CN113533439B - 玉米穗水分分布的电阻抗成像方法、系统及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种玉米穗水分分布的电阻抗成像方法及系统。该方法包括：将环状多电极阵列套设在带苞叶的玉米穗上，其中环状多电极阵列中的电极环形支架具有纵向排布在玉米穗上的一个或多个环；测量环状多电极阵列中的电极与玉米穗的接触阻抗；基于预设的接触阻抗阈值，选择对激励电极施加电流激励模式或电压激励模式，并测量电流激励模式或电压激励模式下除激励电极以外的其余电极上的电压；将测量电压转换为实际电压值或将电压激励模型下的测量电流转换为电压以便后级电路处理；以及建立正问题和逆问题模型并输入接触阻抗和实际电压值，以对玉米穗内部的水分分布成像。本发明可实现在体无损测量玉米穗内部水分分布情况。

Description

玉米穗水分分布的电阻抗成像方法、系统及电子设备

技术领域

本发明涉及谷物水分测量与传感器设计技术领域，尤其涉及一种玉米穗水分分布的电阻抗成像方法、系统及电子设备。

背景技术

玉米是我国主粮之一，玉米品种选育极为重要。选育和种植收获时子粒含水量低、生理成熟后籽粒脱水速率快的玉米品种已成为玉米育种家非常关注的问题。对于耐旱品种，研究干旱胁迫下玉米果穗生理成熟期水分动态变化对其产量的影响较大；对于“宜机收”品种，果穗收获时籽粒含水量低、完熟期脱水速率快是选育此类品种的重要特征之一。果穗成熟过程中在体测量无损伤地测量穗柄、穗轴、籽粒、苞叶各层的水分分布图像非常重要。

现有技术中，核磁成像方法可以检测到离体的完整玉米穗的水分分布。

然而，MRI仪器昂贵笨重，扫描时间长，它不能用于长期在线实时监测，限制了其在田间广泛使用，不适于对在体玉米果穗各层介质中的水分含量进行在线连续监测。

发明内容

本发明提供一种玉米穗水分分布的电阻抗成像方法、系统及电子设备，该系统用于观测带苞叶玉米穗内部水分分布情况，获取玉米穗成熟前和收割后的水分变化。旨在克服现有技术中测量范围受限、测量精度较低的问题，解决难以在苞叶存在情况下获取玉米穗内部水分分布情况的问题，基于电极阵列与不规则玉米穗的良好耦合实现非侵入、无损的测量，并基于电阻抗技术，根据激励信号和测量值建立正问题和逆问题模型来求解场域内的电导率分布，从而重构出玉米穗各个部位的水分分布图像。

具体地，本发明实施例提供了以下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供一种玉米穗水分分布的电阻抗成像方法，包括：

将环状多电极阵列套设在带苞叶的玉米穗上，其中所述环状多电极阵列中的电极环形支架具有纵向排布在所述玉米穗上的一个或多个环；

测量所述环状多电极阵列中的电极与所述玉米穗的接触阻抗；

基于预设的接触阻抗阈值，选择对激励电极施加电流激励模式或电压激励模式，并测量所述电流激励模式或所述电压激励模式下除所述激励电极以外的其余电极的电压；

将测量电压转换为实际电压值或将所述电压激励模型下的测量电流转换为电压以便后级电路处理；以及

建立正问题模型和逆问题模型并输入所述接触阻抗和所述实际电压值，以对所述玉米穗内部的水分分布成像，成像包括二维断层成像和三维成像，并对经验模型标定。

进一步地，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法还包括：

所述基于预设的接触阻抗阈值，选择对激励电极施加电流激励模式或电压激励模式，并测量所述电流激励模式或所述电压激励模式下除所述激励电极以外的其余电极的电压，包括：

当所述接触阻抗小于所述接触阻抗阈值时，采用所述电流激励模式，采集电极两端的测量电压信号；

当所述接触阻抗等于或大于所述接触阻抗阈值时，采用所述电压激励模式，由电流电压转换器将电流信号转换为所述测量电压信号，

信号频率范围为40Hz-20MHz。

进一步地，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法还包括：

所述将测量电压转换为实际电压值包括：

所述测量电压信号滤波去除直流分量并进行放大，再经由解调电路生成实部电压V_R信号和虚部电压V_I信号，再通过运算电路分别确定所述V_R信号和所述V_I信号的幅值上限与下限以得到模数转换AD值的采集范围；

采集所述AD值，并将所述AD值转换为实际电压值。

进一步地，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法还包括：

所述采集所述AD值，并将所述AD值转换为实际电压值包括：

通过以下公式计算所述测量电压信号的相位：

其中，A_ref、A_ref90分别是参考信号为0°和90°时的幅值，

为被解调信号相对于所述参考信号的相位。

进一步地，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法还包括：

所述采集所述AD值，并将所述AD值转换为实际电压值还包括：

通过以下公式计算所述测量电压信号的幅值：

其中，A_s为被解调信号幅值。

进一步地，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法还包括：

所述采集所述AD值，并将所述AD值转换为实际电压值还包括：

所述实际电压值包括实部数据Real和虚部数据Imag，基于所述幅值和所述相位，通过以下公式进行四象限计算以得到所述测量电压信号的实部电压值和虚部电压值：

Real＝sin(A_s)

Imag＝cos(A_s)

进一步地，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法还包括：

对电极对应的玉米穗断层面中预定玉米穗位置进行取样标定，通过烘干称重法测量所述玉米穗断层面中预定位置的实际水分含量，其中所述玉米穗断层面包括穗轴层、籽粒层、苞叶层，其中穗轴层与籽粒结合的第一穗轴层、与轴芯结合的第二穗轴层；

基于所述苞叶层、所述籽粒层、所述第一穗轴层、所述第二穗轴层的所述实际水分含量和电阻抗值建立经验模型；

基于所述经验模型，得到目标玉米穗断层面中每个部位的水分值。

进一步地，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法还包括：

所述经验模型包括实部部分和虚部部分，并且包括所述实部部分和所述虚部部分的所述经验模型为：

其中C代表水分含量值，N为层数，N＝1,2,3,4，分别表示苞叶层、籽粒层、第一穗轴层和第二穗轴层，Z_R为电阻抗实部值，Z_I为电阻抗虚部值，α₀、α₁、α₂、α₃、α₄、β₁、β₂为回归系数，所述经验模型对所述苞叶层、所述籽粒层、所述第一穗轴层、所述第二穗轴层单独标定。

第二方面，本发明的实施例还提供一种玉米穗水分分布的电阻抗成像系统，包括：

电极阵列模块，用于将环状多电极阵列套设在带苞叶的玉米穗上，其中所述环状多电极阵列中的电极环形支架具有纵向排布在所述玉米穗上的一个或多个环；

接触阻抗测量模块，用于测量所述环状多电极阵列中的电极与所述玉米穗的接触阻抗；

测量电压确定模块，用于基于预设的接触阻抗阈值，选择对激励电极施加电流激励模式或电压激励模式，并测量所述电流激励模式或所述电压激励模式下除所述激励电极以外的其余电极的电压；

电压转换模块，用于将测量电压转换为实际电压值或将所述电压激励模型下的测量电流转换为电压以便后级电路处理；以及

水分成像模块，用于建立正问题模型和逆问题模型并输入所述接触阻抗和所述实际电压值，以对所述玉米穗内部的水分分布成像，成像包括二维断层成像和三维成像，并对经验模型标定。

第三方面，本发明的实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如上述的玉米穗水分分布的电阻抗成像方法的步骤。

由上面技术方案可知，本发明实施例提供的一种玉米穗水分分布的电阻抗成像方法、系统及电子设备，旨在克服现有技术中测量范围受限、测量精度较低的问题，解决难以在苞叶存在情况下获取玉米穗内部水分分布情况的问题，基于电极阵列与不规则玉米穗的良好耦合实现非侵入、无损的测量，并基于电阻抗技术，根据激励信号和测量值建立正问题和逆问题模型来求解场域内的电导率分布，从而重构出玉米穗各个部位的水分分布图像。本发明可实现玉米穗水分的在体无损测量，直观观测带苞叶玉米穗内部水分分布情况，对机械化收割、考种育种、玉米化控工作有重要指导意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一实施例提供的玉米穗水分分布的电阻抗成像方法的流程图；

图2为本发明一实施例提供的玉米穗水分分布的电阻抗成像系统的结构示意图之一；

图3为本发明一实施例提供的玉米穗水分分布的电阻抗成像系统的结构示意图之二；

图4为本发明一实施例提供的电极阵列及安装；以及

图5为本发明一实施例提供的电子设备的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

本发明使用的各种术语或短语具有本领域普通技术人员公知的一般含义，即便如此，本发明仍然希望在此对这些术语或短语作更详尽的说明和解释。如果本文涉及的术语和短语有与公知含义不一致的，则以本发明所表述的含义为准；并且如果在本申请中没有定义，则其具有本领域普通技术人员通常理解的含义。

现有技术中，核磁成像方法可以检测到离体的完整玉米穗的水分分布。然而，MRI仪器昂贵笨重，扫描时间长，它不能用于长期在线实时监测，限制了其在田间广泛使用，不适于对在体玉米果穗各层介质中的水分含量进行在线连续监测。

针对于此，第一方面，本发明的一实施例提出一种玉米穗水分分布的电阻抗成像方法，其旨在克服现有技术中测量范围受限、测量精度较低的问题，解决难以在苞叶存在情况下获取玉米穗内部水分分布情况的问题，基于电极阵列与不规则玉米穗的良好耦合实现非侵入、无损的测量，并基于电阻抗技术，根据激励信号和测量值建立正问题和逆问题模型来求解场域内的电导率分布，从而重构出玉米穗各个部位的水分分布图像。

下面结合图1描述本发明的玉米穗水分分布的电阻抗成像方法。

图1为本发明一实施例提供的玉米穗水分分布的电阻抗成像方法的流程图。

在本实施例中，需要说明的是，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法可以包括以下步骤：

S1：将环状多电极阵列套设在带苞叶的玉米穗上，其中环状多电极阵列中的电极环形支架具有纵向排布在玉米穗上的一个或多个环；

S2：测量环状多电极阵列中的电极与玉米穗的接触阻抗；

S3：基于预设的接触阻抗阈值，选择对激励电极施加电流激励模式或电压激励模式，并测量电流激励模式或电压激励模式下除激励电极以外的其余电极的电压；

S4：将测量电压转换为实际电压值或将电压激励模型下的测量电流转换为电压以便后级电路处理；以及

S5：建立正问题模型和逆问题模型并输入接触阻抗和实际电压值，以对玉米穗内部的水分分布成像，并对经验模型标定。

具体地，针对S1中的环状多电极阵列需进一步说明的是，其作用为包裹玉米穗以保证电极和玉米穗间的耦合。由于玉米穗是不规范的圆台形状，截面也不是严格的圆形，因此环状电极阵列需要适应不同的玉米穗粗和形状。其中，电极上安装有弹簧，沿径向具有10mm的弹性行程，可以适应50～70mm直径的玉米穗和截面不是严格的圆形的玉米穗，以保证电极与玉米穗良好耦合。

电极分布在圆环上，电极环形支架固定在固定架上，固定架上带有刻度；电极为镀金黄铜电极；根据玉米穗长度和成像需求，电极环形支架可设置为1～M(其中，M为正整数，M＝2^N，N>＝3)个；电极环形支架之间间距可调节，纵向排布在玉米穗上，测量玉米穗不同位置处含水量情况，获取玉米穗多处断层成像结果，还可通过插值方式还可获取三维成像结果，固定架刻度可测量电极环形支架间距，用于三维成像算法。

进一步地，由于电极环形支架上的电极可跟随玉米穗截面形状沿径向伸缩移动，因此能适应不同尺寸和形状的玉米穗。此外，电极环形支架直径可根据电极数量和玉米穗粗调整，范围在50-70mm，能适应大多数玉米穗直径。导电电极均匀排布在电极环形支架上。电极头部在电极环形支架内侧突出2mm，电极穿过电极环形支架，用螺母(202)固定电极和连接屏蔽线。

具体地，S2可以包括但不限于：串口连接计算机和主控制器，以测量每个电极与玉米穗的接触阻抗。其中，接触阻抗用于评价电极与玉米穗的耦合情况并校正“正问题”模型，提高成像质量。

例如，设测量电极1和电极2与苞叶的接触阻抗分别为Z₁和Z₂，两电极间玉米穗组织的阻抗为Z_tissue，通过向电极1和电极2施加激励，并测量电极1和电极2，求得接触阻抗Z。

具体地，接触阻抗Z与Z₁、Z₂、Z_tissue的可满足以下公式关系：

Z＝Z₁+Z₂+Z_tissue (1)

更具体地，相邻电极距离很近，而且玉米穗的阻抗值往往远低于电极与苞叶的接触阻抗，故在分析接触阻抗时可以忽略Z_tissue，同时近似认为Z₁＝Z₂。则公式(1)又可写为：

Z≈Z₁+Z₂≈2Z₁ (2)

在本实施例中，需要说明的是，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法可以包括：基于预设的接触阻抗阈值，选择对激励电极施加电流激励模式或电压激励模式，并测量电流激励模式或电压激励模式下除激励电极以外的其余电极的测量电压，包括：当接触阻抗小于接触阻抗阈值时，采用电流激励模式，采集电极两端的测量电压信号；当接触阻抗等于或大于接触阻抗阈值时，采用电压激励模式，由电流电压转换器将电流信号转换为测量电压信号，以及信号频率范围为40Hz-20MHz。

具体地，S3可以包括但不限于：在设置接触阻抗阈值之后，若接触阻抗在阈值范围内则采用电流激励模式，若接触阻抗超出阈值则切换到电压激励模式。

更具体地，在电流激励模式下，采集电极两端的电压信号；在电压激励模式时，由电流电压转换器将电流信号转换为电压信号。

例如，通过计算机向主控制器发送测量指令，并且电流源或电压源生成相应频率的激励信号，控制激励端模拟通道开关通/断次序，以向玉米穗上的两个电极施加激励，同时测量端模拟通道循环开启，测量剩余电极上的电压或电流。

再例如，8电极系统相邻激励相邻测量，在1号、2号电极施加激励，依次测量3-4、4-5、5-6、6-7、7-8，测量完成后在2号、3号电极施加激励，测量剩余电极，依次往复完成测量。

在本实施例中，需要说明的是，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法可以包括：将测量电压转换为实际电压值包括：测量电压信号滤波去除直流分量并进行放大，再经由解调电路生成实部电压V_R信号和虚部电压V_I信号，再通过运算电路分别确定V_R信号和V_I信号的幅值上限与下限以得到模数转换AD值的采集范围；采集AD值，并将AD值转换为实际电压值。

具体地，S4可以包括但不限于：对测量电压信号V滤波去除直流分量并进行放大，再经过解调电路得到V_R和V_I，运算电路确定V_R和V_I的幅值上下限对应AD的采集范围，主控制器通过串口将AD值发送到计算机。其中测量电压信号V中包括幅值和相位。

在本实施例中，需要说明的是，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法可以包括：采集AD值，并将AD值转换为实际电压值包括：通过以下公式计算测量电压信号的相位：

其中，A_ref、A_ref90分别是参考信号为0°和90°时的幅值，

为被解调信号相对于参考信号的相位。

在本实施例中，需要说明的是，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法可以包括：采集AD值，并将AD值转换为实际电压值还包括：通过以下公式计算测量电压信号的幅值：

其中，A_s为被解调信号幅值。

此外，针对S4中的解调电路，仍需进一步说明的是，其用于解调测量得到的电压信号，得到实部电压V_R信号和虚部V_I电压信号。

在本实施例中，需要说明的是，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法可以包括：采集AD值，并将AD值转换为实际电压值还包括：实际电压值包括实部数据Real和虚部数据Imag，基于幅值和相位，通过以下公式进行四象限计算以得到实际电压值的实部数据和虚部数据：

Real＝sin(A_s) (5)

Real＝sin(A_s) (6)

具体地，S5可以包括但不限于：计算机建立正问题模型对场域进行剖分和约束和逆问题模型并输入接触阻抗信息和实部、虚部数据，对玉米穗内部水分分布成像，成像结果包括实部和虚部。

更具体地，正问题模型为在已知电导率分布、激励电流的情况下，对场域进行剖分和约束以求解电极阵列上的电压值；逆问题则是根据已知边界测量电压、激励电流的情况下，修正正问题模型，重构电导率分布。

进一步地，在本实施例中，需要说明的是，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法还可以包括：对电极对应的玉米穗断层面中预定玉米穗位置进行取样标定，通过烘干称重法测量玉米穗断层面中预定位置的实际水分含量，其中玉米穗断层面包括穗轴层、籽粒层、苞叶层，其中穗轴层与籽粒结合的第一穗轴层、与轴芯结合的第二穗轴层；基于苞叶层、籽粒层、第一穗轴层、第二穗轴层的实际水分含量和电阻抗值建立经验模型；基于经验模型，得到目标玉米穗断层面中每个部位的水分值。

更进一步地，在本实施例中，需要说明的是，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法还可以包括：经验模型包括实部部分和虚部部分，并且包括实部部分和虚部部分的经验模型为：

其中C代表水分含量值，N为层数，N＝1,2,3,4，分别表示苞叶层、籽粒层、第一穗轴层和第二穗轴层，Z_R为电阻抗实部值，Z_I为电阻抗虚部值，α₀、α₁、α₂、α₃、α₄、β₁、β₂为回归系数，经验模型对苞叶层、籽粒层、第一穗轴层、第二穗轴层单独标定。

具体地，对电极环形支架对应位置的苞叶、籽粒、穗轴进行取样，采用烘干法测量每个部位的实际水分含量，对经验模型公式标定，通过不少于20个样本进行标定，获取玉米穗水分分布走势；利用这个公式，可以由电阻抗值计算出玉米穗每个部位的水分值，得到水分分布。

基于同样的发明构思，另一方面，本发明的一实施例提出一种玉米穗水分分布的电阻抗成像系统。

下面结合图2对本发明提供的玉米穗水分分布的电阻抗成像系统进行描述，下文描述的玉米穗水分分布的电阻抗成像系统与上文描述的玉米穗水分分布的电阻抗成像方法可相互对应参照。

图2为本发明一实施例提供的玉米穗水分分布的电阻抗成像系统的结构示意图之一。

在本实施例中，需要说明的是，该玉米穗水分分布的电阻抗成像系统1包括：电极阵列模块10，用于将环状多电极阵列套设在带苞叶的玉米穗上，其中环状多电极阵列中的电极环形支架具有纵向排布在玉米穗上的一个或多个环；接触阻抗测量模块20，用于测量环状多电极阵列中的电极与玉米穗的接触阻抗；测量电压确定模块30，用于基于预设的接触阻抗阈值，选择对激励电极施加电流激励模式或电压激励模式，并测量电流激励模式或电压激励模式下除激励电极以外的其余电极的电压；电压转换模块40，用于将测量电压转换为实际电压值或将电压激励模型下的测量电流转换为电压以便后级电路处理；以及水分成像模块50，用于建立正问题模型和逆问题模型并输入接触阻抗和实际电压值，以对玉米穗内部的水分分布成像，并对经验模型标定。

在本实施例中，需要说明的是，本发明实施例的系统中的各个模块可以集成于一体，也可以分离部署。上述模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

由于本发明实施例提供的玉米穗水分分布的电阻抗成像系统可以用于执行上述实施例所述的玉米穗水分分布的电阻抗成像方法，其工作原理和有益效果类似，故此处不再详述，具体内容可参见上述实施例的介绍。

然而，仍需进一步说明的是，如图3(图3为本发明一实施例提供的玉米穗水分分布的电阻抗成像系统的结构示意图之二)所示，该玉米穗水分分布的电阻抗成像系统可以包括但不限于以下组件：多个(例如，1-M个)环状多电极阵列100，用于包裹玉米穗以保证电极和玉米穗间的耦合；一系列射频线101，用于连接电路板和电极；正弦波发生器102，用于生成正弦信号和解调信号；电流源103和电压测量电路104；电压源105和电流测量电路106；开关阵列，激励开关阵列用于控制激励通路107，测量开关阵列用于控制测量通路108；解调电路109，用于解调采集信号；主控制器，用于向电路中的元器件发送控制命令和AD采集；计算机111，用于设置参数和运行成像软件。此外，显而易见地，针对本发明的该实施例，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本领域的普通技术人员可以根据实际需求而对该实施例中的各个组件进行修改、替换、删除、增加。

此外，针对射频线，仍需进一步说明的是，其内层为信号层，外层为屏蔽层。其中外层接地处理，用于连接玉米穗和电路并减少高频信号之间的干扰。电阻抗成像EIT系统频率范围从几十Hz到几十MHz。具体地，在高频频段下工作时，杂散电容对系统干扰明显，射频线可以避免外界杂散电容的影响。

此外，针对正弦波发生器，仍需进一步说明的是，其用于生成正弦信号，以作为电流源和电压源的信号源，以及解调电路的参考信号，其中正弦信号频率为40Hz-20MHz。

此外，针对电流源和电压测量电路，仍需进一步说明的是，其进一步包括电流源电路和前置放大器。参照上文所述的玉米穗水分分布的电阻抗成像方法，当玉米穗含水量较高时，采用电流激励，在电流激励模式下，通过记录电极间电压的方式获取待测域内部电场信息。其中，前置放大器具有高输入阻抗，可以有效抑制场域中电流对测量结果的影响，并放大测量信号。

类似地，针对电压源和电流测量电路，仍需进一步说明的是，其进一步包括电压源电路和电流电压转换器。参照上文所述的玉米穗水分分布的电阻抗成像方法，在玉米穗成熟期后期，苞叶水分含量减少，接触阻抗升高，若使用电流激励模式，测量电极间的电压超出测量范围。此时应采用电压激励模式继续测量，记录电极间的电流。具体地，由于电流无法直接测量，因此电流电压转换器将电流信号转换为电压并放大测量信号。其中，电流激励模式和电压激励模式切换通过玉米穗与电极间的接触阻抗判断，并且主控制器控制单刀双掷开关自动切换。

此外，针对开关阵列，仍需进一步说明的是，开关阵列分为激励端开关阵列和测量端开关阵列，其均由单片机发送信号控制。具体地，依次选择两个电极作为激励电极，测量其余电极上的电压值，根据激励测量模式设置相邻、相对等模式。其中，该系统含有2^L(L≥3)个电极阵列，相邻模式共测量2^L×(2^L-3)次数据，实部和虚部共[2^L×(2^L-3)]×2个点位。其中，L为正整数。

此外，针对主控制器，仍需进一步说明的是，其与系统中的数字器件和计算机连接。具体地，主控制器通过串口接收计算机指令，控制正弦波发生器频率、电流激励模式和电压激励模式选择、以及开关阵列的开关次序，并对测量信号进行AD采集，将采集电压发送到计算机。

此外，针对计算机，仍需进一步说明的是，其向主控制器发送设置指令，采集电极上的电压信号，并对数据预处理转换为实际测量电压或电流，建立EIT正问题、逆问题模型，输入采集的数据，对玉米穗内部水分分布成像，对电极对应位置的苞叶、籽粒、穗轴进行取样，采用烘干法测量每个部位的实际水分含量，建立经验模型，对模型进行标定。

另外，为了更全面地示出本发明，现对本发明提供的一种用于玉米穗水分断层分布的电阻抗成像系统(即，玉米穗水分分布的电阻抗成像系统)进行进一步的描述。该系统用于观测带苞叶玉米穗内部水分分布情况，获取玉米穗成熟前和收割后的水分变化。分别建立玉米穗苞叶层、籽粒层、穗轴等效模型，通过建立EIT正问题模型，观测在不同含水量情况下玉米穗内部电流路径和电势分布情况。具体地，该系统由电极、测量电路、成像软件构成，测量电路采用数字、模拟电路搭建，由正弦波发生器、电流源、电压源，模拟通道、电压测量电路、电流测量电路、乘法器、低通滤波器、主控制器构成。

图4为本发明一实施例提供的电极阵列及安装。

详细地，玉米穗中部至根部装有电极阵列，电极环形支架安装在固定架上，每个圆环上分布32个导电电极，电极为镀金黄铜电极，均匀排布在电极环形支架上，电极突出2mm，保证电极与玉米穗的接触面。由于玉米穗是不规范的圆台形状，截面也不是严格的圆形，因此环状电极阵列需要适应不同的玉米穗粗和形状。其中，电极上安装有弹簧，沿径向具有10mm的弹性行程，可以适应50～70mm直径的玉米穗和截面也不是严格的圆形，以保证电极与玉米穗良好耦合；电极通过屏蔽线与EIT系统连接，每环电极阵列与一块电路板相连，计算机单独控制测量。

详细地，正弦波发生器采用直接数字合成芯片，分别生成相差为90°的两路正弦波信号，0°信号作为解调信号和电流源、电压源的输入信号，90°信号仅作为解调使用。

详细地，电流源由程控增益仪表放大器与运算放大器构成，电压源由运算放大器构成，电流激励或电压激励通过可编程单刀双掷开关控制。开关阵列采用16通道模拟多路复用器组成32通道。

详细地，测量电路分为电压测量和电流测量，电压测量电路由一阶无源高通滤波器和前置放大器构成，先去除直流分量，再将信号放大，前置放大器为仪表放大器；电流测量电路由电流电压转换器和一阶无源高通滤波器构成，先将电流转换为电压信号，再滤除直流分量，测量电流或电压模式通过可编程单刀双掷开关切换。

详细地，解调电路由模拟乘法器和低通滤波器构成，分别将测量信号与0°、90°参考信号相乘，并滤除2倍频，得到直流输出。

详细地，主控制器为单片机，与计算机通讯，向系统可编程器件发送控制指令，设置直接数字合成芯片的频率和相位，设置电流或电压激励模式，控制模拟通道开关次序，以实现不同的激励和测量策略，对测量信号进行AD采集发送到计算机，对采集数据进行预处理，得到实部Real和虚部Imag，建立有限元正问题模型和牛顿拉夫逊逆问题模型，输入实部和虚部数据进行成像，多环数据通过插值算法实现三维成像。

综上，本发明提供了一种苞叶存在下玉米穗水分分布的无损EIT测量的方法及系统。本发明将EIT技术引入玉米穗水分含量测量中，研制了一种玉米穗EIT成像硬件和成像软件。可以对田间生理成熟前对玉米穗籽粒水分进行连续测量，能够实现对玉米穗生理成熟时间的预测，为科学地估测玉米收获期、快速选育耐密宜机收的玉米品种提供技术手段，给育种和化控工作提供更多的玉米成长过程的信息。

又一方面，基于相同的发明构思，本发明又一实施例提供了一种电子设备。

图5为本发明一实施例提供的电子设备的示意图。

在本实施例中，需要说明的是，该电子设备可以包括：处理器(processor)410、通信接口(Communications Interface)420、存储器(memory)430和通信总线440，其中，处理器410，通信接口420，存储器430通过通信总线440完成相互间的通信。处理器410可以调用存储器430中的逻辑指令，以执行玉米穗水分分布的电阻抗成像方法，该方法包括：将环状多电极阵列套设在带苞叶的玉米穗上；测量环状多电极阵列中的电极与玉米穗的接触阻抗；基于预设的接触阻抗阈值，选择对激励电极施加电流激励模式或电压激励模式，并测量电流激励模式或电压激励模式下除激励电极以外的其余电极的电压；将测量电压转换为实际电压值；以及建立正问题模型并对场域进行剖分和约束，并建立逆问题模型并输入接触阻抗和实际电压值，以对玉米穗内部的水分分布成像，并对经验模型标定。

以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

此外，在本发明中，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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

此外，在本发明中，参考术语“实施例”、“本实施例”、“又一实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于玉米穗水分分布的电阻抗成像方法，其特征在于，包括：

将环状多电极阵列套设在带苞叶的玉米穗上，其中所述环状多电极阵列中的电极环形支架具有纵向排布在所述玉米穗上的一个或多个环，所述环状多电极阵列上安装有弹簧，沿径向具有10mm的弹性行程，适用于50～70mm直径的玉米穗；

测量所述环状多电极阵列中的电极与所述玉米穗的接触阻抗；

基于预设的接触阻抗阈值，选择对激励电极施加电流激励模式或电压激励模式，并测量所述电流激励模式或所述电压激励模式下除所述激励电极以外的其余电极的电压，所述电流激励模式或所述电压激励模式通过可编程单刀双掷开关控制；

将测量电压转换为实际电压值或将所述电压激励模型下的测量电流转换为电压以便后级电路处理；以及

建立正问题模型和逆问题模型并输入所述接触阻抗和所述实际电压值，以对所述玉米穗内部的水分分布成像，成像包括二维断层成像和三维成像，并对经验模型标定，

对电极对应的玉米穗断层面中预定玉米穗位置进行取样标定，通过烘干称重法测量所述玉米穗断层面中预定位置的实际水分含量，其中所述玉米穗断层面包括穗轴层、籽粒层、苞叶层，其中穗轴层与籽粒结合的为第一穗轴层、与轴芯结合的为 第二穗轴层；

基于所述苞叶层、所述籽粒层、所述第一穗轴层、所述第二穗轴层的所述实际水分含量和电阻抗值建立所述经验模型；

基于所述经验模型，得到目标玉米穗断层面中每个部位的水分值，

所述基于预设的接触阻抗阈值，选择对激励电极施加电流激励模式或电压激励模式，并测量所述电流激励模式或所述电压激励模式下除所述激励电极以外的其余电极的电压，包括：

当所述接触阻抗小于所述接触阻抗阈值时，采用所述电流激励模式，采集电极两端的测量电压信号；

当所述接触阻抗等于或大于所述接触阻抗阈值时，采用所述电压激励模式，由电流电压转换器将电流信号转换为所述测量电压信号，以及

信号频率范围为40Hz至20MHz，

所述经验模型包括实部部分和虚部部分，并且包括所述实部部分和所述虚部部分的所述经验模型为：

其中C代表水分含量值，N为层数，N＝1,2,3,4，分别表示苞叶层、籽粒层、第一穗轴层和第二穗轴层，Z_R为电阻抗实部值，Z_I为电阻抗虚部值，α₀、α₁、α₂、α₃、α₄、β₁、β₂为回归系数，所述经验模型对所述苞叶层、所述籽粒层、所述第一穗轴层、所述第二穗轴层单独标定。

2.根据权利要求1所述的玉米穗水分分布的电阻抗成像方法，其特征在于，所述将测量电压转换为实际电压值包括：

所述测量电压信号滤波去除直流分量并进行放大，再经由解调电路生成实部电压V_R信号和虚部电压V_I信号，再通过运算电路分别确定所述V_R信号和所述V_I信号的幅值上限与下限以得到模数转换AD值的采集范围；

采集所述AD值，并将所述AD值转换为实际电压值。

3.根据权利要求2所述的玉米穗水分分布的电阻抗成像方法，其特征在于，所述采集所述AD值，并将所述AD值转换为实际电压值包括：

通过以下公式计算所述测量电压信号的相位：

其中，A_ref、A_ref90分别是参考信号为0°和90°时的幅值，

为被解调信号相对于所述参考信号的相位。

4.根据权利要求3所述的玉米穗水分分布的电阻抗成像方法，其特征在于，所述采集所述AD值，并将所述AD值转换为实际电压值还包括：

通过以下公式计算所述测量电压信号的幅值：

其中，A_s为被解调信号幅值。

5.根据权利要求4所述的玉米穗水分分布的电阻抗成像方法，其特征在于，所述采集所述AD值，并将所述AD值转换为实际电压值还包括：

所述实际电压值包括实部数据Real和虚部数据Imag，基于所述幅值和所述相位，通过以下公式进行四象限计算以得到所述实际电压值的实部数据和虚部数据：

Real＝sin(A_s)

Imag＝cos(A_s)。

6.一种使用如权利要求1至5任一项所述的玉米穗水分分布的电阻抗成像方法的玉米穗水分分布的电阻抗成像系统。

7.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5任一项所述的玉米穗水分分布的电阻抗成像方法。

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