[发明专利]一种树木年轮的空气耦合式超声波检测方法及装置

说明书

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；