[發明專利]一種水稻葉片組織光學特性參數的反演方法和測量裝置

在審

• 申請號: 201710014518.4
• 申請日: 2017-01-09
• 公開（公告）號: CN106770047A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 岑海燕;李曉冉;翁海勇;何勇
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N21/47
• 分類號: G01N21/47;G01N21/59
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明涉及組織光學研究領域，尤其涉及一種水稻葉片組織光學特性參數的反演方法和測量裝置。

背景技術

光在生物組織體內傳播過程及路徑與組織體的生理、病理狀態密切相關，成為人們研究關注的重點。

組織光學特性參數，是一系列用來描述光在組織體內傳播狀況的物理量。光在混濁組織中傳播主要涉及三個基本物理過程：反射(折射)，吸收和散射。光在組織中的衰減主要是組織體對光的吸收和散射兩種過程的綜合作用，分別用吸收系數μ_a和散射系數μ_s表示。μ_a和μ_s分別描述組織體對光的吸收和散射能力，其中μ_a主要取決于組織的化學組成；而μ_s受到組織結構/物理特性(如密度、組織粒子大小、細胞結構)的影響。

通過對組織體內各光學特性參數的測定，便可以間接的得到組織體內相應的生理、病理信息。因此組織體的光學特性參數在農作物養分診斷、病害檢測、品質分析等領域有著非常重要的應用價值。

目前，光學特性參數在水果的無損檢測方面具有廣泛的應用。植物葉片組織不同于水果組織，很少有文獻涉及到植物葉片的光學特性參數以及其與葉片的養分信息或者病害脅迫之間的關系。水稻是我國主要的糧食作物，通過水稻葉片的光學特性參數對其養分診斷、病害檢測、品質分析等具有重要的意義。

公開號為CN103940766A的中國發明專利文獻公開了一種基于積分球的農產品組織光學特性自動檢測裝置，一種農產品組織光學特性檢測裝置，采用步進電機和控制系統對多個單波段的激光光源進行切換，獲得獼猴桃的反射率、透射率后利用IAD算法(反向倍加法Inverse Adding-doubling，IAD)對其進行反演得到光學特性參數。上述裝置采用激光光源無法獲得連續波段下的光學特性參數，且IAD反演算法假設生物組織為均一物質，測量時光照均勻，但在實際應用中無法滿足上述條件，因此不能實現對水稻葉片光學特性參數的準確反演。

發明內容

本發明提供一種水稻葉片組織光學特性參數的反演方法和測量裝置，該反演方法采用基于蒙特卡羅仿真的BP神經網絡算法，解決了IAD算法(反向倍加法)不適用于水稻葉片反演的問題，且提高了反演速度。

本發明提供了一種水稻葉片組織光學特性參數的測量裝置，包括通過光纖連接的光源系統、單積分球光路系統和檢測系統，檢測系統連接計算機，所述的光源系統包括：波段為250～2500nm的鹵鎢燈源；

所述的單積分球光路系統包括：

積分球；

光斑調節器，安裝在積分球上，包括金屬管和/或透鏡，用于控制光纖的光斑大小。

現有的組織光學特性檢測裝置的光源為多個單波段的激光光源，在測量時需要對多個單波段的激光光源進行切換，操作繁瑣，本發明的測量裝置的光源采用具有連續波段的鹵鎢燈源，解決了現有的測量裝置在測量時需要切換不同波段光源的問題；本發明的測量裝置采用了光斑調節器，使測量反射率和透射率時照射在水稻葉片組織樣本上的光斑大小保持一致，保證水稻葉片組織的漫反射率和漫透射率的精準測量。

當測量水稻葉片組織的透射率時，所述的光斑調節器為透鏡，安裝在靠近光纖的積分球一側的樣本口。

當測量水稻葉片組織的反射率時，所述的光斑調節器包括金屬管和透鏡，所述的金屬管通過遠離樣本口的積分球一側的入光口伸入到積分球內部，所述的透鏡安裝在金屬管的位于積分球內部的一端。

測量水稻葉片組織的透射率和反射率時，經過光斑調節器的調節，照射在水稻葉片組織樣本上的光斑大小保持一致均為1mm。

作為優選，所述的金屬管的內徑為8mm，外徑12mm，金屬管的長度為300mm。

金屬管的內徑為8mm，外徑12mm，長度為300mm時，可以使光斑直徑保持在1mm左右，使水稻葉片組織的漫反射率和漫透射率的測量精度更高。

作為優選，所述的金屬管的外表面涂有高反射涂層。

作為優選，所述的檢測系統包括檢測光譜儀和罩在檢測光譜儀外的透明罩。

在測量時，透明罩可以避免因空氣流動而使檢測到的信號受到波動，使檢測結果更準確。

本發明還提供了一種水稻葉片組織光學特性參數的反演方法，包括以下步驟：

(1)建立水稻葉片光學各向同性的單層組織模型，采用蒙特卡羅模擬程序建立以光學特性參數作為輸入，以測量參數作為輸出的訓練數據庫；

所述的光學特性參數為吸收系數和散射系數；所述的測量參數為漫反射率和漫透射率；