基于等离子体三维成像技术的柑橘中黄龙病斑纹识别方法研究

徐 将，刘木华，姚明印，王 晓

（江西农业大学 工学院，江西 南昌 330045）

【研究意义】柑橘黄龙病是由一种限于韧皮部内寄生的革兰氏阴性细菌引起的。它会造成根部局部腐烂，叶片缺素枯萎，果皮硬度增大。这些病害特征直接影响着柑橘的食用品质[1-3]。【前人研究进展】如何有效地对柑橘类食品进行优质检测与分类已经成为农产品加工领域内的热点话题。常见的检测分析方法有：嗅觉感官法、化学参量法、高光谱以及中红外光谱法等[4-9]。Ding等[10]基于免疫血清学检测法，可以分别采用免疫捕获和免疫组织印迹实现高通量的黄龙病检测鉴别；Cardinali等[11]基于近红外光谱分析方法分别对健康、柑橘斑驳黄化病、感染黄龙病、未感染黄龙病4类脐橙叶片进行分析，结合偏最小二乘回归分类器可以使其鉴别准确率达到93.8%；Ranulfi 等[12]基于激光诱导荧光光谱法分别对感染黄龙病、未感染黄龙病、感染柑橘斑驳黄化病叶片进行研究，同时结合一定的判别模型进行判别，其鉴别准确率达到90%以上；Pérez 等[13]基于拉曼光谱结合主成分分析和线性判别分析模型对甜橙进行黄龙病诊断鉴别，试验结果表明感病甜橙出现异常谱带，且敏感性达到86.9%（阳性正确检出率），特异性达到91.4%（阴性正确检出率），识别准确率达到89.2%（总计正确检出率）。这些检测技术在柑橘黄龙病的检测中都取得了一定的成果，但是他们各自也都存在着检测精度和实时性等方面的不足。【本研究切入点】激光诱导击穿光谱（LIBS）技术已经被证明是一种适用于多元素同时检测和分析的有效手段[14-15]。在LIBS 中，一束激光聚焦在样品表面，产生热等离子体。【拟解决的关键问题】在本次研究中，论文基于等离子体中各元素发射光谱波长的不同，反演等离子体中各元素的三维图像，实现黄龙病斑纹的精准识别。实验分别对8个不同延迟时间的等立体三维图像进行分析，结果表明该成像技术具有识别精度高、测量实时性好等方面的优势，在学术和工业领域都有巨大的发展潜力。

1 设备与组成

本次研究使用的等离子体信号采集平台是江西农业大学生物光电重点实验室自主搭建完成的。主要设备包括：延时控制器（DG645，Stanford research system）、Nd：YAG 激光器（Vlite200，Beamtech Optronics）、反射镜、穿孔反射镜、高阶透镜（焦距：100 mm）、光信号收集器、八通道光谱仪（2048FT-8R，Avantes）、高速相机（iStar ICCD，Andor）等。光路传播路径与平台结构如图1所示。

图1 等离子体信号采集平台示意图Fig.1 Schematic diagram of plasma signal acquisition platform

延时控制器为光谱仪、激光器和高速相机提供精准的时序控制。激光器作为脉冲激光发射源，产生具有一定脉冲频率和时间延迟的2束共轴双脉冲激光，激光经与水平方向呈45°角反射镜的反射后，垂直穿过穿孔反射镜，并经高阶透镜聚焦后击打在柑橘果皮表面，诱导出等离子体。各元素光信号经高阶透镜-穿孔透镜反射光路组合聚集至信号收集器，并进一步由光纤传输至光谱仪，在处理软件的辅助下以光谱信号的形式出现在显示屏上。与此同时，在光信号采集器-高阶透镜组合呈45°角处，等离子体在不同延时时间内的三维图像信息由高速相机采集得到。

2 数据与分析

2.1 激光诱导等离子体光谱

常用的测量激光诱导等离子体温度的方法是玻尔兹曼（Boltzmann）平面图法，等离子体从Ei能级跃迁到Ej能级发射的谱线和强度满足：

式（1）中，λ是电子从Ei能级跃迁到Ej能级发射谱线的波长，Iijλ是光谱仪的信号强度响应值，Cs是该跃迁粒子的浓度，Aij是跃迁概率，gi是Ei能级的统计权重，F是涉及接收系统的光学效率及等离子体数等因素的试验参数，kB是Boltzmann常量，T是等离子体温度，Us(T)是发生这种跃迁的粒子配分函数。

利用测试平台对柑橘果皮进行信号采集，波长范围在200～1 100 nm 内的黄龙病和正常果皮LIBS 的光谱如图2所示。

图2 黄龙病和健康柑橘果皮在200～1 100 nm波段内的LIBS光谱图Fig.2 LIBS spectra of Huanglongbing and healthy citrus peels in 200-1 100 nm band

在测量波长范围内，柑橘果皮中都含有丰富的Ca、Na、Mg、K等矿质金属元素，以及C、H、O等有机质非金属元素。光谱数据显示黄龙病对柑橘果皮中的K 元素含量没有显著影响，因此为了避免环境因素的影响，以K I 766.49 光谱强度来内标矿物质元素特征谱线（Ca II 393.37、Mg II 279.55、Na I 588.99）与非金属元素特征谱线（C I 247.86、H I 656.28、O I 777.19）。

内标法是从被测量样品中选择一种元素作为内标元素。现在以Id表示被测元素的某条光谱线强度，IK表示内标K元素的光谱线强度，且这两条光谱线对应的波长相近，则根据公式有：

式（2）中，C、g、A、U、E分别表示各元素的光谱线浓度、上能级统计权重、跃迁概率、配分函数以及上能级能量。确定内标线之后，根据等式（1）、（2）反推得到待测样品中被测元素的浓度值。

如图3 所示，当以K 元素为内标元素时，黄龙病和健康柑橘果皮中的各元素浓度存在明显差异。其中，健康柑橘果皮中的Mg、H元素的含量要高于患有黄龙病柑橘果皮，而Ca、Na 元素的含量正好相反，C、O 元素的浓度相近。数据结果表明：黄龙病会造成柑橘果皮中Mg、H 元素浓度的下降，Ca、Na 元素浓度的增加，对K、C、O元素的影响不大。

图3 K元素内标黄龙病、健康柑橘果皮中的元素Fig.3 Internal standard of K element in Huanglongbing and healthy citrus peel

2.2 三维空间分布

激光诱导等离子体温度是表征等离子体性质的重要物理参数，对理解激光诱导等离子体内部的热力学过程起着非常重要的作用，同时也对定量分析结果的准确度有着极大的影响[16-17]。

将等式（1）两边取对数，得到

式（3）中，F、Cs和Us(T)都是系统的宏观性质，在热平衡状态下均具有确实的数值。然后将等式（3）对能级Ei求微分可以得到等离子体温度的表达式为：

根据量子力学的理论，微观粒子各种运动形式的能量是不连续的[18-20]。具有相同能量的粒子可以处于不同的量子态，即某一能级的谱线常常是由好几条非常接近的精细谱线所构成。在局部热平衡状态下，如果整个等离子体的能量分布均匀，那么整个状态就可以用一个确定的参量来表示，这时如果没有外界条件的影响，等离子体的宏观性质不会随着时间而变化。

利用高速相机采集等离子体从产生到淬灭的三维图像信号。两路激光间延迟700 ns，积分时间2 ms。采集门宽5 ns，采集延迟步长0.5 μs，每幅图累计3次激光脉冲，共采集10幅不同延迟时间点的等离子体形貌图。为了分析等离子体形貌的变化趋势并且对比两者的差异性，分别采集了0.5～4.0 μs延迟范围内的8幅健康、黄龙病柑橘果皮的等离子体三维图像，如图4所示。图4中水平平面为样品的采集面，由于样品的灼烧面积极小，所以在测量点处，粗糙的果皮表面可以近似为一个平面。在各延迟时间点处，根据内标法和采集三维图像可知果皮表面等离子体信号存在明显的不同，能量分布的差异可以更好地反映出本次研究测量技术的优势。与原始光谱数据相比，等离子体三维成像的差异更加鲜明，信号对比也更加突出，这为柑橘果皮中黄龙病斑纹的识别提供了依据。

图4 等离子体三维图像Fig.4 Three-dimensional images of plasma

3 平均贡献率

由于Ei为等离子体的跃迁能级，因此可以用来描述复合系统的固定总能量。将等式（4）带入等离子体系统局部热平衡温度公式，可以得到三维空间内的平均贡献率的表达式为：

为了更好的验证利用等离子体三维成像技术来识别黄龙病果皮的优势，对各个时间段内的三维图像进行处理，并且计算出检测位置处等离子体在三维空间内的平均贡献率。

如图5 所示，在各采集点处，黄龙病果皮中Ca 元素的平均贡献率都明显大于健康果皮，并且在等离子体能量最大时差异最大。该现象表明，黄龙病等离子体在前期发射强度大于健康果皮等离子体发射强度，同时等离子体寿命更长，相比于健康柑橘更晚开始坍缩消失。

图5 各延迟时间Ca元素的平均贡献率Fig.5 Average contribution rate of Ca element in each delay time

产生这一现象的主要原因是：感染黄龙病后果皮硬度增大，表面更加光滑，导致可溶性固形物、酸含量、维生素C 含量显著下降。当激光击穿样品产生等离子体时，以热传导和能量交换等形式被水分、有机质分子吸收的能量也较小。实验数据表明，利用等离子体三维成像技术可以精确地对感染黄龙病的柑橘进行识别，并且在等离子体能量最强时效果最佳，这一特征可以为最佳等离子体信号的采集提供依据。

4 讨论与结论

综上所述，本文利用等离子体三维成像技术实现了柑橘表面黄龙病斑纹的识别与检测。首先，利用激光诱导击穿光谱平台分别对健康果皮和黄龙病斑纹进行等离子体信号的采集，得到光谱数据与各延迟时间的等离子体三维图像。其次，以K 元素为内标元素，根据光谱线强度计算出其余各元素的含量，将含量差异最大的Ca元素作为黄龙病果皮识别依据。然后，结合量子力学理论中微观粒子运动形式的不连续性，根据等离子体系统局部热平衡温度公式推导出了三维空间内的平均贡献率等式。最后，借助MATLAB 软件计算出Ca 元素在等离子体三维空间中的平均贡献率值，对黄龙病果皮表面等离子体的特征进行了分析。

结果表明，等离子体三维成像技术可以快速高效地对感染黄龙病的柑橘进行识别，并且在等离子体能量最强时效果最佳，这一现象完全符合局部热平衡的理论推导。该测量技术准确、可靠，完全适用于柑橘类农产品的加工检测与分级评价。