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一種快速無(wú)損確定蘋(píng)果收獲期的光譜檢測(cè)方法

背景介紹

為了使蘋(píng)果早上市賣(mài)高價(jià),，將未成熟的蘋(píng)果過(guò)早提前采摘，會(huì)嚴(yán)重影響蘋(píng)果的產(chǎn)量和質(zhì)量,，降低蘋(píng)果的貯藏性能,。要增加果農(nóng)的生產(chǎn)效益，必須提前采收蘋(píng)果,。適期采摘是保證蘋(píng)果優(yōu)質(zhì)高產(chǎn),，提高果品貯藏力的重要環(huán)節(jié)。

圖1.不同成熟度,，不同品種的蘋(píng)果

蘋(píng)果適期采收,，分期采收，是提高蘋(píng)果內(nèi)在品質(zhì),，外觀品質(zhì)和貯藏性的有效措施,。判斷果實(shí)成熟與否和確定采收期的方法很多，傳統(tǒng)的辦法主要是根據(jù)果品重量,，果皮底色,，果肉硬度，計(jì)算果實(shí)從盛花后到果實(shí)成熟的生長(zhǎng)天數(shù),，果實(shí)的呼吸躍變期發(fā)生時(shí)間,，果實(shí)淀粉含量，氣候條件,，品種等因素來(lái)判斷采收期,。

論述

我們講述的是一種能夠在果園中使用光學(xué)和無(wú)損測(cè)量來(lái)確定收獲日期的方法。以前的光學(xué)方法可以測(cè)定果皮色素的變化以及糖含量和干物質(zhì)含量,。Streif指數(shù)所依據(jù)的強(qiáng)度指數(shù)無(wú)法在果園中使用光學(xué)方法進(jìn)行非破壞性測(cè)定,。因此，應(yīng)通過(guò)光的散射特性找到確定成熟度的進(jìn)一步措施?；谶@些特性,，可以獲得有關(guān)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的知識(shí)，這反過(guò)來(lái)又是保質(zhì)期的影響因素,。德國(guó)博登湖水果生產(chǎn)發(fā)展中心（KOB,，Kompetenzzentrum Obstbau-Bodensee）將使用光譜儀測(cè)量 Elstar（伊思達(dá)）、Gala（嘎啦） 和 Jonagold （喬納金）品種的蘋(píng)果,。

圖2.快速無(wú)損檢測(cè)方法獲取蘋(píng)果zui 佳采摘時(shí)間(初代原型機(jī))

在 Streif 指數(shù)中,，可溶性干物質(zhì)（糖）（以 °Brix 為單位）、果肉的硬度（以 kg/cm2 為單位）以及淀粉降解程度均采用 1 至 10 的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定,。根據(jù)計(jì)算出的指數(shù)（硬度/（糖度 x 強(qiáng)度））,，zhi 定了特定品種的收獲窗口。該數(shù)據(jù)是在多年的研究工作中憑經(jīng)驗(yàn)收集的,。

自 2016 年以來(lái),，KOB 一直致力于各種項(xiàng)目（Big Apple 和 Melon 項(xiàng)目），尋找新的收獲確定方法,，使果實(shí)保持完整,。用于水果的光學(xué)手持式測(cè)量設(shè)備已經(jīng)上市，可以提供蘋(píng)果皮zui初幾毫米的數(shù)據(jù),。 根據(jù)設(shè)備類(lèi)型的不同,，收集的數(shù)據(jù)量存在很大差異，例如在處理干擾性環(huán)境光方面,。 有些設(shè)備可以計(jì)算陽(yáng)光的影響,。 光譜儀數(shù)據(jù)用于計(jì)算果皮顏色（綠色、黃色和紅色色素）的信息,，并使用特殊模型計(jì)算水果的糖含量或干物質(zhì)含量的信息,。 然而，僅憑這些數(shù)據(jù)無(wú)法確定收獲日期,。因此,，在“Big Apple"項(xiàng)目中，可以從已經(jīng)商用的光譜儀設(shè)備收集的數(shù)據(jù)與影響儲(chǔ)存壽命的其他已知因素的數(shù)據(jù)相結(jié)合,，并結(jié)合起來(lái)形成對(duì)zu i佳收獲日期的預(yù)測(cè)。 這些包括,，例如,，水果掛，葉果比,、鈣施肥和上一收獲日期,。

由于每年的種植條件差異很大（主要是由于天氣），因此模型需要不斷收集更多的數(shù)據(jù)，以便能夠開(kāi)發(fā)強(qiáng)大的預(yù)測(cè)工具,。 此外,，光學(xué)數(shù)據(jù)也存在較大的年度波動(dòng)。 例如：葉綠素值與基本顏色相關(guān),，可以作為zui 佳收獲日期的指標(biāo),。 然而，我們每年在zu i佳收獲日期用光譜儀測(cè)量不同的值,。 因此,，葉綠素值目前不能作為確定收獲的唯yi參數(shù)

新型的光譜檢測(cè)儀器

 Melon 項(xiàng)目的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種光譜儀，為確定zui 佳收獲日期提供新的見(jiàn)解,。 與德國(guó)INSION公司以及其他研究機(jī)構(gòu)合作,，從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā)了光譜儀并進(jìn)行了測(cè)試。 為此,，制造了不同類(lèi)型的外殼,，并在智能手機(jī)上編寫(xiě)了數(shù)據(jù)分析軟件。 為了能夠檢查所收集數(shù)據(jù)的質(zhì)量,，鑄造了模型（具有確定光學(xué)特性的半球）,，并用其進(jìn)行了參考測(cè)量。 光源是光譜儀的心臟,。 為此,，新開(kāi)發(fā)的 LED 被安裝在一個(gè)環(huán)中。 所開(kāi)發(fā)的光譜儀（參見(jiàn)圖3）不僅能夠確定光的反射,，還能夠在第二光源的幫助下確定散射（參見(jiàn)圖4）,。

圖3.手持式光譜儀

圖4.快速無(wú)損檢測(cè)方法獲取蘋(píng)果zui 佳采摘時(shí)間

光譜儀在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中進(jìn)行了測(cè)試，水果也在另外兩個(gè)光學(xué)傳感器實(shí)驗(yàn)室裝置上進(jìn)行了測(cè)試,。 該項(xiàng)目的目的是開(kāi)發(fā)一種實(shí)用且廉價(jià)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)備,，該設(shè)備還可以檢測(cè)蘋(píng)果的散射特性。

圖5. 光線（黑色箭頭）照射到蘋(píng)果時(shí)產(chǎn)生的效果示意圖,。雖然小部分已經(jīng)在表面反射,，但大部分光線可以深入到牙髓中。 在那里它被分散幾次（即改變其方向）并重新出現(xiàn),，相應(yīng)地減弱,，偏移到照射點(diǎn)。 根據(jù)光的波長(zhǎng)（顏色）,，部分光被蘋(píng)果吸收,。 發(fā)射光的光學(xué)測(cè)量可以識(shí)別顏料，或者通過(guò)附加模型確定可溶性固體,。 這些照片顯示了光線如何通過(guò)蘋(píng)果中的點(diǎn)光源傳播（左側(cè)沒(méi)有外部光源,，右側(cè)有額外的外部光源）

該試驗(yàn)于2018年至2020年在Gala、Elstar、Jonagold和Braeburn品種上進(jìn)行,，以便在一個(gè)時(shí)間內(nèi)覆蓋從早到晚的整個(gè)收獲期,。生長(zhǎng)季節(jié)覆蓋晚熟品種。 同時(shí),，KOB 使用常規(guī)實(shí)驗(yàn)室方法確定了收獲的Streif指數(shù),，并與我們自己的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行比較，以確定長(zhǎng)期儲(chǔ)存的zui 佳收獲時(shí)間,。

在對(duì)新型光譜儀原型機(jī)的研究中發(fā)現(xiàn),，從蘋(píng)果到收獲期間，散射系數(shù)逐漸減小,，并且存在品種差異,。 該項(xiàng)目的進(jìn)一步結(jié)果必須在后續(xù)測(cè)試中進(jìn)行檢查。 目前,，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)和分析技術(shù)不足以借助新開(kāi)發(fā)的光譜儀來(lái)預(yù)測(cè)zui 佳收獲日期,。 然而，KOB 已大大擴(kuò)展了該應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)知識(shí),，并且通過(guò)正在進(jìn)行的工作,，有可能小規(guī)模且非破壞性地預(yù)測(cè)收獲日期。

核心光譜模塊

該光譜儀器采用了德國(guó)Insion公司的UV VIS SENS系列光譜儀,，具有靈敏度高,，成本低，穩(wěn)定性高和臺(tái)間差小等特點(diǎn),，適合大批量手持式光譜儀采用,。

圖6. UV VIS SENS S 光譜儀模塊（德國(guó)INSION公司）

上海昊量光地設(shè)備有限公司作為德國(guó)INSION在中國(guó)地區(qū)唯yi的代理合作商，常年活躍在國(guó)內(nèi)分子光譜,，近紅外光譜圈,，給更多的客戶(hù)帶來(lái)優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和服務(wù)。針對(duì)insion系列光譜儀,，公司備有各種型號(hào)的樣品供客戶(hù)測(cè)試評(píng)估,，還可以幫助搭建實(shí)驗(yàn)原型機(jī)，各種光譜測(cè)量系統(tǒng)等,。

關(guān)于昊量光電：

上海昊量光電設(shè)備有限公司是光電產(chǎn)品專(zhuān)業(yè)代理商,，產(chǎn)品包括各類(lèi)激光器、光電調(diào)制器,、光學(xué)測(cè)量設(shè)備,、光學(xué)元件等，涉及應(yīng)用涵蓋了材料加工,、光通訊、生物醫(yī)療、科學(xué)研究,、國(guó)防,、量子光學(xué)、生物顯微,、物聯(lián)傳感,、激光制造等；可為客戶(hù)提供完整的設(shè)備安裝,，培訓(xùn),，硬件開(kāi)發(fā)，軟件開(kāi)發(fā),，系統(tǒng)集成等服務(wù),。