基于等離子體三維成像技術的柑橘中黃龍病斑紋識別方法研究

徐 將，劉木華，姚明印，王 曉

（江西農(nóng)業(yè)大學 工學院，江西 南昌 330045）

【研究意義】柑橘黃龍病是由一種限于韌皮部內寄生的革蘭氏陰性細菌引起的。它會造成根部局部腐爛，葉片缺素枯萎，果皮硬度增大。這些病害特征直接影響著柑橘的食用品質[1-3]?！厩叭搜芯窟M展】如何有效地對柑橘類食品進行優(yōu)質檢測與分類已經(jīng)成為農(nóng)產(chǎn)品加工領域內的熱點話題。常見的檢測分析方法有：嗅覺感官法、化學參量法、高光譜以及中紅外光譜法等[4-9]。Ding等[10]基于免疫血清學檢測法，可以分別采用免疫捕獲和免疫組織印跡實現(xiàn)高通量的黃龍病檢測鑒別；Cardinali等[11]基于近紅外光譜分析方法分別對健康、柑橘斑駁黃化病、感染黃龍病、未感染黃龍病4類臍橙葉片進行分析，結合偏最小二乘回歸分類器可以使其鑒別準確率達到93.8%；Ranulfi 等[12]基于激光誘導熒光光譜法分別對感染黃龍病、未感染黃龍病、感染柑橘斑駁黃化病葉片進行研究，同時結合一定的判別模型進行判別，其鑒別準確率達到90%以上；Pérez 等[13]基于拉曼光譜結合主成分分析和線性判別分析模型對甜橙進行黃龍病診斷鑒別，試驗結果表明感病甜橙出現(xiàn)異常譜帶，且敏感性達到86.9%（陽性正確檢出率），特異性達到91.4%（陰性正確檢出率），識別準確率達到89.2%（總計正確檢出率）。這些檢測技術在柑橘黃龍病的檢測中都取得了一定的成果，但是他們各自也都存在著檢測精度和實時性等方面的不足?！颈狙芯壳腥朦c】激光誘導擊穿光譜（LIBS）技術已經(jīng)被證明是一種適用于多元素同時檢測和分析的有效手段[14-15]。在LIBS 中，一束激光聚焦在樣品表面，產(chǎn)生熱等離子體?！緮M解決的關鍵問題】在本次研究中，論文基于等離子體中各元素發(fā)射光譜波長的不同，反演等離子體中各元素的三維圖像，實現(xiàn)黃龍病斑紋的精準識別。實驗分別對8個不同延遲時間的等立體三維圖像進行分析，結果表明該成像技術具有識別精度高、測量實時性好等方面的優(yōu)勢，在學術和工業(yè)領域都有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 設備與組成

本次研究使用的等離子體信號采集平臺是江西農(nóng)業(yè)大學生物光電重點實驗室自主搭建完成的。主要設備包括：延時控制器（DG645，Stanford research system）、Nd：YAG 激光器（Vlite200，Beamtech Optronics）、反射鏡、穿孔反射鏡、高階透鏡（焦距：100 mm）、光信號收集器、八通道光譜儀（2048FT-8R，Avantes）、高速相機（iStar ICCD，Andor）等。光路傳播路徑與平臺結構如圖1所示。

圖1 等離子體信號采集平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of plasma signal acquisition platform

延時控制器為光譜儀、激光器和高速相機提供精準的時序控制。激光器作為脈沖激光發(fā)射源，產(chǎn)生具有一定脈沖頻率和時間延遲的2束共軸雙脈沖激光，激光經(jīng)與水平方向呈45°角反射鏡的反射后，垂直穿過穿孔反射鏡，并經(jīng)高階透鏡聚焦后擊打在柑橘果皮表面，誘導出等離子體。各元素光信號經(jīng)高階透鏡-穿孔透鏡反射光路組合聚集至信號收集器，并進一步由光纖傳輸至光譜儀，在處理軟件的輔助下以光譜信號的形式出現(xiàn)在顯示屏上。與此同時，在光信號采集器-高階透鏡組合呈45°角處，等離子體在不同延時時間內的三維圖像信息由高速相機采集得到。

2 數(shù)據(jù)與分析

2.1 激光誘導等離子體光譜

常用的測量激光誘導等離子體溫度的方法是玻爾茲曼（Boltzmann）平面圖法，等離子體從Ei能級躍遷到Ej能級發(fā)射的譜線和強度滿足：

式（1）中，λ是電子從Ei能級躍遷到Ej能級發(fā)射譜線的波長，Iijλ是光譜儀的信號強度響應值，Cs是該躍遷粒子的濃度，Aij是躍遷概率，gi是Ei能級的統(tǒng)計權重，F(xiàn)是涉及接收系統(tǒng)的光學效率及等離子體數(shù)等因素的試驗參數(shù)，kB是Boltzmann常量，T是等離子體溫度，Us(T)是發(fā)生這種躍遷的粒子配分函數(shù)。

利用測試平臺對柑橘果皮進行信號采集，波長范圍在200～1 100 nm 內的黃龍病和正常果皮LIBS 的光譜如圖2所示。

圖2 黃龍病和健康柑橘果皮在200～1 100 nm波段內的LIBS光譜圖Fig.2 LIBS spectra of Huanglongbing and healthy citrus peels in 200-1 100 nm band

在測量波長范圍內，柑橘果皮中都含有豐富的Ca、Na、Mg、K等礦質金屬元素，以及C、H、O等有機質非金屬元素。光譜數(shù)據(jù)顯示黃龍病對柑橘果皮中的K 元素含量沒有顯著影響，因此為了避免環(huán)境因素的影響，以K I 766.49 光譜強度來內標礦物質元素特征譜線（Ca II 393.37、Mg II 279.55、Na I 588.99）與非金屬元素特征譜線（C I 247.86、H I 656.28、O I 777.19）。

內標法是從被測量樣品中選擇一種元素作為內標元素。現(xiàn)在以Id表示被測元素的某條光譜線強度，IK表示內標K元素的光譜線強度，且這兩條光譜線對應的波長相近，則根據(jù)公式有：

式（2）中，C、g、A、U、E分別表示各元素的光譜線濃度、上能級統(tǒng)計權重、躍遷概率、配分函數(shù)以及上能級能量。確定內標線之后，根據(jù)等式（1）、（2）反推得到待測樣品中被測元素的濃度值。

如圖3 所示，當以K 元素為內標元素時，黃龍病和健康柑橘果皮中的各元素濃度存在明顯差異。其中，健康柑橘果皮中的Mg、H元素的含量要高于患有黃龍病柑橘果皮，而Ca、Na 元素的含量正好相反，C、O 元素的濃度相近。數(shù)據(jù)結果表明：黃龍病會造成柑橘果皮中Mg、H 元素濃度的下降，Ca、Na 元素濃度的增加，對K、C、O元素的影響不大。

圖3 K元素內標黃龍病、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 三維空間分布

激光誘導等離子體溫度是表征等離子體性質的重要物理參數(shù)，對理解激光誘導等離子體內部的熱力學過程起著非常重要的作用，同時也對定量分析結果的準確度有著極大的影響[16-17]。

將等式（1）兩邊取對數(shù)，得到

式（3）中，F(xiàn)、Cs和Us(T)都是系統(tǒng)的宏觀性質，在熱平衡狀態(tài)下均具有確實的數(shù)值。然后將等式（3）對能級Ei求微分可以得到等離子體溫度的表達式為：

根據(jù)量子力學的理論，微觀粒子各種運動形式的能量是不連續(xù)的[18-20]。具有相同能量的粒子可以處于不同的量子態(tài)，即某一能級的譜線常常是由好幾條非常接近的精細譜線所構成。在局部熱平衡狀態(tài)下，如果整個等離子體的能量分布均勻，那么整個狀態(tài)就可以用一個確定的參量來表示，這時如果沒有外界條件的影響，等離子體的宏觀性質不會隨著時間而變化。

利用高速相機采集等離子體從產(chǎn)生到淬滅的三維圖像信號。兩路激光間延遲700 ns，積分時間2 ms。采集門寬5 ns，采集延遲步長0.5 μs，每幅圖累計3次激光脈沖，共采集10幅不同延遲時間點的等離子體形貌圖。為了分析等離子體形貌的變化趨勢并且對比兩者的差異性，分別采集了0.5～4.0 μs延遲范圍內的8幅健康、黃龍病柑橘果皮的等離子體三維圖像，如圖4所示。圖4中水平平面為樣品的采集面，由于樣品的灼燒面積極小，所以在測量點處，粗糙的果皮表面可以近似為一個平面。在各延遲時間點處，根據(jù)內標法和采集三維圖像可知果皮表面等離子體信號存在明顯的不同，能量分布的差異可以更好地反映出本次研究測量技術的優(yōu)勢。與原始光譜數(shù)據(jù)相比，等離子體三維成像的差異更加鮮明，信號對比也更加突出，這為柑橘果皮中黃龍病斑紋的識別提供了依據(jù)。

圖4 等離子體三維圖像Fig.4 Three-dimensional images of plasma

3 平均貢獻率

由于Ei為等離子體的躍遷能級，因此可以用來描述復合系統(tǒng)的固定總能量。將等式（4）帶入等離子體系統(tǒng)局部熱平衡溫度公式，可以得到三維空間內的平均貢獻率的表達式為：

為了更好的驗證利用等離子體三維成像技術來識別黃龍病果皮的優(yōu)勢，對各個時間段內的三維圖像進行處理，并且計算出檢測位置處等離子體在三維空間內的平均貢獻率。

如圖5 所示，在各采集點處，黃龍病果皮中Ca 元素的平均貢獻率都明顯大于健康果皮，并且在等離子體能量最大時差異最大。該現(xiàn)象表明，黃龍病等離子體在前期發(fā)射強度大于健康果皮等離子體發(fā)射強度，同時等離子體壽命更長，相比于健康柑橘更晚開始坍縮消失。

圖5 各延遲時間Ca元素的平均貢獻率Fig.5 Average contribution rate of Ca element in each delay time

產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是：感染黃龍病后果皮硬度增大，表面更加光滑，導致可溶性固形物、酸含量、維生素C 含量顯著下降。當激光擊穿樣品產(chǎn)生等離子體時，以熱傳導和能量交換等形式被水分、有機質分子吸收的能量也較小。實驗數(shù)據(jù)表明，利用等離子體三維成像技術可以精確地對感染黃龍病的柑橘進行識別，并且在等離子體能量最強時效果最佳，這一特征可以為最佳等離子體信號的采集提供依據(jù)。

4 討論與結論

綜上所述，本文利用等離子體三維成像技術實現(xiàn)了柑橘表面黃龍病斑紋的識別與檢測。首先，利用激光誘導擊穿光譜平臺分別對健康果皮和黃龍病斑紋進行等離子體信號的采集，得到光譜數(shù)據(jù)與各延遲時間的等離子體三維圖像。其次，以K 元素為內標元素，根據(jù)光譜線強度計算出其余各元素的含量，將含量差異最大的Ca元素作為黃龍病果皮識別依據(jù)。然后，結合量子力學理論中微觀粒子運動形式的不連續(xù)性，根據(jù)等離子體系統(tǒng)局部熱平衡溫度公式推導出了三維空間內的平均貢獻率等式。最后，借助MATLAB 軟件計算出Ca 元素在等離子體三維空間中的平均貢獻率值，對黃龍病果皮表面等離子體的特征進行了分析。

結果表明，等離子體三維成像技術可以快速高效地對感染黃龍病的柑橘進行識別，并且在等離子體能量最強時效果最佳，這一現(xiàn)象完全符合局部熱平衡的理論推導。該測量技術準確、可靠，完全適用于柑橘類農(nóng)產(chǎn)品的加工檢測與分級評價。