用于現場(chǎng)苜蓿水分測量的近紅外光譜系統的設計和性能評估

一， 介紹

近年來(lái)，人們在農產(chǎn)品物理特性評價(jià)技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)方面做出了巨大努力。 例如，作物的水分含量 (MC) 是定義正確儲存過(guò)程的重要物理參數，應在收獲和儲存過(guò)程中進(jìn)行監測。在不合適的條件下儲存農作物可能會(huì )導致可怕的后果，包括火災。因此，有必要在儲存前和儲存期間測量濕度水平。 靜態(tài)（即儲存）和動(dòng)態(tài)（即收獲）條件下的濕度測量顯然存在不同程度的難度。

在儲存期間，水分測量可以通過(guò)取樣并使用水分分析儀進(jìn)行分析來(lái)進(jìn)行，或者使用濕度測試儀進(jìn)行不太準確的分析。 由于必須執行測量的操作條件，收獲期間的水分測量要困難得多。首先，獲取信息的時(shí)間是有限的，并且取決于收割機。其次，許多有影響的變量，例如機械振動(dòng)、電氣和光學(xué)干擾以及一般的灰塵或污垢，都會(huì )嚴重影響測量。此外，為了不妨礙和/或減慢收割機的操作，水分測量應在農作物捆運動(dòng)時(shí)進(jìn)行，非接觸式測量方法將是可取的。

（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò )）

迄今為止，有兩種技術(shù)可以實(shí)現非接觸式水分測量：微波衰減和近紅外光譜 (NIRS)。di一種技術(shù)提供了比第二種技術(shù)更大的檢查深度來(lái)檢查樣品的可能性，但是它對電磁環(huán)境和鐵磁結構的存在非常敏感。

來(lái)自摩德納·雷焦·艾米利亞大學(xué)的Luigi Rovati和Giovanni Gibertoni在2022年發(fā)表了一篇論文中評估了NIRS方法進(jìn)行水分測量的可行性。作者設計了一種新型便攜式半自動(dòng)近紅外光譜系統，該系統可用于收割機。并且對測量系統的性能進(jìn)行了評估，其中介紹了校準、反射靈敏度、預熱以及重復性測試。苜蓿草中的水分可以通過(guò)利用水在近紅外光譜區域的吸收峰來(lái)評估，并且設計并實(shí)現了田間作物水分測量原型。

二，系統描述

左上角橙色區域為光學(xué)部件外殼，右側藍色區域為電子部件外殼。里面包含鹵素燈光源，INSION近紅外光譜儀，光學(xué)快門(mén)，藍寶石漫反射窗口和控制單片機，散熱風(fēng)扇等

圖1.近紅外光譜測量系統的組成和結構

1. 系統框圖

   
   

所開(kāi)發(fā)的測量系統的框圖功能圖如圖 2 所示。藍寶石光學(xué)窗口放置在非?？拷杉庸ぞ€(xiàn)上的待測樣品 (SUT) 表面的位置，可永 jiu保護光學(xué)元件免受灰塵和外部環(huán)境污染。 此外，可打開(kāi)和關(guān)閉的翻板機構允許控制三個(gè)不同的測量階段（暗背景測量，參考光譜測量和樣品光譜測量）。微控制器單元用于收集和預處理光譜數據，zui終將這些數據發(fā)送到 PC，在 PC 上，LabVIEW GUI 可以監視和控制采集過(guò)程。

圖2. 所開(kāi)發(fā)的測量系統的框圖功能圖

1.1 光源照明部分

該系統采用 20 W 鹵素燈 DECOSTAR 51 ALU（OSRAM）。 該裝置除了保證低成本外，還具有足夠長(cháng)的平均壽命，即4000小時(shí)。 選擇鹵素燈和光學(xué)窗口之間的距離，以保證樣品表面上的zui大輻照度和足夠的照明均勻度。

1.2 光譜儀部分

為了檢測漫反射光譜，該儀器采用德國INSION公司的微型近紅外光譜儀 NIR1.7，其測量范圍為 900 nm~ 1700 nm，像素分辨率為 8 nm（光學(xué)分辨率16nm）。 該光譜儀基于InGaAs陣列探測器（128像元）和預集成讀出電子器件，在精度、靈敏度和信噪比 (SNR) 方面提供高性能。 光譜儀的所有參數都可以由用戶(hù)設置和優(yōu)化，以滿(mǎn)足不同應用的具體要求。NIR1.7 OEM模塊包括基于16位分辨率的模數轉換器的讀出電子器件 (BIM-NIRP)。 光譜分析通過(guò)空腔波導設計進(jìn)行，無(wú)任何移動(dòng)部件，出廠(chǎng)后無(wú)需再校準。 如圖 3 所示，光通過(guò)光纖耦合到光譜儀，直至光譜儀入口狹縫。

圖3. Insion近紅外光譜儀 NIR1.7 S OEM光譜儀模塊

三，系統性能

系統組裝完成后，各功能模塊的功能和作用對整個(gè)系統進(jìn)行了驗證。之后，對該系統進(jìn)行了仔細校準，并在以下方面進(jìn)行了表征:(i)預熱，(ii)線(xiàn)性，(iii)可重復性。通過(guò)將測量的反射率與經(jīng)認證的反射率標準目標進(jìn)行比較來(lái)執行校準和表征程序。在預熱期間，系統測得的平均反射率下降，近似呈指數衰減（R2 = 0.9876）。 觀(guān)察到的平均反射率降低約為 1.4%，衰減常數為 13.6 S。瞬態(tài)結束時(shí)，測量誤差為 0.6%。以測量值相對于參考值的均方根偏差計算的積分線(xiàn)性誤差為 0.93%。重復性驗證如下圖：

圖4, 重復性測試在 13 小時(shí)的時(shí)間內進(jìn)行。 * 藍色標記代表 S050 反射率測量。 紅色點(diǎn)劃線(xiàn)是平均反射率值，淺綠色區域對應于整個(gè)集合的標準差界定的區域。

測量結果顯示平均值為 49.76%，樣本標準偏差為 0.71%。

四，現場(chǎng)結果

對采集的數據進(jìn)行預處理后，確定了待測樣品水分預測的光譜帶 BOI。 通過(guò)分析參考變量（即待測樣品水分和密度 ρ）與預測變量（即 LASUT(λ) 的一階導數）之間的系數來(lái)選擇相關(guān)波長(cháng)。圖5顯示了獲得的水分和ρ系數相關(guān)性作為輻射波長(cháng)的函數。

圖5，參考變量(即待測樣本水分和ρ)與預測變量(即LASUT(λ)的一階導數)之間的相關(guān)系數。虛線(xiàn)與測樣本水分有關(guān)，橙色虛線(xiàn)與待測樣品ρ有關(guān)。淺藍色區域定義了感興趣的光譜帶(BOI)，其中LASUT的一階導數(λ)與SUT MC的相關(guān)性zui大，與待測樣品ρ的相關(guān)性zui小。

圖 6 顯示了從校準中獲得的 PLS 響應變量作為水分參考值的函數，而從驗證數據集獲得的結果如圖 10 所示。為了完整起見(jiàn)，每個(gè)圖都顯示了 PLS 響應變量，即水分的對數變換(ln(MC(%)) (a)，以及線(xiàn)性標度中水分的相應值 (b)。表 1 報告了開(kāi)發(fā)的 PLS 模型的統計數據，而圖 8 顯示了水分的均方根相對誤差估計 Er (MC)%。

盡管我們對少量樣本進(jìn)行了分析，但結果令人鼓舞，表明該儀器如何能夠以 7.1% 的平均相對誤差估計作物的水分。開(kāi)發(fā)的PLS模型利用了 NIRS 吸收光譜的對數變換，該相對誤差在擬合范圍內保持相當恒定。

圖6，校準 PLS 響應變量作為參考值的函數 (a)。校準數據集的預測水分含量與參考水分含量 (b)

圖7，參考值函數的 PLS 響應變量的驗證 (a)。驗證數據集的預測水分含量與參考水分含量 (b)。

圖8，水分估計的均方根相對誤差。 (a) 為校準數據集獲得的結果，(b) 為驗證數據集獲得的結果。 紅色虛點(diǎn)線(xiàn)是單次測量的平均值：(a) 中的 C_MEAN_ERR 和 V_MEAN_ERR。

表1 PLS模型的統計結果。C-RMSE和C-R2是指校準數據集的均方根誤差和R平方值； V-RMSE 和 V-R2請參閱驗證數據集的等效項。 C_MEAN_ERR 和 V_MEAN_ERR 分別是校準和驗證數據集的平均相對誤差。

五，結論

用于田間作物水分測量的 NIRS 測量系統已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，并對新鮮收獲的苜蓿樣品進(jìn)行了初步測試。該系統的設計和實(shí)現非常謹慎，必須能夠在作物收獲階段在田間運行。

未來(lái)的實(shí)驗階段應包括將儀器直接組裝在收割機上。這將使我們能夠直接對農作物捆進(jìn)行水分測量。

六，應用

Insion光譜儀以其you秀的抗振性和穩定性等特點(diǎn)，已經(jīng)在多種農業(yè)機械中有應用，比較典型的是青貯收割和飼料搬運鏟車(chē)等，不但可以有效的檢測農作物，農產(chǎn)品，飼料的水分信息，還可以同步檢測纖維，淀粉，粗蛋白等含量給到機械作業(yè)工人，機械作業(yè)工人會(huì )根據即時(shí)檢測的信息判斷收割，搬運農產(chǎn)品/農作物的品質(zhì)信息，實(shí)現精細化，智能化的管控。

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