1.基于可见光、太赫兹融合光谱技术的叶菜类蔬菜叶片重金属镉的检测装置,其特征在于,包括透射型太赫兹时域光谱系统装置、可见光图像采集装置、电控样品台装置;
所述透射型太赫兹时域光谱系统装置包括太赫兹发射器(4)、太赫兹探测器(7)、离轴抛物面镜(3);所述太赫兹发射器(4)发出的光经过离轴抛物面镜(3)的反射、电控样品台装置的透射后能够被太赫兹探测器(7)接收到;
所述可见光图像采集装置能够采集到电控样品台装置上的样品的可见光光谱数据;
所述电控样品台装置能够在所述透射型太赫兹时域光谱系统装置与所述可见光图像采集装置之间自动切换移动;
所述太赫兹探测器(7)接收的太赫兹光谱数据与所述可见光图像采集装置采集的可见光光谱数据送给计算机(21)进行分析处理得到蔬菜叶片重金属镉的含量。
2.根据权利要求1所述的基于可见光、太赫兹融合光谱技术的叶菜类蔬菜叶片重金属镉的检测装置,其特征在于,所述电控样品台(5)为可伸缩结构;所述电控样品台(5)由所述计算机(21)发出控制信息给步进电机,所述步进电机的转动能够带动所述电控样品台(5)的伸缩平移;在采集太赫兹光谱数据时,计算机(21)控制步进电机转动并带动电控样品台(5)平移至所述透射型太赫兹时域光谱系统装置中;在采集可见光光谱数据时,计算机(21)控制步进电机转动并带动电控样品台(5)平移至所述可见光图像采集装置下面。
3.根据权利要求1所述的基于可见光、太赫兹融合光谱技术的叶菜类蔬菜叶片重金属镉的检测装置,其特征在于,在采集太赫兹光谱数据时,所述电控样品台(5)位于所述透射型太赫兹时域光谱系统装置的中间,所述电控样品台(5)的上面为太赫兹发射器(4)和离轴抛物面镜(3)、下面为太赫兹探测器(7)和离轴抛物面镜(3),所述太赫兹发射器(4)发出的光经所述电控样品台(5)上面的离轴抛物面镜(3)反射后照到所述电控样品台(5)上,所述电控样品台(5)透射的太赫兹光经所述电控样品台(5)下面的离轴抛物面镜(3)反射后被所述太赫兹探测器(7)接收。
4.根据权利要求1所述的基于可见光、太赫兹融合光谱技术的叶菜类蔬菜叶片重金属镉的检测装置,其特征在于,所述可见光图像采集装置位于电控检测摇臂(10)上;所述电控检测摇臂(10)在所述计算机(21)的控制下能够自动旋转。
5.根据权利要求4所述的基于可见光、太赫兹融合光谱技术的叶菜类蔬菜叶片重金属镉的检测装置,其特征在于,还包括支撑装置;所述支撑装置包括支架(2)、金属板(1);所述透射型太赫兹时域光谱系统装置通过所述支架(2)固定在所述金属板(1)上;所述电控样品台装置的一端固定在所述金属板(1)上。
6.根据权利要求5所述的基于可见光、太赫兹融合光谱技术的叶菜类蔬菜叶片重金属镉的检测装置,其特征在于,还包括仪器台架(14);所述金属板(1)固定在所述仪器台架(14)上,所述电控检测摇臂(10)固定在所述仪器台架(14)上。
7.根据权利要求6所述的基于可见光、太赫兹融合光谱技术的叶菜类蔬菜叶片重金属镉的检测装置,其特征在于,还包括遮光罩(13)和光源装置;所述遮光罩(13)将所述透射型太赫兹时域光谱系统装置、可见光图像采集装置、电控样品台装置、电控检测摇臂(10)、支撑装置以及光源装置全部罩在所述仪器台架(14)上面;所述光源装置通过电控光源摇臂(12)固定在所述仪器台架(14)上;所述电控光源摇臂(12)在所述计算机(21)的控制下能够自动旋转。
8.根据权利要求6所述的基于可见光、太赫兹融合光谱技术的叶菜类蔬菜叶片重金属镉的检测装置,其特征在于,所述仪器台架(14)上设有控制模块(16)、测量模块(15)、模式切换键(17);所述控制模块(16)、测量模块(15)以及所述模式切换键(17)均与所述计算机(21)相连;当样品的太赫兹光谱和可见光光谱被采集后,所述测量模块(15)分别对太赫兹探测器(7)和图像采集装置输出的信号处理之后送给计算机(21);在可见光光谱采集时,所述控制模块(16)接收计算机(21)的指令,并发出控制信号给步进电机,所述步进电机的转动能够带动所述电控检测摇臂(10)转动以及电控光源摇臂(12)转动,使得可见光图像采集装置镜头正对的方向与光源方向的交点位于电控样品台(5)的中心位置;所述模式切换键(17)在计算机指令控制下实现触发步进电机转动,进而带动电控样品台伸缩平移,使得电控样品台(5)位于相应光谱采集模式下的位置。
9.基于可见光、太赫兹融合光谱技术的叶菜类蔬菜叶片重金属镉的检测方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、进行蔬菜样本的盆土栽培,试验土壤为未受污染的营养土,采用筛网将土壤筛去杂质成细粒状,并保持土壤干燥通风,在土壤中分别加入不同水平的镉,准确称取对应质量的CdCl2·2.5H2O分析纯试剂,以蒸馏水溶剂配置溶液;对应逐层喷洒在试验土壤中,充分翻土混合,并放入花盆中进行蔬菜样本的培育;待莲座期时,针对不同水平的镉胁迫,摘取相同数量中间位置的叶片,剔除新老叶,装入不同的密封塑料袋中贴上标签,立即进行光谱采集;
S2、对样品进行前期清洗处理,然后对遮光罩内的空气进行干燥处理,以保证样品周围的相对湿度小于5%;再将处理后的样品放置于电控样品台上;
S3、利用模式转换键(17)将电控样品台(5)平移到可见光光谱采集模式下;通过计算机(21)调整电控检测摇臂(10)、电控光源摇臂(12)转动,使可见光图像摄像仪(9)的镜头正对方向、卤素灯光源(11)照射方向的延长线交点位于样品的中心处;黑白场标定后,采集样品的可见光光谱信息;再次利用模式转换键(17)将电控样品台(5)平移到太赫兹光谱采集模式下,使样品位于两个离轴抛物面镜(3)的中间位置,即与两离轴抛物面镜(3)的中点在同一条竖直线上;黑白场标定后,采集样品的太赫兹光谱信息;
S4、用研磨机将样品进行粉碎,采用石墨炉原子吸收光谱法测定样品中的镉含量;通过相关性分析确定样品中的镉含量与试验中加入的镉胁迫程度之间是否成正相关性,并将测得的镉含量值用于叶片镉含量定量回归模型的因变量;
S5、对步骤S3中获取的可见光光谱进行分析,利用竞争性自适应重加权采样法对可见光光谱进行特征波段选择,以优选出对重金属镉不同含量区分度最大的特征波段;
S6、对步骤S3中获取的太赫兹光谱信息进行分析,所述太赫兹光谱信息包括透过率、反射率、位相差、吸光度、吸收系数、折射率;通过太赫兹透过率和相位的变化,结合密度泛函理论计算,进行分子结构和振动模式的分析,建立太赫兹谱图并进行分析,研宄受不同水平镉胁迫的叶片太赫兹光谱吸收系数、折射率特征的变化规律;对太赫兹光谱进行特征频段选择,利用迭代保留信息变量法,结合太赫兹光谱频段内叶片中重金属镉的吸收峰,实现太赫兹光谱有效频段内的特征频段选择;
S7、从光谱特征融合的角度,将优选的可见光特征波段光谱信息与太赫兹特征频段的光谱信息进行特征层面的融合;利用最小二乘支持向量回归法建立叶片重金属镉含量的定量回归模型,并采用灰狼优化算法对最小二乘支持向量回归机中的参数进行优化建模,最后根据模型评价指标对叶菜类蔬菜叶片中的镉含量水平进行综合评价。
10.根据权利要求9所述的基于可见光、太赫兹融合光谱技术的叶菜类蔬菜叶片重金属镉的检测方法,其特征在于,所述步骤S7还包括:
建立叶片重金属镉含量的定量回归模型之前,采用随机森林算法检测并剔除异常样品,然后通过SPXY样本划分法选取样本集,以便提高模型的准确性及预测精度;所建模型的评价指标为决定系数和均方根误差,计算公式如下:公式中,n为样品数量,yi为第i个样品的化学测量值,为第i个样品的预测值,为样品化学测量值的平均值。