一种基于便携式成像光谱仪的食品质量检测方法及系统与流程

本发明专利涉及基于光谱信息的食品检测领域，尤其涉及一种便携式成像光谱仪结合云端服务器检测食品质量的方法。

背景技术：

食品是人类所需蛋白质、脂肪和矿物质的主要来源，提供给人体丰富的营养物质。随着人民生活水平的提高，对食品品质的要求也逐渐提高。而近些年来，食品安全问题频发，比如奶粉中掺杂着三聚氰胺，“染色馒头”，“人工合成”的食品，“瘦肉精”等，使我们从过去的“吃不起”，到了现在的“不敢吃”。所以食品质量检测这个领域，迫切地需求一种简单、高效、绿色的检测方法。

常规检测食品的方法主要集中在化学法。通过取样，加入化学试剂，观测现象，操作复杂、耗时长、存在主观性，而且属于有损检测，食品在市场上的流通过程中无法实现快速、无损检测的。

光谱检测方法是近10年来逐渐兴起的食品检测方法，它属于非接触式检测，可以快速无损高效地实现检测，不需要化学试剂或者消耗样品，是一种绿色环保的检测方式。而常规成像光谱仪有一个巨大的弊端，就是体型较大，只适合在实验室里使用，而且要用电脑控制，无法实时反馈结果，十分不适合在日常生活中使用。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的用于食品检测的成像光谱仪体型巨大，需要电脑控制，无法实时反馈结果，不适合在日常生活中使用的问题，而提出的一种便携式成像光谱仪以及基于此便携式成像光谱仪的食品质量检测方法及系统，结合云端服务器，能够快速无损地获得。

本发明提供了一种基于便携式成像光谱仪的食品质量检测方法及系统，能够快速无损地获取食品全面的光谱信息，并可与手机通信，由手机终端app上传光谱数据到云端，经过云端服务器预处理与导入模型分类或回归预测后，将结果下载到手机终端。本发明采用的技术方案为：

便携式成像光谱仪,包括：光源、成像物镜、高光谱成像模块、无线相机，通过手持装置对食品进行横向扫描，即可获得食品整个面上的光谱信息。

进一步的，所述光源，由环形led组成，集成于装置之上；

进一步的，所述成像镜头，采用定焦25mm镜头，可以调节其到高光谱成像模块的距离，用于采集线区域的光谱图像；

进一步的，所述高光谱成像模块，同轴设置狭缝、双胶合透镜、光栅-光楔对；外界物体反射或发出的光经过成像镜头成像在狭缝上，狭缝上线区域的光经过双胶合透镜准直，然后由光栅分光，接着通过光楔来改变光束角度，最后进入无线相机；

进一步的，所述无线相机，是接收分光后的光束的探测器，可与手机通过无线通信，传输光谱信息到手机app，其装有25mm的定焦镜头，且已经对焦至无穷远处。

手机终端app，是一个可交互的界面，包括：通信组件、控制组件和显示组件。

进一步的，所述通信组件，可以选择与便携式成像光谱仪通信或与云端服务器通信，进行数据的传输与分析结果报告的下载。

进一步的，所述控制组件，可以控制便携式成像光谱仪的采集与停止。

进一步的，所述显示组件，可以选择需要分析的食品种类，并可视化从云端下载的分析报告。

云端服务器，可以对上传的光谱数据进行预处理，并可以对多种食品的质量进行分类或回归，包含：预处理模块、训练模块、预测模块、光谱数据库。

进一步的，所述预处理模块，能够将原始的光谱图像序列转换成高光谱立方，并提取出光谱特征，作为训练模块或预测模块的输入。

进一步的，所述训练模块，获得权限的用户可以访问，对已经存在的模型导入新的光谱数据，进行不断优化，提高模型的泛化能力。

进一步的，所述预测模块，普通用户可以访问，选择食品种类，输入相应光谱数据，模型即可对食品的质量进行预测。

进一步的，所述光谱数据库，主要用于存放光谱数据并可不断更新，方便对比，同时也可使便携式成像光谱仪的体积更小。

本发明的有益效果：便携式成像光谱仪，方便携带，并且可以手持扫描，操作简单；相比于单点检测，便携式成像光谱仪可以全面获得食品的光谱信息，排除异常点对食品质量检测的影响；用户在扫描完食品之后，只需在手机终端app上选择被测的食品并上传数据，云端服务器即可完成数据处理、光谱分析和检测报告回传，使食品质量评估大众化成为可能。

附图说明

图1为基于便携式成像光谱仪的食品质量检测方法及系统示意图。

图2为便携式成像光谱仪使用示意图。

图3为便携式成像光谱仪原理示意图。

图4为高光谱成像模块的内部光路结构。

其中：1—成像物镜，2—光源，3—高光谱成像模块，4—无线相机，5—狭缝，6—双胶合透镜，7—光栅，8—光楔。

具体实施方式

为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。

实施例1

如图2所示，为肉品新鲜度的检测。手持便携式成像光谱仪，打开光源，对着肉品从左到右缓慢推扫，无线相机会采集线区域的反射光谱图像。扫描完肉品后，将光谱图像序列传输到手机，手机上传至云端，经过云端服务器分析后，下载报告到手机终端app上，即可快速无损地预测肉品的新鲜度指标。

肉品经光源2照射而漫反射的光通过成像物镜1成像在狭缝5之上，狭缝上线区域的光透过狭缝，经过双胶合透镜6准直后，平行入射到光栅上7；光栅分光后，不同波长的光以不同的角度出射；通过光楔后，不同角度的光回归光轴，能够入射到无线相机中；无线相机的镜头将不同角度的光聚焦在感光芯片上，获得光谱图像。

随后无线相机将光谱图像序列传输到手机上，在手机app上选择肉品新鲜度检测，并上传光谱图像序列到云端。云端服务器开始进行预处理。首先是构建高光谱立方，将光谱图像序列逐张堆叠，并可根据速度传感器的信息进行相应的校正。然后选择不同的特征波段将肉品与背景进行分割，公式如下：

其中为高光谱立方表达式，、、为选择的特征波长，可以有效分割出肉品与背景，并较少计算量，提高速度。接着提取肉品的光谱数据，将识别的肉品区域的光谱信息取出并平均，消除异常点的影响，公式如下：

肉品新鲜度的预测模型的建立，是通过化学法测得的标准值作为标签，手持便携式成像光谱仪获得的光谱信息作为特征得到的。将最新处理得到的光谱数据导入该模型，即可快速得到肉品新鲜度的多个指标。最后将新鲜度指标下载到手机终端上，并在手机app的可交互界面上显示。

本发明方便携带和移动，可用于现场实时检测，如超市、菜市场、餐馆等场所中肉品新鲜度检测。

实施例2

作为本发明另一种检测方法，便携式成像光谱仪也可以进行荧光光谱检测，集成于便携式成像光谱仪的光源，也可以发出单波长的光，用于激发荧光。对茶叶、牛奶等多种能够发荧光的食品进行检测。

如图2所示，将肉品换为茶叶，即可对茶叶的品质等级进行检测。打开单波长led光源，激发茶叶的荧光，手持便携式成像光谱仪从左到右缓慢推扫，无线相机会采集线区域的被激发的荧光光谱图像。扫描完茶叶后，将光谱图像序列传输到手机，手机上传至云端，经过云端服务器分析后，下载报告到手机终端app上，即可快速无损地预测茶叶的质量等级。后续的数据处理方法与建模方法与实施例1类似。