不同堆积密度及含有外来物质棉花的光学特性及其在杂质检测中的应用

《IEEE Transactions on AgriFood Electronics》：Optical Properties of Cotton With Different Bulk Densities and Foreign Materials for Impurity Detection

　　

摘要：外来杂质严重降低棉花品质，因此需要鲁棒的光学检测方法。本研究利用双积分球系统，对400–2400 nm范围内不同容重的棉花及四种典型外来杂质（包括农膜、棉杆、绿叶和棉籽壳）的光学特性进行了测量，并通过反演加双算法推导出吸收系数（μa）、约化散射系数（μs′）和散射各向异性因子（g）。液体仿体验证结果表明，μa的平均相对误差为21.00%，μs′为10.86%，在400–1100 nm范围内误差更低（μa为15.50%，μs′为8.26%），证明了后续分析的可靠性。Pearson相关性分析显示，棉花容重与μa和μs′呈正相关，与g呈负相关。在1000 nm处，棉花容重对水分检测影响极小，因此μa适用于棉花水分评估。随机蛙选波段法（RFrog）和变量组合群体分析（VCPA）筛选的特征波段集中在色素吸收区、结构散射区、水分及纤维素相关吸收区以及聚合物特征吸收区（μa：401.3–669.1 nm、1244.4–1651.4 nm及2005.9 nm；μs′：724.9–801.2 nm；g：429.4 nm及1572.7–1835.0 nm）。随机森林（RF）分类结果表明，μs′在单项光学参数中提供了最强的区分能力。VCPA拼接模型仅用10个选定波长即达到了100%的分类准确率，表明在大幅降维的同时仍可保留关键判别信息。这些结果为棉花中外来杂质的光学检测提供了理论依据和实践指导。