基于电磁波成像的植物主干内部病虫害检测装置及方法

技术领域

本发明属于植物主干病虫害检测技术领域，具体涉及基于电磁波成像的植物主干内部病虫害检测装置及方法。

背景技术

近年来，科学种植技术的使用，使我国农业产品得到了有效的提高，果树产量的增长在农业产量中占了很大的比重。但是我国许多农户忽略了病虫害的防治，导致果树产量下降，对经济造成了损失。在果树的生长过程中，病虫害会对其造成重要的影响，甚至会导致果树死亡或者出现病态。许多果农对病虫害的防治认知不够，通常都是发现果树死亡、病变和受害虫侵扰时才意识到问题的严重性，同时有许多果农虽然有病虫害的防治意识，但是防治措施并不完善，通常只能看到表面的病虫害，对于果树植物主干内部的威胁不够重视，导致病虫害的数量持续上升。

然而在早期的果树病虫害缺陷检测中，因缺少相应的设备和技术，研究人员主要采用目测法、敲击辨声法和解剖观测法等传统检测方法。受这些检测方法的限制，对果树病虫害缺陷的检测效果并不理想。无论是目测法、敲击辨声法还是解剖观测法这些传统的检测方法，都不同程度地有着准确性低，易对树木造成不可逆损害，时效性差等缺点，并不能对果树病虫害缺陷进行有效的检测，同时传统检测方法的效率低，受影响因素较多，不适用于大面积果树病虫害的检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供基于电磁波成像的植物主干内部病虫害检测装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于电磁波成像的植物主干内部病虫害检测装置，包括雷达芯片模块和电磁波发射接收器，所述电磁波发射接收器用于发射和接收电磁波，所述雷达芯片模块与电磁波发射接收器之间双向连接，通过雷达芯片模块将采集到的电磁波转化成数字化形式，并进行存储；

所述电磁波发射接收器信号连接有雷达天线，所述雷达天线贴在待测植物主干的外围，用于将电磁波发射接收器产生电磁波对植物主干进行测量；

所述雷达芯片模块还信号连接有显示器和分析模块，所述显示器用于完成测量数据的显示，所述分析模块用于数据分析和确定待测植物主干内部病虫害的信息。

优选的，所述雷达芯片模块设置在封装箱的几何中心，所述电磁波发射接收器和显示器均设置在封装箱的外侧。

基于电磁波成像的植物主干内部病虫害检测装置的检测方法，包括以下步骤：

S1、将雷达天线贴在待测植物主干的外围移动，并利用电磁波发射接收器产生对待测植物主干进行测量的脉冲信号；

S2、电磁波发射接收器产生的待测植物主干进行测量的脉冲信号经过待测植物主干的介质传播后再通过电磁波发射接收器接收，并将采集到的电磁波传输至雷达芯片模块上；

S3、雷达芯片模块将采集到的电磁波转化成数字化形式，传送至分析模块进行分析，并对信息进行存储；

S4、分析模块通过预设在其内部的分析算法，对采集到的电磁波进行分析，确定待测植物主干内部病虫害的信息。

优选的，所述待测植物主干内部病虫害的信息包括待测植物主干缺陷位置信息、电磁波层析成像信息和层位分析信息。

优选的，所述待测植物主干缺陷位置信息通过麦克斯韦方程组确定电磁波传播速度以及介电常数来确定，包括以下步骤：

S1、确定缺陷位置在检测过程使用的是高频电磁波，高频电磁波在介质中的传播服从麦克斯韦方程组，麦克斯韦方程组的微分形式可以表示为：

其中，ρ为电荷密度；D为电位移；E为电场强度；B为磁感应度；h为磁场强度；J为电流密度；四个矢量D、E、B和h称为场量，J和ρ是矢量和标量；

假设介质是均匀的，再将其简化为：

J＝σE

B＝μh

D＝εE

其中，σ为电导率，μ为磁导率，ε为介电常数。

将这个两个式子整合，可得只含有两个矢量场形式的麦克斯韦方程组：

变形得到的波动方程与数学物理方程中的标准波动方程

比较，得到电磁波的传播速度：

S2、然后根据雷达波在健康树木介质内与缺陷介质界面见的反射时间和传播速度，计算得到缺陷的位置为：

其中，h为树皮到健康木介质内与缺陷木介质内之间的传播速度，t为电磁波在不同介质结构中的回波时间，c为真空中的光速，ε为介电常数；

S3、再利用振幅法，即利用雷达回波信号在各层介质反射信号的振幅比来求解介电常数，对于接收到的雷达回波信号，近似认为是各层界面反射波的叠加；假设A

S4、将S3中得到的介电常数代入S2中，即可得到待测植物主干的缺陷位置信息。

优选的，所述电磁波层析成像信息的确定通过雷达回波信号建立的回波信号模型来完成，回波信号模型为；

其中，K为介质层数，y

所述电磁波层析成像方法中分辨率检测的步骤为：

分辨率是指分辨植物主干层位非常静的层位回波振幅能力，与发射波波长有关，波长越小对波形型号的辨识能力越高，反之辨识能力越低,分辨率包括纵向分辨率和横向分辨率。根据雷达系统理论，雷达的距离分辨率为：

对于植物主干内部缺陷检测而言，由于活体立木内部近似于层状结构，纵向分辨率需要重点关注，纵向分辨率是单道回波信号在垂直方向时域上区分两个相邻信号的能力，回波信号的两个脉冲在时域上可能距离较远且完全分离、或者距离较近部分波形重叠、或者几乎近似达到重叠。

根据电磁理论，电磁波在介质中传播时的波长λ为：

由上式可知，检测最大距离与中心频率、介电常数、磁导率成反比，当介质层厚等于波长的1/2时，该层等截面的反射会产生相消性干涉，随着层厚变薄，干涉性变强直至反射完全消失；当层厚达到1/8波长时，无法收到反射信号，只能接受到复合叠加信号，此时为纵向分辨率极限。

优选的，所述层位分析方法通过希尔伯特积算法估计层厚先对回波信号进行EMD分解，得到N个IMF分量c

因为回波信号包含正峰和负峰，使得接收信号由多峰脉冲组成，易造成虚假检测，因此需要对信号进行窗函数的平滑处理。用P(t)和窗函数W(t)进行卷积来完成平滑处理：

T(t)＝W(t)*P(t)

判断T(t)和阈值V(t)的大小，T(t)信号大于阈值的判定为检测到反射层，并计算相对应的时间延迟；反之则没有检测到反射层。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明中基于电磁波成像的果树植物主干内部缺陷检测，是一种木材无损检测技术，使用无损检测，不但可以掌握果树木材的性能，也可以对有缺陷的活立果树进行及时的救治，提高了果树的品质和产量。

2、本发明中电磁波检测技术及成像算法具有操作快捷简单和成像精度高等特点，可以量化评价树木内部病害和虫洞缺陷的位置、大小和形状，对于树木内部病虫害的精准检测会起到积极的作用。

3、本发明中基于电磁波成像的果树植物主干内部病虫害缺陷精准检测装置具有轻便、灵活性强、操作简单、检测过程安全，既不会对木材造成伤害，也不会对周边环境造成污染，且对人体无辐射伤害，是一种真正意义上的无损检测装置。

4、本发明通过试验可以估计层厚，分析植物主干内部情况。常用的检测方法有阈值检测、匹配旭波器、希尔伯特积算法等。阈值检测是最简单的层位分析方法，但当回波信号的信噪比较小时，阈值检测的相对误差较大；匹配滤波器对于有重叠的回波信号不能有效检测，精度较差。本发明采用希尔伯特积算法对植物主干内部不同层位进行检测识别，可以有效估计层厚。

附图说明

图1是本发明原理框架图；

附图标记说明：

1-雷达芯片模块；2-电磁波发射接收器；3-显示器；4-雷达天线；5-分析模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，如图1所示，本发明提供一种技术方案：基于电磁波成像的植物主干内部病虫害检测装置，包括雷达芯片模块1和电磁波发射接收器2，所述电磁波发射接收器2用于发射和接收电磁波，所述雷达芯片模块1与电磁波发射接收器2之间双向连接，通过雷达芯片模块1将采集到的电磁波转化成数字化形式，并进行存储。

所述雷达芯片模块1设置在封装箱6的几何中心，所述电磁波发射接收器2和显示器3均设置在封装箱6的外侧。

所述电磁波发射接收器2信号连接有雷达天线4，所述雷达天线4贴在待测植物主干的外围，用于将电磁波发射接收器2产生电磁波对植物主干进行测量；

所述雷达芯片模块1还信号连接有显示器3和分析模块5，所述显示器3用于完成测量数据的显示，所述分析模块5用于数据分析和确定待测植物主干内部病虫害的信息。

实施例2，实施例1中基于电磁波成像的植物主干内部病虫害检测装置的检测方法，包括以下步骤：

S1、将雷达天线4贴在待测植物主干的外围移动，并利用电磁波发射接收器2产生对待测植物主干进行测量的脉冲信号；

S2、电磁波发射接收器2产生的待测植物主干进行测量的脉冲信号经过待测植物主干的介质传播后再通过电磁波发射接收器2接收，并将采集到的电磁波传输至雷达芯片模块1上；

S3、雷达芯片模块1将采集到的电磁波转化成数字化形式，传送至分析模块5进行分析，并对信息进行存储；

S4、分析模块5通过预设在其内部的分析算法，对采集到的电磁波进行分析，确定待测植物主干内部病虫害的信息。

所述待测植物主干内部病虫害的信息包括待测植物主干缺陷位置信息、电磁波层析成像信息和层位分析信息。

所述待测植物主干缺陷位置信息通过麦克斯韦方程组确定电磁波传播速度以及介电常数来确定，包括以下步骤：

S1、确定缺陷位置在检测过程使用的是高频电磁波，高频电磁波在介质中的传播服从麦克斯韦方程组，麦克斯韦方程组的微分形式可以表示为：

其中，ρ为电荷密度；D为电位移；E为电场强度；B为磁感应度；h为磁场强度；J为电流密度；四个矢量D、E、B和h称为场量，J和ρ是矢量和标量；

假设介质是均匀的，再将其简化为：

J＝σE

B＝μh

D＝εE

其中，σ为电导率，μ为磁导率，ε为介电常数。

将这个两个式子整合，可得只含有两个矢量场形式的麦克斯韦方程组：

变形得到的波动方程与数学物理方程中的标准波动方程

比较，得到电磁波的传播速度：

S2、然后根据雷达波在健康树木介质内与缺陷介质界面见的反射时间和传播速度，计算得到缺陷的位置为：

其中，h为树皮到健康木介质内与缺陷木介质内之间的传播速度，t为电磁波在不同介质结构中的回波时间，c为真空中的光速，ε为介电常数；

S3、再利用振幅法，即利用雷达回波信号在各层介质反射信号的振幅比来求解介电常数，对于接收到的雷达回波信号，近似认为是各层界面反射波的叠加；假设A

S4、将S3中得到的介电常数代入S2中，即可得到待测植物主干的缺陷位置信息。

所述电磁波层析成像信息的确定通过雷达回波信号建立的回波信号模型来完成，通过回波信号的频谱特性可以用识别出植物主干内部不同的介质层位和异常区域。回波信号模型为；

其中，K为介质层数，y

所述电磁波层析成像方法中分辨率检测的步骤为：

分辨率是指分辨植物主干层位非常静的层位回波振幅能力，与发射波波长有关，波长越小对波形型号的辨识能力越高，反之辨识能力越低,分辨率包括纵向分辨率和横向分辨率。根据雷达系统理论，雷达的距离分辨率为：

对于植物主干内部缺陷检测而言，由于活体立木内部近似于层状结构，纵向分辨率需要重点关注，纵向分辨率是单道回波信号在垂直方向时域上区分两个相邻信号的能力，回波信号的两个脉冲在时域上可能距离较远且完全分离、或者距离较近部分波形重叠、或者几乎近似达到重叠。

根据电磁理论，电磁波在介质中传播时的波长λ为：

由上式可知，检测最大距离与中心频率、介电常数、磁导率成反比，当介质层厚等于波长的1/2时，该层等截面的反射会产生相消性干涉，随着层厚变薄，干涉性变强直至反射完全消失；当层厚达到1/8波长时，无法收到反射信号，只能接受到复合叠加信号，此时为纵向分辨率极限。

所述层位分析方法通过希尔伯特积算法估计层厚先对回波信号进行EMD分解，得到N个IMF分量c

因为回波信号包含正峰和负峰，使得接收信号由多峰脉冲组成，易造成虚假检测，因此需要对信号进行窗函数的平滑处理。用P(t)和窗函数W(t)进行卷积来完成平滑处理：

T(t)＝W(t)*P(t)

判断T(t)和阈值V(t)的大小，T(t)信号大于阈值的判定为检测到反射层，并计算相对应的时间延迟；反之则没有检测到反射层，通过希尔伯特积算法，对不同的介质进行定位分层。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。