呂丹桔 施心陵 董 易 王躍民 王 霞 王 超

(1.云南大學(xué)信息學(xué)院，昆明 650091； 2.西南林業(yè)大學(xué)大數(shù)據(jù)與智能工程學(xué)院，昆明 650224；3.西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，昆明 650224)

基于超聲射頻的植物莖體水分無(wú)損檢測(cè)方法研究

呂丹桔1,2施心陵1董 易1王躍民1王 霞1王 超3

(1.云南大學(xué)信息學(xué)院，昆明 650091； 2.西南林業(yè)大學(xué)大數(shù)據(jù)與智能工程學(xué)院，昆明 650224；3.西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，昆明 650224)

對(duì)植物莖體水分進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)損的在線檢測(cè)成為研究植物水分生理活動(dòng)的熱點(diǎn)之一。本文提出一種基于超聲射頻回波技術(shù)的植物莖體水分實(shí)時(shí)無(wú)損在線檢測(cè)方法，該系統(tǒng)硬件由超聲探頭、超聲射頻發(fā)射接收器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成；軟件由LabVIEW平臺(tái)開發(fā)完成。通過系統(tǒng)獲取有機(jī)溶液超聲回波速度，仿真植物莖體含水率；以楊樹截?cái)鄻悠窞閷?duì)象，分析其莖體吸水過程的含水率變化與超聲回波速度變化的相關(guān)性，平均決定系數(shù)為0.98；以活體立木白玉蘭為檢測(cè)對(duì)象，完成其莖體超聲波日變化檢測(cè)，最高超聲回波速度出現(xiàn)在14:00，最低值出現(xiàn)在22:00。實(shí)驗(yàn)表明超聲回波速度與植物生理變化特性相符。同時(shí)，本文通過莖體樣品及活立木的超聲檢測(cè)，驗(yàn)證了該方法可有效反映植物莖體軸向、徑向及不同樹種的結(jié)構(gòu)差異，為植物莖體水分的檢測(cè)提供了一種攜帶莖體結(jié)構(gòu)特性的檢測(cè)方法。

莖體水分； 超聲； 無(wú)損檢測(cè)

引言

植物莖體的含水量是植物水分生理活動(dòng)的指標(biāo)之一，也是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)獲取植物生理生長(zhǎng)的需求[1-2]。目前，常通過直接測(cè)定莖體部位含水量，獲得水分脅迫或充盈的信息。其主要的檢測(cè)手段有烘干法、γ射線法[3]、核磁共振法[4-6]、X射線計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)[7]、電阻法[8]、時(shí)域反射法TDR[9]和頻域電容法[10]。γ射線法和核磁共振法具有高準(zhǔn)確性和無(wú)損性[11]，但檢測(cè)設(shè)備昂貴且不易長(zhǎng)期進(jìn)行檢測(cè)。而時(shí)域反射法和頻域電容法為侵入式檢測(cè)，即在檢測(cè)時(shí)，需將探針插入植物莖體內(nèi)，對(duì)植物本身造成損傷，影響植物的生理活動(dòng)[12-13]，導(dǎo)致莖體含水量動(dòng)態(tài)變化檢測(cè)誤差的產(chǎn)生[14]；同時(shí)，采用TDR檢測(cè)時(shí)，探針插入的深度還與植物莖體結(jié)構(gòu)貯水特性有關(guān)，影響檢測(cè)的一致性[13]。最近，提出了基于駐波率原理的檢測(cè)方法[15]與無(wú)損在線頻域電容法[16]，實(shí)現(xiàn)了莖體水分的動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)。但上述研究團(tuán)隊(duì)均指出所采用檢測(cè)方法會(huì)受到植物莖體結(jié)構(gòu)差異的影響，對(duì)于不同直徑的莖體水分需要分別標(biāo)定[15-16]。

為了揭示植物生理活動(dòng)變化的動(dòng)態(tài)特性，探尋一種在線無(wú)損具有結(jié)構(gòu)差異的莖體水分檢測(cè)手段與方法成為植物莖體檢測(cè)的熱點(diǎn)。本文提出一種可反映莖體結(jié)構(gòu)差異的超聲射頻植物莖體水分無(wú)損在線檢測(cè)方法。

1 植物莖體水分超聲檢測(cè)

1.1 檢測(cè)原理

植物莖體可視為木質(zhì)纖維、水、空氣甚至是冰的混合體[17]?；铙w植物莖體的水分調(diào)節(jié)過程，實(shí)為上述介質(zhì)混合比例的變化。超聲技術(shù)檢測(cè)植物莖體水分的基礎(chǔ)是由于植物莖體內(nèi)水分充盈與虧缺，導(dǎo)致莖體物理性質(zhì)不同[18-20]，當(dāng)超聲射頻信號(hào)在含水量不同的植物莖體中傳播時(shí)，形成不同的超聲界面，產(chǎn)生相應(yīng)規(guī)律性的反射回波。本文通過獲取植物莖體超聲射頻回波信號(hào)，研究其水分的變化。

1.2 聲波速度與莖體含水率的檢測(cè)方法

超聲波在固體介質(zhì)中傳播受介質(zhì)密度和彈性性能決定。其回波速度為

(1)

式中E——彈性模量，N/mm2

ρ——介質(zhì)密度，g/cm3

σ——介質(zhì)泊松比(彈性常數(shù))

植物莖體含水量變化時(shí)，針對(duì)同株植物介質(zhì)泊松比σ視為常數(shù)[19-20]，水分含量變化梯度對(duì)超聲回波速度具有主導(dǎo)作用[21-22]。植物的水分調(diào)節(jié)從匱水到充盈的周期變化過程的超聲表現(xiàn)為：莖體水分含量增大使ρ增大[20]，據(jù)式(1)可知最終導(dǎo)致vl下降。反之，當(dāng)莖體從充盈到匱水時(shí)，ρ減小，vl上升。因此通過對(duì)植物莖體超聲回波速度的檢測(cè)可獲取莖體含水率變化特點(diǎn)，且兩者具有二次式的關(guān)系。

超聲回波速度的檢測(cè)可通過第1回波位置出現(xiàn)的時(shí)間與聲波傳播經(jīng)歷的路徑確定，其回波速度vl的檢測(cè)公式為

(2)

式中 2D——超聲回波在介質(zhì)中經(jīng)歷的直線路徑長(zhǎng)度，m

t——超聲射頻到達(dá)第1回波位置的時(shí)間，s

1.3 檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

超聲植物莖體水分檢測(cè)系統(tǒng)的硬件由1 MHz非金屬超聲探頭、超聲波信號(hào)發(fā)生接收器(CTS-8077PR)、基于LabVIEW的Nextkit數(shù)據(jù)采集儀(采樣深度2 000個(gè)采樣點(diǎn)/超聲脈沖觸發(fā)，采樣頻率10 MHz)和計(jì)算機(jī)組成；軟件系統(tǒng)是基于LabVIEW開發(fā)的，用于超聲射頻回波信號(hào)的采集與存儲(chǔ)，如圖1、2所示。超聲脈沖發(fā)射設(shè)備以1 kHz產(chǎn)生窄脈沖(脈沖寬度為1 000 ns)送至1 MHz的超聲探頭，產(chǎn)生超聲射頻信號(hào)；將探頭涂以足量耦合劑，置于待檢測(cè)植物莖體處，確保探頭與待檢處充分耦合，使超聲射頻信號(hào)以軸/徑向方向有效進(jìn)入植物莖體。超聲射頻信號(hào)在植物莖體內(nèi)傳播時(shí)，因受莖體水分等特性的影響，使超聲射頻回波信號(hào)發(fā)生變化，回波信號(hào)經(jīng)探頭接收至超聲脈沖接收設(shè)備后，通過Nextkit數(shù)據(jù)采集卡的LabVIEW平臺(tái)將回波信號(hào)顯示并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)上，完成植物莖干超聲射頻回波信號(hào)的采集。

圖1 超聲植物莖體水分檢測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Stem water content detection system by ultrasonic

圖2 LabVIEW設(shè)計(jì)的超聲植物莖體水分檢測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Stem water content detection ultrasonic system on LabVIEW

1.4 植物莖體超聲射頻回波速度計(jì)算

從獲取的超聲射頻信號(hào)中確定第1回波的時(shí)間t，通過測(cè)量其莖體傳播路徑長(zhǎng)度2D，利用式(2)計(jì)算回波速度。為了驗(yàn)證上述超聲速度的檢測(cè)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)以裝有乙酸乙酯的燒杯模擬植物莖體，超聲探頭置于燒杯外壁，獲得的射頻回波信號(hào)如圖3所示，其回波的傳播路徑長(zhǎng)度為2倍燒杯直徑(7 cm)，第1回波時(shí)間為1.04×10-4s，計(jì)算得其回波速度為1 347 m/s。

2 回波速度與液體密度相關(guān)性分析

2.1有機(jī)溶劑的超聲射頻回波聲速與莖體體積含水率的相關(guān)性分析

參照文獻(xiàn)[15]的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建液體超聲速度與植物莖體體積含水率的相關(guān)性，即用不同超聲速度等級(jí)代表不同的莖體體積含水率。將液體中具有的最高超聲速度表示莖體體積含水率最低值，以速度最小值表示莖體體積含水率最大值，建立超聲回波速度與植物莖體體積含水率的相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)中，用裝有不同密度的有機(jī)溶劑的燒杯來(lái)模擬具有不同體積含水率的植物。用本文檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)上述燒杯進(jìn)行檢測(cè)，獲取超聲回波速度。其相關(guān)性如表1所示。

圖3 直徑7 cm燒杯乙酸乙酯的超聲回波信號(hào)Fig.3 Ultrasonic wave signal of beaker with diameter of 7 cm with ethyl acetate

表1有機(jī)溶劑的超聲回波速度980 m/s對(duì)應(yīng)的植物莖體體積含水率為60%；有機(jī)溶劑的超聲回波速度1 904 m/s對(duì)應(yīng)植物莖體體積含水率為2%。一般植物莖體的鮮質(zhì)量含水率在40%～50%之間[23]，而植物莖體體積含水率小于鮮質(zhì)量含水率，因此超聲回波檢測(cè)能夠滿足植物莖體水分檢測(cè)的需要。

表1 有機(jī)溶劑超聲回波速度與莖體體積含水率關(guān)系Tab.1 Relationship between ultrasonic velocity and stem water content

根據(jù)上述有機(jī)溶劑的聲波速度與設(shè)定的莖體體積含水率對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到由超聲速度計(jì)算植物莖體體積含水率公式為

(3)

2.2 不同燒杯直徑對(duì)超聲射頻回波聲速的影響

為探討植物莖體的粗細(xì)對(duì)超聲速度的影響，在6個(gè)直徑不同的燒杯中裝入異戊烷溶液，依次記錄其超聲回波速度，分析莖體直徑不同對(duì)超聲回波速度的影響。然后依次改變燒杯中有機(jī)溶液，模擬不同粗細(xì)莖體在不同體積含水率時(shí)，植物莖干超聲回波速度，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同直徑燒杯中6種有機(jī)溶劑的超聲回波速度Fig.4 Ultrasonic velocities of six kinds of organic solution in different diameters beaker

圖4表明，不同液體具有不同的超聲回波速度，所測(cè)液體超聲波速范圍在1 000～1 933 m/s，用此變化范圍表示植物莖體體積含水率為2%～60%的變化范圍。同時(shí)結(jié)果表明波速的變化只與液體密度有關(guān)，不會(huì)因直徑變化而變化，從而確保超聲檢測(cè)植物莖體水分的穩(wěn)定性。

3 植物莖體結(jié)構(gòu)差異與回波速度關(guān)系

超聲波在植物莖體中傳播因結(jié)構(gòu)差異、密度不同等因素，會(huì)引起超聲回波波形的變化[24-25]。

3.1 植物莖體軸向徑向超聲回波信號(hào)差異

同一植物莖體超聲回波信號(hào)在軸向與徑向的差異是由其莖體細(xì)胞結(jié)構(gòu)在徑向與軸向的生理結(jié)構(gòu)特性不同導(dǎo)致[17]。實(shí)驗(yàn)選取6 cm×6 cm楊樹莖體截?cái)鄻悠窞闄z測(cè)對(duì)象，進(jìn)行徑向與軸向的超聲檢測(cè)，在徑向與軸向的超聲回波傳輸距離均為2×6 cm。其超聲射頻回波信號(hào)如圖5、6所示。檢測(cè)得到徑向速度為4 705.9 m/s，軸向速度為7 643.3 m/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明植物莖體在徑向與軸向的結(jié)構(gòu)特性不同，導(dǎo)致超聲回波波形不同，徑向速度比軸向速度小[24-25]。

圖5 植物莖體徑向超聲回波信號(hào)Fig.5 Ultrasonic wave signal of plant stem in radial direction

圖6 植物莖體軸向超聲回波信號(hào)Fig.6 Ultrasonic wave signal of plant stem in axial direction

3.2 活立木不同類植物莖體的超聲回波信號(hào)差異

選取西南林業(yè)大學(xué)內(nèi)1株白玉蘭樹和1株棕櫚樹為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，白玉蘭檢測(cè)點(diǎn)距地面高度為87 cm，直徑為5.4 cm，棕櫚檢測(cè)點(diǎn)距地面高度為78 cm，直徑為10.1 cm。檢測(cè)日期為3月27日，檢測(cè)時(shí)間為10:00，對(duì)其植物莖體徑向方向進(jìn)行立木活體檢測(cè)。其超聲射頻回波信號(hào)如圖7、8所示。兩種植物莖體結(jié)構(gòu)本身具有的差異通過超聲回波信號(hào)可以明顯看出。計(jì)算得出白玉蘭超聲速度為3 312.8 m/s，棕櫚超聲速度為4 139.3 m/s。因超聲波在棕櫚莖體的衰減，導(dǎo)致第1回波位置不易確定，實(shí)驗(yàn)中采用自相關(guān)函數(shù)確定第1回波位置[26]，結(jié)果如圖9所示。

圖7 白玉蘭植物莖體徑向超聲回波信號(hào)Fig.7 Ultrasonic wave signal of Michelia alba stem in radial direction

圖8 棕櫚植物莖體徑向超聲回波信號(hào)Fig.8 Ultrasonic wave signal of palm stem in radial direction

圖9 棕櫚植物莖體徑向超聲回波自相關(guān)信號(hào)Fig.9 Autocorrelation ultrasonic wave signal of palm stem in radial direction

4 植物莖體水分超聲檢測(cè)的性能分析

4.1 植物截?cái)嗲o體含水率變化超聲檢測(cè)分析

在線動(dòng)態(tài)的植物莖體檢測(cè)(即同一檢測(cè)位置處)，其水分的變化主要表現(xiàn)為因含水率不同引起的密度變化。實(shí)驗(yàn)選取楊樹6 cm×6 cm、7 cm×7 cm和10 cm×10 cm的莖體截?cái)鄻悠罚?jīng)干燥處理后作為檢測(cè)對(duì)象。將檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行浸水實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)其質(zhì)量、密度、超聲速度及體積與質(zhì)量含水率。因莖體吸水在最初階段變化明顯，檢測(cè)時(shí)間間隔設(shè)置為10 min或20 min，共檢測(cè)6次；莖體吸水中段檢測(cè)時(shí)間間隔3～4 h，檢測(cè)2次；后期，莖體檢測(cè)時(shí)間間隔為24 h內(nèi)檢測(cè)1～2次，最后，莖體檢測(cè)頻率為1次/(2 d)，當(dāng)2 d內(nèi)吸水量小于10 g時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)。其實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

體積含水率為

θ=(mA-mB)/(βV)×100%

式中mA——浸水后樣品質(zhì)量，g

mB——干燥后樣品質(zhì)量，g

β——水的密度，g/cm3

V——樣品體積，cm3

上述實(shí)驗(yàn)表明莖體截?cái)鄻悠吩谧畛醯慕? h內(nèi)，其吸水現(xiàn)象明顯，尤其是前20 min，6 cm直徑樣品吸水近14 g，超聲回波速度由4 706 m/s快速降至3 859 m/s，其體積含水率從零增至8%。隨著浸水時(shí)間的增加，莖體吸水現(xiàn)象漸緩，最后浸水9 d后(48 h內(nèi))，6 cm直徑樣品僅增質(zhì)量3.8 g，最終超聲回波速度為1 500 m/s，體積含水率為42%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：莖體體積含水率的增加會(huì)引起超聲回波速度的減小，超聲回波速度的變化可有效跟蹤莖體體積含水率的變化。

表2 不同莖體浸水時(shí)間下超聲回波速度、質(zhì)量含水率和體積含水率Tab.2 Measured ultrasonic velocity, mass water content and volume water content of stems with different soaking times

莖體樣品吸水過程的超聲回波速度與莖體體積含水率變化可通過二次多項(xiàng)式進(jìn)行有效擬合，樣品擬合程度如表3和圖10所示。

表3 超聲回波速度和莖體體積含水率的相關(guān)性分析Tab.3 Analysis of correlation between ultrasonic velocity and plant stem water content

圖10 植物莖體體積含水率和超聲回波速度的關(guān)系Fig.10 Relationship between plant stem water content and ultrasonic velocity

4.2 活立木莖體超聲檢測(cè)日變化性能分析

以西南林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)15 a生白玉蘭樹莖體為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將超聲探頭涂以足量的耦合劑放置于白玉蘭莖體距地面87 cm處進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)日期為3月20日，檢測(cè)間隔為1 h，連續(xù)檢測(cè)24 h。根據(jù)檢測(cè)的超聲回波信號(hào)，確定第1回波位置，計(jì)算出每次檢測(cè)的白玉蘭莖體的超聲回波速度，從而得到24 h植物莖體歸一化超聲回波速度比變化曲線，如圖11所示。

圖11 白玉蘭莖體徑向歸一化超聲回波速度比變化曲線Fig.11 Diurnal variation curve of ultrasonic velocity of Michelia alba stem in radial direction

檢測(cè)結(jié)果表明在14:00時(shí)具有最高超聲速度，22:00時(shí)出現(xiàn)最低超聲速度。6:00—18:00時(shí)段，其超聲速度均比夜晚的高，上述超聲回波速度的變化符合白天因植物的蒸騰作用顯著，導(dǎo)致莖體水分下降，而夜晚莖體水分因蒸騰作用較弱，至使水分增加的植物生長(zhǎng)現(xiàn)象。同時(shí)，因?yàn)橐惶熘杏捎诠鈴?qiáng)、溫濕度的影響，植物表現(xiàn)為不同時(shí)段的耗水情況變化明顯，其中耗水最多的時(shí)段常發(fā)生在光強(qiáng)、溫度最高后1～2 h；檢測(cè)結(jié)果顯示超聲回波速度最大值發(fā)生在14:00，與所述植物莖體體積含水率變化情況相符。

5 結(jié)論

(1)基于超聲射頻回波技術(shù)，設(shè)計(jì)了無(wú)損動(dòng)態(tài)的植物莖體水分檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明超聲回波速度與檢測(cè)莖干的密度密切相關(guān)，而基本不受植物莖干直徑的影響。

(2)以楊樹莖干截?cái)鄻悠窞闄z測(cè)對(duì)象，獲取樣品浸水過程水分變化的超聲射頻回波信號(hào)，結(jié)果表明莖體水分增加，超聲回波速度下降。超聲回波速度與莖體體積含水率的平均決定系數(shù)為0.98，能夠滿足植物莖體水分檢測(cè)需求。

(3)對(duì)活體白玉蘭莖體含水率的日變化情況進(jìn)行了超聲檢測(cè)，其超聲變化特點(diǎn)與植物莖干水分的日變化相符：白天莖體水分比夜晚少，莖體水分最小時(shí)刻出現(xiàn)在14:00。

(4)系統(tǒng)滿足莖體結(jié)構(gòu)差異的檢測(cè)需求。莖體在徑向、軸向超聲回波信號(hào)不同，其速度也不同，徑體方向速度小于軸向的。不同植物莖體其徑向方向的超聲波不同，速度各異。

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Non-destructiveMeasurementofPlantStemWaterContentBasedonUltrasonicRadioFrequency

Lü Danju1,2SHI Xinling1DONG Yi1WANG Yuemin1WANG Xia1WANG Chao3

(1.SchoolofInformationScienceandEngineering,YunnanUniversity,Kunming650091,China2.SchoolofBigDataandIntelligentEngineering,SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China3.CollegeofForestry,SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China)

Water is directly or indirectly involved in the activities of plant physiology.One role of stems is water storage, the other is water transmission channel.Detection of plant stem water by non-destructive online method becomes one of the hot spots in the study of plant water physiological activity.A real-time online non-destructive detection system designed by LabVIEW was proposed based on ultrasonic echoes, which was composed by ultrasonic probe，ultrasonic RF transmitter receiver, data acquisition instrument and portable computer.The simulation model was built by the system with various ultrasonic velocities of different organic solutions to represent the water content of plant stems.The correlation between the changes of water content and that of ultrasonic velocity was analyzed on a set of poplar cutting samples in the process of water absorption of those samples.The average determination coefficient reached about 0.98.For 24 h detection on stem of a livingMicheliaalba, the highest ultrasonic velocity appeared at 14:00, and the lowest appeared at 22:00.The results showed the variations of ultrasonic velocity accorded with plant physiological characteristic.Meanwhile, the variations of velocities in radial and axial directions and in different kinds of plant stem were detected by the system, which provided a detection instrument with structural differences for the research on plant stem water physiological characteristics.

stem water content; ultrasonic; non-destructive detection

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.024

TP912.16； S715.2

A

1000-1298(2017)10-0195-07

2017-04-22

2017-07-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61661050)和昆明市林業(yè)信息工程技術(shù)研究中心重點(diǎn)項(xiàng)目(2015)

呂丹桔(1977—)，女，博士生，西南林業(yè)大學(xué)副教授，主要從事林業(yè)信息智能檢測(cè)與分析研究，E-mail：lvdanjv@hotmail.com

施心陵(1956—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事智能信息處理與控制研究，E-mail: lshi@ynu.edu.cn