УДК 631.362.36:634.11
ЛАЗЕРНАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПЛОДОВ
О.Н. Будаговская, А.В. Будаговский
Проведено теоретическое и экспериментальное обоснование нового оптического метода неразрушающей диагностики товарного качества и спелости плодов. Исследованы фазовые параметры светорассеяния лазерного излучения поверхностью различных фруктов и овощей. Выявлена зависимость степени пространственной когерентности от механических дефектов и твердости тканей. Метод может использоваться для количественной оценки структурной однородности поверхности биологических организмов и динамики ее изменения в процессе жизнедеятельности или под действием внутренних и внешних факторов. Это позволяет создавать новые технические средства неразрушающей дефектоскопии плодов, анализа их зрелости и оптимизации режимов хранения.
Ключевые слова: лазер, степень пространственной когерентности, дефекты поверхности, зрелость, микроструктура, фрукты, овощи.
ВВЕДЕНИЕ
Идентификация структуры (текстуры) тканей является ключевой проблемой при оценке качества и степени зрелости плодов и овощей, что в конечном счете влияет на рентабельность товарного производства и хранения сельскохозяйственной продукции [1]. Для решения этой проблемы, как правило, применяют разрушающие методы, основанные на визуализации анатомических особенностей с помощью микроскопов [2, 3] или анализе акустических, электрофизических, механических свойств покровных и па-ренхимных тканей [4—7] (например, определяют твердость мякоти с помощью пенетрометров [7, 8]). Недостатками таких методов являются высокая трудоемкость, деструктивный характер измерений, принципиальная невозможность определения микроструктурной однородности материала и скорости ее изменения. Затруднительно их использовать и для выявления небольших поверхностных дефектов. Оптические неинвазивные методы на базе цветовых, спектрозональных или люминесцентных характеристик [8—13] регистрируют модификацию биохимического состава тканей, поэтому они малоэффективны, если структурные изменения не сопровождаются существенными и однозначными биохимическими процессами.
Цель данной работы — оценка возможности использования корреляционных параметров светорассеяния лазерного излучения для регистрации структурных перестроек тканей без существенного влияния на жизнедеятельность плодов.
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Лазерное излучение после взаимодействия с растительными тканями можно рассматривать как случайное волновое поле. Для его описания используют статистические методы когерентной оптики [14]. В этом случае растительная ткань представляется в виде фазового экрана с распределенными случайным образом по его поверхности и объему оптическими не-однородностями. Нарушение пространственной упорядоченности волнового фронта электромагнитной волны при рассеянии на неоднородностях
Ольга Николаевна Будаговская, доктор техн. наук, ведущий сотрудник ФГБНУ "Всероссийский научно-исследовательский институт садоводства им. И.В. Мичурина" (г. Мичуринск Тамбовской обл.). Тел. (8-47545) 2-07-61 (сл.), 89158700045. E-mail: budagovsky@mail.ru
Андрей Валентинович Будаговский, доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник ФГБНУ "Всероссийский научно-исследовательский институт генетики и селекции плодовых растений им. И.В. Мичурина" (г. Мичуринск Тамбовской обл.). Тел. 89107516574. E-mail: budagovsky@mail.ru
такого экрана вызвано неодинаковым набегом фаз из-за различий длины оптического пути световых лучей. Поэтому степень пространственной когерентности рассеянного светового пучка будет зависеть от функции распределения неоднородностей экрана. Аналитическую оценку этой зависимости проведем для стационарного случая, то есть в предположении, что функция распределения неоднородностей объекта не меняется со временем (по крайней мере, в процессе проведения измерений). Тогда двумерное распределение вероятностей стационарного процесса определяется только разностью времен t2 - t} и не зависит от начала отсчета времени t0, а одномерное распределение вообще не зависит от времени. В соответствии с теоремой Винера—Хинчина [15] приведенная корреляционная функция стационарного случайного процесса y(s) и его спектральная плотность связаны фурье-преобразованием, что для одномерного случая можно представить как
+да
y(s)= J g (V)e'YdV, (1)
— да
где s = r2 - r1 — расстояние между двумя точками волнового фронта; g(y) — спектр распределения разности фаз у = ф(г + s, z) - ф (r, z) в поперечной плоскости рассеянного пучка.
Функция распределения разности фаз g(y) зависит от характера светорассеяния лазерного излучения, определяемого типом неоднородностей объекта и схемой наблюдения рассеянного излучения (отраженный или проходящий пучок). Для отраженного от растительного объекта лазерного пучка светорассеяние будет в основном вызвано неоднородностями микрорельефа поверхности и двух-трех примыкающих к ней клеточных слоев. Для проходящего пучка светорассеяние в основном происходит на неоднородностях в объеме. Наиболее значимыми с этой точки зрения являются элементы растительной ткани, имеющие коэффициент преломления, существенно отличающийся от цитоплазмы (1,36—1,42), а именно: клеточные стенки (1,59—1,61), зерна крахмала (1,56), хлоропласты (1,58), воздушные пузырьки в цитоплазме и межклеточном пространстве (1,0) [16]. Видовой состав и размеры этих неод-нородностей будут существенно различаться в зависимости от типа клеточной ткани, вовлеченной в процесс светорассеяния. Но в любом случае нарушение когерентности рассеянного лазерного пучка будет вызвано неодинаковым набегом фаз из-за различия в длине оптического пути. Поэтому для теоретического рассмотрения процесса светорассеяния лазерного излучения поверхностью плодов используем модель стационарного фазового экрана в виде случайно распределенных по поверхности столбиков вещества с некоторым постоянным коэффициентом преломления (n = const), шириной a и различной длины l.
В одномерном случае, при изотропном поле и одинаковой ширине ступенек фазового экрана, пространственная корреляционная функция рассеянного лазерного пучка определяется как [17, 18]
+да
у (s) = 1- s/a + s/a Jo(l) e'^dl, (2)
—да
где p = k(n - 1), к = 2л;Л, — волновое число падающего на экран света; n — показатель преломления материала экрана; Q,(l) — функция распределения столбиков фазового экрана по длине.
Априори предполагаем, что распределение Q,(l) имеет гауссовый характер, то есть Q(l) = Q0exp(-l 2/2а2) (а2 — дисперсия флуктуаций размеров не-однородностей). Данный выбор является логическим следствием следующих рассуждений. Микрорельеф поверхности плодов и листьев, а также их внутриклеточные и межклеточные неоднородности можно представить
в виде статистической суперпозиции гармоник, имеющих различные пространственные периоды и амплитуды. Известная в теории вероятностей центральная предельная теорема (закон распределения суммы случайных величин неограниченно приближается к нормальному закону) имеет аналог в теории линейной фильтрации, а именно: произведение п ограниченных по полосе пространственно-частотных характеристик отдельных звеньев линейной системы стремится к гауссовой форме, когда п становится большим (практически при п > 4 достигается весьма точная аппроксимация). К гаус-совому (нормальному) типу распределения прибегают также в тех случаях, когда вид случайной функции неизвестен.
Основным свойством гауссовой функции является то, что при ее фурье-преобразовании также получается гауссова функция. Это позволяет определить зависимость корреляционных функций от разности хода 5 интерферирующих лучей только на базе ориентировочных оценок поперечного сечения а. типовых неоднородностей растительной ткани. Во избежание слишком низких значений степени пространственной когерентности (СПК) лазерного пучка, рассеянного поверхностью фруктов и овощей, и учитывая клеточную природу фазовых неоднородностей, необходимо обеспечить разность хода 5 не более 100 мкм (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость изменения СПК от разности хода 5: А — нерассеянный лазерный пучок; В — а = 80; С — а = 30 мкм.
Для реализации измерений СПК светорассеяния при столь малой разности хода с соблюдением условий достаточной виброустойчивости и светосилы целесообразно использовать поляризационный интерферометр сдвига [14, 19]. С его помощью можно получить интерференционную картину, состоящую из прямых, равноотстоящих полос, контраст которых прямо пропорционален степени пространственной когерентности измеряемого потока (рис. 2).
а б в
Рис. 2. Типовые интерференционные картины при высокой (а), средней (б) и низкой (в) степени пространственной когерентности измеряемого излучения.
5 Дефектоскопия, № 4, 2015
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Методика проведения исследования
Для исследования специфики светорассеяния лазерного излучения растительными тканями различного качества использовали плоды яблони (Malus sp.), груши (Purus sp.), томата (Lycopersicum esculentum), абрикоса (Armeniaca vulgaris), моркови (Daucus carota), кабачка (Cucurbita pepo), сливы (Prunus sp.), вишни (Cerasus sp.), апельсина (Citrus sinensis), картофеля (Solanum tuberosum). Твердость плодов определяли с помощью пенетрометра Fruit Pressure Tester FT327 (Италия) с плунжером диаметром 11 мм.
Неинвазивную оценку структурных перестроек растительных тканей осуществляли с помощью портативного поляризационного интерферометра с системой определения контраста интерференционных полос авторской разработки [20]. Аппаратурная реализация измерений (рис. 3) заключалась в регистрации с помощью цифровой видеокамеры контраста интерференционной картины, который при равенстве интенсивностей интерферирующих пучков равен СПК.
I
1 L1
D2 a ' 1
! i 1 '1
i : /
L2
J ч^
í Ш 1 =>"! щ ля \ II
5
6
Рис. 3. Схема экспериментальной установки (пояснения в тексте).
4
Излучение одномодового гелий-неонового лазера 1 (длина волны 632,8 нм) направляли на объектив-коллиматор L1, L2 с фурье-фильтром D1 и апертурной диафрагмой D2. Фурье-фильтрацию, устраняющую дифракционные помехи в оптическом тракте (рис. 4), реализовали с помощью линзы с фокусным рас
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.