基于近红外高光谱成像技术的小麦粉掺杂检测研究

摘要

小麦粉掺杂是食品质量与安全的重要问题。传统的化学分析方法可以用来检测小麦粉掺杂，应用较为成熟。但此类方法耗时耗力、具有破坏性、技术要求高。食品工业需要一种无损、准确的方法来检测小麦粉的掺杂问题。高光谱成像技术结合了光谱技术和数字成像的优势，已经广泛应用于各种食品质量和安全检测。　　本课题使用近红外高光谱成像技术来检测小麦粉中低浓度(0.02％-5％)的滑石粉和过氧化苯甲酰。在归一化后将样本图像中每个像素的光谱做一阶导数波段差计算，为滑石粉的检测提供了可分类的结果，即通过阈值分割将小麦粉和滑石粉分类检测并显示其分布。将每个像素的光谱做光谱相关性测量和波段比计算，为过氧化苯甲酰的检测提供了可分类的结果。此外结合两种杂质的分类方法，实现滑石粉和过氧化苯甲酰的同步检测。最后提取被检测为滑石粉和过氧化苯甲酰的平均光谱，验证了分类结果是准确可靠的。　　在小麦粉掺杂检测研究中，发现高光谱成像技术的“多层效应”会对检测结果产生影响，而光入射深度又会对“多层效应”产生影响。因此使用近红外高光谱成像技术研究光入射深度对掺杂检测的影响。在滑石粉或不同颗粒大小的过氧化苯甲酰底层粉末上均匀铺设小麦粉(0.3mm-2mm)，以检测不同厚度小麦粉层下的颗粒。结果表明以滑石粉为底层粉末时，仅能检测到0.3mm小麦粉下的颗粒。以不同颗粒大小的过氧化苯甲酰为底层粉末时，入射深度呈现出一定的变化趋势。过氧化苯甲酰为20目时仅能检测到0.3mm小麦粉下的颗粒;过氧化苯甲酰为80目时能检测到0.8mm小麦粉下的颗粒。结果表明底层粉末的不同会对入射深度产生影响，而且底层粉末的颗粒大小对光入射深度有影响，并有可能影响掺杂检测的结果。　　最后基于近红外高光谱成像技术研究不同颗粒大小(20目-80目)过氧化苯甲酰对小麦粉掺杂检测的影响。使用波段比方法实现过氧化苯甲酰颗粒的检测，结果表明40目和50目过氧化苯甲酰可以获得最佳检测效果，这可能是由于这两种颗粒大小正好接近或略大于相机的空间分辨率。此外应用了偏最小二乘回归和极限学习机的定量分析方法与波段比方法进行对比，几种方法都取得了类似的结果，从侧面证明了检测方法的准确性。　　研究结果表明，近红外高光谱成像技术与光谱分析技术相结合，是检测小麦粉中滑石粉和过氧化苯甲酰掺杂的有效手段。此外发现高光谱成像技术的入射深度和掺杂物的颗粒大小会对“多层效应”产生影响，从而影响小麦粉的掺杂检测。在未来工作中需要针对更多样的粉末，结合粉末颗粒的光学特性去深入研究粉末掺杂检测的影响规律。

目录

声明

摘要

中英文全称和缩写对照表

第一章绪论

1．1课题研究的背景和意义

1．1．1研究背景

1．1．2研究意义

1．2国内外研究现状和发展趋势

1．2．1粉末食品安全和质量检测的研究现状

1．2．2高光谱成像技术的研究现状

1．2．3高光谱成像技术在粉末食品检测的研究现状和发展趋势

1．3本文主要研究内容、目的和技术路线图

1．4本文章节安排

第二章基于近红外高光谱的小麦粉掺杂检测系统及方法

2．1近红外高光谱成像系统

2．2高光谱图像的采集

2．3高光谱图像数据的预处理

2．4本章小结

第三章小麦粉的单杂质和双杂质检测研究

3．1研究方案设计

3．1．1样本制备

3．1．2检测方案设计

3．2基于光谱相似性分析的掺杂物检测方法

3．2．1光谱相关性测量

3．2．2双波段光谱数据分析

3．3结果分析与讨论

3．3．1小麦粉中滑石粉掺杂的检测结果分析

3．3．2小麦粉中过氧化苯甲酰的检测结果分析

3．3．3小麦粉中混合杂质的检测结果分析

3．4本章小结

第四章光入射深度对小麦粉掺杂检测的影响研究

4．1高光谱成像技术的“多层效应”研究

4．2基于定量分析的检测方法

4．2．1基于偏最小二乘回归的定量模型

4．2．2基于极限学习机的定量模型

4．2．3定量分析模型的评价标准

4．3研究方案设计

4．3．1样本制备与双层样本池的设计

4．3．2检测方案设计

4．4实验结果分析

4．4．1不同底层粉末的小麦粉入射深度结果分析

4．4．2入射深度对小麦粉掺杂检测的影响分析

4．4．3颗粒大小对入射深度的影响分析

4．4．4基于定量分析的结果分析

4．5本章小结

第五章颗粒大小对小麦粉掺杂检测的影响研究

5．1研究方案设计

5．1．1样本制备

5．2．1颗粒大小对小麦粉掺杂检测的影响规律

5．2．2基于定量分析的结果分析

5．3本章小结

第六章总结与展望

6．1总结

6．2创新点

6．3展望

参考文献

致谢

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