基于微波介電特性無損測量水果品質(zhì)的研究

曾鑫海，王 薇

（西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西咸陽 712100）

果品的品質(zhì)可以由糖度、硬度、可溶性固形物含量以及含水率等理化性質(zhì)指標(biāo)綜合判別，最直觀的聯(lián)系就是找出理化性質(zhì)及理化指標(biāo)含量與果品成熟度的相關(guān)性。傳統(tǒng)的判別方法主要為果農(nóng)主觀經(jīng)驗(yàn)判斷，但對于大產(chǎn)量的水果判別，人工識別耗時耗力，且該方法的準(zhǔn)確度沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。除傳統(tǒng)人工識別外，其他通過測量水果理化性質(zhì)的方法需要對果品產(chǎn)生損傷以獲取果品樣本實(shí)現(xiàn)檢測，受限于檢測成本與時間成本，該方法并不能應(yīng)用于基量大的水果檢測中。

為解決以上問題，無損檢測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其通過對被測物加以外部激勵，研究從被測物中透射與反射出的物理指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對待測物體的化學(xué)及物理性質(zhì)的評價與判斷。目前常見的無損檢測方法有X 射線檢測、近紅外光譜法、高光譜成像技術(shù)、太赫茲光譜技術(shù)、機(jī)器視覺檢測技術(shù)、聲學(xué)特征檢測、光學(xué)特征檢測以及介電特性分析法等。SOLTANI等[1]研究了香蕉果實(shí)介電常數(shù)與品質(zhì)參數(shù)的關(guān)系，結(jié)果表明在一定的頻率下該方法建立起了介電參數(shù)與香蕉果實(shí)成熟度的關(guān)系模型，并可以很好地預(yù)測香蕉果實(shí)的成熟程度。商亮[2]利用介電譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對蘋果的可溶性固形物含量、酸度以及含水率的檢測與對蘋果種類的識別。郭交等[3]基于微波自由空間測量不同頻率、溫度、含水率和容積密度下的小麥介電常數(shù)，分析了上述因素對介電特性的影響，并以此建立起了對小麥含水率的預(yù)測模型。GOLIC等[4]利用近紅外光譜技術(shù)對核果（桃子、油桃和李子）的內(nèi)部食用品質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了無損檢測，研究了總可溶性固形物（TSS）屬性的校準(zhǔn)模型性能（R2＞0.88，RMSECV 0.53%～0.88%TSS，SDRCV2.9 ～3.7），并分析了溫度變化對模型魯棒性的影響。郭志明等[5]采集蘋果330 ～1 100 nm 的高光譜圖像，分別提取不同大小的圓形感興趣區(qū)域和方形感興趣區(qū)域的平均光譜，采用偏最小二乘法分別建立蘋果的糖度定量分析模型，分析了高光譜圖像中感興趣區(qū)域形狀和大小對蘋果可溶性固形物含量預(yù)測性能的影響，指出合適形狀和大小的感興趣區(qū)域選擇可以顯著提高預(yù)測精度。

此外，電學(xué)特性檢測中基于介電特性的無損檢測在果品品質(zhì)評估中也發(fā)揮著極其重要的作用。國內(nèi)外眾多學(xué)者已對果品的品質(zhì)與介電特性之間的關(guān)系進(jìn)行了大量的研究分析，如SOLTANI 等[6]研究了香蕉果實(shí)介電常數(shù)與品質(zhì)參數(shù)的關(guān)系，在預(yù)測成熟程度的最佳正弦波頻率100 kHz 下，成熟水平預(yù)測的決定系數(shù)R2為0.94，該方法可以很好地預(yù)測香蕉果實(shí)的成熟程度。馬飛宇等[7]針對高壓脈沖電場作用果蔬細(xì)胞層面，分析了電參數(shù)對果蔬介電特性的影響，對果蔬生物組織等效電路模型和電參數(shù)對果蔬等效電容、等效阻抗等介電特性的影響等方面進(jìn)行了綜述分析及機(jī)理分析。FANG 等[8]利用開放式同軸探針和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，對來自不同地區(qū)的168個庫爾勒香梨在10 ～4 500 MHz 的201 個離散頻率下的介電常數(shù)和介電損耗因子進(jìn)行了測量，實(shí)現(xiàn)了利用庫爾勒香梨的介電光譜無損檢測其含糖量和硬度。因此，本文基于果品介電特性的無損檢測展開研究總結(jié)，并討論其未來的發(fā)展方向。

1 介電特性無損檢測原理

水果是一種非線性的各向異性的不均勻電介質(zhì)，在外加電場作用下發(fā)生極化，同時水果內(nèi)部的電子、原子與分子隨電場變化發(fā)生移動與偏轉(zhuǎn)。大量研究表明，水果的極化效應(yīng)與其狀態(tài)有密切關(guān)系，而極化現(xiàn)象反映了果品自身的介電特性。介電特性一般由被測物的復(fù)介電常數(shù)表征，如公式（1），其中相對介電常數(shù)ε′影響電場分布，并通過材料波的相位反映了材料在受到電場作用時儲存能量的能力。介質(zhì)損耗因素ε″影響能量的吸收和衰減，能夠衡量材料對外界場的耗散或損耗程度，損耗正切tanδε反映了能量損耗特性[9]。水果自產(chǎn)生、成熟、損傷到腐爛的過程中，其硬度、糖度、含水量以及可溶性固形物等物理化學(xué)性質(zhì)的變化會導(dǎo)致物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)化，通過影響以上3 個參數(shù)改變了果品的介電特性，因此可以通過建立在不同頻率下果品介電特性與果品理化性質(zhì)的關(guān)系模型實(shí)現(xiàn)對水果品質(zhì)的無損檢測與識別。

2 介電特性參數(shù)測量技術(shù)

目前常用的介電特性測量方法有平行極板技術(shù)、同軸探頭技術(shù)、傳輸線法、諧振腔技術(shù)以及自由空間法。果品的無損檢測技術(shù)是判斷水果品質(zhì)的重要依據(jù)，各種微波介電無損檢測技術(shù)具有各自檢測特點(diǎn)，正確認(rèn)識和總結(jié)不同檢測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，對果品精確測量與品質(zhì)判定具有重要意義。以下對上述測量方法進(jìn)行比較分析，實(shí)際中可以結(jié)合具體被測物、頻率、精確度等要求選擇適當(dāng)?shù)臋z測技術(shù)。

2.1 平行極板技術(shù)

平行極板技術(shù)是將一層薄薄的材料或液體夾在兩個電極之間形成一個電容器，利用電介質(zhì)填充于電容器中時電容容量的變化來測量材料的介電特性。按照被測物是否與電極接觸可以分為接觸式與非接觸式。接觸式的介電常數(shù)和損耗正切計算如公式（2）、公式（3）；非接觸式的介電常數(shù)和損耗正切計算如公式（4）、公式（5）。

式中：Cp為被測物的等效并聯(lián)電容；D為損耗因子(實(shí)測值)；tm為被測物的平均厚度；A為保護(hù)電極表面積；d為保護(hù)電極直徑；ε0為自由空間介電常數(shù)。

式中：CS1為無樣本時測得的電容；CS2為有樣本時測得的電容；D1為無樣本時的損耗系數(shù)；D2為有樣本時的損耗系數(shù)；tg為保護(hù)電極與非保護(hù)電極的間隙；tm為被測物的平均厚度。

本方法的特點(diǎn)是原理簡單、測量儀器便宜且精度較高，測量的頻率范圍不超過100 MHz，一般測量固體平板形物體。但由于水果的形狀各異，使用平行極板技術(shù)時必須考慮形狀因素對測量結(jié)果的影響。

2.2 同軸探頭技術(shù)

同軸探頭法是將終端開路同軸探頭緊貼被測材料，通過測量探頭終端的反射參數(shù)來獲取材料的介電常數(shù)與損耗角正切的一種微波測量方法。該方法基于一種未知介電材料對傳輸線開口端所持的邊緣進(jìn)行擾動，不僅適用于固體介電材料，還適用于液體和氣體。測試設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)分析儀、測試探頭、測試軟件和計算機(jī)等。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是只需要一個小的平面進(jìn)行接觸即可測量，測量高損耗介電材料（tanδ＜1）的特性是可能的，使用簡單，結(jié)果易于解釋，適合于批量處理。測量的頻率為500 MHz 至110 GHz 的寬頻。但其對于介電常數(shù)和損耗因子小的被測物體的測量精度有限。

2.3 傳輸線法

傳輸線法是一種較為傳統(tǒng)的無損測量方法，其原理是將待測物置于封閉的傳輸線中，相對于原來的傳輸線，此時線路的特性阻抗發(fā)生變化，因此可以通過測量線路中的傳輸系數(shù)S21與反射系數(shù)S11實(shí)現(xiàn)對被測樣本的介電參數(shù)的測量。測量頻率不超過100 MHz。該測量技術(shù)精準(zhǔn)度高，且與同軸探針法相比，靈敏性更高，但比諧振腔精度低，比較費(fèi)時。近年來基本很少使用該方法進(jìn)行無損檢測。

2.4 諧振腔技術(shù)

諧振腔法是通過測量諧振腔在某種工作模式下諧振頻率的偏移及品質(zhì)因數(shù)的變化，從而計算出材料的復(fù)介電常數(shù)。具體的實(shí)現(xiàn)方法有3 種：①諧振腔微擾法[10]；②圓柱形高Q 腔法；③開放腔法[11]。測量的頻率為1 MHz 至100 GHz，需要的設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)分析儀、諧振腔、軟件與計算機(jī)。

該方法具有測量準(zhǔn)確、樣品易制備、測量時間短等優(yōu)點(diǎn)，但同時也具有數(shù)據(jù)分析復(fù)雜、對網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)有一定要求等缺點(diǎn)。

2.5 自由空間法

自由空間法測量系統(tǒng)由發(fā)射和接收喇叭透鏡天線、網(wǎng)絡(luò)分析儀、模式轉(zhuǎn)換和計算機(jī)組成。自由空間法測量系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 自由空間法測量系統(tǒng)

微波自由空間法利用S參數(shù)計算相對復(fù)介電常數(shù)，其實(shí)現(xiàn)過程為將待測樣品置于兩天線之間，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過兩喇叭天線發(fā)出微波信號并接收信號，數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)儲存與計算分析。

在該方法中選取了測量得到的平面樣品在正常入射平面波時的自由空間反射系數(shù)S11與透射系數(shù)S21。其原理如下：

參數(shù)Q與參數(shù)T和反射系數(shù)S11與透射系數(shù)S21的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

式中：Q為被測物與空氣交界位置的反射系數(shù)；T為被測物與空氣交界位置的透射系數(shù)。

根 據(jù) 式（8）與 式（9）可 以 得 到K=F(S11,S21)，Q=F(S11,S21)，具體公式如下：

式中：Zsn為樣品歸一化特性阻抗；γ為電磁波在待測樣本中的傳播常數(shù)；d為待測樣品的厚度。它們與ε*和μ*的關(guān)系如下：

式中：γ0為電磁波在空氣中的傳播系數(shù)。γ0與波長λ0和T的關(guān)系如下：

由式（13）與（16）可得：

由式（15）及（19）可得：

因此，只需獲取網(wǎng)絡(luò)分析儀測量得到的數(shù)據(jù)中的S11、S21參數(shù)，即可通過上述流程計算出被測樣本的復(fù)介電常數(shù)值。

該測量方法適用于高溫測試環(huán)境，對材料要求為大平面、薄板形，測量的頻率范圍為微波范圍。測試過程中的難點(diǎn)在于誤差消除，實(shí)驗(yàn)主要誤差來源有2 個方面：①校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)、儀器儀表和連接點(diǎn)聚焦天線到S參數(shù)測試集測試端口的同軸電纜的缺陷所造成的剩余校準(zhǔn)后誤差；②在校準(zhǔn)和測量之間，由于試樣所在板的位置發(fā)生微小變化而引起的參考平面(通過標(biāo)準(zhǔn)或反映標(biāo)準(zhǔn)所定義的平面)的微小變化。因此，對于該方法，有效的誤差消除是提高測量精度的重要步驟。

3 機(jī)器學(xué)習(xí)與無損檢測

當(dāng)使用上述無損檢測方法測量并得到數(shù)據(jù)庫后，進(jìn)行人工擬合與找出函數(shù)關(guān)系是十分煩瑣的，面對巨大數(shù)據(jù)量時，人工實(shí)現(xiàn)顯然不太現(xiàn)實(shí)。近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)受到廣大學(xué)者喜愛，由于其出色的分類及擬合能力加上與之匹配的優(yōu)化算法，其能在龐大的數(shù)據(jù)信息海中找到與輸入有關(guān)的參數(shù)之間的關(guān)系。路敏[12]基于薄皮水果的近紅外光譜，利用了無信息變量消除法（UVE）和極限學(xué)習(xí)機(jī)（ELM）實(shí)現(xiàn)了對薄皮水果的可溶性固形物含量的快速無損檢測；趙杰文等[13]基于近紅外光譜技術(shù)，利用支持向量機(jī)（SVM）實(shí)現(xiàn)了對不同產(chǎn)地、不同品種蘋果的高準(zhǔn)確率分類；劉振蓉等[14]基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用連續(xù)投影算法（SPA）和遺傳算法-偏最小二乘法（GA-PLS）分析了維生素C、可溶性固形物、ΔE、硬度、黏聚性和彈性與介電特性的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了利用獼猴桃介電頻譜對獼猴桃品質(zhì)的檢測。大量文獻(xiàn)表明，基于微波介電特性建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型可實(shí)現(xiàn)水果品質(zhì)檢測，同時各種優(yōu)化算法能實(shí)現(xiàn)對機(jī)器學(xué)習(xí)參數(shù)優(yōu)化，并找到全局最優(yōu)解，因此在未來的無損檢測中，機(jī)器學(xué)習(xí)方法的引入與模型優(yōu)化算法的加持是一個重要的研究方向。

4 結(jié)語

基于介電特性的無損檢測已然成為當(dāng)前檢測果品品質(zhì)的重要研究方向與應(yīng)用實(shí)踐領(lǐng)域，本文總結(jié)了目前常見的幾種測量介電常數(shù)的技術(shù)并通過對比各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適宜應(yīng)用范圍為研究者提供選擇參考。目前該技術(shù)研究基本上還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，未能實(shí)現(xiàn)在線應(yīng)用。相比較其他技術(shù)而言，介電技術(shù)實(shí)際應(yīng)用較少，目前大多數(shù)研究只是分析介電參數(shù)變化規(guī)律，只有少數(shù)研究通過介電頻譜來預(yù)測內(nèi)部品質(zhì)或分類研究。因此，研究基于介電特性的水果品質(zhì)預(yù)測方法十分必要。另外，就研究對象而言，大多數(shù)研究集中于采后和儲藏期，對于生長過程方面的品質(zhì)研究才剛剛開始，結(jié)合生理參數(shù)方面的分析也很少，因此有進(jìn)一步開展相關(guān)介電特性研究的必要性。

未來的無損檢測應(yīng)該以機(jī)器學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)建立數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系模型，并利用智能優(yōu)化算法優(yōu)化參數(shù)，使之能夠形成泛化性能強(qiáng)大的、準(zhǔn)確識別的、預(yù)測精準(zhǔn)的模型。