基于激光散斑技术的黄豆种子活性检测

郑秋莎，黄俊，吉紫娟

（湖北第二师范学院物理与机电工程学院，武汉 430205）

激光散斑检测技术是利用激光干涉的原理，激光照射在不光滑的物体表面，散射光发生干涉形成激光散斑，图像处理后得到所需信号。激光散斑的无损检测技术是以不改变被检测对象的状态和使用性能为前提的，通过被检测物体在加载前后的激光散斑图的叠加，从而在某一部位形成干涉条纹。[1]采用激光散斑检测技术监测散射粒子内部运动，被检测种子活性越高，内部粒子运动越快，代谢活动越旺盛，反之活性较低的种子的内部粒子运动速度较慢。[2]继而反映出被检测种子的活性高低。这种方法检测种子活性具有无毒、无损、无辐射、检测速度快等特点。

1 实验

实验采用的是反射式实验装置，氦氖激光器发射激光，使激光束依次通过两个偏振片和透镜中心，调节两个偏振片找到合适的光强，照射在待测的黄豆种子上，各个器件要始终保持在同一水平高度，检测过程中光强要始终保持一致。黄豆种子反射的光线通过镜头汇聚到CCD相机芯片上，注意要避免激光直接照射到CCD表面，连接CCD相机与计算机，采集含有种子活性信号的散斑图像，原理如图1所示。

图1 黄豆种子活性检测实验示意图

图1中各装置分别为：（1）氦氖激光器；（2）双偏振片；（3）透镜（f=150mm）；（4）待检测种子；（5）CCD；（6）计算机。

按照黄豆种子活性检测实验装置图摆放好相应的实验器件，各个器件要保持在同一水平高度，并调节好光路使激光能够通过偏振片和透镜中心。

活性的黄豆种子一共分为六份：一份种子不做任何处理，为样品1；另外五份种子分别在水中浸泡2h、4h、6h、8h、10h，种子浸泡不同时间，可以保证不同程度的改变种子活性，分别为样品2、3、4、5、6，在浸泡到相应的时间后采集该样品种子的散斑图，如图2所示。

图2 样品1-6的黄豆种子散斑图

为了判断样品1的黄豆种子在一段时间内活性是否变化，将不做任何处理的样品1每间隔2h、4h、6h、8h、10h采集一次相应时间的散斑图，如图3所示。

图3 样品1的黄豆种子的散斑图

2 实验数据的处理与分析

在采集了不同样品的激光散斑图后，利用MATLAB图像处理获取以上几种样品种子的散斑图的灰度直方图。为了方便对比出不同活性的黄豆种子的灰度直方图的区别，将它们的灰度直方图转化为折线图，并在同一坐标轴上进行比较，拟合后的图像如图4所示。

图4 样品1-6的灰度直方图数值对比

对样品1种子的散斑图同样利用MATLAB进行灰度直方化，同样将它们的灰度直方图转化为折线图，并在同一坐标轴上进行比较，拟合后如图5所示。

图5 样品1不同时间的灰度直方图数值对比

通过图5可以发现样品1的黄豆种子不经过任何处理，在一段时间当中该样品1散斑图的灰度直方图几乎是有相同的趋势，且误差大小在允许的范围内，这表明样品1的黄豆种子活性在一段时间内的活性几乎不发生改变，因此在采集其它几组样品的黄豆种子的散斑图时，不会对没有进行处理的样品1产生影响。

通过对比可以发现，种子活性大小和种子活性散斑图的灰度直方图存在一定的关系，不同等级的活性种子的散斑值随着时间的改变有着明显的不同。随着种子的活性增加，种子的活性散斑图光强大的部分占比逐渐增加，光强弱的部分占比逐渐减少。黄豆种子散斑图的灰度值高低分布明显，灰度值大的呈现亮一些的区域，说明内部变化活跃，表现出较强的活性。[3]-[4]种子内部粒子发生的变化与生物散斑的变化相关联，这种散斑信号可以作为种子内部某些变化信息的载体。既然种子活性和散斑图存在这种联系，利用散斑图的灰度直方图曲线无损快速区分种子的活性大小可以实现。

3 结论

利用动态散斑研究种子的活性，可以利用不同算法来定量地分析种子的活力。具有活力的种子吸水后代谢活性会迅速增加，浸泡不同时间的种子活性会有所不同。散斑图像随着散射颗粒的运动而发生变化，被激活的种子内部粒子活动剧烈，可以形成动态的时变散斑图像，通过激光散斑获取种子内部运动状态是一种很好的方法。在实验数据处理上利用不同的算法，能够简单直观地分辨出种子在不同状态下的散斑图像差异，进而进行实验样本状态辨别、分类。