CN104090025A - 一种大树孔洞检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大树孔洞检测方法，本发明采用应力波先检测直径大的大树树干中是否存在孔洞；有孔洞时用声表面波进一步检测孔洞的位置，并使用计算机软件为树干及孔洞建立三维模型，从而将大树树干中的孔洞精确地呈现出来。本发明具有能够精确检测大树树干中的孔洞的大小；能够确定大树树干中孔洞的位置；能够得到大树树干及树干中的孔洞的三维模型；检测快速、经济性好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种树木虫害情况检测方法，尤其是涉及一种能够精确检测大树中的孔洞的位置及大小的大树孔洞检测方法。
背景技术
树木病虫害防治方法主要有树干涂白法、农药埋施法、树干涂胶法、树干疗伤法和注药法。
其中，注药法是在树干周围钻孔注药，使全树体都具有农药的有效成分，不论害虫在什么部位取进食，都会中毒死亡。此法操作简便，省工、省药、不污染空气，不伤害天敌，防治效果好。
但是，通常的注药法不能获得害虫所处的具体位置，为了杀死害虫需要注入较大剂量的药物，但是药量大会对树木的生长造成一定影响。
如果选择错误的位置注入杀虫剂，既会给树木造成损伤，同时未遭虫蛀的部位由于杀虫剂的诱导容易产生病变，不但不能及时有效的消灭害虫，反而损伤了树木。
中国专利授权公开号：CN102706963A，授权公开日2012年10月3日，公开了一种古树及古建筑木结构内部腐朽应力波无损探测装置，该装置包括多个传感器、传感器固定装置、力锤、微损型针式连接器、数据处理系统和木材内部腐朽断层成像软件，所述传感器、所述数据处理系统与安装有所述成像软件的计算机通过若干根导线连接。该发明存在无法准确确定孔洞的位置及孔洞的大小的不足。
发明内容
本发明的发明目的是为了克服现有技术中的应力波检测方法无法准确确定孔洞的位置及孔洞的大小的不足，提供了一种能够精确检测大树中的孔洞的位置及大小的大树孔洞检测方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种大树孔洞检测方法，一种用于大树孔洞检测的孔洞检测装置包括声表面波装置、激光测距传感器和m个应力波传感器；应力波传感器、激光测距传感器和声表面波装置上分别设有用于与计算机电连接的数据接口；所述声表面波装置包括数字计数器、振荡器和声表面波谐振器；振荡器和声表面波谐振器构成振荡回路，数字计数器与振荡回路电连接，数字计数器上设有用于与计算机电连接的数据接口，声表面波谐振器通过导线与两个电极电连接，测距传感器设于一个电极与导线的连接处；所述检测方法包括如下步骤：
(1-1)预先在计算机中设有随机共振系统模型和孔洞壁厚预测模型；
在计算机中设定的n个取值范围与标准信噪比谷值的绝对值Ai的对应关系，i＝1，L，n；设定误差阈值d，设定声表面波检测阈值S；其中，是孔洞的直径，是孔洞所在位置的大树树干直径；
(1-2)选取大树树干的顶部为测量起始端，大树底部为测量终止端；将脉冲锤和m个应力波传感器沿树干外周面的圆周方向分别固定在起始端的树干外周面上；
脉冲锤敲击树干外周面，树干内部产生应力波，应力波传感器检测的应力波信号输入到计算机中，得到m个应力波信号，计算机计算m个应力波信号的平均信号，得到平均应力波信号；
(1-3)在平均应力波信号中，提取1个完整的应力波脉冲信号I(t)，将0至90ms内的所述应力波脉冲信号I(t)输入随机共振系统模型中，使随机共振系统模型发生共振；计算机利用信噪比计算公式计算输出信噪比SNR；
(1-4)计算机画出随机共振系统模型的输出信噪比曲线，得到信噪比曲线的信噪比谷值，并将信噪比谷值的绝对值作为信噪比特征值F；
随机共振技术目前已在检测数据特征值提取领域崭露头角。该理论是由意大利物理学家Benzi于1981年提出的，用以解释地球远古气象冰川期与暖气候期周期交替出现的现象。随机共振具有三要素：非线性系统、弱信号和噪声源。从信号处理角度考虑，随机共振是在非线性信号传输过程中，通过调节噪声的强度或者系统其它参数，使系统输出达到最佳值，实际上也可以认为是输入信号、非线性系统、噪声的协同状态。
一般情况下，双稳态模型中输入外力可以认为是理想电子鼻系统的信号，噪声是检测过程中引入的信道噪声，而双稳态系统的输入(信号加噪声)作为电子鼻系统实际的检测信号。在激励噪声的激励下，系统产生随机共振，此时输出信号大于输入信号，因而起到了信号放大的作用。同时，随机共振将部分检测信号中的噪声能量转换到信号中去，因而有效的抑制了检测信号中的噪声量。因此，随机共振系统相当于提高了提高输出信号信噪比的作用，信号、激励噪声和双稳态系统可以看做是一个高效信号处理器。在以上技术基础之上，随机共振系统输出信噪比分析技术可以较好的反应被测样品的本质特征信息。
随机共振输出信噪比特征信息反映的是被测样品的本质信息，该特征信息不随检测方法或者重复次数的限制而改变，只与样品的性质有关，有利于样品性质的标定，提高检测精度。
随机共振分析方法重现性好，重复100次计算，输出的结果误差比率不超过0.1％。而单纯的应力波检测的频率信号误差率比随机共振信噪比分析后的误差比率高出数倍。
(1-5)当则计算机做出大树的树干中的孔洞为Ai所对应的的取值范围的判断；
(1-6)当并且测量位置距离终止端＞0.8厘米时，将脉冲锤和应力波传感器从树干的外周面上取下，将脉冲锤和应力波传感器逐渐向终止端移动，并将脉冲锤和应力波传感器固定于距离上次测量位置0.6至1厘米的树干外周面上，重复步骤(1-3)至(1-6)进行测量；
当并且测量位置距离终止端≤0.8厘米时，脉冲锤停止工作，计算机做出大树树干中没有孔洞的判断，并将判断信息在计算机的显示屏上显示；
当转入步骤(1-7)；
(1-7)测量孔洞的壁厚：
步骤a，将脉冲锤和应力波传感器从树干的外周面上取下；
将声表面波谐振器的两个电极固定于起始端的树干外周面上，两个电极沿树干外周面的圆周方向间隔3至4毫米；终止端外周面上设有用于反射激光测距传感器的测量信号的环状反射镜(11)；
步骤b，声表面波谐振器工作，数字计数器检测声表面波响应频率FreqSAW，声表面波响应频率FreqSAW输入到计算机中，计算机利用孔洞壁厚预测模型计算出大树中的孔洞相对于电极侧的壁厚；
步骤c，沿树干的圆周方向移动声表面波谐振器的两个电极与大树外周面固定的位置，重复步骤b进行检测，得到若干个壁厚d；
步骤d，将激光测距传感器检测的电极与终止端之间的距离值及与距离值相对应的各个壁厚d存储在计算机中；
步骤e，重复步骤a至d对大树树干进行轴向扫描式检测；
(1-8)预先对大树树干的外周面进行测量，设定树干的外周面上的点的坐标，根据树干的外周面的点的坐标、电极与终止端之间的距离值及与距离值相对应的各个壁厚d，计算机建立大树树干及树干中孔洞的三维模型。
应力波具有穿透能力强的特点，因此本发明采用应力波先检测直径大的大树树干中是否存在孔洞；
有孔洞时用声表面波进一步检测孔洞的位置，并使用计算机软件为树干及孔洞建立三维模型，从而将大树树干中的孔洞精确地呈现出来。
单纯的应力波只能检测出树干中是否有孔洞，本发明中采用应力波与声表面波相结合的检测方法，应力波主要实现树干内部孔洞的尺寸检测，而声表面波探测技术可以精准定位孔洞的位置，二者结合可以同时实现大树树干中孔洞大小和位置的准确判断，这对于判断大树内部虫蛀情况或者针对树木找准部位对症下药具有重要意义，可以及时挽救被虫蛀的活体树木，降低经济损失。
作为优选，所述步骤b中，孔洞壁厚预测模型为作为优选，所述随机共振系统模型为其中，V(x)为非线性对称势函数，ξ(t)为高斯白噪声，A是输入信号强度，D是噪声强度，t是布朗运动粒子运动时间，x是粒子运动的坐标。
作为优选，所述信噪比计算公式为其中，ω是信号频率，Ω为角频率，S(ω)是信号频谱密度，SN(Ω)是信号频率范围内的噪声强度。
作为优选，所述声表面波检测阈值S为0.5％至2.6％。
作为优选，所述误差阈值d为0.18至0.7。
作为优选，声表面波谐振器的中心频率为433.92MHZ。
因此，本发明具有如下有益效果：(1)能够精确检测大树树干中的孔洞的大小；(2)能够确定大树树干中孔洞的位置；(3)能够得到大树树干及树干中的孔洞的三维模型；(4)检测快速、经济性好。
附图说明
图1是本发明的一种流程图；
图2是本发明的原理框图；
图3是本发明的应力波脉冲信号图；
图4是本发明的应力波检测信号的输出信噪比曲线；
图5是本发明的树干横截面图及坐标系图；
图6是本发明的环状反射镜的一种结构示意图。
图中：声表面波装置1、测距传感器2、应力波传感器3、数字计数器4、振荡器5、声表面波谐振器6、电极7、计算机8、树干9、孔洞10、环状反射镜11。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图2所示的实施例是一种大树孔洞检测方法，一种用于大树孔洞检测的孔洞检测装置包括声表面波装置1、激光测距传感器2和4个应力波传感器3；应力波传感器、激光测距传感器和声表面波装置上分别设有用于与计算机电连接的数据接口；
声表面波装置包括数字计数器4、振荡器5和声表面波谐振器6；振荡器和声表面波谐振器构成振荡回路，数字计数器与振荡回路电连接，数字计数器上设有用于与计算机8电连接的数据接口，声表面波谐振器通过导线与两个电极7电连接，激光测距传感器设于一个电极与导线的连接处；
预先在计算机中设定随机共振系统模型：其中，V(x)为非线性对称势函数，ξ(t)为高斯白噪声，A是输入信号强度，D是噪声强度，t是布朗运动粒子运动时间，x是粒子运动的坐标；
在计算机中设定孔洞的直径和孔洞所在位置的树干直径之间的比值的4个取值范围与标准信噪比谷值的绝对值Ai的对应关系，i＝1，L，4；设定误差阈值d＝0.2，设定声表面波检测阈值S＝2％；
和Ai的对应关系是通过实验获得：用应力波对不同取值范围的孔洞的树干进行检测，得到信号I(t)，将频率信号I(t)输入随机共振系统模型中，使随机共振系统模型发生共振；计算机画出随机共振系统模型的输出信噪比曲线，得到信噪比曲线的信噪比谷值；
对该孔洞重复检测125次，得到125个信噪比谷值的绝对值，将信噪比谷值的绝对值取平均，并同时测量该树干的孔洞的尺寸及检测位置的树干直径尺寸，从而得到与Ai之间的对应关系。
本实施例中，当定义为小洞大树，对应的A1＝88dB；
当定义为中洞大树，对应的A2＝85.7dB；
当定义为大洞大树，对应的A3＝84.5dB；
当定义为树干已经腐烂中空，对应的A4＝82dB。
如图1所示的检测方法包括如下步骤：
步骤100，选取大树树干的顶部为测量起始端，大树底部为测量终止端；用固定皮带将脉冲锤和4个应力波传感器沿树干外周面的圆周方向分别固定在起始端的树干外周面上；
脉冲锤敲击树干外周面，树干内部产生应力波，应力波传感器检测的应力波信号输入到计算机中，得到4个应力波信号，计算机计算m个应力波信号的平均信号，得到平均应力波信号；
步骤200，在平均应力波信号中，提取1个完整的应力波脉冲信号I(t)，将0至90ms内的所述应力波脉冲信号I(t)输入随机共振系统模型中，使随机共振系统模型发生共振；计算机利用信噪比计算公式计算输出信噪比SNR；
计算机利用信噪比计算公式计算输出信噪比SNR；其中，ω是信号频率，Ω为角频率，S(ω)是信号频谱密度，SN(Ω)是信号频率范围内的噪声强度；
步骤300，计算机画出随机共振系统模型的输出信噪比曲线，得到信噪比曲线的信噪比谷值，并将信噪比谷值的绝对值作为信噪比特征值F；
本实施例中，计算机画出如图4所示的输出信噪比曲线，信噪比谷值为-85.8dB，则F为85.8dB；
步骤400，当则计算机做出大树的树干中的孔洞为Ai所对应的的取值范围的判断；
本实施例中，所以本实施例中的大树为中洞大树。
步骤500，当并且测量位置距离终止端＞0.8厘米时，将脉冲锤和应力波传感器从树干的外周面上取下，将脉冲锤和应力波传感器逐渐向终止端移动，并用固定皮带将脉冲锤和应力波传感器固定于距离上次测量位置0.5厘米的树干外周面上，重复步骤200至400进行测量；
当并且测量位置距离终止端≤0.8厘米时，脉冲锤停止工作，计算机做出大树树干中没有孔洞的判断，并将判断信息在计算机的显示屏上显示；
当转入步骤600；
步骤600，测量孔洞的壁厚：
步骤601，将脉冲锤和应力波传感器从树干的外周面上取下；
用固定皮带将声表面波谐振器的两个电极固定到起始端的树干的外周面上，两个电极沿树干的圆周方向相距2毫米；终止端外周面上设有如图6所示的用于反射激光测距传感器的测量信号的环状反射镜11；环状反射镜右两片弧形环状的反射镜构成，两片弧形环状的反射镜可以相对旋转并通过卡扣锁紧。
步骤602，声表面波谐振器工作，数字计数器检测声表面波响应频率FreqSAW，声表面波响应频率FreqSAW输入到计算机中，计算机利用孔洞壁厚预测模型计算出树干中的孔洞相对于电极侧的壁厚；
孔洞壁厚预测模型是经过对树干的不同孔洞进行检测，从而得到120个壁厚及与该壁厚相对应的FreqSAW，将120个壁厚及与该壁厚相对应的FreqSAW构成点，对120个点进行线性拟合，得到拟合曲线，从而达到孔洞壁厚预测模型。
步骤603，沿树干的圆周方向移动声表面波谐振器的两个电极与大树外周面固定的位置，电极的固定位置分别为树干外周面右侧、左侧、前侧和后侧；重复步骤602进行检测，得到4个壁厚d1，d2，d3，d4；
步骤604，将激光测距传感器检测的电极与终止端之间的距离值及4个壁厚d1，d2，d3，d4存储在计算机中；
步骤605，逐渐将声表面波谐振器的两个电极由起始端至终止端移动，重复步骤601至604进行检测；
步骤700，如图5所示的树干横截面图及坐标系，预先对树干9的外周面进行测量，得到树干的外周面上的点的坐标，根据树干的外周面的点的坐标、电极与大树末端之间的距离值及d1，d2，d3，d4，计算机建立树干及树干中孔洞10的三维模型。
本实施例中，假设树干中空部分为一个圆，根据d1、d2、d3和d4的值，计算机计算得到孔洞的四个点的坐标是：d1(x1，y1)，d2(x2，y2)，d3(x3，y3)，d4(x4，y4)，预先设定圆的圆心坐标是(x0，y0)；
先做出d1和d3线段的中垂线：
同理，做出d2和d4线段的中垂线：则ys1和ys2的交点即为所求圆心坐标(x0，y0)，(x0，y0)至d1，d2，d3，d4的距离相等，做出以(x0，y0)为圆心，圆周经过点d1，d2，d3，d4的圆。分别做出电极的不同轴向测量位置的圆，并结合圆距离大树底部的距离，从而在计算机中做出树干及孔洞的三维模型。
也可以用平滑曲线将d1、d2、d3和d4连接起来，构成当前检测的大树横截面的孔洞截面图，分别做出电极的不同轴向测量位置的孔洞截面图，结合孔洞截面图距离大树末端的距离，在计算机中做出树干及孔洞的三维模型。
应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (7)
1.一种大树孔洞检测方法，一种用于大树孔洞检测的孔洞检测装置包括声表面波装置(1)、激光测距传感器(2)和m个应力波传感器(3)；应力波传感器、激光测距传感器和声表面波装置上分别设有用于与计算机电连接的数据接口；其特征是，所述声表面波装置包括数字计数器(4)、振荡器(5)和声表面波谐振器(6)；振荡器和声表面波谐振器构成振荡回路，数字计数器与振荡回路电连接，数字计数器上设有用于与计算机(8)电连接的数据接口，声表面波谐振器通过导线与两个电极(7)电连接，激光测距传感器设于一个电极与导线的连接处；所述检测方法包括如下步骤：
(1-1)预先在计算机中设有随机共振系统模型和孔洞壁厚预测模型；
在计算机中设定的n个取值范围与标准信噪比谷值的绝对值Ai的对应关系，i＝1，L，n；设定误差阈值d，设定声表面波检测阈值S；其中，是孔洞的直径，是孔洞所在位置的大树树干直径；
(1-2)选取大树树干的顶部为测量起始端，大树底部为测量终止端；将脉冲锤和m个应力波传感器沿树干外周面的圆周方向分别固定在起始端的树干外周面上；
脉冲锤敲击树干外周面，树干内部产生应力波，应力波传感器检测的应力波信号输入到计算机中，得到m个应力波信号，计算机计算m个应力波信号的平均信号，得到平均应力波信号；
(1-3)在平均应力波信号中，提取1个完整的应力波脉冲信号I(t)，将0至90ms内的所述应力波脉冲信号I(t)输入随机共振系统模型中，使随机共振系统模型发生共振；计算机利用信噪比计算公式计算输出信噪比SNR；
(1-4)计算机画出随机共振系统模型的输出信噪比曲线，得到信噪比曲线的信噪比谷值，并将信噪比谷值的绝对值作为信噪比特征值F；
(1-5)当则计算机做出大树的树干中的孔洞为Ai所对应的的取值范围的判断；
(1-6)当并且测量位置距离终止端＞0.8厘米时，将脉冲锤和应力波传感器从树干的外周面上取下，将脉冲锤和应力波传感器逐渐向终止端移动，并将脉冲锤和应力波传感器固定于距离上次测量位置0.6至1厘米的树干外周面上，重复步骤(1-3)至(1-6)进行测量；
当并且测量位置距离终止端≤0.8厘米时，脉冲锤停止工作，计算机做出大树树干中没有孔洞的判断，并将判断信息在计算机的显示屏上显示；
当转入步骤(1-7)；
(1-7)测量孔洞的壁厚：
步骤a，将脉冲锤和应力波传感器从树干的外周面上取下；
将声表面波谐振器的两个电极固定于起始端的树干外周面上，两个电极沿树干外周面的圆周方向间隔3至4毫米；终止端外周面上设有用于反射激光测距传感器的测量信号的环状反射镜(11)；
步骤b，声表面波谐振器工作，数字计数器检测声表面波响应频率FreqSAW，声表面波响应频率FreqSAW输入到计算机中，计算机利用孔洞壁厚预测模型计算出大树中的孔洞相对于电极侧的壁厚；
步骤c，沿树干的圆周方向移动声表面波谐振器的两个电极与大树外周面固定的位置，重复步骤b进行检测，得到若干个壁厚d；
步骤d，将激光测距传感器检测的电极与终止端之间的距离值及与距离值相对应的各个壁厚d存储在计算机中；
步骤e，重复步骤a至d对大树树干进行轴向扫描式检测；
(1-8)预先对大树树干的外周面进行测量，设定树干的外周面上的点的坐标，根据树干的外周面的点的坐标、电极与终止端之间的距离值及与距离值相对应的各个壁厚d，计算机建立大树树干及树干中孔洞的三维模型。
2.根据权利要求1所述的一种大树孔洞检测方法，其特征是，所述步骤b中，孔洞壁厚预测模型为
3.根据权利要求1所述的一种大树孔洞检测方法，其特征是，所述随机共振系统模型为其中，V(x)为非线性对称势函数，ξ(t)为高斯白噪声，A是输入信号强度，D是噪声强度，t是布朗运动粒子运动时间，x是粒子运动的坐标。
4.根据权利要求1所述的一种大树孔洞检测方法，其特征是，所述信噪比计算公式为其中，ω是信号频率，Ω为角频率，S(ω)是信号频谱密度，SN(Ω)是信号频率范围内的噪声强度。
5.根据权利要求1所述的一种大树孔洞检测方法，其特征是，所述声表面波检测阈值S为0.5％至2.6％。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种大树孔洞检测方法，其特征是，所述误差阈值d为0.18至0.7。
7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种大树孔洞检测方法，其特征是，声表面波谐振器的中心频率为433.92MHZ。
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Effective date of abandoning: 20170201 |
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