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原文传递基于光子传输模拟的苹果高光谱品质检测方法

专利名称：	基于光子传输模拟的苹果高光谱品质检测方法
摘要：	本发明公开了一种基于光子传输模拟的苹果高光谱品质检测方法。本发明分析了光子入射最佳位置和源探距离，并用点光源高光谱仪实际拍摄红富士苹果进行验证。分析表明，光子在苹果赤道位置入射，具有73.12％概率到达更深的深度。源探位置与苹果的光学参数有关，形状为圆环，其源探内外径位置半径为1.5mm‑10.15mm。点光源高光谱仪采集的红富士苹果入射位置为赤道，源探位置为半径为3.6mm‑10.8mm的圆环，与模拟数据分析结果基本一致。蒙特卡洛光子传输模拟方法为研究高光谱苹果品质无损检测开辟了新思路，分析结果可以为研究高光谱品质检测实验设计和苹果便携式品质检测光学仪器设计提供理论基础。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	南京农业大学
发明人：	王浩云;徐焕良;李亦白;张煜卓;周小丽;王帅
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-28T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-07T00:00:00+0800
申请号：	CN201910080946.6
公开号：	CN109856064A
代理机构：	南京天华专利代理有限责任公司
代理人：	刘畅;徐冬涛
分类号：	G01N21/27(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	211225 江苏省南京市溧水区白马镇国家农业科技园南京农业大学基地
主权项：	1.一种基于光子传输模拟的苹果高光谱品质检测方法，其特征在于它包括以下步骤： (1)基于椭球曲面方程构建苹果模型； (2)将点光源对准苹果赤道，源探距离选择1.5mm～10.15mm，基于苹果模型进行蒙特卡洛光子传输模拟； (2.1)光子初始化； (2.2)计算光子运动方向和步长，同时进行越界和出界判断； (2.21a)越界判断，越界则进行步骤(2.21b)，否则进行步骤(2.22a)； (2.21b)出界判断，出界则进行出界处理并转步骤(2.5)，否则进行步骤(2.22b)； (2.22a)光子吸收与散射计算，转入步骤(2.3)； (2.22b)光子折射、反射计算，转入步骤(2.3)； (2.3)判断光子权值是否过小，是则进行步骤(2.4)，否则返回步骤(2.2)； (2.4)判断光子是否存亡，是则进行步骤(2.5)，否则返回步骤(2.2)； (2.5)判断是否为最后一个光子，是则结束，否则返回步骤(2.1)； (3)取大量光子和不同光学参数组合重复步骤(2)，获得苹果模型的无噪声光亮度分布图。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中，基于椭球曲面方程构建苹果模型，苹果果皮和果肉的椭球曲面方程为：其中：a、b、c，p1，p2为常数，共同控制苹果的长短轴半径和上下凹陷程度；a∈[3.1,5]，b∈[3.1,5]，c∈[4,6]，p1∈[3,35]，p2∈[5,670]；-π/2≤u≤π/2,0≤v≤2π；苹果果核的椭球曲面方程为：其中：a、b、c，p3为常数，共同控制苹果的长短轴半径和上下凹陷程度；k＝p3sin5v，p3＝0.5；a∈[3.1,5]，b∈[3.1,5]，c∈[4,6]，-π/2≤u≤π/2,0≤v≤2π。 3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2.2)中，计算光子运动方向和步长：光子的运动方向由方位角ψ和散射偏转角θ确定，其中：方位角ψ采用下式计算： ψ＝2πξ 式中，ξ是区间(0，1)上的随机数；散射偏转角θ采用下式计算：式中，θ为散射偏转角，g为组织的各向异性，ξ是区间(0，1)上的随机数；光子步长的计算公式为：其中： μt＝μa+μs ξ是随机数，μa为物质的吸收系数，μs为物质的散射系数。 4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2.2)中，光子入射点的计算步骤为： A、取越层运动位移的中点c，判断光子是否处于越层过程：若处于越层过程，则计算光子前一步位置坐标a和当前位置坐标b并进行步骤B；若未处于越层过程，则进入步骤C； B、判断c点是否在模型交界点上，若是则返回该点的值，进入步骤E，否则进入步骤C； C、判断a与c是否在一个位层：若是则将c赋给a；否则，将c赋给b； D、判断b是否在交界点，否则返回A，是则进入步骤E； E输出c。 5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于光子位层的计算方法为：光子位于点P(x,y,z)，通过无误差转换计算得到参数(u,v)，将得到的(u,v)带入苹果果皮椭球曲面方程得到在该参数下果皮点p1(x1,y1,z1)，将p1和p点分别与原点的距离相比较： -若p1点较远，则p点在果皮内部； -若p1点较近，则p点在果皮之外； -若p1于p点重合，则说明点在果皮上；重复带入苹果果肉椭球曲面方程、苹果果核椭球曲面方程，得到果肉和果核位层的判断。 6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于光子位层的计算方法为：光子位于点P(x,y,z)，通过无误差转换计算得到参数u，将得到的u带入苹果果皮椭球曲面方程得到在该参数下果皮点Z轴上的分量z1，通过对比z与z1的长短得到点P的位置： -若z1较长，则p点在果皮内部； -若z1较长，则p点在果皮之外； -若z1与z相等，则说明点在果皮上；重复带入苹果果肉椭球曲面方程、苹果果核椭球曲面方程，得到果肉和果核位层的判断。 7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于所述无误差转换的计算公式为： u＝tan-1(az/(cxcosv)) v＝tan-1(ay/bx) 式中，x、y、z分别为点P的直角坐标，a、b、c分别为系数，a∈[3.1,5]，b∈[3.1,5]，c∈[4,6]。 8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2.2)中，引入模型厚度，苹果模型包括：果皮外交界层、果皮层、果皮果肉交界层、果肉层、果肉果核交界层、果核层；光子的运动采取越层约束算法，算法步骤为： A、计算光子移动前后的层位，若光子移动前层位a和移动后层位b不属于同一个层位则进行步骤B判断； B、判断层位a与层位b是否为相邻层位：相邻则进入步骤F，不相邻则进入步骤C； C、计算出光子运动方向； D、计算出与光子运动方向同方向的、并且与光子位移前位层a相邻的位层，称为位层c； E、暂认为光子由位层a位移至位层c并带入继续计算； F、计算交界点，进入反射折射计算。 9.根据根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)中，所述光学参数包括果皮吸收系数μa1、果肉吸收系数μa2、果皮散射系数μs1、果肉散射系数μs2。 10.根据根据权利要求9所述的方法，其特征在于果皮吸收系数μa1分为5类，果肉吸收系数μa2分为4类，果皮散射系数μs1分为5类，果肉散射系数μs2分为5类，各取中间值进行组合获得500组光学参数组合。
所属类别：	发明专利