柑橘内部品质在线检测软件系统的设计与实现

摘要：本文基于目前国内外对柑橘内部品质的实时无损检测还处在实验室研究阶段，现有在线无损实时检测技术和方法还不成熟且投入商业化应用较少的现状，设计并开发了一套近红外光谱采集与处理软件。该软件采用面向对象化的visual C++编程技术，可以实现实时光谱的显示、光谱文件的管理、光谱信号的实时处理以及光谱预测模型的选择等，解决了一些在线检测中的关键技术问题，为柑橘内部品质的实时无损检测提供了理论指导和参考依据。

引言

大多数近红外光谱^[1-5]仪所带的光谱分析软件功能千差万别，并且这些软件大多只适合静态实验室离线分析使用，没有成熟的在线检测分析控制软件。本文设计的“近红外光谱柑橘内部品质在线检测软件系统^[6]基于所设计的检测试验台和在线检测的要求，力图实现在线检测的要求，实现在线检测光谱采集^[7]、实时光谱预处理^[8]、模型算法^[9]选择多样性、内部品质指标预测准确性、软件系统易维护性和用户使用操作方便性等特点，为近红外光谱柑橘内部品质检测提供快速、准确的品质检测手段。

采用面向对象Visual C++^[10-12]编程技术，向量、矩阵运算的封装技术，结构化存储与复合文档技术等，设计并开发了近红外光谱柑橘内部品质在线检测软件系统。该系统由实时光谱文件管理、实时光谱显示、实时光谱信号处理(预处理)、实时光谱校正模型的选择与管理、未知样品糖酸度预测及等级评价五大功能模块构成。实现多种光谱仪器光谱格式兼容性和光谱分析功能多样性，具有建模算法选择较多、内部品质指标预测较准、软件系统易维护容易、用户使用操作方便等特点，为柑橘内部品质在线检测提供了很好的技术支持。

1 系统目标

基于所设计的试验台建立适合于近红外光谱内部品质在线检测软件系统、实现在线检测光谱采集、实时光谱预处理、模型算法选择多样性、内部品质指标预测准确性、软件系统易维护性和用户使用操作方便性等特点，为近红外光谱柑橘内部品质检测提供快速、准确的品质检测手段。

2 系统功能

根据上述系统目标，近红外光谱柑橘内部品质在线检测软件系统的功能结构包括光谱文件管理、实时信息单元、实时控制单元、数据处理单元、评价决策单元和数据库单元等。如图1所示。

2.1 实时光谱文件管理

该模块主要实现光谱数据、试验台硬件参数数据和检测与评价结果数据的存储和格式转换。为了实现数据共享，系统对多家光谱仪的光谱格式兼容，方便光谱数据的储存和相互转换。

2.2 实时显示

实时显示主要包括光谱数据、在线检测参数和检测评价结果的实时显示。光谱数据既可以通过表格化以数字形式显示，方便查询被测样品某一波长点下的吸光度数值，又可以通过以图形化谱的图形式显示，直观地反映了谱图的变化情况;既可以显示单个样品的谱图，又可以显示多个样品的谱图，便于检查出谱图异常的样品及观察光谱曲线中噪声严重的谱区。在线参数的显示主要反映实时检测速度和光照强度，便于检测中根据样品谱图的情况通过软件调整修改参数，检测评价的结果也要相应地显示出来。

2.3 光谱信号的实时处理

光谱信号处理也称为光谱预处理，是提高校正模型的适应性和稳定性的必要措施，也是提高未测样品糖酸度预测精度的有力保证。软件可以对原始光谱信号进行实时的预处理，其中包括对光谱信号的坐标变换(横轴的波长、波数等单位变换，纵轴的吸光度、透过率、反射率等单位变换)、光谱信号的代数运算(加、减、乘、除常数，如中心化与标准化处理)、光谱信号的平滑、光谱信号的微分(一阶和二阶微分)和高频噪声滤除(平滑去卷积和傅立叶变换)。

2.4 实时光谱预测模型的选择和管理

近红外光谱柑橘糖酸度在线实时检测的一般流程通常分为两部分：模型选择与基于该模型成分预测和预测模型库的维护。在检测开始之前，首先要选取适宜的预测模型来对被测柑橘的成分进行预测。因此，我们筛选出多元线性回归模型MLR^[13]，主成分回归PCR^[14]和偏最小二乘法PLS^[15]等多种软件系统，贮存于软件模型库，用户可以针对不同的水果样品和不同的预测成分，根据预备的实验结果选择适宜的模型进行运算预测。另外，模型库内模型的维护和内部模型的不断改进是决定软件对柑橘种类和内部成分种类适应能力的基础。

2.5 未知柑橘样品内部品质的实时预测

未知柑橘样品内部品质在线预测的流程图如图2所示，其包括的主要环节有：软件参数选择、硬件参数选择、实时光谱采集和预处理以及糖酸度预测和显示。

3 系统实现

Visual C++是美国微软(Microsoft)公司推出的Win32可视化C++开发环境，它是面向对象的可视化集成编程系统。