CN106442882B - 一种基于雷达波的树木内部结构无损探测成像装置 - Google Patents

Abstract

一种基于雷达波的树木内部结构无损探测成像装置，包括雷达波收发器、可移动探测平台、通讯系统、数据处理系统，所述雷达波收发器、所述通讯系统安装在所述可移动探测平台上，与安装有所述数据处理系统的计算机通过有线或无线连接。所述雷达波收发器可以使用介质耦合式和空气耦合式探地雷达。该装置适应性强，属于无损探测，可移动探测平台沿树木圆周运动，每隔5mm发射一次雷达检测波，采集信息密度大，数据可以离线存储或者实时发送到计算机。所述通讯系统的连接方式包括有线（USB线和网线）和无线（蓝牙和WIFI）两种。使用现代信号处理技术和特征识别技术对接收到的雷达波信号进行处理，实现树木内部的层位识别，确定腐朽等异常的位置和形状大小。

Description

一种基于雷达波的树木内部结构无损探测成像装置

技术领域

本发明属于树木躯干内部结构探测评价领域，具体涉及一种基于雷达波的能够对树木内部结构及异常情况进行无损探测、定位识别和截面成像的装置。

背景技术

自然环境下生长的树木易受环境恶化和外界侵害而影响树木健康、稳固，破坏生态环境，补救防范措施不及时易造成经济损失；林区、林场的林木内部缺陷、病虫害影响生长质量；城市绿化树木受侵害在恶劣天气下折断倾倒，危及人员财产和生命安全；古树名木受真菌、虫蛀侵害给国家文化遗产带来不可挽回的损失。树木受到的侵害主要受生物因素（真菌、病虫害等）和非生物因素（水分、温度、化学污染和物理损伤等）的影响，导致树木内部结构组织密度、质量的损失和水分变化，表现为树木内部的开裂、结疤、腐朽和孔洞，从而危害树木健康，影响树木力学性能和稳固性。受侵害早期的活立木大多无法采用非破坏性的检测方法从外部对内部物理结构进行准确观测，但树木内部物理组织结构的变化会影响到木质体的电学特性（介电常数、电导率和磁导率等）、物理特性（成分含量、密度和含水率等）以及机械力学性能的分布变化。利用这些性能的变化采用准确有效的无损检测技术，可以在木质体内部发生腐朽的早期对树木的受到的侵害和树木损伤部位进行鉴定识别，从而阻止树木腐朽的传播和提高林分质量，最大限度的保护树木结构的健康和稳固。

目前林业研究中普遍采用的无损检测技术和评估手段主要有：阻抗分析仪、超声波、X射线CT扫描、应力波以及雷达波等。阻抗测定仪利用树木内部腐朽中真菌、水分的增加导致电阻率的增加，采用相对阻抗的原位检测法检测内部缺陷，对树木具有一定的破坏性；超声波是研究弱散射条件下介质的不均匀性对声场的影响，从而建立介质参量与散射声场边界值的关系，重建介质参量分布，存在易受外界干扰、耦合以及信号发散等问题；计算机断层扫描（CT）技术应用X射线计算机断层扫描和核磁共振技术检测树木空洞，可有效识别树木或原木内部腐朽和孔洞，但成本高、便携性差且存在放射源辐射的问题是影响其在木材领域广泛应用的主要原因；应力波层析成像是目前相对应用较广、应用较为成熟的树木无损检测方法，以射线理论为基础的波速走时成像，基于介质的基本物理性质差异，影响应力波在其中的传播速度、吸收系数等参数，分析测定介质的物理特性和力学特性。而雷达波探测技术可以快速、高效地对树木表面进行整体扫描（横向、纵向以及螺旋移动），大幅增加采集点数和采集效率，同时操作方便，不易受外界干扰，能够实现真正的非介入式、无损、在线连续探测树木内部结构。

发明内容

本发明设计了一种基于雷达波的树木内部结构无损探测成像装置，能够适应不同被测对象的情况，为了对受侵害早期树木采用非破坏性的检测方法从外部对内部物理结构进行准确观测，使用雷达波并采集树木内部不同结构的回波响应，从而实现对树木内部结构及异常的无损探测；通过探测到的截面图像来确定被测对象内部异常的位置和形状大小。

本发明使用雷达波收发器发射雷达波穿透树木内部并接收不同介质分层界面的响应回波，实时传送或离线存储雷达图像，进行数据分析并识别图像；雷达波收发器沿树木设定高度的截面切向运动，保持波形收发平面处于树木表皮的切线位置，探测树木平面不同位置的内部结构情况，上下移动雷达波收发器可以探测树木不同高度的内部结构情况。

本发明所述的这种基于雷达波的树木内部结构无损探测成像装置，包括雷达波收发器、可移动探测平台、通讯系统、数据处理系统；所述雷达波收发器、所述通讯系统安装在所述可移动探测平台上，与安装有所述数据处理系统的计算机通过有线或无线连接。

所述可移动探测平台包括平台主体、开关、指示灯、充电端口、保险丝、探测支架、传动电机及运动轨道、车载控制板、四轴驱动器、角度传感器、控制手柄，雷达波收发器以及导线接口安装在探测支架上，与平台主体通过导线连接，通讯系统安装在平台主体后部。

所述平台主体前部安装有开关、指示灯、充电端口、保险丝；所述探测支架安装在平台主体中部，通过万向轮和锁紧装置连接，控制万向轮的活动角度可以使探测支架和平台主体的平面呈一定角度；探测支架上安装有传动电机及运动轨道，通过万向轮和锁紧装置与雷达波收发器相连，可以使雷达波收发器的探测平面贴紧被测对象的表面，也可以使雷达波收发器沿垂直地面方向移动，对不同平面进行探测；所述雷达波收发器通过接口单元和导线与车载控制板连接，通过有线（USB线或网线）或无线（蓝牙或WIFI）方式将探测到的数据发送给计算机上的数据处理系统；所述通讯系统安装在平台主体后部，包括蓝牙和WIFI等无线通讯模块及天线，以供可移动探测平台和计算机之间进行无线通讯；所述车载控制板和四轴驱动器安装在平台主体内部，可以通过计算机或控制手柄来控制平台的移动和探测支架的倾斜角度。

所述雷达波收发器利用雷达波对介质的耦合作用对树木进行非侵入式扫描，具有雷达频率信号的发射和接收功能。

所述雷达波收发器可以使用介质耦合式探地雷达，也可以使用空气耦合式探地雷达；在探测过程中，基于前者的雷达波收发器在平台运动时需要在设定高度贴紧树皮进行扫描，并沿着树木截面的切线方向移动，而基于后者的雷达波收发器可保持与树皮有一定距离进行扫描。

所述平台主体的车轮上带有编码器，标记沿树木圆周运动的位置并控制雷达波的发射，每移动5mm就会产生脉冲信号。

所述车载控制板用于控制可移动探测平台的运动轨迹、根据车轮编码器定时控制雷达波的发射、通过通讯系统接收来自计算机的控制信号、存储离线雷达波形数据；所述四轴驱动器、角度传感器与车载主控板连接，用于控制四个车轮和采集角度数据，控制平台主体的运动。

所述通讯系统将可移动探测平台和计算机之间通过有线或无线的方式连接，有线方式包括USB线和网线，无线方式包括蓝牙和WIFI，将采集到的实时雷达波形数据发送到计算机。

所述数据处理系统包括三个模块：数据存储模块，用于采集所述雷达波收发器测得的雷达波探测数据；数据预处理模块，用于对采集到的雷达波数据进行滤波、去噪等预处理；图像显示模块，用于对预处理后的数据进行分层信息特征提取、坐标变换等处理并显示树木内部的层位界面图。

所述图像显示模块包括：数据输入窗口、可移动探测平台控制窗口、A-Scan显示窗口、B-Scan显示窗口、层位界面图显示窗口。

本发明提供的这种基于雷达波的树木内部结构无损探测成像装置通过可移动探测平台携带雷达波收发器沿树木设定高度的截面圆周运动，发射雷达波并接收回波响应，分析数据得到树木内部的分层识别图像，通过分析雷达波在树木内部异常位置的传输特性、波速、振幅、散射、折射等变化规律实现对异常的准确定量和定位成像，滑动轨道可以使装置探测不同高度的树木内部截面情况，进而获取整个树木内部结构，并形成层位及异常分布图。

附图说明

图1为本发明所述装置的立体结构图。

图2为本发明所述平台主体的内部结构图。

图3为本发明具体实施方式例1的示意图。

图4为本发明具体实施方式例2的示意图。

图5为本发明雷达波发射到树木内部遇到异常产生反射回波的路径示意图。

图6为本发明在一个圆周位置的截面上沿垂直树皮切线方法探测没有异常的树木内部结构的层位示意图。

图7为本发明在一个圆周位置的截面上沿垂直树皮切线方法探测有异常的树木内部结构的层位示意图。

附图标记说明：1.被测对象 2.雷达波收发器 3.可移动探测平台 4.通讯系统 5.数据处理系统 6.平台主体 7.开关 8.指示灯 9.充电端口 10.保险丝 11.探测支架12.传动电机及运动轨道 13.车载控制板 14.四轴驱动器 15.角度传感器 16.控制手柄 17.导线接口 18.导线 19.平台电机及编码器 20.电池 21.雷达波入射点 22.发射波 23.反射波 24.树皮表面 25.异常区域 26.边材 27.心材

具体实施方式

下面结合具体附图和实施方式例对本发明作进一步说明。

实施方式例1：结合附图1~3和附图5~7对本实施方式进行说明。

当雷达波收发器为介质耦合式探地雷达时，需要在设定高度贴紧树皮进行扫描。首先通过计算机或手柄控制可移动探测平台靠近被测对象，选择一起点，将雷达波收发器平面垂直于某一圆周位置截面的切线方向，控制调节锁紧装置使雷达波收发器平面贴紧树皮表面。扫描开始后，可移动探测平台会沿树木的截面圆周运动，每隔5mm发射一次雷达检测波，由于在不同介电常数的介质中雷达波的响应特性不同，通过接收回波并进行数据分析可以得到树木内部的层位截面雷达图像。如果树木内部不存在腐朽等异常，随着雷达波从入射点沿直径传递到树的正对面再回到雷达波收发器，过程中没有任何明显的反射回波；如果树木内部存在腐朽等异常，在作为时间零点的入射点和雷达波传递到对面的这段时间中，会接收到反射回波。产生的雷达波形被数字化后存储在车载控制板中，或者通过通讯系统实时发送到计算机上。通讯系统包括两种方式，有线（USB线或网线）和无线（蓝牙或WIFI）。装置移动性能良好，并能采集不同高度的雷达波数据，适合在林区现场使用；雷达波收发器通过可充电电池供电，内含数据采集单元，放置在坚硬的外壳容器中；雷达波频率为0.5GHz~2GHz，适用于对树木的探测。

探地雷达无损探测的基本原理是由输出的纳秒级宽频带窄脉冲电磁波信号，在被测介质中传输时在不同介质的分界面上形成反射和透射，最终形成的回波信号被天线接收，通过测量入射波与反射波的时间和振幅强度比，来估算媒介的内部的雷达波传输波速，进而求得相对介电常数与相关物理特性。所述装置沿树木横截面切向扫描一圈并对扫描不同高度的横截面，通过回波信号分析树木内部结构情况。

探测时，打开计算机中的所述数据处理系统，确认所有设备连接正确，并输入测试地点、树种等基本信息，然后打开所述装置的开关，并控制可移动探测平台进行探测。

所述数据处理系统将采集到的雷达波回波信号进行数据处理，滤除或压制直达波和背景反射波等干扰信号，提取有效信号，使用滑动平均滤波去除杂波噪声，提高信噪比，以提高后续的内部缺陷分析的精度；经预处理过的雷达波信号，采用现代信号处理技术（希尔伯特黄变换、小波变换、F-K滤波等）算法对信号进行特征提取，运用阈值法、匹配滤波器、music法等几种特征识别技术获取树木内缺陷数据，得到树木内部结构的层位雷达图像以及异常的具体位置及形状大小。

实施方式例2：结合附图1~2和附图4~7对本实施方式进行说明。

本实施方式与实施方式例1不同点在于：当雷达波收发器为空气耦合式探地雷达时，可保持与树皮有一定距离进行扫描，可移动探测平台在于树木圆周保持固定距离的轨道上运行，以保证雷达波收发器始终平行于树皮平面。其它步骤及工作方式与实施方式例1相同。

以上仅仅是对本发明示意性的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是在不脱离本发明的构思与原则的前提下，与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于雷达波的树木内部结构无损探测成像装置，主要用于探测树木躯干内部结构，包括心材、边材、树皮，以及可能出现的异常，探测结果可以呈现出树木内部异常的位置和形状大小，其特征在于，使用雷达波收发器发射雷达波穿透树木内部并接收不同结构的响应回波，实时传送或离线存储雷达图像，进行数据分析并识别成像；雷达波收发器沿树木设定高度的截面切向运动，保持波形收发平面处于树木表皮的切线位置，探测树木平面不同位置的内部结构情况，上下移动雷达波收发器可以探测树木不同高度的内部结构情况,

其中，所述装置包括雷达波收发器、可移动探测平台、通讯系统、数据处理系统；所述雷达波收发器、所述通讯系统安装在所述可移动探测平台上，与安装有所述数据处理系统的计算机通过有线或无线连接；所述可移动探测平台包括平台主体、开关、指示灯、充电端口、保险丝、探测支架、传动电机及运动轨道、车载控制板、四轴驱动器、角度传感器、控制手柄，雷达波收发器以及导线接口安装在探测支架上，与平台主体通过导线连接，通讯系统安装在平台主体后部；其特征在于：所述平台主体前部安装有开关、指示灯、充电端口、保险丝；所述探测支架安装在平台主体中部，通过万向轮和锁紧装置连接，控制万向轮的活动角度可以使探测支架和平台主体的平面呈一定角度；探测支架上安装有传动电机及运动轨道，通过万向轮和锁紧装置与雷达波收发器相连，可以使雷达波收发器的探测平面贴紧被测对象的表面，也可以使雷达波收发器沿垂直地面方向移动，对不同平面进行探测；所述雷达波收发器通过接口单元和导线与车载控制板连接，通过有线或无线方式将探测到的数据发送给计算机上的数据处理系统；所述通讯系统安装在平台主体后部，包括蓝牙和WIFI等无线通讯模块及天线，以供可移动探测平台和计算机之间进行无线通讯；所述车载控制板和四轴驱动器安装在平台主体内部，可以通过计算机或控制手柄来控制平台的移动和探测支架的倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述雷达波收发器利用雷达波对介质的耦合作用对树木进行非侵入式扫描，具有雷达频率信号的发射和接收功能。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述雷达波收发器可以使用介质耦合式探地雷达，也可以使用空气耦合式探地雷达；在探测过程中，基于前者的雷达波收发器在平台运动时需要在设定高度贴紧树皮进行扫描，并沿着树木截面的切线方向移动，而基于后者的雷达波收发器可保持与树皮有一定距离进行扫描。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平台主体的车轮上带有编码器，标记沿树木圆周运动的位置并控制雷达波的发射，每移动5mm就会产生脉冲信号。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述车载控制板用于控制可移动探测平台的运动轨迹、根据车轮编码器定时控制雷达波的发射、通过通讯系统接收来自计算机的控制信号、存储离线雷达波形数据；所述四轴驱动器、角度传感器与车载主控板连接，用于控制四个车轮和采集角度数据，控制平台主体的运动。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述通讯系统将可移动探测平台和计算机之间通过有线或无线的方式连接，有线方式包括USB线或网线，无线方式包括蓝牙或WIFI，将采集到的实时雷达波形数据发送到计算机。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据处理系统包括三个模块：数据存储模块，用于采集所述雷达波收发器测得的雷达波探测数据；数据预处理模块，用于对采集到的雷达波数据进行滤波、去噪等预处理；图像显示模块，用于对预处理后的数据进行分层信息特征提取、坐标变换等处理并显示树木内部的层位界面图。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述异常包括腐朽、孔洞、结疤和开裂。