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1、(10)申请公布号 CN 104090030 A (43)申请公布日 2014.10.08 C N 1 0 4 0 9 0 0 3 0 A (21)申请号 201310441500.4 (22)申请日 2013.09.23 G01N 29/12(2006.01) G01B 17/00(2006.01) (71)申请人浙江工商大学 地址 310018 浙江省杭州市下沙高教园区学 正街18号 (72)发明人惠国华 (74)专利代理机构杭州杭诚专利事务所有限公 司 33109 代理人尉伟敏 (54) 发明名称 大树孔洞检测方法 (57) 摘要 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。
2、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。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书7页 附图4页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书7页 附图4页 (10)申请公布号 CN 104090030 A CN 104090030 A 1/2页 2 1.一种大树孔洞检测方法，一种用。
3、于大树孔洞检测的孔洞检测装置包括声表面波装置 (1)、测距传感器(2)和应力波传感器(3)；应力波传感器、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，计数器与振荡回 路电连接，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，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A。
4、 i 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；将应力波传感器 和脉冲锤分别固定在起始端的树干外周面的相对侧上； 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，得到应力波信号一； (1-3)将应力波传感器和脉冲锤分别沿树干的外周面顺时针旋转30至90度并固定； 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，得到应力波信号二；计算机计算应力波信号一和应力波信号二的平均信号。
5、，得 到平均应力波信号； (1-4)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100ms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； (1-5)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； (1-6)当则计算机做出大树的树干中的孔洞为A i 所对应的的取值范 围的判断； (1-7)当并且测量位置距离终止端1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。
6、波传 感器固定于距离上次测量位置0.5至1厘米的树干外周面上，返回步骤(1-3)； 当并且测量位置距离终止端1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(1-8)； (1-8)测量孔洞的壁厚： 权 利 要 求 书CN 104090030 A 2/2页 3 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2至3毫米；终 止端外周面上设有用于反射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，计数器检测声表面波响应。
7、频率Freq SAW ，声表面波响应频 率Freq SAW 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； (1-9)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。
8、洞的三维模型。 2.根据权利要求1所述的大树孔洞检测方法，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，(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所述的大树孔洞检测方法，其特征是，所述信噪比计算公式为 其中，是信号频率，为角频率，S()是信号频谱 密度，S N ()是信号频率范围内的噪声强度。 5.根据权利要求1所述的大树孔洞检测方法，其特征是，所述声表面波检测阈值S为 0.5至2.5。 6.根据权利要求1或。
9、2或3或4或5所述的大树孔洞检测方法，其特征是，所述误差阈 值d为0.15至0.6。 7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的大树孔洞检测方法，其特征是，声表面波谐 振器的中心频率为433.92MHZ。 权 利 要 求 书CN 104090030 A 1/7页 4 大树孔洞检测方法 技术领域 0001 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 0002 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。 0003 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。
10、 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。 0004 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。 0005 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。 0006 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、。
11、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 0007 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。 0008 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案： 0009 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、测距传感器和应力波传感器；应力波传感器、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。
12、接口；所述声表面波装置包括计数器、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，计数器与振荡回路电连接，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： 0010 (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； 0011 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A i 的对应关系， i1，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； 说 明 书CN 104090030 A 2/7页 5 001。
13、2 (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；将应力波传 感器和脉冲锤分别固定在起始端的树干外周面的相对侧上； 0013 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，得到应力波信号一； 0014 (1-3)将应力波传感器和脉冲锤分别沿树干的外周面顺时针旋转30至90度并固 定； 0015 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，得到应力波信号二；计算机计算应力波信号一和应力波信号二的平均信 号，得到平均应力波信号； 0016 (1-4)在平均应力波信号中，提取1个完整的应力波脉冲信。
14、号I(t)，将0至100ms 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； 0017 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。 0018 一般情况下，双稳态模型中输入外。
15、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。 0019 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。
16、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。 0020 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。 0021 (1-5)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； 0022 (1-6)当则计算机做出大树的树干中的孔洞为A i 所对应的的取 值范围的判断； 0023 (1-7)当并且测量位置距离终止端1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。
17、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0.5至1厘米的树干外周面上，返回步骤(1-3)； 说 明 书CN 104090030 A 3/7页 6 0024 当并且测量位置距离终止端1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； 0025 当转入步骤(1-8)； 0026 (1-8)测量孔洞的壁厚： 0027 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2至3毫 米；终止端外周面上设有用于反射测距传感器。
18、的测量信号的环状反射镜； 0028 步骤b，声表面波谐振器工作，计数器检测声表面波响应频率Freq SAW ，声表面波响 应频率Freq SAW 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； 0029 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； 0030 步骤d，将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； 0031 步骤e，重复步骤a至d对大树树干进行轴向扫描式检测； 0032 (1-9)预先对大树树干的外周面进行测量，设定树干的外周面上。
19、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。 0033 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； 0034 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。 0035 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。
20、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。 0036 作为优选，所述步骤b中，孔洞壁厚预测模型为 0037 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，(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。 0038 作为优选，所述信噪比计算公式为其中， 是信号频率，为角频率，S()是信号频谱密度，S N ()是信号频率范围内的噪声强度。 说 明 书CN 104090030 A 4/7页 7 0039 作为优选，所述声表面波检测阈值S为0.。
21、5至2.5。 0040 作为优选，所述误差阈值d为0.15至0.6。 0041 作为优选，声表面波谐振器的中心频率为433.92MHZ。 0042 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 0043 图1是本发明的一种流程图； 0044 图2是本发明的原理框图； 0045 图3是本发明的应力波脉冲信号图； 0046 图4是本发明的应力波检测信号的输出信噪比曲线； 0047 图5是本发明的树干横截面图及坐标系图； 0048 图6是本发明的环状。
22、反射镜的一种结构示意图。 0049 图中：声表面波装置1、测距传感器2、应力波传感器3、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 0050 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。 0051 如图2所示的实施例是一种大树孔洞检测方法，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8电连接的数据接口； 0052 声表面波装置包括计数器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，计数器与振荡回。
23、路电连接，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7电连接，测距传感器设于一个电极与导线的 连接处； 0053 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，(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； 0054 在计算机中设定孔洞壁厚预测模型： 0055 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A i 的对应关系，i1，L，4；设定误差阈值d 0.2，设定声表面波检测阈值S2； 0056 和A i 的对应关系是通过实验。
24、获得：用应力波对不同取值范围的孔洞的树 说 明 书CN 104090030 A 5/7页 8 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； 0057 对该孔洞重复检测120次，得到120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A i 之间的对应关系。 0058 本实施例中，当定义为小洞大树，对应的A 1 88dB； 0059 当定义为中洞大树，对应的A 2 85.7dB； 0060 当定义。
25、为大洞大树，对应的A 3 84.5dB； 0061 当定义为树干已经腐烂中空，对应的A 4 82dB。 0062 如图1所示的检测方法包括如下步骤： 0063 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 带将应力波传感器和脉冲锤分别固定在起始端的树干外周面的相对侧上； 0064 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，得到应力波信号一； 0065 步骤200，将应力波传感器和脉冲锤分别沿树干的外周面顺时针旋转90度并固 定； 0066 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。
26、算机中，得到应力波信号二；计算机计算应力波信号一和应力波信号二的平均信 号，得到平均应力波信号； 0067 步骤300，在平均应力波信号中，提取如图3所示的1个完整的应力波脉冲信号 I(t)，将0至100ms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；其中，是信号频率，为角频率，S()是信号频谱密度，S N ()是信号频 率范围内的噪声强度； 0068 步骤400，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； 0069 本实施例中，计算。
27、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； 0070 步骤500，当则计算机做出大树的树干中的孔洞为A i 所对应的的 取值范围的判断； 说 明 书CN 104090030 A 6/7页 9 0071 本实施例中，所以本实施例中的大树为中洞大 树。 0072 步骤600，当并且测量位置距离终止端1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，用固定皮带将 应力波传感器和脉冲锤分别固定在距离上次测量位置0.5厘米的树干外周面的相对侧上； 0073 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。
28、应力波信号 输入到计算机中，得到应力波信号一； 0074 将应力波传感器和脉冲锤分别沿树干的外周面顺时针旋转90度并固定； 0075 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，得到应力波信号二； 0076 计算机计算应力波信号一和应力波信号二的平均信号，得到平均应力波信号；返 回步骤300； 0077 当并且测量位置距离终止端1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； 0078 当转入步骤700； 0079 步骤700，测量孔洞的壁厚： 0080 步骤701，将脉冲锤和应力波传感器从树干的外。
29、周面上取下； 0081 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。 0082 步骤702，声表面波谐振器工作，计数器检测声表面波响应频率Freq SAW ，声表面波 响应频率Freq SAW 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； 0083 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12个壁厚及与 该壁厚相对应的。
30、Freq SAW ，将12个壁厚及与该壁厚相对应的Freq SAW 构成点，对12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。 0084 步骤703，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702进行检 测，得到4个壁厚d1，d2，d3，d4； 0085 步骤704，将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； 0086 步骤705，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 说 明 书CN 104090030 A 7/7。
31、页 10 701至704进行检测； 0087 步骤800，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。 0088 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)； 0089 先做出d1和d3线段的中垂线： 0090 同理，做出d2和d4线段的中。
32、垂线：则y s1 和 y s2 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。 0091 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。 0092 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。 说 明 书CN 104090030 A 10 1/4页 11 图1 说 明 书 附 图CN 104090030 A 11 2/4页 12 图2 说 明 书 附 图CN 104090030 A 12 3/4页 13 图3 图4 说 明 书 附 图CN 104090030 A 13 4/4页 14 图5 图6 说 明 书 附 图CN 104090030 A 14 。