基于外部特征及子帶譜質(zhì)心法的西瓜糖度檢測(cè)

莊 為李臻峰宋飛虎李 靜朱冠宇

(1. 江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122；2. 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122)

研究和利用農(nóng)產(chǎn)品的聲學(xué)特性檢測(cè)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)一直受到重視[1]。聲學(xué)檢測(cè)法不易受干擾，設(shè)備成本低廉、可在野外等各種環(huán)境中工作，且易實(shí)現(xiàn)智能化，應(yīng)用前景廣闊[2]。目前對(duì)西瓜的敲擊聲學(xué)特性已有大量的研究，證實(shí)了通過(guò)敲擊聲學(xué)判斷西瓜成熟度的可行性，但因設(shè)備比較昂貴，不易操作，體積較大，而不能普及[3]。

Abbasadeh等[4]利用激光多普勒測(cè)振儀檢測(cè)西瓜的成熟度；Mao等[5]利用麥克風(fēng)、數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)等設(shè)備組成聲學(xué)裝置檢測(cè)西瓜的成熟度；Taniwaki等[6-7]利用激光多普勒測(cè)振儀檢測(cè)西瓜，利用第二共振頻率f2研究西瓜的成熟度；陸勇等[8]利用NI采集卡、加速度傳感器、適調(diào)儀等設(shè)備搭建聲學(xué)振動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)，建立第一響應(yīng)基頻頻率和貯藏時(shí)間的模型；高宗梅[9]11-17利用激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)檢測(cè)西瓜，提取3個(gè)共振峰頻率和幅值為特征參數(shù)。目前，通常使用共振峰位置[8]、聲透過(guò)率[1]、共振峰高度[9]16等作為聲學(xué)振動(dòng)檢測(cè)的特征值，但準(zhǔn)確獲得這些參數(shù)，需要性能較好的硬件以及良好的檢測(cè)條件，從而提高了成本，并且應(yīng)用場(chǎng)合受到限制。

為了減少成本以及降低對(duì)應(yīng)用場(chǎng)合的依賴(lài)性，不僅要簡(jiǎn)化硬件，而且要選用對(duì)硬件以及檢測(cè)條件依賴(lài)較小的特征參數(shù)。因此，利用自行開(kāi)發(fā)的便攜式振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)某品種西瓜進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行小波閾值去噪后，提取子帶頻譜質(zhì)心作為特征值，提出橫徑的平方與縱徑乘積作為體積參數(shù)，同時(shí)研究質(zhì)量、激勵(lì)力度和體積參數(shù)對(duì)子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)的影響，利用逐步多元線性回歸分析和曲面建模，建立糖度檢測(cè)模型。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)樣本及其處理

西瓜：早佳8424，成熟度為8～10，樣本的數(shù)目為61個(gè)(校正集51個(gè)和預(yù)測(cè)集10個(gè))，2017年7月采摘于無(wú)錫市某大棚，確保西瓜沒(méi)有空心且無(wú)損傷。選定西瓜樣本后，對(duì)西瓜進(jìn)行清洗，自然晾干。西瓜外觀基本參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，控制室內(nèi)的相對(duì)濕度為60%，溫度設(shè)置為25 ℃。

表1 西瓜外觀基本參數(shù)Table 1 The basic parameters of watermelon appearance

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

加速度傳感器：352C68型，美國(guó)PCB公司；

數(shù)字手持折射儀：PAL-1型，日本愛(ài)拓公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建及手拍擊測(cè)試 系統(tǒng)由加速度傳感器(型號(hào)352C68，靈敏度為100 V/g，諧振頻率≥35 kHz)、小型電子耳、計(jì)算機(jī)和工作臺(tái)組成(圖1)。工作臺(tái)材料為硬質(zhì)海綿。小型電子耳是自主研發(fā)的STM32數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。西瓜置于工作臺(tái)上，使瓜臍和瓜蒂方向處于水平，由于在瓜臍位置檢測(cè)、瓜蒂位置拍擊時(shí)子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)能夠更好地描述糖度[10]，加速度傳感器通過(guò)蜂蠟[10]貼于瓜臍部位，手拍擊瓜蒂部位，振動(dòng)信號(hào)通過(guò)傳感器，經(jīng)小型電子耳傳送給電腦。小型電子耳的程序通過(guò)keil5編寫(xiě)，可以控制采集過(guò)程和數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果顯示。

1.3.2 研究敲擊力度對(duì)子帶頻譜質(zhì)心影響 本研究分析不同敲擊力度對(duì)子帶頻譜質(zhì)心的影響，手拍擊的情況下不能精確控制拍擊力度的大小，因此，試驗(yàn)時(shí)在上述試驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)置小球擺動(dòng)裝置以及刻度板。如圖2所示，將木質(zhì)小球分別從30°，45°，60°的位置釋放，小球敲擊西瓜瓜蒂位置，控制其它因素相同，以此模擬不同力度的敲擊。

圖1 西瓜敲擊振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)圖Figure 1 Vibration testing system for watermelon

圖2 不同敲擊力度振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)圖Figure 2 The diagram of different tap strength vibration testing system

1.3.3 糖度測(cè)量 將西瓜沿著瓜蒂和瓜臍對(duì)半切開(kāi)，取西瓜的不同部位(瓜臍，瓜蒂，中心)瓜瓤榨汁，利用PAL-1型數(shù)字手持折射儀測(cè)量，每次測(cè)量前須清洗清零。每個(gè)西瓜樣本取3次進(jìn)行測(cè)量，然后取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 時(shí)間信號(hào)的小波閾值去噪 小波分析具有優(yōu)良的時(shí)頻分析能力，因此被廣泛應(yīng)用于非平穩(wěn)信號(hào)處理及特征提取[11]。采用小波閾值法去噪，通過(guò)Matlab R2015a編寫(xiě)處理程序，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行正交小波變換，然后設(shè)一閾值，保留大于閾值的小波系數(shù)，將小于閾值的小波系數(shù)進(jìn)行削弱。最后，將閾值處理后的小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，從而得出信號(hào)。

1.4.2 子帶頻譜質(zhì)心特征 在語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)中，常用子帶頻譜質(zhì)心法對(duì)特征值進(jìn)行提取。子帶頻譜質(zhì)心的提取按式(1)實(shí)現(xiàn)。

(1)

式中：

C——質(zhì)心在頻率軸上的位置；

fc——子帶中心頻率，Hz；

Δf——半子帶寬度，Hz；

w(f)——各子帶濾波器組，全取0或全取1；

A(f)——頻率點(diǎn)f處的能量密度，即頻率點(diǎn)f處的幅值。

對(duì)于每一個(gè)子帶來(lái)說(shuō)，用fc表示該子帶的中心頻率，半子帶寬度Δf則表示子帶的邊界到子帶中心頻率的距離。fc+Δf、fc-Δf為子帶的上限頻率和下限頻率。語(yǔ)音信號(hào)是一種非平穩(wěn)的時(shí)變信號(hào)，通常采用一個(gè)長(zhǎng)度有限的窗函數(shù)來(lái)截取語(yǔ)音信號(hào)形成語(yǔ)音幀，因此需要利用子帶濾波器組w(f)。

2 結(jié)果與分析

2.1 小波閾值去噪對(duì)振動(dòng)信號(hào)及特征值提取的影響及最優(yōu)子帶頻譜質(zhì)心的提取

圖3(a)信號(hào)中包含大量隨機(jī)干擾信號(hào)，圖3(b)是濾波后的信號(hào)圖，通過(guò)小波閥值去噪，信號(hào)變得更加平滑。時(shí)間信號(hào)經(jīng)去噪后進(jìn)行FFT，利用MATLAB編寫(xiě)程序提取最優(yōu)的子帶頻譜質(zhì)心。由于拍擊力量不能準(zhǔn)確控制，人為因素對(duì)質(zhì)心高度影響較大，因此，研究子帶頻譜質(zhì)心的水平位置(頻率點(diǎn))與糖度的關(guān)系。

為了找到最優(yōu)的子帶頻譜質(zhì)心，以步長(zhǎng)4.88 Hz將樣本的頻譜在0～1 220.7 Hz內(nèi)分成15 750個(gè)子帶，由于校正集有51個(gè)樣本，所以采集51組數(shù)據(jù)，共有51組子帶。將每組相同位置的子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)與糖度建立線性回歸模型，然后根據(jù)確定系數(shù)的大小確定最優(yōu)子帶，將最優(yōu)子帶代入式(1) 計(jì)算得出最優(yōu)子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)。

圖4為濾波前后最優(yōu)子帶頻譜質(zhì)心提取分析圖，用確定系數(shù)表示色軸強(qiáng)度，根據(jù)顏色的分布，可以清晰地看出各子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)與糖度的相關(guān)性，白色部分表示的相關(guān)性較低，紅色部分表示相關(guān)性較高。由圖4(a)可知，當(dāng)子帶中心頻率為551.44 Hz、半子帶寬度為190.24 Hz時(shí)，確定系數(shù)R2最高，為0.800 1，其附近區(qū)域的顏色為紅色和黃色，確定系數(shù)較高；由圖4(b)可知，濾波后最優(yōu)子帶的位置不變，確定系數(shù)達(dá)到0.832 1，紅色區(qū)域顏色加深并且面積擴(kuò)大?？梢?jiàn)小波閾值去噪法有效地對(duì)信號(hào)進(jìn)行了降噪。選取子帶中心頻率為551.44 Hz、半子帶寬度為190.24 Hz的子帶為最優(yōu)子帶，選取該子帶的頻譜質(zhì)心為最優(yōu)子帶頻譜質(zhì)心，建立該子帶的頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)與糖度的模型。

2.2 質(zhì)量對(duì)子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)的影響

Mao等[5]研究發(fā)現(xiàn)西瓜的聲學(xué)特征受西瓜質(zhì)量的影響很大，其共振頻率與西瓜質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)。因此，本研究有必要研究西瓜質(zhì)量是否對(duì)子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)有影響。

圖3 濾波前后加速度沖擊響應(yīng)信號(hào)

圖3 Acceleration shock response acceleration signals filtering before and after the shock response signal filtering signal

圖4 濾波前后最優(yōu)子帶頻譜質(zhì)心提取分析圖

圖4 The analysis diagram of the optimal sub-band spectrum centroid extraction before and after filtering

根據(jù)西瓜的質(zhì)量將其劃分為四類(lèi)，1、2、3和4分別表示質(zhì)量范圍是2 500～3 500，3 500～4 500，4 500～5 500，5 500～6 500 g 的西瓜，各類(lèi)西瓜樣本個(gè)數(shù)分別為23，10，9，9。從圖5(a)看出，對(duì)四類(lèi)西瓜分別進(jìn)行線性回歸分析，各類(lèi)西瓜的確定系數(shù)有提高，甚至2、3和4類(lèi)的確定系數(shù)大于0.9。可見(jiàn)，質(zhì)量對(duì)質(zhì)心頻率點(diǎn)及建模有一定的影響。王書(shū)茂等[12]研究發(fā)現(xiàn)西瓜的第1階固有頻率與含糖量有較好的關(guān)系。因此為了進(jìn)一步分析質(zhì)心頻率點(diǎn)與質(zhì)量關(guān)系時(shí)，需要考慮糖度的影響。分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)糖度<6.9%時(shí)，頻率點(diǎn)集中分布在530 Hz以上，均值達(dá)到530 Hz，糖度介于6.9%～7.6%時(shí)，頻率點(diǎn)集中分布在500～525 Hz，均值達(dá)到520 Hz，當(dāng)糖度>7.6%時(shí)，頻率點(diǎn)集中分布在500 Hz以下，可見(jiàn)以糖度6.9%和7.6%為界可以明顯地分開(kāi)頻率點(diǎn)。同理，根據(jù)頻率點(diǎn)的差異，發(fā)現(xiàn)以糖度6.9%，7.6%，8.3%，9.0%，9.7%，10.4% 作為分類(lèi)界限的效果較好。根據(jù)西瓜的糖度將其劃分為7類(lèi)，分別為1、2、3、4、5、6和7表示糖度范圍為6.2%～6.9%，6.9%～7.6%，7.6%～8.3%，8.3%～9.0%，9.0%～9.7%，9.7%～10.4%，10.4%～11.1%的西瓜。如圖5(b)所示，分別對(duì)各類(lèi)西瓜的頻率點(diǎn)進(jìn)行線性回歸分析，各線性模型的斜率相近，在同一糖度范圍內(nèi)，西瓜的質(zhì)量與頻率點(diǎn)呈負(fù)相關(guān)，與Mao等[5]的結(jié)論相似。

2.3 橫、縱徑對(duì)子帶頻譜質(zhì)心的影響

西瓜可以簡(jiǎn)化為多層球狀彈性體[12]。球體的固有頻率與其材料的密度、幾何尺寸和彈性模量等因素有關(guān)[12]?？梢?jiàn)，通過(guò)子帶頻譜質(zhì)心建模時(shí)，有必要研究西瓜幾何尺寸是否對(duì)子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)有影響。實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量西瓜的體積比測(cè)量橫、縱徑復(fù)雜，如果用體積作為變量會(huì)大大增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，不利于工程應(yīng)用，球體的體積正比于半徑的三次方，因此提出橫徑的平方與縱徑乘積d12作為體積指標(biāo)來(lái)研究橫、縱徑對(duì)子帶頻譜質(zhì)心的影響。

圖5 質(zhì)量與子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)關(guān)系圖Figure 5 The diagram of mass and sub-band spectrum centroids frequency point

圖6(a)為d12與子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)關(guān)系圖，隨著d12的增大，頻率點(diǎn)有下降的趨勢(shì)，西瓜的d12與頻率點(diǎn)呈負(fù)相關(guān)，但是d12與頻率點(diǎn)的相關(guān)性較低。根據(jù)西瓜的體積參數(shù)將其劃分為四類(lèi)，分別為1、2、3和4表示體積參數(shù)范圍為5 000～7 000，7 000～9 000，9 000～11 000，11 000～13 000 cm3的西瓜。如圖6(b)所示，分別對(duì)各類(lèi)西瓜的頻率點(diǎn)進(jìn)行線性回歸分析，1、2、3類(lèi)的確定系數(shù)減小，可見(jiàn)，雖然整體上d12與頻率點(diǎn)呈負(fù)相關(guān)，但將d12作為因素分析糖度建模的效果不佳。

2.4 拍擊力度對(duì)子帶頻譜質(zhì)心的影響

如圖7所示，對(duì)比錘頭分別從30°，45°，60°激勵(lì)西瓜的振動(dòng)頻譜，以子帶中心頻率為551.44 Hz、半子帶寬度為190.24 Hz的子帶為例，提取并用點(diǎn)標(biāo)出各組曲線在該子帶處的頻譜質(zhì)心。可見(jiàn)，力度越大，曲線的幅值越大，子帶頻譜質(zhì)心的高度變化較大，但是子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)的變化很小，幾乎不變。按照彈性體振動(dòng)理論，由沖擊造成的振動(dòng)響應(yīng)的頻率是彈性體的固有頻率[12]，力的大小影響振動(dòng)的幅度，而振動(dòng)頻率與激振力無(wú)關(guān)。因此，子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)對(duì)拍擊力度的依賴(lài)性較小。

圖6 所有西瓜樣本的d12與子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)關(guān)系圖

圖6 The diagram of thed12of all watermelon samples and sub-band spectrum centroids frequency point

圖7 拍擊力度對(duì)子帶頻譜質(zhì)心的影響Figure 7 The analysis diagram of the influence of different strength on sub-band spectrum centroid

2.5 利用子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)建立模型

同一尺度下，共振峰位置主要受西瓜，尤其是瓜皮的彈性模量影響，而瓜瓤的性質(zhì)(如糖度)更多影響了阻尼，故使用子帶譜質(zhì)心方法來(lái)估計(jì)西瓜的糖度要優(yōu)于傳統(tǒng)使用共振頻率估計(jì)糖度的方法[10]。

2.5.1 利用逐步多元線性回歸建模 建立糖度預(yù)測(cè)模型時(shí)，只利用子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)作為變量不夠全面，需要考慮質(zhì)量、體積參數(shù)的影響。當(dāng)有多個(gè)自變量時(shí)，各自變量之間可能存在相互關(guān)聯(lián)，因此可以利用逐步多元線性回歸分析篩選3個(gè)變量，建立效果更好的模型。

利用SPSS 21.0軟件進(jìn)行建模，變量逐步引入，在每一步F的概率小于設(shè)置值的自變量被引入，F(xiàn)的概率大于設(shè)置值的自變量被移除，當(dāng)沒(méi)有更多的變量被納入或移除的時(shí)候逐步多元線性回歸就結(jié)束了。為了量化模型的預(yù)測(cè)能力，得到模型的確定系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)的誤差，如表2所示，只用頻率點(diǎn)建模時(shí)，確定系數(shù)較低，標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)的誤差較大，當(dāng)依次代入質(zhì)量、橫徑的平方與縱徑乘積建模時(shí)，確定系數(shù)依次升高，標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)的誤差依次降低。因此，選用模型：T=-0.000 165m-0.038C+0.000 062d12+27.205。

表2子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)與物理參數(shù)建立模型的比較?

Table 2 The comparison of the model built by sub-band spectrum centroid frequency point and the physical parameters

特征模型確定系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)誤差C、TT=-0.041×C+28.8220.8320.531C、m、TT=-0.000 195×m-0.04×C+28.1520.8450.523C、m、d12、TT=-0.000 165×m-0.038×C+0.000 062×d12+27.2050.8470.521

?T表示樣本糖度，%；C表示樣本子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)，Hz；m表示樣本質(zhì)量，g。

2.5.2 曲面建模 曲面擬合是通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)來(lái)求目標(biāo)函數(shù)與2個(gè)變量之間的關(guān)系式，使試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)盡可能地分布在關(guān)系式所表示的曲面上。

通過(guò)圖5(a)和6(b)可知，將質(zhì)量作為因素分析糖度建模的效果較好，因此選擇質(zhì)量和子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)作為變量對(duì)糖度進(jìn)行曲面建模。選取頻率點(diǎn)相同或相近的樣本來(lái)研究質(zhì)量與糖度的關(guān)系，由于頻率點(diǎn)較離散，選取的樣本數(shù)較少。如圖8所示，通過(guò)多項(xiàng)式擬合發(fā)現(xiàn)，當(dāng)質(zhì)量維度為4時(shí)，糖度與質(zhì)量的擬合關(guān)系較好。同理，分析質(zhì)量相近時(shí)糖度與頻率點(diǎn)的關(guān)系，如圖9所示，糖度與頻率點(diǎn)的線性關(guān)系和二次關(guān)系均較好。因此分別通過(guò)式(2)、(3)進(jìn)行曲面擬合：

T=a+b×x+c×y+d×x×y+e×y2+f×x×y2+g×y3+h×x×y3+i×y4，

(2)

1. 頻率為450～460 Hz的頻率點(diǎn)；2. 頻率為476～486 Hz的頻率點(diǎn)

圖8 頻率點(diǎn)相同或相近時(shí)質(zhì)量與糖度關(guān)系圖

圖8 The diagram of the quality and the sugar content of the same or similar frequency points

1. 質(zhì)量為2 800～2 999 g的西瓜；2. 質(zhì)量為3 050～3 370 g的西瓜；3. 質(zhì)量為3 650～4 220 g的西瓜

圖9 質(zhì)量相同或相近時(shí)頻率點(diǎn)與糖度關(guān)系圖

圖9 The diagram of the frequency points and the sugar content of the same or similar quality

T=a+b×x+c×y+d×x2+e×x×y+f×y2+g×x2×y+h×x×y2+i×y3+g×x2×y2+k×x×y3+l×y4，

(3)

式中：

x——頻率點(diǎn)，Hz；

y——質(zhì)量，g；

T——糖度，%。

利用MATLAB中的curve fitting工具箱進(jìn)行建模，利用式(2)進(jìn)行曲面建模的確定系數(shù)為0.878 4，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.497 7，而利用式(3)進(jìn)行曲面建模的確定系數(shù)為0.881 1，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.480 0，因此利用式(3)進(jìn)行曲面建模。圖10為曲面建模分析圖。

圖10 曲面建模分析圖Figure 10 The analysis diagram of surface modeling

2.5.3 模型的確定 將曲面建模法與逐步多元線性回歸法建立的模型進(jìn)行比較，曲面建模法所建模型的確定系數(shù)較大，標(biāo)準(zhǔn)誤差較小，因此選用該模型作為糖度預(yù)測(cè)模型，模型如下：

T=-424.6+1.719x+0.237 6y-0.001 833x2-0.000 855 4xy-3.631×10-5y2+8.899×10-7x2y+1.005×10-7xy2+1.948×10-9y3-1.032×10-10x2y2-2.267×10-13xy3-1.024×10-13y4。

(4)

2.6 預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證及誤差分析

圖11為糖度預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)能力分析圖，校正集樣本數(shù)為51個(gè)，預(yù)測(cè)集樣本數(shù)為10個(gè)，校正集樣本的標(biāo)準(zhǔn)差(RMSEC)為0.101，預(yù)測(cè)集樣本的標(biāo)準(zhǔn)差(RMSEP)為0.217。RMSEP略大于RMSEC，并且RMSEP和RMSEC均小于最大糖度的10%。表3為預(yù)測(cè)集樣本的實(shí)際糖度值與預(yù)測(cè)糖度值的比較及誤差分析結(jié)果，預(yù)測(cè)集樣本平均誤差為3.61%?？梢?jiàn)，該糖度預(yù)測(cè)模型可以很好地利用216～268 Hz 的子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)對(duì)8～10成熟西瓜進(jìn)行糖度預(yù)測(cè)。

圖11 糖度預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)能力分析圖Figure 11 The prediction ability analysis diagram of the sugar content prediction model表3 預(yù)測(cè)集樣本實(shí)際糖度值與預(yù)測(cè)糖度值的比較及誤差分析

Table 3 The comparison and error of the actual sugar content and the predictive sugar content of the prediction set sample %

樣本實(shí)際測(cè)量值模型測(cè)量值相對(duì)誤差平均誤差19.99.424.8127.67.323.66310.39.814.67410.610.872.5959.79.952.64610.410.122.6978.18.423.9689.49.132.82910.210.573.69109.89.344.593.61

課題組前期利用信號(hào)調(diào)理儀、數(shù)據(jù)采集卡、加速度傳感器等儀器搭建系統(tǒng)檢測(cè)西瓜糖度，主要利用共振峰作為特征參數(shù)，也有研究[10]嘗試?yán)米訋ьl譜質(zhì)心作為特征參數(shù)，但是沒(méi)有考慮到外部特征的影響，建模方法較簡(jiǎn)單，相關(guān)性較低，并且系統(tǒng)較為復(fù)雜，不易攜帶，檢測(cè)時(shí)易對(duì)西瓜表面造成損傷。目前，大多數(shù)研究利用較復(fù)雜的設(shè)備檢測(cè)西瓜糖度，比如激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)[9]11、利用數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備搭建的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[8]，但是得到的糖度預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)效果較差，雖然模型的相關(guān)系數(shù)能夠達(dá)到0.8[1]，但是校正均方根誤差和預(yù)測(cè)均方根誤差較大，甚至均達(dá)到1.5[9]41，而本研究所得到模型的確定系數(shù)為0.881 1，校正均方根誤差和預(yù)測(cè)均方根誤差均不超過(guò)0.3。因此，利用小型電子耳系統(tǒng)檢測(cè)西瓜糖度，將外部特征與子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)結(jié)合，不僅優(yōu)于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，而且更具有實(shí)際意義。

3 結(jié)論

本研究利用自行開(kāi)發(fā)的便攜式聲學(xué)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)基于外部特征及子帶頻譜質(zhì)心對(duì)西瓜糖度進(jìn)行檢測(cè)，以早佳8424西瓜品種為研究對(duì)象，通過(guò)手拍擊方式激勵(lì)西瓜。對(duì)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行小波閾值去噪后，提取了振動(dòng)信號(hào)的子帶頻譜質(zhì)心，并提出了橫徑的平方與縱徑乘積d12作為體積參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)頻率點(diǎn)與西瓜的質(zhì)量、d12呈負(fù)相關(guān)，對(duì)激勵(lì)力度依賴(lài)性較小。選取子帶中心頻率為551.44 Hz、半子帶寬度為190.24 Hz的子帶為最優(yōu)子帶，提取該子帶的頻譜質(zhì)心，利用逐步多元線性回歸分析以及曲面建模法，建立糖度檢測(cè)模型。研究發(fā)現(xiàn)利用曲面建模的確定系數(shù)較高，為0.881 1，標(biāo)準(zhǔn)誤差較小，為0.480 0，因此選用曲面建模作為糖度預(yù)測(cè)模型。研究發(fā)現(xiàn)RMSEP略大于RMSEC，并且RMSEP和RMSEC均小于最大糖度的10%，預(yù)測(cè)集樣本平均誤差為3.61%?？梢?jiàn)，該糖度預(yù)測(cè)模型可以很好地利用216～268 Hz 的子帶頻譜質(zhì)心頻率點(diǎn)對(duì)8～10成熟西瓜進(jìn)行糖度預(yù)測(cè)。本研究從實(shí)用的角度出發(fā)，將子帶譜質(zhì)心法與外部特征結(jié)合，簡(jiǎn)化了硬件并降低了對(duì)應(yīng)用場(chǎng)合的要求，但本研究只是對(duì)適熟瓜進(jìn)行檢測(cè)，還需要進(jìn)一步對(duì)未熟西瓜、過(guò)熟西瓜進(jìn)行研究。