基于超聲射頻的植物莖體水分無損檢測方法研究

呂丹桔 施心陵 董 易 王躍民 王 霞 王 超

(1.云南大學信息學院，昆明 650091； 2.西南林業大學大數據與智能工程學院，昆明 650224；3.西南林業大學林學院，昆明 650224)

基于超聲射頻的植物莖體水分無損檢測方法研究

呂丹桔1,2施心陵1董 易1王躍民1王 霞1王 超3

(1.云南大學信息學院，昆明 650091； 2.西南林業大學大數據與智能工程學院，昆明 650224；3.西南林業大學林學院，昆明 650224)

對植物莖體水分進行實時無損的在線檢測成為研究植物水分生理活動的熱點之一。本文提出一種基于超聲射頻回波技術的植物莖體水分實時無損在線檢測方法，該系統硬件由超聲探頭、超聲射頻發射接收器、數據采集卡和計算機組成；軟件由LabVIEW平臺開發完成。通過系統獲取有機溶液超聲回波速度，仿真植物莖體含水率；以楊樹截斷樣品為對象，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性，平均決定系數為0.98；以活體立木白玉蘭為檢測對象，完成其莖體超聲波日變化檢測，最高超聲回波速度出現在14:00，最低值出現在22:00。實驗表明超聲回波速度與植物生理變化特性相符。同時，本文通過莖體樣品及活立木的超聲檢測，驗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構差異，為植物莖體水分的檢測提供了一種攜帶莖體結構特性的檢測方法。

莖體水分； 超聲； 無損檢測

引言

植物莖體的含水量是植物水分生理活動的指標之一，也是精準農業獲取植物生理生長的需求[1-2]。目前，常通過直接測定莖體部位含水量，獲得水分脅迫或充盈的信息。其主要的檢測手段有烘干法、γ射線法[3]、核磁共振法[4-6]、X射線計算機層析成像技術[7]、電阻法[8]、時域反射法TDR[9]和頻域電容法[10]。γ射線法和核磁共振法具有高準確性和無損性[11]，但檢測設備昂貴且不易長期進行檢測。而時域反射法和頻域電容法為侵入式檢測，即在檢測時，需將探針插入植物莖體內，對植物本身造成損傷，影響植物的生理活動[12-13]，導致莖體含水量動態變化檢測誤差的產生[14]；同時，采用TDR檢測時，探針插入的深度還與植物莖體結構貯水特性有關，影響檢測的一致性[13]。最近，提出了基于駐波率原理的檢測方法[15]與無損在線頻域電容法[16]，實現了莖體水分的動態無損檢測。但上述研究團隊均指出所采用檢測方法會受到植物莖體結構差異的影響，對于不同直徑的莖體水分需要分別標定[15-16]。

為了揭示植物生理活動變化的動態特性，探尋一種在線無損具有結構差異的莖體水分檢測手段與方法成為植物莖體檢測的熱點。本文提出一種可反映莖體結構差異的超聲射頻植物莖體水分無損在線檢測方法。

1 植物莖體水分超聲檢測

1.1 檢測原理

植物莖體可視為木質纖維、水、空氣甚至是冰的混合體[17]。活體植物莖體的水分調節過程，實為上述介質混合比例的變化。超聲技術檢測植物莖體水分的基礎是由于植物莖體內水分充盈與虧缺，導致莖體物理性質不同[18-20]，當超聲射頻信號在含水量不同的植物莖體中傳播時，形成不同的超聲界面，產生相應規律性的反射回波。本文通過獲取植物莖體超聲射頻回波信號，研究其水分的變化。

1.2 聲波速度與莖體含水率的檢測方法

超聲波在固體介質中傳播受介質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——介質密度，g/cm3

σ——介質泊松比(彈性常數)

植物莖體含水量變化時，針對同株植物介質泊松比σ視為常數[19-20]，水分含量變化梯度對超聲回波速度具有主導作用[21-22]。植物的水分調節從匱水到充盈的周期變化過程的超聲表現為：莖體水分含量增大使ρ增大[20]，據式(1)可知最終導致vl下降。反之，當莖體從充盈到匱水時，ρ減小，vl上升。因此通過對植物莖體超聲回波速度的檢測可獲取莖體含水率變化特點，且兩者具有二次式的關系。

超聲回波速度的檢測可通過第1回波位置出現的時間與聲波傳播經歷的路徑確定，其回波速度vl的檢測公式為

(2)

式中 2D——超聲回波在介質中經歷的直線路徑長度，m

t——超聲射頻到達第1回波位置的時間，s

1.3 檢測系統的實現

超聲植物莖體水分檢測系統的硬件由1 MHz非金屬超聲探頭、超聲波信號發生接收器(CTS-8077PR)、基于LabVIEW的Nextkit數據采集儀(采樣深度2 000個采樣點/超聲脈沖觸發，采樣頻率10 MHz)和計算機組成；軟件系統是基于LabVIEW開發的，用于超聲射頻回波信號的采集與存儲，如圖1、2所示。超聲脈沖發射設備以1 kHz產生窄脈沖(脈沖寬度為1 000 ns)送至1 MHz的超聲探頭，產生超聲射頻信號；將探頭涂以足量耦合劑，置于待檢測植物莖體處，確保探頭與待檢處充分耦合，使超聲射頻信號以軸/徑向方向有效進入植物莖體。超聲射頻信號在植物莖體內傳播時，因受莖體水分等特性的影響，使超聲射頻回波信號發生變化，回波信號經探頭接收至超聲脈沖接收設備后，通過Nextkit數據采集卡的LabVIEW平臺將回波信號顯示并存儲于計算機上，完成植物莖干超聲射頻回波信號的采集。

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

圖2 LabVIEW設計的超聲植物莖體水分檢測系統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算

從獲取的超聲射頻信號中確定第1回波的時間t，通過測量其莖體傳播路徑長度2D，利用式(2)計算回波速度。為了驗證上述超聲速度的檢測結果，實驗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如圖3所示，其回波的傳播路徑長度為2倍燒杯直徑(7 cm)，第1回波時間為1.04×10-4s，計算得其回波速度為1 347 m/s。

2 回波速度與液體密度相關性分析

2.1有機溶劑的超聲射頻回波聲速與莖體體積含水率的相關性分析

參照文獻[15]的實驗設計方案，構建液體超聲速度與植物莖體體積含水率的相關性，即用不同超聲速度等級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性。實驗中，用裝有不同密度的有機溶劑的燒杯來模擬具有不同體積含水率的植物。用本文檢測系統對上述燒杯進行檢測，獲取超聲回波速度。其相關性如表1所示。

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

表1有機溶劑的超聲回波速度980 m/s對應的植物莖體體積含水率為60%；有機溶劑的超聲回波速度1 904 m/s對應植物莖體體積含水率為2%。一般植物莖體的鮮質量含水率在40%～50%之間[23]，而植物莖體體積含水率小于鮮質量含水率，因此超聲回波檢測能夠滿足植物莖體水分檢測的需要。

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

根據上述有機溶劑的聲波速度與設定的莖體體積含水率對應關系，得到由超聲速度計算植物莖體體積含水率公式為

(3)

2.2 不同燒杯直徑對超聲射頻回波聲速的影響

為探討植物莖體的粗細對超聲速度的影響，在6個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超聲回波速度的影響。然后依次改變燒杯中有機溶液，模擬不同粗細莖體在不同體積含水率時，植物莖干超聲回波速度，檢測結果如圖4所示。

圖4 不同直徑燒杯中6種有機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。同時結果表明波速的變化只與液體密度有關，不會因直徑變化而變化，從而確保超聲檢測植物莖體水分的穩定性。

3 植物莖體結構差異與回波速度關系

超聲波在植物莖體中傳播因結構差異、密度不同等因素，會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差異

同一植物莖體超聲回波信號在軸向與徑向的差異是由其莖體細胞結構在徑向與軸向的生理結構特性不同導致[17]。實驗選取6 cm×6 cm楊樹莖體截斷樣品為檢測對象，進行徑向與軸向的超聲檢測，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如圖5、6所示。檢測得到徑向速度為4 705.9 m/s，軸向速度為7 643.3 m/s。實驗結果表明植物莖體在徑向與軸向的結構特性不同，導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差異

選取西南林業大學內1株白玉蘭樹和1株棕櫚樹為實驗對象，白玉蘭檢測點距地面高度為87 cm，直徑為5.4 cm，棕櫚檢測點距地面高度為78 cm，直徑為10.1 cm。檢測日期為3月27日，檢測時間為10:00，對其植物莖體徑向方向進行立木活體檢測。其超聲射頻回波信號如圖7、8所示。兩種植物莖體結構本身具有的差異通過超聲回波信號可以明顯看出。計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，導致第1回波位置不易確定，實驗中采用自相關函數確定第1回波位置[26]，結果如圖9所示。

圖7 白玉蘭植物莖體徑向超聲回波信號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信號Fig.9 Autocorrelation ultrasonic wave signal of palm stem in radial direction

4 植物莖體水分超聲檢測的性能分析

4.1 植物截斷莖體含水率變化超聲檢測分析

在線動態的植物莖體檢測(即同一檢測位置處)，其水分的變化主要表現為因含水率不同引起的密度變化。實驗選取楊樹6 cm×6 cm、7 cm×7 cm和10 cm×10 cm的莖體截斷樣品，經干燥處理后作為檢測對象。將檢測對象進行浸水實驗，檢測其質量、密度、超聲速度及體積與質量含水率。因莖體吸水在最初階段變化明顯，檢測時間間隔設置為10 min或20 min，共檢測6次；莖體吸水中段檢測時間間隔3～4 h，檢測2次；后期，莖體檢測時間間隔為24 h內檢測1～2次，最后，莖體檢測頻率為1次/(2 d)，當2 d內吸水量小于10 g時，停止實驗。其實驗檢測結果如表2所示。

體積含水率為

θ=(mA-mB)/(βV)×100%

式中mA——浸水后樣品質量，g

mB——干燥后樣品質量，g

β——水的密度，g/cm3

V——樣品體積，cm3

上述實驗表明莖體截斷樣品在最初的浸水1 h內，其吸水現象明顯，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%。隨著浸水時間的增加，莖體吸水現象漸緩，最后浸水9 d后(48 h內)，6 cm直徑樣品僅增質量3.8 g，最終超聲回波速度為1 500 m/s，體積含水率為42%。實驗結果說明：莖體體積含水率的增加會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 不同莖體浸水時間下超聲回波速度、質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式進行有效擬合，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系Fig.10 Relationship between plant stem water content and ultrasonic velocity

4.2 活立木莖體超聲檢測日變化性能分析

以西南林業大學校園內15 a生白玉蘭樹莖體為實驗對象，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處進行檢測。檢測日期為3月20日，檢測間隔為1 h，連續檢測24 h。根據檢測的超聲回波信號，確定第1回波位置，計算出每次檢測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

檢測結果表明在14:00時具有最高超聲速度，22:00時出現最低超聲速度。6:00—18:00時段，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現象。同時，因為一天中由于光強、溫濕度的影響，植物表現為不同時段的耗水情況變化明顯，其中耗水最多的時段常發生在光強、溫度最高后1～2 h；檢測結果顯示超聲回波速度最大值發生在14:00，與所述植物莖體體積含水率變化情況相符。

5 結論

(1)基于超聲射頻回波技術，設計了無損動態的植物莖體水分檢測系統。實驗表明超聲回波速度與檢測莖干的密度密切相關，而基本不受植物莖干直徑的影響。

(2)以楊樹莖干截斷樣品為檢測對象，獲取樣品浸水過程水分變化的超聲射頻回波信號，結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為0.98，能夠滿足植物莖體水分檢測需求。

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

(4)系統滿足莖體結構差異的檢測需求。莖體在徑向、軸向超聲回波信號不同，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。

1 姚元森, 廖桂平, 趙星,等.農作物生長環境信息感知技術研究進展[J].作物研究, 2013, 27(1):58-63.

YAO Yuansen, LIAO Guiping, ZHAO Xing, et al.Research progress of crop growth environment information perception techniques [J].Crop Research, 2013, 27(1): 58-63.(in Chinese)

2 許世衛, 王東杰, 李哲敏.大數據推動農業現代化應用研究[J].中國農業科學, 2015, 48(17):3429-3438.

XU Shiwei, WANG Dongjie, LI Zhemin.Application research on big data promote agricultural modernization [J].Scinetia Agricultura Sinica, 2015, 48(17): 3429-3438.(in Chinese)

3 EDWARDS W R N, JARVIS P G.A method for measuring radial differences in water content of intact tree stems by attenuation of gamma radiation [J].Plant Cell and Environment, 1983,6(3): 255-260.

4 BYRNE G F, FENN M D, BURGAR M I.Nuclear magnetic resonance studies of water in tree sections [J].Agricultural and Forest Meteorology, 1986, 38(4): 307-317.

5 BORISJUK L, ROLLETSCHEK H, NEUBERGER T.Surveying the plant’s world by magnetic resonance imaging [J].The Plant Journal, 2012,70(1): 129-146.

6 WINDT C W, BLüMLER P.A portable NMR sensor to measure dynamic changes in the amount of water in living stems or fruit and its potential to measure sap flow [J].Tree Physiology, 2015, 35(4):366.

7 RASCHI A, TOGNETTI R, RIDDER H W, et al.Water in the stems of sessile oak (Quercuspetraea) assessed by computer tomography with concurrent measurements of sap velocity and ultrasound emission [J].Plant Cell and Environment, 1995, 18(5): 545-554.

8 宋蟄存,林迎忠,顧廣濱.活性對電導法測量木材含水率的影響[J].東北林業大學學報, 1994(1): 113-116.

SONG Zhecun, LIN Yingzhong, GU Guangbin.The influence of wood cell activity on moisture content measurement by electric resistance [J].Journal of Northeast Forestry University, 1994(1): 113-116.(in Chinese)

9 SPARKS J P, CAMPBELL G S, BLACK A R.Water content, hydraulic conductivity, and ice formation in winter stems of Pinus contorta: a TDR case study [J].Oecologia, 2001,127(4): 468-475.

10 HAO G Y, WHEELER J K, HOLBROOK N M, et al.Investigating xylem embolism formation, refilling and water storage in tree trunks using frequency domain reflectometry [J].Journal of Experimental Botany, 2013,64(8):2321-2332.

11 JONES H G.Irrigation scheduling: advantages and pitfalls of plant-based methods [J].Journal of Experimental Botany, 2004,55(407): 2427-2436.

12 LU P, WOO K C, LIU Z T.Estimation of whole-plant transpiration of bananas using sap flow measurements [J].Journal of Experimental Botany, 2002,53(375): 1771-1779.

13 NADLER A, RAVEH E, YERMIYAHU U, et al.Evaluation of TDR use to monitor water content in stem of lemon trees and soil and their response to water stress [J].Soil Science Society of America Journal, 2003, 67(2): 437-448.

14 MADURAPPERUMA W S, BLEBY T M, BURGESS S S.Evaluation of sap flow methods to determine water use by cultivated palms [J].Environmental and Experimental Botany, 2009,66(3):372-380.

15 趙燕東, 高超, 張新,等.基于駐波率原理的植物莖體水分無損檢測方法研究[J/OL].農業機械學報, 2016, 47(1):310-316.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160142andflag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.01.042.

ZHAO Yandong, GAO Chao, ZHANG Xin, et al.Non-destructive measurement of plant stem water content based on standing wave ratio [J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(1): 310-316.(in Chinese)

16 ZHOU H, SUN Y, TYREE M T, et al.An improved sensor for precision detection of in situ stem water content using a frequency domain fringing capacitor[J].New Phytologist, 2015, 206(1): 471.

17 GUILLAUME C, KATLINE C V, BENOIT L, et al.Changes in ultrasound velocity and attenuation indicate freezing of xylem sap [J].Agricultural and Forest Meteorology, 2014, 185(185): 20-25.

18 TOMPPO L.Novel applications of electrical impedance and ultrasound methods for wood quality assessment [D].Finland: University of Eastern Finland, 2013.

19 彭輝, 蔣佳荔, 詹天翼,等.木材密度和含水率對其軸向超聲波傳播速度的影響[J].林業科學, 2016, 52(10):117-124.

PENG Hui, JIANG Jiali, ZHAN Tianyi, et al.Influence of density and moisture content on ultrasound velocities along the longitudinal direction in wood [J].Scientia Silvae Sincae, 2016, 52(10): 117-124.(in Chinese)

20 OLIVEIRA F G R D, CANDIAN M, LUCCHETTE F F, et al.A technical note on the relationship between ultrasonic velocity and moisture content of Brazilian hardwood (Goupiaglabra)[J].Building and Environment, 2005, 40(2): 297-300.

21 SIMPSON W T, WANG X.Relationship between longitudinal stress wave transit time and moisture content of lumber during kiln-drying [J].Forest Products Journal, 2001,51(10): 51-54.

22 MISHIRO A.Ultrasonic velocity in wood and its moisture content I.effects of moisture gradients on ultrasonic velocity in wood[J].Journal of the Japan Wood Research Society, 1995, 41(12): 1086-1092.

23 陳昌雄,余坤勇,曹祖寧.小葉青岡天然林樹干含水率的研究[J].中南林業科技大學學報,2010,30(12): 39-41,46.

CHEN Changxiong, YU Kunyong, CAO Zuning.Moisture content of tree stem ofCyclobalanopsismyrsinaefolia(Bl.) oerst in natural forest [J].Journal of Central South University of Forestry and Technology, 2010, 30(12): 39-41,46.(in Chinese)

24 HASEGAWA M, TAKATA M, MATSUMURA J, et al.Effect of wood properties on within-tree variation in ultrasonic wave velocity in softwood [J].Ultrasonics, 2011, 51(3): 296-302.

25 HASEGAWA M, YANO Y, MATSUMURA J, et al.Prospects for within-tree variation of the acoustoelastic behaviors in Japanese cedar [J].Ndt and E International, 2012, 49(7): 57-63.

26 李國定, 涂堅, 石長生.大噪聲中微弱周期信號的自相關檢測法[C]∥中國計算機學會信息保密專業委員會年會, 1999.

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

國家自然科學基金項目(61661050)和昆明市林業信息工程技術研究中心重點項目(2015)

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

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