Published December 19, 2022 | Version v1
Publication

Apples sorting by using microwave imaging

Description

Nondestructive evaluation for agricultural products is of increasing interest. The researchers investigate the use of microwave imaging systems, which allow non-destructive control of fruits while monitoring their growth and maturity. As for every fruit, the apples face many diseases, which is an economic and an agricultural issue. The objective of this work is to develop a non destructive and an automatic method to sort damaged fruits from the healthy ones by microwave imaging. This work is divided into six chapters, in chapter 1, we begin with a state of the art of the destructive and non destructive methods which are used in quality control of the agricultural products. In chapter 2, we defined the classification methods which are used in this work and also, we described the optimization methods which are used for finding an optimal values of hyper-parameters of classification method. In chapter 3, a non-destructive and an automatic method to sort damaged fruits from the healthy ones by using microwave imaging is presented . The proposed method is a proof of concept that starts with millimeter wave measurements in W-band, which are pre-processed by the two-dimensional Fourier transform (2D-FFT) and segmentation methods, and ends with the classification using Machine Learning algorithm. This method has been validated first, on the apples with a classification error of 6% and then on the peaches where the classification error of 0%. In chapter 4, we addressed the impact of frequency and spatial diversity on the accuracy of the classification, indeed, this study highlights that the limitations of the proposed method are consistent with the physical phenomena. The first results showed the potential of microwave imaging and artificial intelligence to sort fruits, but the acquisition time remains prohibitive for an industrial application, so two investigations were conducted, the first one concerns the simplification of the acquisition scheme by measuring the amplitude of the electromagnetic field. In addition, the preprocessing is also simplified, by removing the 2D-FFT. The second study concerns the reduction of spatial diversity by optimizing the number of measurement points, which automatically leads to a reduction of the measurement time. Using the Grey Wolf Optimizer, the number of measurement points is reduced from 22801 to 196.In chapter 5, the proposed method has been adapted and tested on archaeological samples dating back to more than 8000 years before our era, in order to trace in time and space the introduction of farming in Europe. We aim at identifying two types of pottery shards: "spirals" and "coiling". A new method is developed, which is similar to the one used for fruits but with a new preprocessing step and the use of a neural network of MLP type. The accuracy of the classification is of 99%. As for the fruits, the measurement system was optimized by elaborating two scenarios and using one of the bio-inspired optimization methods developed during this thesis and tested for the first time on real data. The classification error of both optimized systems is less than 1%. At chapter 6, a new approach for the non-destructive and automatic sorting of fruit has been studied, it complies with the requirements of the industry regarding the acquisition time because it requires only one antenna operating on a wide-band. We elaborated two strategies to detect the fruit defect. In the first one, the fruits are sorted in the frequency domain by using the Short Time Fourier Transform method. The second strategy concerns the fruits sorting in the time domain using the inverse of the Short Time Fourier Transform method. For both strategies, the classification error is 1%. The advantages and disadvantages of this new approach are discussed.

Abstract (French)

La recherche d'un nouveau système de contrôle non-destructif temps réel des produits agro-alimentaire est en plein essor depuis quelques dizaines d'années. Le développement des systèmes capables de détecter rapidement les défauts des produits agro-alimentaires à grande échelle est dans l'intérêt commun. De nos jours, de nombreux systèmes de contrôle non-destructif existent, et les plus répondus sont les systèmes d'imagerie optique et les systèmes d'imagerie à Rayon X. Cependant ces systèmes sont coûteux et volumineux. L'imagerie microonde est non-invasive et non ionisante, elle permet de réaliser des systèmes compacts tout en assurant une bonne pénétration dans les matériaux. L'objectif de cette thèse est de la mise en place d'une méthode de tri non-destructive et automatique des fruits abîmés des fruits sains par imagerie microonde, précisément par l'imagerie millimétrique et la classification revient ensuite à répondre à une question binaire (Oui ou Non) sur l'état du fruit. Ce manuscrit est composé de 6 chapitres, au chapitre 1, nous commençons par un état de l'art sur les différentes méthodes destructives et non destructive utilisées pour le contrôle de qualité des produits agricoles. Au chapitre 2, nous décrivons les méthodes de classification utilisées tout au long de cette thèse. Ensuite, les méthodes d'optimisation ont été définies qui sont utilisées par exemple, pour optimiser les hyper-paramètres des méthodes de classification. Au chapitre 3, la méthode de tri non-destructive et automatique des fruits abîmés des fruits sains est présentée. Cette méthode commence par des mesures millimétriques en bande W, pré-traitée par la transformer de Fourier bi-dimensionnelle (TF2D) et la méthode de segmentation et se termine par l'application d'une méthode d'intelligence artificielle. Cette méthode a été validée sur des pommes et des pêches avec une erreur de classification moyenne, respectivement de 6% et 0%. Au chapitre 4, une étude sur l'influence des diversités fréquentielle et spatiale sur l'efficacité de cette méthode a été menée. Les résultats obtenus de cette étude mettent en évidence ses limites, à savoir que la méthode devient inefficace lorsque l'une des deux diversités est réduite. Le temps d'acquisition reste rédhibitoire pour une implémentation industrielle, c'est pourquoi, des investigations ont été menées en proposant deux nouvelles directions. La première concerne la simplification de la chaîne d'acquisition en mesurant uniquement l'amplitude du champ EM. De plus, l'étape de la TF2D est supprimée. En testant cette méthode sur les différentes bases de données, les résultats restent très satisfaisants. La seconde direction est la réduction de la diversité spatiale et cela en utilisant la méthode de Grey Wolf Optimizer, le nombre de points de mesure est réduit de 22801 à 196. Au chapitre 5, nous avons cherché à étendre la méthode à un autre domaine, celui de l'archéologie. En effet, la méthode a été adaptée et testée sur des échantillons archéologiques datant de 3000 à 8000 ans avant notre ère, afin de retracer en temps et en espace l'introduction de l'agriculture en Europe, grâce à deux types de tessons de poteries : les "spirales" et les "colombins". Lorsque les diversités fréquentielle et spatiale sont utilisées les performances sont de 99%. Le système de mesure a été optimisé en élaborant deux scénarios et en utilisant une des méthodes d'optimisation bio-inspirée développée au cours de cette thèse et testée pour la première fois sur des données réelles. Pour les deux scénarios, l'erreur de classification des deux systèmes sont moins de 1%. Au chapitre 6, une nouvelle approche de tri non-destructive et automatique des fruits abîmés a été étudiée, cette nouvelle approche répond aux exigences de l'industrie, en termes de temps d'acquisition, car elle ne nécessite uniquement une antenne opérant sur une large bande. Les avantages et les inconvénients de cette nouvelle approche ont été discutés.

Additional details

Identifiers

URL
https://theses.hal.science/tel-04050880
URN
urn:oai:HAL:tel-04050880v1

Origin repository

Origin repository
UNICA