一种树木纵截面内部缺陷成像方法技术

本发明专利技术公开了一种树木纵截面内部缺陷成像方法，属于树木的无损检测领域。所述方法通过以应力波在树木内部的传播时间作为输入数据，将成像平面划分为一定数量的网格单元来建立其初始速度分布，之后使用直线传播模型进行多轮迭代，每轮迭代结束之后利用SIRT算法调节成像平面的速度分布，使用最大值以及最小值速度约束以及基于网格单元组的模糊约束对每个网格单元速度进行限制，直到最后的速度分布与所测得的数据较吻合时结束迭代，通过比较此时的网格单元的速度值与被测健康树木的参考值，判断出异常网格单元，之后对网格单元成像进行二次平滑处理，得到树木内部的缺陷位置，该方法能够准确检测出树木缺陷区域，且误检区域少，成像效果好。

【技术实现步骤摘要】
一种树木纵截面内部缺陷成像方法
本专利技术涉及一种树木纵截面内部缺陷成像方法，属于树木的无损检测领域。
技术介绍
无损检测又称非破坏性检测，是利用材料的不同物理力学性质或化学性质在不破坏目标物体内部及外观结构与特性的前提下，对物体相关特性(如形状、位移、应力、光学特性、流体性质、力学性质等)进行测试与检验，尤其是对各种缺陷的测量。对于树木的无损检测通常是利用应力波的作用进行检测，应力波是指物体在受到了冲击之后，在应力的作用之下所产生的可以在物体内部中间进行传播的弹性机械波。在我国，应力波首先应用在岩土，混凝土等性能以及缺陷的检测之中，之后林业科技人员才将其应用到了树木的无损检测领域。目前，国内外对于树木内部缺陷的横截面断层成像检测已经进行了较为广泛的研究，但是树木纵截面成像的结果对于判断树木内部缺陷在纵向上的延伸程度具有重要意义，同时可以为树木内部的三维立体成像提供参考。
技术实现思路
为了判断树木内部缺陷在纵向上的延伸程度以及为树木内部的三维立体成像提供参考，本专利技术提供了一种树木纵截面内部缺陷成像方法，所述方法包括：S1：根据所测量树木的数据建立相应的成像平面，将成像平面划分为具有相同的大小尺寸的网格单元，为每个网格单元赋予一个相同的初始速度值，得到成像平面的初始速度分布；S2：根据成像平面的初始速度分布，使用直线传播模型模拟应力波在树木内部的传播，利用联合迭代重建技术(Simultaneousiterativereconstructiontechnique，SIRT)算法调整成像平面网格单元的速度；调整过程中使用最大与最小速度值和基于网格单元组的模糊约束机制对成像平面网格单元的速度进行约束；得到成像平面每个网格单元调整后的速度v′；S3：根据成像平面每个网格单元调整后的速度v′确定每个网格单元是否为异常网格单元。可选的，所述方法还包括：计算健康树木内部各个方向应力波传播的速度参考值，继而得到成像平面每个网格单元的健康参考速度值v；所述S3为：比较成像平面每个网格单元调整后的速度v′和成像平面每个网格单元的健康参考速度值v，计算的值，当超过预定阈值时，标记v′对应的网格单元为异常网格单元。可选的，所述方法还包括：对异常网格单元进行二次图像平滑处理，得到所测量树木内部的缺陷图。可选的，所述S2包括：S21利用SIRT算法计算出每个网格单元的速度增量，将其应用于每个网格单元当前速度值，得到新的速度值；S22在速度调整的过程中，对网格单元的速度值施加最大与最小速度值限制，当所得到的新的速度值超过最大或最小极限值，则新的速度值就会被赋予为其所超过的极限值；同时，在速度调整的过程中，对网格单元的速度值施加基于网格单元组的模糊约束，根据每个网格单元的模糊约束因子，将每轮迭代结束之后的每个网格单元的反演速度值与每个网格单元的全约束速度值进行线性组合，作为网格单元的新的速度值；S23当最后一轮迭代结束后，得到成像平面每个网格单元调整后的速度v′。可选的，所述计算健康树木内部各个方向应力波传播的速度参考值v(θ，α)，继而得到成像平面每个网格单元的健康参考速度值v，包括：根据式(1)计算v(θ，α)，根据式(2)计算v；v(θ，α)＝vl×vR×(-0.2α2+1)/[vl×sin2θ+vR×(-0.2α2+1)×cos2θ](1)其中，vl是应力波沿树木纵向传播的速度，vR是应力波沿树木径向传播的速度值，α为传播方向相对应纵截面与径切面的夹角，θ为对应的应力波传播方向角，vi表示第i个网格单元的健康参考速度值，vij为穿过第i个网格单元的第j条传播路径的速度参考值，该速度值可由公式(1)计算得到，M为穿过第i个网格单元的路径总数，N为成像平面的网格单元数量。可选的，所述当超过预定阈值时，标记v对应的网格单元为异常网格单元中，预定阈值为15％。可选的，所述每个网格单元的模糊约束因子取值范围为[0.5，1]。可选的，靠近树木中心位置处的网格单元的模糊约束因子的取值大于靠近树木边缘位置处的网格单元的模糊约束因子的取值。可选的，所述根据所测量树木的数据建立相应的成像平面之前，还包括：在所测量树木的树干两端沿纵向同一方向随机距离地布置预定数量的传感器；将传感器与应力波信号采集仪连接起来，通过脉冲锤敲击的方式获取两端传感器两两之间的传播时间数据；并测量树木的直径以及纵截面的传感器位置信息。本专利技术的另一个目的在于提供上述方法在无损检测领域内的应用。本专利技术有益效果是：通过以应力波在树木内部的传播时间作为输入数据，将成像平面划分为一定数量的网格单元来建立其初始速度分布，之后使用直线传播模型进行多轮迭代，每轮迭代结束之后，利用联合迭代重建技术(Simultaneousiterativereconstructiontechnique，SIRT)算法调节成像平面的速度分布，使用最大值以及最小值速度约束对成像平面的每个网格单元的速度进行约束，同时使用基于网格单元组的模糊约束对每个网格单元速度进行限制，直到最后的速度分布与所测得的数据较吻合时结束迭代，将此时的网格单元的速度值与被测健康树木的参考值进行比较，判断出某个网格单元为异常数据还是正常数据，之后对网格单元成像进行二次平滑处理，得到树木内部的缺陷位置，该方法能够准确检测出树木缺陷区域，且误检区域少，成像效果好。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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他的附图。图1是本专利技术方法中无损检测的实验平台。图2是本专利技术中的纵向成像平面示意图。图3是本专利技术中的模糊约束矩阵示意图。图4是原木试样纵切面成像比较图。图5是树干的三维坐标系统。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。实施例一：本实施例提供一种树木纵截面内部缺陷成像方法，所述方法以应力波在树木内部的传播时间作为输入数据，将成像平面划分为一定数量的网格单元来建立其初始速度分布，之后使用直线传播模型进行多轮迭代，每轮迭代结束之后，利用SIRT算法调节成像平面的速度分布，使用最大值以及最小值速度约束对成像平面的每个网格单元的速度进行约束，同时使用基于网格单元组的模糊约束对每个网格单元速度进行限制，直到最后的速度分布与所测得的数据较吻合时结束迭代，将此时的网格单元的速度值与被测健康树木的参考值进行比较，判断出某个网格单元为异常数据还是正常数据，之后对网格单元成像进行二次平滑处理，得到树木内部的缺陷位置。具体的，在对树木进行无损检测时，首先搭建无损检测平台，请参考图1，在所测量树木的树干两端沿纵向同一方向随机距离地布置一定数量的传感器，将传感器与匈牙利产FAKOPP应力波信号采集仪连接起来，每次使用脉冲锤敲击其中一个传感器，另一端的传感器接收到相应的信号，采集仪将收集到的应力波传播时间进行记录，如此这样重复，直到所有的传感器全部敲击完毕，获得两端传感器两两之间的传播时间数据；同时，使用卷尺测量树木的直径以及纵截面的传感器位置信息，用于之后的纵截面成像。如图2所示，在获取了上述传感器两两之间的传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种树木纵截面内部缺陷成像方法，其特征在于，所述方法包括：S1：根据所测量树木的数据建立相应的成像平面，将成像平面划分为具有相同的大小尺寸的网格单元，为每个网格单元赋予一个相同的初始速度值，得到成像平面的初始速度分布；S2：根据成像平面的初始速度分布，使用直线传播模型模拟应力波在树木内部的传播，利用联合迭代重建技术SIRT算法调整成像平面网格单元的速度；调整过程中使用最大与最小速度值和基于网格单元组的模糊约束机制对成像平面网格单元的速度进行约束；得到成像平面每个网格单元调整后的速度v′；S3：根据成像平面每个网格单元调整后的速度v′确定每个网格单元是否为异常网格单元。

【技术特征摘要】
1.一种树木纵截面内部缺陷成像方法，其特征在于，所述方法包括：S1：根据所测量树木的数据建立相应的成像平面，将成像平面划分为具有相同的大小尺寸的网格单元，为每个网格单元赋予一个相同的初始速度值，得到成像平面的初始速度分布；S2：根据成像平面的初始速度分布，使用直线传播模型模拟应力波在树木内部的传播，利用联合迭代重建技术SIRT算法调整成像平面网格单元的速度；调整过程中使用最大与最小速度值和基于网格单元组的模糊约束机制对成像平面网格单元的速度进行约束；得到成像平面每个网格单元调整后的速度v′；S3：根据成像平面每个网格单元调整后的速度v′确定每个网格单元是否为异常网格单元。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：计算健康树木内部各个方向应力波传播的速度参考值，继而得到成像平面每个网格单元的健康参考速度值v；所述S3为：比较成像平面每个网格单元调整后的速度v′和成像平面每个网格单元的健康参考速度值v，计算的值，当超过预定阈值时，标记v′对应的网格单元为异常网格单元。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：对异常网格单元进行二次图像平滑处理，得到所测量树木内部的缺陷图。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S2包括：S21利用SIRT算法计算出每个网格单元的速度增量，将其应用于每个网格单元当前速度值，得到新的速度值；S22在速度调整的过程中，对网格单元的速度值施加最大与最小速度值限制，当所得到的新的速度值超过最大或最小极限值，则新的速度值就会被赋予为其所超过的极限值；同时，在速度调整的过程中，对网格单元的速度值施加基于网格单元组的模糊约束，根据每个网格单元的模糊约束因子，将每轮迭代结束之后的每个网格单元的反演速度值与每个网格单元的全约束...

【专利技术属性】
技术研发人员：李光辉，刘雷，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32