CN104101650B - 一种树木年轮的空气耦合式超声波检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用空气耦合式超声波检测树木年轮参数的方法，同时还涉及实现该方法的装置，属于检测技术领域。该方法包括将待测树木圆盘放置在超声波发射探头和接收探头之间、控制待测树木圆盘按预定的步幅步进移动并接收超声波信号、将发射与接收到的超声波信号进行脉冲压缩并判断是否已超出待测树木圆盘边界、分析接收到的超声波信号幅度变化趋势、计算平均年轮宽度与晚材率等参数。本发明的显著优点是：不需要人眼观察，避免人眼疲劳，提高了检测效率和精度；检测结果不受待测树木圆盘的加工精度以及表面颜色的影响；采用了调频信号脉冲压缩技术，能够显著提高接收到超声波信号信噪比，进一步提高检测精度。

Description

一种树木年轮的空气耦合式超声波检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种树木年轮的检测方法，尤其是一种利用空气耦合式超声波检测树木年轮参数的方法，同时还涉及实现该方法的装置，属于检测技术领域。

背景技术

树木年轮具有定年准确、连续性强、分辨率高和地域分布广泛、易于获取复本等特点，是研究全球气候与环境变化的重要手段之一。年轮中蕴含的晚材率等信息可以作为衡量木材强度的标准，对林木选种、木材识别与合理利用等都有重要的指导意义。

传统的年轮检测主要依靠人工操作显微镜读取年轮宽度值，效率低、处理方法繁琐、费时费力。在判读年轮、测量年轮宽度时，需要长时间注视显微镜，极易陷入视力疲劳，降低检测精度。

近年来，很多学者提出了利用图像处理技术检测年轮参数，首先利用数码相机或摄像头对经过加工的树木圆盘拍照，再通过灰度转换、图像增强、分割等运算，得到年轮参数。这种测定方法减少了检测过程中的人工参与，提高了检测精度和效率，但其实质是通过颜色差异对早材、晚材进行区分，但树木横截面上的色斑、边材心材的颜色差异等都会导致检测结果出现较大误差。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的缺点，提出一种无需人工干预、不受待测树木色斑、颜色差异影响，可以精确检测树木年轮的空气耦合式超声波检测方法，同时给出相应的检测装置。

研究表明，空气耦合式超声波检测中，接收到的超声波信号幅度主要受两个因素影响：材料的声阻抗与材料表面透射率。

超声波在介质中传播时，声阻抗Z等于密度与传播速度的乘积，即：。介质的密度越大，则声阻抗越大，穿透介质后的声压就越低。

空气耦合式超声波从空气进入待测材料时时，会出现明显的折射与反射现象，只有极少数能量的超声波能透射过待测木材，透射率为：

式中，为空气的声阻抗，为待测材料的表面声阻抗。

由于空气的密度较低，声阻抗也比较小。若待测材料的密度越大，则与相差较大，声阻抗失配程度严重，透射率下降较为严重。

由此可知，接收到的超声波信号幅度受待测材料的表面密度以及内部密度的影响较为显著。完整的树木年轮是由早材、晚材的完整环带构成。由于早材(亦称春材)是春天所生，细胞分裂快，形成的木材密度低，材质疏松；而晚材(亦称秋材)是夏秋两季所生，细胞分裂慢，细胞壁厚，形成的材质密度高。当超声波探头移动到早材处时，超声波透射率较高，超声波传播过程中的声阻抗也小，接收探头接收到的超声波能量较大；当超声波探头移动到晚材处时超声波透射率较低，超声波传播过程中的声阻抗也大，接收探头接收到的超声波能量较小。因此通过接收到的超声波能量来区分早材以及晚材，可方便准确地计算出年轮、平均年轮宽度、晚材率等参数。

为了达到以上目的，本发明的空气耦合式超声波检测方法包括以下基本步骤：

第一步、将待测树木圆盘放置在超声波发射探头和超声波接收探头之间，并调整超声波发射探头，使超声波束的焦点位于待测树木圆盘的中心；

第二步、控制待测树木圆盘按预定的步幅步进移动，并由超声波接收探头接收超声波发射探头发射的超声波信号；

第三步、根据接收到的超声波信号幅度判断是否已超出待测树木圆盘边界，如否则反馈第二步，如是则进行下一步；

第四步、以接收到的超声波信号一个完整的峰-谷-峰变化过程对应一个年轮，统计出待测树木圆盘的年轮数（）。

进而可以进行第五步，求得平均年轮宽度为：，其中为待测树木圆盘的整年轮总宽度，由待测树木圆盘的步进移动步数乘预定步幅算出；并且可以将超声波信号的幅度值与设定的阈值进行比较，大于阈值记为晚材，进而统计其数量占所记录的超声波信号幅度周期（即峰-谷-峰变化过程）总数的比例，得到晚材率。

进一步，所述超声波发射探头发出的超声波信号为带汉明窗的Chirp脉冲信号，所述Chirp脉冲信号表达式为：

式中，是信号持续时间，单位微秒；是起始频率，单位千赫；是带宽，单位兆赫；是时间变量，单位微秒。

再进一步，所述第三步中，工控机将所述脉冲信号按下式进行压缩运算后再进行比较：

式中，是压缩后脉冲信号幅度，是发射超声信号的频谱；是接收到的超声波信号频谱的共轭；为傅里叶逆变换；为复数的实部。

实现上述方法的装置包括工控机：

所述工控机通过信号发生器控制的发射探头，用以受控向树木圆盘发射超声波信号；

所述发射探头相对位置安置的接收探头，用以接收超声波发射探头发射的超声波信号；

所述工控机通过驱动电路控制的步进直线滑台，所述直线滑台位于所述发射探头和接收探头之间，用以安置树木圆盘并带动其按预定步幅步进；

所述接收探头通过前置放大器和数据采集卡接工控机的检测信号接收端，用以将接收到的超声波信号放大并转换为幅度数字信号后传输给工控机记录存储，并由工控机根据接收到的超声波信号幅度数字信号判断是否已超出待测树木圆盘边界，如否则控制继续检测，如是则以一个完整的峰-谷-峰变化过程对应一个年轮，统计出待测树木圆盘的年轮数。

尤其是，所述信号发生器由用以与工控机通讯连接的USB接口电路、用以生成带汉明窗Chirp信号的信号发生电路、用以将生成信号放大输出的功率放大电路构成。

本发明在理论研究基础上，实质上借助非接触式的空气耦合超式声波，探头不接触待测材料，也不需要添加耦合剂，可以沿设定路线进行快速扫描。其显著的优点是：（1）不需要人眼观察，避免人眼疲劳，提高了检测效率和精度；（2）检测结果仅取决于超声波在早材与晚材中的传播特性，不受待测树木圆盘的加工精度以及表面颜色的影响；（3）采用了调频信号脉冲压缩技术，能够显著提高接收到超声波信号信噪比，进一步提高检测精度。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是树木年轮的空气耦合式超声波检测装置方框图。

图2是本发明的信号发生器方框图。

图3是本发明的超声信号检测流程图。

具体实施方式

实施例一

本实施例树木年轮的空气耦合式超声波检测借助图1所示的装置，包括：工控机101，信号发生器102，发射探头103，接收探头104，前置放大器105，数据采集卡106，直线滑台107，驱动电路108。工控机101通过信号发生器102控制的发射探头103——用以受控向树木圆盘109发射超声波信号、发射探头103相对位置安置的接收探头104——用以接收超声波发射探头103发射的超声波信号、工控机101通过驱动电路105控制的步进直线滑台107，其中直线滑台107位于发射探头103和接收探头104之间——用以安置树木圆盘109并带动其按预定步幅步进，接收探头104通过前置放大器105和数据采集卡106接工控机101的检测信号接收端，用以将接收到的超声波信号放大并转换为幅度数字信号后传输给工控机101记录存储，工控机101用以根据接收到的超声波判断是否已超出待测树木圆盘边界，如否则控制继续检测，如是则统计记录存储的幅度数字信号周期数（即峰-谷-峰变化过程），得到待测树木圆盘的年轮数。

信号发生器102如图2所示，由用以与工控机101通讯连接的USB接口电路201、用以生成带汉明窗(Hanmming窗)Chirp（线性调频）脉冲信号的信号发生电路202、用以将生成信号放大输出的功率放大电路203构成。工作时，USB接口电路201接收计算机发出的命令，Chirp脉冲信号发生电路202产生带汉明窗(Hanmming窗)的Chirp脉冲信号经功率放大电路203进行功率放大后输出。最终输出的Chirp脉冲信号为：

式中，是信号持续时间，单位微秒，设置为50μs；是起始频率，单位千赫，设置为200KHz；是带宽，单位兆赫，设置为1MHz；是时间变量，单位微秒。

进行检测时，参见图3，主要经过发射超声波信号302、采集穿透待测树木圆盘的超声波信号303、脉冲压缩304、记录信号幅度305、直线滑台前进0.01mm 306、判断是否已到边界307等步骤。具体描述如下：

第一步、将待测树木圆盘109放置在图1所示超声波发射探头103和超声波接收探头104之间，并调整超声波发射探头103，使其发射的超声波束焦点位于待测树木圆盘109的中心；开始301步骤后，工控机101通过USB接口控制信号发生器102，实现发射超声波信号302步骤。

第二步、控制直线滑台107带动待测树木圆盘109按预定的0.01毫米步幅步进移动（参见306步骤），并由超声波接收探头104接收超声波发射探头103发射的Chirp脉冲超声波信号，并将其转换成电荷信号输出给前置放大器105将其转换成电压信号后放大后，数据采集卡106对前置放大器105输出的放大信号进行AD转换，再通过USB接口传递给工控机101。即工控机通过驱动电路控制直线滑台，沿圆盘直径方向匀速前进；每前进0.01mm，发出指令给信号发生器，产生Chirp脉冲信号传送给发射探头激发超声波，而接收探头接收超声波信号并放大、A/D转换后传送给工控机采集。

第三步、工控机101完成采集接收Chirp脉冲信号303后，先对接收到的Chirp脉冲信号进行脉冲压缩，实现脉冲压缩步骤304，即将数据采集卡106采集到的超声波脉冲信号与信号发生器102输出的Chirp脉冲信号作如下运算：

式中，是压缩后脉冲信号幅度，是发射的脉冲信号的频谱；是接收到的超声波脉冲信号频谱的共轭；为傅里叶逆变换；为复数的实部。

再实现记录压缩后信号幅度步骤305，之后比较发射与接收到的超声波信号，判断是否已超出待测树木圆盘109的边界（参见307步骤，由于超出待测树木圆盘109时，超声波不需要穿透任何物体，因此直接从发射探头103经空气到达接收探头信号104，超声波信号幅度会显著增加），如否则反馈第二步，如是则进行下一步。

第四步、分析接收到的超声波信号幅度的变化趋势，以一个完整的峰-谷-峰的变化过程对应一个年轮，统计出待测树木圆盘的年轮数。

第五步、计算平均年轮宽度为：，其中为待测树木圆盘的整年轮总宽度，可以通过记录的步进移动步数乘以0.01mm得到；再将记录的超声波信号幅度值与设定阈值比较处理，小于阈值的为1代表晚材，否则为0代表早材，统计1的个数占整个信号长度（即记录的超声波信号幅度数）的比例，得到晚材率，进入结束步骤308。

更具体而言，本实施例的超声波发射探头为具有点聚焦功能的空气耦合式超声波发射换能器，频带为2MHz。超声波接收探头为与发射探头匹配的空气耦合式超声波接收换能器。前置放大器的放大倍数为60dB，频带为400KHz。数据采集卡的抽样率为1.25 MS/s，抽样精度为16bit，与计算机之间接口为USB。直线滑台重复定位精度≤0.01mm。

实验证明，本实施例提供的树木年轮检测装置与方法，通过空气耦合式超声波技术检测出树木圆盘上早材与晚材的宽度，从而计算出年轮参数。该检测装置与方法不需要人眼观察，避免人眼疲劳，提高了检测效率和精度；检测结果仅取决于超声波在早材与晚材中的传播特性，不受待测树木圆盘的加工精度以及表面颜色的影响；采用了脉冲压缩技术，能够显著提高接收到超声波信号的信噪比，进一步提高检测精度。

以上仅为本发明的较佳实施例，并非限制性的。本发明施还可以有其他实施方式，例如完全按照图3，将上述实施例描述的步骤在不产生逻辑冲突的前提下，前后步骤顺序加以变换调整；脉冲压缩采用诸如等其它算法。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种树木年轮的空气耦合式超声波检测方法，其特征在于包括以下基本步骤：

第一步、将待测树木圆盘放置在超声波发射探头和超声波接收探头之间，并调整超声波发射探头，使超声波束的焦点位于待测树木圆盘的中心；

第二步、控制待测树木圆盘按预定的步幅步进移动，并由超声波接收探头接收超声波发射探头发射的超声波信号；

第三步、根据接收到的超声波信号幅度判断是否已超出待测树木圆盘边界，如否则反馈第二步，如是则进行下一步；

第四步、以接收到的超声波信号一个完整的峰-谷-峰变化过程对应一个年轮，统计出待测树木圆盘的年轮数；

第五步，计算平均年轮宽度和晚材率；

所述超声波发射探头发出的超声波信号为带汉明窗的Chirp脉冲信号，所述Chirp脉冲信号C(t)表达式为：

$C\left(t\right)=600(1-cos(\frac{2\mathrm{\π}}{T}t\left)\right)\·sin({\mathrm{\ω}}_{s}t+\frac{\mathrm{\π}B}{T}{t}^2)$

式中，T是信号持续时间，单位微秒；ω_s是起始频率，单位千赫；B是带宽，单位兆赫；t是时间变量，单位微秒；

所述Chirp脉冲信号C(t)的起始频率为200KHz。

2.根据权利要求1所述树木年轮的空气耦合式超声波检测方法，其特征在于：所述第三步中，工控机将所述脉冲信号进行脉冲压缩运算后再进行比较。

3.根据权利要求2所述树木年轮的空气耦合式超声波检测方法，其特征在于：所述脉冲压缩运算按下式进行

R_CP(t)＝Re{iFFT{C(f)·P^*(f)}}

式中，R_CP(t)是压缩后脉冲信号幅度，C(f)是发射的脉冲信号C(t)的频谱；P^*(f)是接收到的超声波脉冲信号P(t)频谱的共轭；iFFT{·}为傅里叶逆变换；Re{·}为复数的实部。

4.实现权利要求1所述树木年轮的空气耦合式超声波检测方法的检测装置，其特征在于：包括工控机；

所述工控机通过信号发生器控制的发射探头，用以受控向树木圆盘发射超声波信号；

所述发射探头相对位置安置的接收探头，用以接收超声波发射探头发射的超声波信号；

所述工控机通过驱动电路控制的步进直线滑台，所述直线滑台位于所述发射探头和接收探头之间，用以安置树木圆盘并带动其按预定步幅步进；

所述接收探头通过前置放大器和数据采集卡接工控机的检测信号接收端，用以将接收到的超声波信号放大并转换为幅度数字信号后传输给工控机记录存储，并由工控机根据接收到的超声波信号幅度数字信号判断是否已超出待测树木圆盘边界，如否则控制继续检测，如是则以一个完整的峰-谷-峰变化过程对应一个年轮，统计出待测树木圆盘的年轮数。

5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于：所述信号发生器由用以与工控机通讯连接的USB接口电路、用以生成带汉明窗Chirp脉冲信号的信号发生电路、用以将生成信号放大输出的功率放大电路构成。