基于介電特性的水果成熟度無損檢測研究進(jìn)展

劉 橙，劉廣同，何金成，沈婷婷

(福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州350002)

0 引言

成熟度這一指標(biāo)在水果產(chǎn)業(yè)中扮演著重要角色，是精準(zhǔn)把握水果采收時(shí)間的主要依據(jù)。采收過早，水果產(chǎn)量低、品質(zhì)差、口味不佳；采收過晚，則水果硬度下降、不易運(yùn)輸、貨架期短。研究結(jié)果表明，相互混雜不同成熟度的水果已造成水果產(chǎn)業(yè)鏈在整個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)中損失率高達(dá)31%[1]。為了降低水果損失率，提高水果的品質(zhì)和等級，建立水果成熟度評價(jià)模型極其重要，也更能滿足水果產(chǎn)業(yè)規(guī)?；瘶?biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展需求。

傳統(tǒng)方法檢測水果成熟度主要是依靠果農(nóng)經(jīng)驗(yàn)判斷，或者測量水果的理化指標(biāo)(糖度、酸度、硬度或可溶性固溶物量等)后，依據(jù)其成熟時(shí)的國標(biāo)數(shù)據(jù)值判定其成熟度等級[2]。除依靠果農(nóng)經(jīng)驗(yàn)判斷外，其他傳統(tǒng)方法均需破壞果實(shí)外部，又稱為有損檢測技術(shù)。由于有損檢測無法大規(guī)模地逐個(gè)檢測，與現(xiàn)代果品生產(chǎn)要求不匹配。

鑒于此，無損檢測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[3-4]。其是在不損害被檢測水果組織的前提下，利用聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺和智能感官等技術(shù)對果品外部特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其組成成分進(jìn)行測定與評價(jià)的檢測技術(shù)。其中，光譜技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水果的成熟度檢測，本文不做贅述；利用單目或多目攝像頭獲取水果圖像，利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)獲取果實(shí)特征，從而判定水果成熟度，多應(yīng)用于不同成熟期顏色變化或果皮紋理變化較為明顯的水果成熟度檢測上；利用電子傳感器陣列模擬人的器官，再通過模式識別系統(tǒng)分析水果的整體信息(智能感官技術(shù))，從而確定果實(shí)的成熟度。無損檢測技術(shù)既可以檢測果品品質(zhì)，又不會(huì)破壞果實(shí)，保證了被測試水果的完整性，更加符合大規(guī)模檢測的現(xiàn)代水果產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需求。

介電特性法是一種將水果置于電場并利用不同頻率下介電參數(shù)的變化來反映水果綜合品質(zhì)的無損檢測方法，由于所用實(shí)驗(yàn)儀器簡單便攜，測量原理及信號的處理也比較容易，介電特性法判斷水果成熟度已具備一定的應(yīng)用前景[1]。本文討論介電特性無損檢測水果成熟度的研究進(jìn)展。

1 水果成熟度介電特性檢測原理

作為一種非線性的各向異性的不均勻電介質(zhì)，水果在成熟的過程中會(huì)經(jīng)歷一系列的變化，宏觀層面上表現(xiàn)為硬度的下降、糖酸含量的變化，色澤的變化等。從微觀層面來觀察，水果內(nèi)部存在著由大量帶電粒子形成的生物電場，而伴隨著水果在生長、成熟過程中物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換，水果內(nèi)部組織中各類化學(xué)物質(zhì)所帶電荷量及電荷的空間分布也會(huì)有所變化。微觀層面上電場的變化又在宏觀上影響了水果的電特性，由此，可以通過研究水果的電特性判斷水果的成熟度。其中評價(jià)介電特性的主要參數(shù)是相對介電常數(shù)ε′和介電損耗因數(shù)ε″，此外，還有損耗角正切、等效阻抗、電阻電導(dǎo)和電容[5]。

2 介電特性測量技術(shù)

目前介電特性測量技術(shù)有平行極板(電容器)技術(shù)、末端開口同軸探頭技術(shù)、傳輸線技術(shù)、諧振腔技術(shù)和自由空間技術(shù)等[6]。其測試系統(tǒng)主要由介電參數(shù)測量儀器、夾持被測樣品的夾具、數(shù)據(jù)處理軟件和計(jì)算機(jī)4部分組成，平行極板測量系統(tǒng)如圖1所示，同軸探頭測量系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 平行極板技術(shù)測量系統(tǒng)Fig.1 Parallel plate technology measurement system

圖2 同軸探頭測試系統(tǒng)Fig.2 Coaxial probe test system

各種測量技術(shù)所測量的材料各有不同，測量適用的頻段也各不相同。平行板電容器測量技術(shù)一般適用于較低頻段，利用測量得到的電容和電導(dǎo)，推算出介電常數(shù)。末端開口同軸探頭技術(shù)和傳輸線技術(shù)，前者通過測量反射系數(shù)來測量介電常數(shù)，后者則通過傳輸系數(shù)和反射系數(shù)來測量介電常數(shù)。諧振腔技術(shù)則適用于射頻、微波段，通過諧振頻率點(diǎn)的Q值測量介電常數(shù)。自由空間測量技術(shù)適用于微波及毫米波以上頻段。介電常數(shù)測量方法如表1所示。

表1 介電常數(shù)測量方法總結(jié)

精度最高的是諧振腔技術(shù)，精度最低的是自由空間技術(shù)。諧振腔技術(shù)僅能在一個(gè)或幾個(gè)頻率下測量，而且必須知道樣品截面的精確尺寸，不太適用于果品的大規(guī)模檢測，因此在水果成熟度檢測上應(yīng)用較少。傳輸線技術(shù)因其樣品的制造難度極大，且要求均勻介質(zhì)，因此該技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品介電特性測量中的應(yīng)用較少。

3 介電特性檢測水果成熟度的應(yīng)用

基于介電特性測定水果成熟度是通過電學(xué)參數(shù)反映水果在不同生長階段的內(nèi)部變化，分析不同頻率下介電參數(shù)變化趨勢，并與其內(nèi)部單一或多個(gè)理化指標(biāo)(如糖度、硬度、酸度等)建立相關(guān)性關(guān)系，進(jìn)而得出水果的成熟度。在介電特性的測試技術(shù)中，由于采用平行極板技術(shù)和同軸探頭技術(shù)測量時(shí)樣品不需特別制備，測量精度較高，國內(nèi)外現(xiàn)有研究中采用平行極板技術(shù)和同軸探頭技術(shù)較多，本文主要針對這兩種技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

3.1平行極板技術(shù)

20世紀(jì)70年代起，果蔬等農(nóng)業(yè)物料的電特性引起人們的關(guān)注[7]。MCLENDON B[8]利用平行板電容器對梨的介電特性展開研究，發(fā)現(xiàn)在0.5～5.0 kHz的頻率下梨的介電常數(shù)和損耗角正切隨頻率增長而呈減少趨勢。葉齊政等[9]利用阻抗分析裝置、水槽和平行板電極系統(tǒng)對番茄的阻抗特征頻率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)，在10Hz～50 kHz范圍，成熟番茄阻抗大于青番茄。郭文川等[10-11]利用LCR電橋測量儀測量了3種不同成熟度下的西紅柿介電特性，在4～150 kHz的頻段內(nèi)，隨著西紅柿成熟度的提高，相對介電常數(shù)和等效阻抗會(huì)隨成熟度的升高而減小。唐玉榮等[12]應(yīng)用自制的香梨電學(xué)參數(shù)測量裝置研究了低頻電場作用下香梨的電特性，發(fā)現(xiàn)測試頻率≤1 Hz時(shí)，隨著成熟度的提高，電感逐漸增大、電容逐漸減小，并解釋了香梨成熟過程中細(xì)胞膜通透性的變化，成熟度越高，膜的流動(dòng)性越低。由此，在一定的頻率段，隨著果實(shí)成熟度的提高，不同水果的介電特性會(huì)有不同的變化趨勢。

學(xué)者們將水果的理化特性和介電特性進(jìn)行了回歸相關(guān)性分析。李英[13]研究了桃子、蘋果、梨等對象，將果實(shí)的各項(xiàng)理化指標(biāo)(糖、酸、硬度、含水率)和相對介電常數(shù)、壓電阻率分別進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析，得出桃子除硬度外，其他理化指標(biāo)均對相對介電常數(shù)的值有顯著影響；而梨的含水率和酸度值對相對介電常數(shù)的值有顯著影響；蘋果的高壓電阻率則隨著含水量的增加而增大，變化顯著。唐燕[14]進(jìn)行了“秦光2號”油桃果實(shí)品質(zhì)的生理指標(biāo)(硬度、可溶性固形物、酸和含水量)和電參數(shù)(復(fù)阻抗、并聯(lián)等效電容、并聯(lián)等效電感)之間的相關(guān)性研究，建立了有效的預(yù)測模型(相關(guān)系數(shù)都達(dá)到顯著水平)。沈江潔[15]針對“新紅星”蘋果的多個(gè)電學(xué)指標(biāo)(復(fù)阻抗Z、串聯(lián)等效電阻Rs、并聯(lián)等效電容Cp)與品質(zhì)理化指標(biāo)進(jìn)行了一對一回歸函數(shù)分析，表明在特征頻率39.8 kHz下，Z、Rs、Cp與果實(shí)硬度；Rp、Cp與果實(shí)酸度；Rp與果實(shí)可溶性固形物含量；Cp、Z與果實(shí)乙烯釋放速率；Cp、Z與果實(shí)呼吸速率的相關(guān)性最好。SOLTANI M等[16]利用介電特性研究在100 kHz和1 MHz頻段下評價(jià)香蕉硬度與介電常數(shù)的相關(guān)性，并成功預(yù)測了香蕉的成熟度。

進(jìn)一步地，引入算法及預(yù)測模型，進(jìn)行果實(shí)成熟度的預(yù)測。陳志遠(yuǎn)[17]應(yīng)用LCR電子測量儀測試了126 Hz～3.98 MHz頻率下番茄果實(shí)的電學(xué)參數(shù)，以硬度作為番茄成熟度的判斷方法，研究了電參數(shù)與番茄硬度的相關(guān)性，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于番茄果實(shí)成熟度的預(yù)測模型，得出模型準(zhǔn)確率達(dá)到70%，預(yù)測能力較好。劉梅[18]采用遺傳算法優(yōu)化最小二乘支持向量機(jī)算法構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行甜瓜糖度的無損檢測，將智能檢測儀LCR-819測得100 kHz下完整甜瓜的電阻、電容值作為輸入，以甜瓜糖度作為網(wǎng)絡(luò)輸出，成功預(yù)測甜瓜的甜度。李永超[19]使用CCA方法對蘋果介電特征與理化特征間整體相關(guān)性進(jìn)行了研究，使用機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的特征選擇技術(shù)從串聯(lián)等效電阻等108種介電特征中篩選出與蘋果品質(zhì)類別標(biāo)簽關(guān)系最緊密的介電特征，構(gòu)建特征最優(yōu)子集，建立了一個(gè)基于介電特征最優(yōu)子集的蘋果品質(zhì)5級分類模型，在最優(yōu)介電子集包含6種介電特征時(shí)，分類模型準(zhǔn)確率為98.3%。蘭海鵬等[20]和范修文等[21]將果實(shí)硬度、可溶性固體物含量、果皮葉綠素含量和維生素C含量作為香梨成熟特征描述的基礎(chǔ)參數(shù)，并分析香梨成熟過程中電容、電感、電阻等多個(gè)電學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，提出多指標(biāo)綜合分析的香梨成熟度評價(jià)方法，建立了特征電學(xué)變量與基礎(chǔ)參數(shù)間的相關(guān)方程，實(shí)現(xiàn)了香梨成熟過程中電學(xué)特性和基礎(chǔ)參數(shù)間的相互預(yù)測。

3.2同軸探頭技術(shù)

同軸探頭技術(shù)常應(yīng)用于測量水分含量比較高的水果介電特性，如測量梨、蘋果、密瓜的介電特性。該技術(shù)一般采用多算法篩選特征頻率，建立多種成熟度預(yù)測模型，最終選取最佳模型。

郭文川等[22]利用E5071C型網(wǎng)絡(luò)分析儀和末端開路同軸探頭采集10～4 500 MHz頻率間101個(gè)頻率下富士蘋果介電參數(shù)的頻譜特性，采用原始頻譜、主成分分析和連續(xù)投影算法3種方法優(yōu)選頻率，建立了基于蘋果可溶性固形物含量的支持向量回歸預(yù)測模型和BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，其中，主成分-支持向量回歸(PCA-SVR)效果最佳，其校正系數(shù)為0.936，預(yù)測相關(guān)系數(shù)為0.883，可應(yīng)用于果實(shí)成熟度預(yù)測上。

郭文川等[23]采用同軸探頭技術(shù)，采集20～4 500 MHz頻率間的電學(xué)特性，建立了可溶性固形物含量(SSC)、硬度和含水率的定量檢測模型，比較了全介電譜(FS)和連續(xù)投影選法(SPA)兩種特征提取方法用于最小二乘支持向量機(jī)(LSSVM)、極限學(xué)習(xí)機(jī)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型3種模型中的效果。研究表明，F(xiàn)S-LSSVM模型具有最好的SSC預(yù)測能力，其校正集和預(yù)測集相關(guān)系數(shù)分別為0.974和0.931。

商亮[24]采用同軸探頭技術(shù)，基于介電譜技術(shù)建立了富士蘋果可溶固形物含量、酸度和含水率的定量檢測模型，分別采用經(jīng)X-Y共生距離法(SPXY)和Kennard-Stone(KS)法劃分樣品集，采用主成分分析法(PCA)、無信息變量消除法(UVE)和連續(xù)投影算法(SPA)對原始介電頻譜進(jìn)行優(yōu)選，采用廣義神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GRNN)、學(xué)習(xí)向量量化網(wǎng)絡(luò)(LVQ)、支持向量機(jī)網(wǎng)絡(luò)(SVM)和極限學(xué)習(xí)機(jī)網(wǎng)絡(luò)(ELM)建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，研究表明采用SPXY法劃分樣品集，SPA算法選擇特征變量，經(jīng)ELM算法建立的蘋果可溶固形物含量、酸度和含水率的定量檢測模型最理想。

王轉(zhuǎn)衛(wèi)[25]以生長期“富士”蘋果、生長期“碭山酥”梨為研究對象，分析其理化特性變化與內(nèi)部品質(zhì)之間的關(guān)系，結(jié)果表明，隨發(fā)育時(shí)間增加，“富士”蘋果和“碭山酥”梨的ε″和ε′，總體均呈現(xiàn)減小趨勢，采用SPA-LSSVM和UVE-LSSVM模型預(yù)測采摘期成熟甜瓜糖度和含水率，通過檢測水果的介電特性，結(jié)合生長過程中的硬度、糖度等參數(shù)變化，可以預(yù)測水果果實(shí)的成熟度。

4 結(jié)束語

利用介電特性無損檢測方法來評定水果的成熟度在技術(shù)和原理上具有可行性。其中，平行極板技術(shù)作為傳統(tǒng)的介電特性檢測技術(shù)，其研究應(yīng)用較早。平行極板技術(shù)研究水果成熟度主要是分析不同頻率下介電特性的變化趨勢曲線，并利用數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行果實(shí)不同理化特性與介電特性的簡單線性相關(guān)性分析。隨著將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和機(jī)器學(xué)習(xí)回歸模型應(yīng)用到果實(shí)成熟度的預(yù)測中，構(gòu)建出水果成熟度的檢測判斷模型，該數(shù)學(xué)模型能夠更好地應(yīng)用于成熟度檢測儀器中，滿足實(shí)際需求。同時(shí)經(jīng)過不斷改進(jìn)算法，預(yù)測精度也越來越高。同軸探頭技術(shù)主要用于中高頻，基于介電頻譜構(gòu)建水果成熟度檢測模型，以多頻率下介電特性作為導(dǎo)入，頻率特征更多，更加符合大數(shù)據(jù)分析果實(shí)特征。通過比較不同變量優(yōu)選、不同建模方法對模型預(yù)測效果的影響，輸出果實(shí)理化指標(biāo)參數(shù)，達(dá)到預(yù)測果實(shí)成熟度的目的。

水果成熟度檢測模型主要是通過對水果單個(gè)或多個(gè)理化指標(biāo)的預(yù)測后，結(jié)合相關(guān)水果成熟時(shí)的國家標(biāo)準(zhǔn)，從而確定水果的成熟度。目前占據(jù)經(jīng)濟(jì)支撐地位的水果品種具有較為完善的針對成熟度的國家標(biāo)準(zhǔn)，而新興作物，則沒有相應(yīng)的成熟度國家標(biāo)準(zhǔn)，利用介電特性無損檢測方法僅能預(yù)測水果單個(gè)或多個(gè)理化指標(biāo)，確定水果的風(fēng)味，不能確定水果的成熟度。因此，目前新興農(nóng)作物的成熟度自動(dòng)化判別仍存在問題。力爭尋找水果介電特性的共性，建立水果介電特性信息數(shù)據(jù)庫，能為無損檢測類似于黃金百香果的新興經(jīng)濟(jì)作物提供其成熟度依據(jù)。

采用成品LCR電橋測試儀，需要連接PC機(jī)做后期的數(shù)據(jù)處理，不利于在果園采摘時(shí)使用，為了將目前對介電特性的研究成果實(shí)際應(yīng)用于真實(shí)場景的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可利用果實(shí)在特定幾個(gè)特征頻率下介電特性與理化特性相關(guān)性更加顯著的特點(diǎn)，開發(fā)基于介電特性的便攜式水果成熟度檢測儀，取代傳統(tǒng)的測量儀器。

結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，建立水果成熟度的高精度識別模型，不斷改良算法，提高模型精度也是未來的主要研究方向。