牛奶成分近红外测量的光学基础理论与实验研究

本文将组织光学的方法引入牛奶成分浓度测量,对光与牛奶成分相互作用的机理及牛奶的光学特性进行了深入研究。相对于单一采用“黑匣子”方法的近红外光谱法,组织光学方法的应用是开始从“内部”看问题,为牛奶成分测量提供了新的研究方法和手段。 本文以组织光学的研究为核心,以牛奶等浑浊介质为研究对象,深入探讨了组织光学在牛奶中成分检测的理论和应用,采取理论分析、计算机模拟与实验研究相结合的方法,完成了包括光与浑浊介质相互作用理论研究、实验方法分析与比较、数据处理方法的优化选择、牛奶中成分的光学参数与浓度的关系研究、牛奶成分浓度变化与光分布变化关系研究、牛奶成分反射和透射测量方式下的不同解决方案及对比等工作。具体内容包括: 1.研究了光与浑浊介质的相互作用相关理论。介绍了Boltzmann传输方程及其近似理论,对稳态漫射方程的成立条件和漫射近似解的成立条件进行了分析。同时,详细介绍了应用于求解组织光学逆问题的倍增法,系统描述了其基本概念和相关理论。 2.研究了Henyey-Greenstein和Mie散射相位函数对浑浊介质光学特性参数测量的影响。蒙特卡罗模拟发现,两种相位函数在单次散射角分布上有较大差异,但经过多次散射后,这种差异会大大减弱,影响减小。 3.完成了实验系统准备,设计了相关实验装置,进行了实验方法比较及数据处理方法的比较。设计了实验系统,给出了详细误差分析。利用不同实验方法测得组织模拟液光学参数,以之进行蒙特卡罗模拟,并与漫反射测量结果进行比较,得到:积分球测量方法更准确、方便,并选择作为实验的主要方法。对用于积分球测量数据处理的逆倍增法(IAD)和逆蒙特卡罗(IMC)处理方法进行了模拟比较,提出了IAD与IMC相结合的数据处理方法,同时保证了数据处理的速度和准确性。 4.首次给出了牛奶不同成分的吸收吸收、散射系数等光学参数与浓度的定量关系,为研究光在牛奶中的分布以及牛奶成分浓度测量提供了一手的数据资料和基础。 5.研究了牛奶成分浓度与光分布的关系。基于测得的牛奶成分的光学参数与浓度的关系,利用蒙特卡罗模拟,得到牛奶各种成分单独改变时对漫反射或漫透射能量分布的影响,根据最大能量变化,得到葡萄糖、蛋白质和脂肪的漫反射和漫透射最佳光程长。