羊肉近红外光谱采集质量的影响因素

2018-07-30朱荣光黄昆鹏邱园园范中建孟令峰

新疆农业科学 2018年5期

阎聪，朱荣光，黄昆鹏，邱园园，范中建，孟令峰

(石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832003)

0 引言

【研究意义】羊胴体在加工，运输、储藏过程中易被细菌污染而变质，为保证流入市场羊肉品质安全，需对其质量进行检测。现有传统检测技术感官评定操作简单，结果因人而异，而理化试验和微生物测定精准，但费时耗力，不能满足羊肉大批量、快速无损检测的需求。近红外光谱分析技术通过光携带样本内部的特征信息，通过对得到光谱进行分析来检测样本内部品质，具有检测速度快、无损伤和绿色等特点，已被各个领域所关注。但在光谱采集过程中也受到众多因素的影响，不同配置的光谱采集系统、采集参数和采集方式对样品光谱采集质量影响很大。在近红外检测分析过程中，误差来源除了检测环境、样品物理特性、仪器性能状态和操作者自身因素外还来源于模型自身[1]，除模型自身因素外其他误差源对模型精度的影响其实质都是由样品光谱采集的质量影响引起的。【前人研究进展】现已有许多学者研究了试验误差、湿度、样品物理性能、光谱仪特性及采集参数、预处理方法等因素的影响[2-9]。【本研究切入点】目前研究大多集中在检测环境和样品物理特性对模型预测性能的影响。关于光源、光纤参数、仪器检测时间、检测距离和采集参数对光谱质量影响的研究较少。研究羊肉近红外光谱采集质量影响因素。【拟解决的关键问题】以新疆羊肉为研究对象，从仪器误差来源角度理论结合试验分析光源性能、光纤参数、仪器检测时间、检测距离和采集参数对采集光谱质量的影响，为近红外光谱硬件系统开发研究和光谱采集等环节的改进提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

试验羊肉采集于新疆石河子市农贸市场刚屠宰的萨福克羊。选取羊背脊部位，将羊肉放于保温箱中运送回石河子大学实验室。由专业人员在无菌试验台上去除羊背脊肉表面的脂肪和结缔组织，并将肉切成尺寸约为40 mm×40 mm×20 mm后放在保鲜袋中，置于4℃恒温箱中保存。

试验的仪器为美国海洋光学的近红外光谱仪NIRQuest256-2.5，VIVO(输出功率为30 W，波长范围为360～2 000 nm)和HL-2000(输出功率为5 W，波长范围为360～2 400 nm)卤钨灯光源，光纤规格包括4种，分别是QP400-1-VIS-NIR，QP600-1-VIS-NIR，QR400-7-VIS-NIR和QBIF600-VIS-NIR。

1.2 方法

近红外光谱采集系统包括：NIRQuest256-2.5近红外光谱仪，4种不用型号光纤、光源、遮光暗箱和微型计算机等。使用海洋光学提供Ocean Optics SpectraSuite软件系统进行羊肉光谱采集，采集光谱范围为900～2 500 nm，仪器分辨率9.5 nm。试验地点在石河子大学机电学院农畜产品无损检测研究实验室。在光谱采集前，对采集系统进行预热，15 min后采用标准试验白板对采集系统进行黑白校正，再对拭除表面水分的羊肉样品进行漫反射光谱采集，为了避免样品的误差干扰，对样品的同一侧采集6个点的光谱，取平均值作为最后的光谱值，讨论光纤参数、仪器检测时间、检测距离、光源性能和采集参数等影响因素对光谱采集的影响。

试验采用VIVO和HL-2000光源与QR400-1-VIS-NIR的连接装置分别采集羊肉样品的近红外光谱。

采用QP400-1-VIS-NIR，QP600-1-VIS-NIR两种光纤分别于VIVO光源组合，采集样品的漫反射光谱。

采用QP400-1-VIS-NIR，QBIF600-VIS-NIR分别与VIVO光源配合采集样品光谱。QBIF600-VIS-NIR为三端分叉光纤，光纤端接头为标准六角螺母SMA905，带两条直径相同(2根600 μm或2根400 μm)具有共用线端的并排光纤(之后会分成两个叉脚)，在另外两端分别组成一个600 μm和一个400 μm的光纤对。VIVO光源分别与2根400 μm、600 μm光纤束，2根600 μm光纤束和单芯400 μm光纤匹配作对比。

选择QR400-7-VIS-NIR型号光纤，将光纤一个发送端用保护橡胶套上。将近红外光谱仪、光纤、VIVO载物台和光源等仪器连接起来进行光谱采集。首先，将光纤探头端面和样品之间距离调节距离最小，然后逐渐增加采集距离。

在进行羊肉近红外光谱时，环境、样品和仪器状态的改变会引起光谱发生线性或非线性基线漂移，为了探究采集时间对采集光谱质量的影响，对待测样品同一点在240 min内测量6次，每次采集5次后平均作为参考光谱。

利用海洋光学提供的配套Ocean Optics SpectraSuite光谱采集软件，设置参数如下：平均次数32，平滑度3，积分时间分别为10、20和30 ms，根据设定的平均次数和平滑度，系统推荐最佳积分时间18 ms，比较四种积分时间采集的光谱曲线。

参数设置：积分时间18 ms，平均次数32，平滑度为0、1、3和5。

参数设置：积分时间18 ms，平滑度3，平均次数选择8，16，32和64。

2 结果与分析

2.1 光源对光谱采集质量的影响

研究表明，VIVO光源采集的光谱a比HL-2000光源采集的光谱b前段、后端噪声和波动小，且两光谱在900～1 220 nm范围内波形有差异。这可能是由于HL-2000光源温控和电源稳压效果不好而导致采集的光谱噪声较大且光谱来回波动，该光源功率较小，光纤采集的调制光强较小，光谱中含有信息量少，光谱波形出现异常，故VIVO光源的性能优于HL-2000光源。因此，在条件允许的情况下应尽量采用大功率、稳压和控温效果好的光源为样品提供照射光，以增加采集距离和得到较好质量的光谱。图1

图1 不同光源光谱
Fig.1 Different light source spectrum

2.2 光纤参数对光谱信号强度的影响

2.2.1 光纤芯径对光谱信号强度的影响

研究表明，在900～1 000 nm和2 400～2 500 nm的范围内光谱曲线基本重合外，其他范围内，单芯600 μm的光纤比单芯400 μm的光纤反射率大。因此，增加光纤的芯径会增强接收到光谱信号，增加光谱信号强度。图2

图2 芯径400 μm和600 μm光纤采集的光谱
Fig.2 Core diameter 400 μm and 600 μm fiber optical spectrum

2.2.2 接受光纤数目对光采集效率的影响

研究表明，2根400 μm光纤束和600 μm光纤束在波长范围1 200～2 500 nm光谱反射率基本相同，在900～1 200 nm芯径400 μm的光纤束采集的光谱反射率较大。因此，400 μm光纤束的性能要好。这是因为光在光纤发出端呈特殊的高斯分布，即使芯径600 μm光纤束比芯径400 μm光纤束每端多了100 μm接收光，但多接收的光经狭缝散射后进入线阵探测器的很少，且光纤光强中心比芯径400 μm的光纤对均向狭缝两端多偏移了100 μm。图3

图3 400和600 μm光纤对光谱
Fig.3 400 and 600 μm fiber pairs spectrum

研究表明，2根600 μm光纤束和单根400 μm光纤光谱相比，光纤束的光谱质量比略优些。因此，当其他条件不变的情况下，增加接受光纤数目可以提高采集光谱信号强度。图4

图4 单芯400和600 μm光纤对光谱
Fig.4 The spectra of single core 400 and 600 μm of fiber pair

2.3 检测距离对光谱的影响

研究表明，随着光纤探头到样品的采集距离逐渐增加，光谱的反射率增加后减小。光谱a距离样品表面太近，接收光纤只接收到少量从样品内部反射的光线，光谱的反射率低且波形出现异常，当增加距离时，接收光纤接收的光逐渐增多，携带的有效信息增多，光谱信号增加。当检测距离增加到一定值的时候，光纤接收的光强达到最大，若再增加采集距离，虽然采集面积增加，但从样品内部接收的反射光强变小，光谱反射率变小且波形再次出现异常。图5

图5 不同采集距离光谱
Fig.5 Different acquisition distance spectra

2.4 仪器采集时间对光谱的影响

研究表明，随着采集时间的增加，光谱曲线的漂移越来越大。在0～160 min的4条光谱曲线的漂移较小，光谱曲线正常，1 150～1 200、1 365～1 385和1 400～1 460 nm三个波段特征信息几乎没有漂移，从中可以提取到有效的特征光谱信息来进行建模检测。而160～240 min内的2条光谱曲线相对前面4条漂移幅度变大，曲线中的波峰和波谷位置向短波方向发生了偏移且1 500～2 000 nm范围波形异常，故这些光谱曲线舍掉，不在适合后期的建模计算。在研究中，在检测样品和其他参数不变，说明光谱曲线的异常和仪器设备有关。在试验中，随着采集时间的增加，系统各部分温度逐渐增加，仪器中的探测器暗电流增加，电压发生也产生了波动从而引起了基线漂移。对于长时间采集，可以每隔一段时间来对系统进行校正或者间歇式采集光谱，避免系统温度过高引起基线漂移。图6

图6 不同检测时间光谱
Fig.6 Different detection time spectrum

2.5 采集参数对光谱的影响

2.5.1 积分时间

研究表明，各个积分时间的光谱曲线反射率的大小排序为30 ms>20 ms>18 ms>10 ms，但积分时间为30 ms时，采集的光谱曲线在1 500 nm左右后波形出现异常。图7

图7 不同积分时间光谱
Fig.7 Spectra of different integral time

通过对比，4种积分下的白参考光谱图可知，积分时间为30 ms的光谱曲线在1 500～2 180 nm范围内达到过饱和状态，引起了在此波段下的光谱曲线出现异常。采集光谱时，积分时间越长，光谱反射值越强，质量越好，但积分时间过长会引起光谱部分波段出现异常，丢失了样品本身所含的光谱特征信息。图8

图8 不同积分时间白参照光谱
Fig.8 The white reference spectra of different integration time

2.5.2 平滑度

研究表明，当增加平滑度时，波长在900～1 200 nm范围的光谱曲线变得平滑，噪声被减小，采集的光谱质量提升，但平滑度过大，会将光谱中一些含有特征信息的波峰波谷消除，会对后期的建模效果有影响，故平滑度选为3。图9

图9 不同平滑度光谱
Fig.9 Spectrum of different smoothness

2.5.3 平均次数

研究表明，光谱曲线的总体反射率变化不大，平均次数为8次，前端光谱波段反射率要高一点。根据蒋焕煜等[10]的研究成果可知增加扫描次数，光谱的均方根噪声方差减小，质量提高，但光谱仪的系统误差增大且检测时间较长，结合图中的光谱曲线，平均次数选32次。图10

图10 不同平均次数光谱
Fig.10 Different average spectrum

3 讨论

利用近红外系统进行羊肉光谱采集时，不同的参数设置对光谱采集质量有很大的影响。研究对于VIVO和HL-2000光源进行对比分析，发现VIVO光源稳压效果好、波动小，故在采集中采用功率较大、稳压和控温效果好的光源为样品提供照射光；通过增加接收光纤的数目或增加合适的光纤芯径可以提高光纤对光谱的采集效率，提高光谱强度，增加光谱的采集质量，除了光纤芯径、接受光纤数目和出射端的光强分布对光谱的采集效率有影响，光纤轴间距p、反射面的倾斜和形状因子、光纤束公共端光纤排列方式和探头端面角度等因素对非功能性光纤传感器的光强调制特性也有很大的影响[11]；近红外模型的预测偏差与检测距离并非成线性关系，不同的检测系统对不同样品的最佳检测距离不同[12]，刘媛媛[13]等探究了光纤探头与样品表面不同检测距离对光谱曲线影响，通过光谱数据的校正方法，改进光纤探头与样品表面检测点距离模型的影响；合适的采集距离不仅能使光纤采集效率大大提高，还使试验便于操作[14]；对于实验中一些线性基线漂移可以通过建立PLSR等模型消除，但对于非线性漂移必须采用合适的光谱预处理削弱或抑制其对模型精度的影响，也可以通过“微分-平滑[15]”、微分和建立混合模型[16]等方法解决。