СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ПЛОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК B07C5/342 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано в системе автоматической сортировки по качеству плодоовощной продукции, преимущественно яблок и томатов.

Известны способы анализа качественного состояния плодов, основанные на облучении их излучением сложного спектрального состава (0,2-2,2 мкм) и измерении амплитуды отраженного от их поверхности сигнала в одном или нескольких диапазонах длин волн ( U_λi , ... , U_λn ). Определенная таким образом цветовая или спектрометрическая характеристика, представляющая определенное сочетание значений коэффициентов отражения на выбранных длинах волн (или диапазоне длин волн), сравнивается с аналогичной характеристикой здорового плода, и в зависимости от степени и характера расхождений судят о виде и степени дефектности плода.

При этом используются цветовая характеристика , абсолютные величины коэффициентов отражений , их производные , отношение или разность . Данные способы позволяют обнаружить дефектные участки, резко отличающиеся от здоровой ткани как по цвету, так и по химическому составу, например гниль, потемневший ушиб.

При этом точность классификации очень низка, - ни один из известных способов не позволяет отличить темноокрашенные дефекты друг от друга (гниль от ушиба или парши), здоровую светлоокрашенную ткань от свежих механических повреждений типа пореза, сдира или прокола.

Известны способы многопараметрической классификации дефектов на поверхности яблок, позволяющие распознавать несколько типов показателей качества (паршу, повреждения вредителями, ушибы). Способы основаны на поточечной фиксации яркости освещенности поверхности плода с последующим анализом текстуры или других признаков изображения методами распознавания образов .

Реализация этих методов требует большой вычислительной мощности ЭВМ и значительного времени для обработки данных, при этом точность обнаружения свежих механических повреждений, не связанных с изменением цвета поверхности, очень низка. Тем не менее, повышенная склонность плодов с такими повреждениями к загниванию требует тщательного отбора дефектных яблок, особенно при закладке на длительное хранение.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения механических повреждений на плодах, включающий измерение отраженного светового потока в диапазоне длин волн 0,7-0,9 мкм ( ρ_λi ) и 1,15 - 1,9 мкм (ρ_λ2 ), установление отношения измеренных величин ρ_λ1 / ρ_λ2 и сравнение полученного значения с отношением для неповрежденной поверхности, причем если полученное отношение больше отношений для неповрежденных участков, то обнаружен ушиб, если меньше, - порез .

Данный способ имеет низкую точность обнаружения порезов, т.к. благодаря кутикулярному слою, покрывающему плод, отраженный световой поток имеет зеркальную составляющую, имеющую аналогичное с порезом отношение ρ_λ1 / ρ_λ2 , что приводит к ошибочному результату при анализе качества. Этот способ применим только в случае свежих порезов, т.к. по мере потемнения среза вследствие окисления ткани плода отношение ρ_λ1 / ρ_λ2 приобретает вид, соответствующий неповрежденной поверхности или ушибу. Поскольку потемнение открытой ткани происходит в течение часа после нанесения повреждения, способ неприменим для практического использования.

Известны устройства анализа качества яблок, содержащие источник излучения сложного спектрального состава, формирователь падающего и отраженного потоков, блок анализа амплитуды отраженного от объекта оптического излучения .

Недостатком данных устройств является низкая точность обнаружения механических повреждений ткани плода, таких как сдир, прокол, порез.

С другой стороны, при реализации способов, основанных на измерении интенсивности рассеянного излучения к качеству освещения, предъявляются жесткие требования. Это должен быть полностью диффузно-рассеянный, стабильный во времени и равномерный по полю зрения системы контроля поток, что требует дополнительных затрат на выполнение технически сложной системы освещения.

Целью изобретения является повышение точности анализа при определении качества плодов.

Для достижения указанной цели согласно способу определения качества плодов, включающему освещение поверхности плодов оптическим излучением, измерение параметров рассеянного излучения и определение качества по результатам измерения, освещение проводят когерентным, линейно-поляризованным оптическим излучением, формируют интерференционную картину, измеряют максимальное I_max и минимальное I_minзначения интенсивностей интерференционной картины отраженного излучения и определяют качество плодов путем сравнения величин I_max, I_min и нормированной корреляционной функции γ = с соответствующими величинами для бездефектной поверхности плода.

Сравнение заявляемого способа с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что в качестве источника освещения используют когерентное, линейно-поляризованное оптическое излучение, формируют интерференционную картину и производят измерение корреляционной функции отраженного от объекта излучения.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого способа не только с прототипом, но и с другими известными способами не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Устройство для реализации этого способа содержит источник излучения, формирователи падающего и отраженного потоков, блок анализа интенсивности отраженного от объекта оптического излучения, фотоприемный модуль и выделитель признаков, при этом используется источник когерентного линейно-поляризованного излучения, для формирования падающего излучения устройство имеет Фурье-фильтр и ограничительную диаграмму, для формирования и анализа отраженного излучения - проекционный объектив и поляризационный интерферометр, при этом диафрагма и Фурье-фильтр установлены на общей оптической оси с источником излучения, а проекционный объектив и светосильный, например поляризационный, интерферометр - между объектом и фотометрическим модулем.

Сравнение заявляемого устройства с аналогами и прототипом показывает, что заявляемое техническое решение отличается от известного тем, что в качестве источника излучения используется источник когерентного, линейно-поляризованного излучения, устройство снабжено диафрагмой и Фурье-фильтром, расположенными на общей оптической оси с источником излучения, а также проекционным объективом и светосильным, например поляризационным, интерферометром, расположенными между объектом и фотоприемным модулем.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

Сравнение с известными техническими решениями в данной области не позволило выявить в них признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого решения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Излучение, отраженное от плода, рассеивается. Дефекты на поверхности яблока создают пространственные неоднородности, которые приводят к изменению амплитудных и фазовых свойств отраженного излучения.

При взаимодействии с диффузной поверхностью когерентное излучение частично теряет свою фазовую упорядоченность, т.е. степень корреляции фотонного коллектива. Чем больше дефект отличается по своей структуре от неповрежденной поверхности, тем сильнее изменяется корреляционная функция отраженного света.

На практике корреляционную функцию можно определить с помощью контрастности интерференционных полос, измеряя максимальное I_max и минимальное I_min значения интенсивностей интерференционной картины и определяя значение нормированной корреляционной функции
γ_н = (I_max - I_min)/(I_max + I_min).

Таким образом, об изменении поверхностной структуры плода можно судить по изменению степени когерентности зондирующего излучения. При этом измеряемая величина - контраст интерференционных полос не зависит от интенсивности рассеянного излучения, что очень важно при анализе таких объектов, как сельскохозяйственная продукция, имеющая различную форму, размер и окраску. На нее не влияют зеркальные отражения и макронеровность исследуемой поверхности.

Сочные ткани плодов яблони защищены покровными тканями - кожицей и кутикулой, структура и целостность которых однозначно определяют качество яблока, его дальнейшую пригодность к хранению и реализации.

Измерениями установлено, что свет, отраженный качественной поверхностью плода, имеет самую высокую корреляционную функцию γ_н , а свет, отраженный от сдира или прокола, т.е. от повреждений с нарушением целостности покровных тканей, почти полностью теряет свою фазовую упорядоченность.

Зная корреляционную функцию отраженного от объекта потока, можно судить о степени целостности поверхности плода. Используя также параметр интенсивности (амплитуда) отраженного излучения и сравнивая ее с опорным значением для бездефектной поверхности, можно судить о степени окисления ткани. Комбинируя полученные таким образом данные измерения амплитудных и фазовых характеристик отраженного излучения I_max, I_min, γ_н и сравнивая их с опорными значениями для здорового плода I_max.оп.; I_min.оп.; γ_н.on , определяют тип дефекта и качество плода.

Так, например, наличие сильного ушиба с потемнением прилегающего слоя мякоти вызывает 15-20% уменьшения амплитуды и 1,5-3-кратное падение корреляционной функции. Более сильное изменение корреляционной функции без вариации амплитуды соответствует свежим повреждениям кожицы типа сдира, прокола или пореза и т.д. (таблица).

Графическая интерпретация данных измерения показателей качества в координатах абсолютных величин γ_н, I_min, (I_max) представлена на фиг. 1, на фиг. 2 - схема устройства для осуществления способа.

Исходя из требований, предъявляемых к продукции, показатели качества, характеризующиеся низкими значениями I_min(I_max) - менее 124,8 (380) мВ, относятся к абсолютному браку (область I, фиг. 1).

Показатели, определяющиеся величиной γ_н ˙ 10² до 19,0 и значениями I_min (I_max) более 124,0 (380) мВ, относятся к повреждениям, допустимым только в продукции, идущей на немедленную пеpеработку (область II).

Неповрежденная, здоровая поверхность отличается максимальными значениями корреляционной функции ( γ_н˙10²>34,0) и амплитуды (I_min(I_max) > 146,6 (453 мВ).

Промежуточная область III относится к повреждениям, определяющим качество плодов в зависимости от их суммарной площади.

В зависимости от целей и задач сортирования можно использовать алгоритм, позволяющий определять не только область категории качества, но и выделить конкретный тип повреждений.

Предлагаемый способ, основанный на использовании не только амплитудных, но и фазовых свойств света, позволяет с высокой точностью определить механические повреждения кожицы плода, определить по степени деструкции и окисления ткани плода тип дефекта и его качественное состояние. Причем на точность обнаружения повреждений, нарушающих структуру поверхности, не влияет степень заживления или окисления дефекта.

Благодаря своей высокой чувствительности способ позволяет обеспечить необходимую для практики точность обнаружения дефектов.

Устройство для осуществления предлагаемого способа состоит из источника 1 когерентного излучения, на оптической оси которого установлены Фурье-фильтр 2, ограничивающая диафрагма 3 и оптико-механическое устройство 4 для сканирования луча по поверхности плода. На оптической оси между объектом 5 и фотоприемными устройствами 14 и 15 последовательно установлены проекционный объектив 6, поляризационный интерферометр 7, щелевые диафрагмы 8, 9, линзы 10, 11 и волоконные световоды 12, 13. Два фотоприемных устройства электрически связаны через усилительные устройства 16, 17 с выделителем 18 признаков (фиг. 2).

Способ осуществляется следующим образом.

Поток когерентного, линейно-поляризованного излучения проходит через Фурье-фильтр 2, где происходят его пространственная фильтрация и формирование необходимой плотности потока. Ограничивающая диафрагма 3 вырезает равномерную по плотности часть потока заданного диаметра d_n ≅ 1 мм. Коллимированное и выравненное по плотности излучение посредством оптико-механического сканирующего устройства 4 направляется на поверхность яблока. Рассеянный от плода поток, несущий информацию о его поверхностной структуре, объективом 6 проецируется на апертурную диафрагму поляризационного интерферометра 7, который создает характерную интерференционную картину чередующихся светлых и темных полос, контрастность которых измеряется с помощью фотоприемного модуля, состоящего из двух щелевых диафрагм 8, 9, расположенных в максимуме и минимуме интерференционной картины. Прошедшее сквозь щели излучение фокусируется согласующими линзами 10, 11 на входные зрачки волоконных световодов 12, 13. Выходы световодов оптически сопряжены с линейными фотоприемниками 14, 15. Усиленные устройствами 16, 17 сигналы поступают в выделитель 18 признаков, где осуществляются операции вычисления корреляционной функции
γ_н = и сравнения измеренных параметров I_max, I_min, γ_н c наперед заданными значениями для неповрежденной поверхности.

Предлагаемый способ и устройство позволяют упростить измерения и существенно повысить точность определения качества поверхности плодов.

Измерение корреляционной функции отраженного излучения позволяет надежно классифицировать такие дефекты, как механические повреждения кожицы, независимо от времени, прошедшего с момента нанесения повреждения. При этом значение корреляционной функции не зависит от амплитуды детектируемого сигнала, а определяется лишь структурой поверхности, следовательно, точность измерения не зависит от формы, калибра и помологической окраски плода.

Использование: в сельском хозяйстве, в частности, в технике сортирования плодов по качеству. Сущность изобретения: способ определения качества плодов предусматривает освещение плодов и анализ отраженного светового потока. Освещение осуществляют когерентным линейно-поляризованным излучением, формируют интерференционную картину, измеряют максимальное J_max и минимальное J_min значения интенсивностей интерференционной картины. Определяют качество плода путем сравнения величины J_max,J_min и корреляционной функции γ = (J_max-J_min)/(J_max +J_min) с соответствующими величинами для бездефектной поверхности плода. Устройство содержит источник когерентного линейно-поляризованного излучения, блоки формирования падающего и отраженного потоков, фотоприемный модуль и выделитель признаков, Фурье-фильтр и ограничительную диафрагму для формирования подающего потока, и проекционный объектив со светосильным, например поляризационным, интерферометром для формирования отраженного потока и измерения его корреляционной функции. 2 с.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ определения качества плодов, предусматривающий облучение исследуемого объекта, измерение параметров отраженного излучения с последующим сравнением значений измеренных параметров со значениями опорных параметров с последующим определением качества в зависимости от результатов сравнения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, облучение исследуемого объекта осуществляют когерентным линейно-поляризованным излучением, причем в качестве параметров отраженного излучения используют амплитудные и фазовые характеристики отраженного излучения, при этом по величине рассогласования последних с соответствующими опорными значениями этих параметров для бездефектной поверхности устанавливают тип дефекта. 2.Устройство для определения качества плодов, содержащее источник излучения, формирователи падающего и отраженного потоков излучения, блок анализа интенсивности отраженного от объекта оптического излучения, фотоприемный модуль и выделитель признаков, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно дополнительно снабжено Фурье-фильтром с ограничительной диафрагмой и проекционным объектом с поляризационным интерферометром, при этом пара последних расположена между объектом и фотометрическим модулем, Фурье-фильтр и ограничительная диафрагма последовательно установлены на общей оптической оси с источником излучения, представляющим собой источник когерентного линейно-поляризованного излучения.