖分別于VIVO光源組合，采集樣品的漫反射光譜。

采用QP400-1-VIS-NIR，QBIF600-VIS-NIR分別與VIVO光源配合采集樣品光譜。QBIF600-VIS-NIR為三端分叉光纖，光纖端接頭為標(biāo)準(zhǔn)六角螺母SMA905，帶兩條直徑相同(2根600 μm或2根400 μm)具有共用線端的并排光纖(之后會(huì)分成兩個(gè)叉腳)，在另外兩端分別組成一個(gè)600 μm和一個(gè)400 μm的光纖對(duì)。VIVO光源分別與2根400 μm、600 μm光纖束，2根600 μm光纖束和單芯400 μm光纖匹配作對(duì)比。

選擇QR400-7-VIS-NIR型號(hào)光纖，將光纖一個(gè)發(fā)送端用保護(hù)橡膠套上。將近紅外光譜儀、光纖、VIVO載物臺(tái)和光源等儀器連接起來進(jìn)行光譜采集。首先，將光纖探頭端面和樣品之間距離調(diào)節(jié)距離最小，然后逐漸增加采集距離。

在進(jìn)行羊肉近紅外光譜時(shí)，環(huán)境、樣品和儀器狀態(tài)的改變會(huì)引起光譜發(fā)生線性或非線性基線漂移，為了探究采集時(shí)間對(duì)采集光譜質(zhì)量的影響，對(duì)待測(cè)樣品同一點(diǎn)在240 min內(nèi)測(cè)量6次，每次采集5次后平均作為參考光譜。

利用海洋光學(xué)提供的配套Ocean Optics SpectraSuite光譜采集軟件，設(shè)置參數(shù)如下：平均次數(shù)32，平滑度3，積分時(shí)間分別為10、20和30 ms，根據(jù)設(shè)定的平均次數(shù)和平滑度，系統(tǒng)推薦最佳積分時(shí)間18 ms，比較四種積分時(shí)間采集的光譜曲線。

參數(shù)設(shè)置：積分時(shí)間18 ms，平均次數(shù)32，平滑度為0、1、3和5。

參數(shù)設(shè)置：積分時(shí)間18 ms，平滑度3，平均次數(shù)選擇8，16，32和64。

2 結(jié)果與分析

2.1 光源對(duì)光譜采集質(zhì)量的影響

研究表明，VIVO光源采集的光譜a比HL-2000光源采集的光譜b前段、后端噪聲和波動(dòng)小，且兩光譜在900～1 220 nm范圍內(nèi)波形有差異。這可能是由于HL-2000光源溫控和電源穩(wěn)壓效果不好而導(dǎo)致采集的光譜噪聲較大且光譜來回波動(dòng)，該光源功率較小，光纖采集的調(diào)制光強(qiáng)較小，光譜中含有信息量少，光譜波形出現(xiàn)異常，故VIVO光源的性能優(yōu)于HL-2000光源。因此，在條件允許的情況下應(yīng)盡量采用大功率、穩(wěn)壓和控溫效果好的光源為樣品提供照射光，以增加采集距離和得到較好質(zhì)量的光譜。圖1

圖1 不同光源光譜
Fig.1 Different light source spectrum

2.2 光纖參數(shù)對(duì)光譜信號(hào)強(qiáng)度的影響

2.2.1 光纖芯徑對(duì)光譜信號(hào)強(qiáng)度的影響

研究表明，在900～1 000 nm和2 400～2 500 nm的范圍內(nèi)光譜曲線基本重合外，其他范圍內(nèi)，單芯600 μm的光纖比單芯400 μm的光纖反射率大。因此，增加光纖的芯徑會(huì)增強(qiáng)接收到光譜信號(hào)，增加光譜信號(hào)強(qiáng)度。圖2

圖2 芯徑400 μm和600 μm光纖采集的光譜
Fig.2 Core diameter 400 μm and 600 μm fiber optical spectrum

2.2.2 接受光纖數(shù)目對(duì)光采集效率的影響

研究表明，2根400 μm光纖束和600 μm光纖束在波長(zhǎng)范圍1 200～2 500 nm光譜反射率基本相同，在900～1 200 nm芯徑400 μm的光纖束采集的光譜反射率較大。因此，400 μm光纖束的性能要好。這是因?yàn)楣庠诠饫w發(fā)出端呈特殊的高斯分布，即使芯徑600 μm光纖束比芯徑400 μm光纖束每端多了100 μm接收光，但多接收的光經(jīng)狹縫散射后進(jìn)入線陣探測(cè)器的很少，且光纖光強(qiáng)中心比芯徑400 μm的光纖對(duì)均向狹縫兩端多偏移了100 μm。圖3

圖3 400和600 μm光纖對(duì)光譜
Fig.3 400 and 600 μm fiber pairs spectrum

研究表明，2根600 μm光纖束和單根400 μm光纖光譜相比，光纖束的光譜質(zhì)量比略優(yōu)些。因此，當(dāng)其他條件不變的情況下，增加接受光纖數(shù)目可以提高采集光譜信號(hào)強(qiáng)度。圖4

圖4 單芯400和600 μm光纖對(duì)光譜
Fig.4 The spectra of single core 400 and 600 μm of fiber pair

2.3 檢測(cè)距離對(duì)光譜的影響

研究表明，隨著光纖探頭到樣品的采集距離逐漸增加，光譜的反射率增加后減小。光譜a距離樣品表面太近，接收光纖只接收到少量從樣品內(nèi)部反射的光線，光譜的反射率低且波形出現(xiàn)異常，當(dāng)增加距離時(shí)，接收光纖接收的光逐漸增多，攜帶的有效信息增多，光譜信號(hào)增加。當(dāng)檢測(cè)距離增加到一定值的時(shí)候，光纖接收的光強(qiáng)達(dá)到最大，若再增加采集距離，雖然采集面積增加，但從樣品內(nèi)部接收的反射光強(qiáng)變小，光譜反射率變小且波形再次出現(xiàn)異常。圖5

圖5 不同采集距離光譜
Fig.5 Different acquisition distance spectra

2.4 儀器采集時(shí)間對(duì)光譜的影響

研究表明，隨著采集時(shí)間的增加，光譜曲線的漂移越來越大。在0～160 min的4條光譜曲線的漂移較小，光譜曲線正常，1 150～1 200、1 365～1 385和1 400～1 460 nm三個(gè)波段特征信息幾乎沒有漂移，從中可以提取到有效的特征光譜信息來進(jìn)行建模檢測(cè)。而160～240 min內(nèi)的2條光譜曲線相對(duì)前面4條漂移幅度變大，曲線中的波峰和波谷位置向短波方向發(fā)生了偏移且1 500～2 000 nm范圍波形異常，故這些光譜曲線舍掉，不在適合后期的建模計(jì)算。在研究中，在檢測(cè)樣品和其他參數(shù)不變，說明光譜曲線的異常和儀器設(shè)備有關(guān)。在試驗(yàn)中，隨著采集時(shí)間的增加，系統(tǒng)各部分溫度逐漸增加，儀器中的探測(cè)器暗電流增加，電壓發(fā)生也產(chǎn)生了波動(dòng)從而引起了基線漂移。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間采集，可以每隔一段時(shí)間來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正或者間歇式采集光譜，避免系統(tǒng)溫度過高引起基線漂移。圖6

圖6 不同檢測(cè)時(shí)間光譜
Fig.6 Different detection time spectrum

2.5 采集參數(shù)對(duì)光譜的影響

2.5.1 積分時(shí)間

研究表明，各個(gè)積分時(shí)間的光譜曲線反射率的大小排序?yàn)?0 ms>20 ms>18 ms>10 ms，但積分時(shí)間為30 ms時(shí)，采集的光譜曲線在1 500 nm左右后波形出現(xiàn)異常。圖7

圖7 不同積分時(shí)間光譜
Fig.7 Spectra of different integral time

通過對(duì)比，4種積分下的白參考光譜圖可知，積分時(shí)間為30 ms的光譜曲線在1 500～2 180 nm范圍內(nèi)達(dá)到過飽和狀態(tài)，引起了在此波段下的光譜曲線出現(xiàn)異常。采集光譜時(shí)，積分時(shí)間越長(zhǎng)，光譜反射值越強(qiáng)，質(zhì)量越好，但積分時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)引起光譜部分波段出現(xiàn)異常，丟失了樣品本身所含的光譜特征信息。圖8

圖8 不同積分時(shí)間白參照光譜
Fig.8 The white reference spectra of different integration time

2.5.2 平滑度

研究表明，當(dāng)增加平滑度時(shí)，波長(zhǎng)在900～1 200 nm范圍的光譜曲線變得平滑，噪聲被減小，采集的光譜質(zhì)量提升，但平滑度過大，會(huì)將光譜中一些含有特征信息的波峰波谷消除，會(huì)對(duì)后期的建模效果有影響，故平滑度選為3。圖9

圖9 不同平滑度光譜
Fig.9 Spectrum of different smoothness

2.5.3 平均次數(shù)

研究表明，光譜曲線的總體反射率變化不大，平均次數(shù)為8次，前端光譜波段反射率要高一點(diǎn)。根據(jù)蔣煥煜等[10]的研究成果可知增加掃描次數(shù)，光譜的均方根噪聲方差減小，質(zhì)量提高，但光譜儀的系統(tǒng)誤差增大且檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，結(jié)合圖中的光譜曲線，平均次數(shù)選32次。圖10

圖10 不同平均次數(shù)光譜
Fig.10 Different average spectrum

3 討 論

利用近紅外系統(tǒng)進(jìn)行羊肉光譜采集時(shí)，不同的參數(shù)設(shè)置對(duì)光譜采集質(zhì)量有很大的影響。研究對(duì)于VIVO和HL-2000光源進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)VIVO光源穩(wěn)壓效果好、波動(dòng)小，故在采集中采用功率較大、穩(wěn)壓和控溫效果好的光源為樣品提供照射光；通過增加接收光纖的數(shù)目或增加合適的光纖芯徑可以提高光纖對(duì)光譜的采集效率，提高光譜強(qiáng)度，增加光譜的采集質(zhì)量，除了光纖芯徑、接受光纖數(shù)目和出射端的光強(qiáng)分布對(duì)光譜的采集效率有影響，光纖軸間距p、反射面的傾斜和形狀因子、光纖束公共端光纖排列方式和探頭端面角度等因素對(duì)非功能性光纖傳感器的光強(qiáng)調(diào)制特性也有很大的影響[11]；近紅外模型的預(yù)測(cè)偏差與檢測(cè)距離并非成線性關(guān)系，不同的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同樣品的最佳檢測(cè)距離不同[12]，劉媛媛[13]等探究了光纖探頭與樣品表面不同檢測(cè)距離對(duì)光譜曲線影響，通過光譜數(shù)據(jù)的校正方法，改進(jìn)光纖探頭與樣品表面檢測(cè)點(diǎn)距離模型的影響；合適的采集距離不僅能使光纖采集效率大大提高，還使試驗(yàn)便于操作[14]；對(duì)于實(shí)驗(yàn)中一些線性基線漂移可以通過建立PLSR等模型消除，但對(duì)于非線性漂移必須采用合適的光譜預(yù)處理削弱或抑制其對(duì)模型精度的影響，也可以通過“微分-平滑[15]”、微分和建立混合模型[16]等方法解決。

4 結(jié) 論

4.1 在進(jìn)行光譜采集時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用功率較大、穩(wěn)壓性和散熱性能好的鹵鎢燈光源，以提高光譜的信號(hào)強(qiáng)度，減小噪聲和基線漂移。

4.2 單根芯徑600 μm的光纖和芯徑400、600 μm的光纖對(duì)采集的光譜反射率均大于單芯400 μm的光纖，故增加接受光纖芯徑和數(shù)目，光譜信號(hào)質(zhì)量增強(qiáng)。

4.3 儀器采集時(shí)間越長(zhǎng)光譜基線漂移越嚴(yán)重，且曲線中的特征峰位置向短波方向發(fā)生偏移。對(duì)于基線線性漂移可以通過建模消除，但光譜基線非線性漂移是由儀器本身性能決定的，采用光譜預(yù)處理方法減小對(duì)后期建模精度的影響。

4.4 隨光纖探頭到樣品表面距離的增加，樣品漫反射光譜反射率先增大后減小。

4.5 積分時(shí)間越長(zhǎng)，光譜反射值越大，質(zhì)量越好，但積分時(shí)間過長(zhǎng)易導(dǎo)致光譜強(qiáng)度飽和引起波形異常。增加平滑度，光譜曲線較平滑，噪聲減小，但平滑度過大有效信息部分丟失。