一、引言
葵花籽作为一种重要的经济作物和油料来源，在食品、保健以及工业领域有着广泛的应用。然而，葵花籽内部的品质问题，如破损、虫蚀或空壳等异常情况，严重影响了其出油率及相关产品的质量。因此，如何有效地检测葵花籽的内部品质成为了一个亟待解决的问题。本文将介绍一种基于太赫兹成像结合压缩感知与超分辨技术的方法，用于快速准确地检测葵花籽的饱满度。
二、太赫兹成像技术简介
太赫兹波（Terahertz, THz）是指频率在0.1至10THz之间的电磁波，这一频段位于微波和红外光之间。由于太赫兹波具有非破坏性穿透的特点，近年来被广泛应用于材料科学、生物医学以及食品安全等领域。对于葵花籽而言，利用太赫兹成像技术可以直接观察到其内部结构，从而判断种子的饱满程度及是否存在缺陷。使用太赫兹时域光谱系统进行数据采集。 该系统主要由飞秒激光器、延时装置、太赫兹发射器、太赫兹探测器和锁相放大器等组成，整个系统安装在光学减震平台上以减小环境震动造成的光路偏移。飞秒激光器产生的飞秒激光信号通过分束镜被分为两束，一束为较强的泵浦光，另一束为较弱的探测光；泵浦光经延时阶段调整入射至太赫兹发射器，产生辐射的太赫兹短脉冲，辐射至待测样品上，之后携带样品信息的太赫兹脉冲与探测光同时入射到太赫兹探测器上。通过调整时间延迟线控制太赫兹脉冲和探测光之间的时延，获得一定时延范围内的太赫兹时域信号，经过数据分析得到太赫兹图像。
太赫兹成像技术在葵花籽内部品质检测方面展现了巨大潜力，但其成像速度较慢且图像分辨率不足的问题仍然存在。为了克服这些问题，研究人员提出了一种结合压缩感知与注意力增强超分辨率生成对抗网络（A-ESRGAN）模型的新方法。压缩感知是一种信号处理技术，它能够在远低于奈奎斯特采样定理要求的情况下对稀疏信号进行精确重建。通过选择合适的测量矩阵，可以大幅减少数据采集所需的时间。在本研究中，作者首先使用了压缩采样匹配追踪（CoSaMP）算法来验证不同测量矩阵的性能，并zui终选用了高斯矩阵作为zui佳测量矩阵。
THz-TDS 透射成像原理图
三、实验设计与结果分析
实验过程中，选取了26个不同破损程度的葵花籽样本，并使用TAS7500U太赫兹时域光谱系统进行了数据采集。所有样品均置于温度控制在23°C±0.5°C的实验室环境中，确保了环境因素对实验结果的影响zui小化。通过对1.0~1.5THz频段内的太赫兹图像进行处理，研究人员发现，采用A-ESRGAN-multi模型后，不仅自然图像质量评估器（NIQE）得分显著降低，而且葵花籽的饱满度计算也更加准确。具体来说，经过该模型处理后的图像，其饱满度误差平均仅为2.50%，zui大检测误差不超过6.41%。此外，为了验证所提方法的有效性，研究团队还设立了一个包含10组不同饱满度葵花籽样本的验证集。实验结果显示，即使是在较低的测量比例下（例如17.5%），通过A-ESRGAN-multi模型处理后仍能获得高质量的重建图像，极大地提高了检测效率。
本研究成功地将压缩感知理论与超分辨模型相结合，应用于太赫兹成像领域以检测葵花籽饱满度。这种方法不仅解决了现有太赫兹成像系统数据采集缓慢的问题，还显著提升了葵花籽品质检测的效率。未来，随着相关技术的不断进步和完善，我们有理由相信，这种基于太赫兹成像的新方法将在更多领域得到广泛应用，并为农产品品质检测提供强有力的技术支持。
实物图及不同频段太赫兹图像
*内容来源：《基于太赫兹成像结合压缩感知与超分辨的葵花籽饱满度检测》 农业工程学报
