树木内部缺陷的应力波层析成像算法研究

袁匆，杜晓晨

（浙江农林大学信息工程学院，临安 311300）

树木内部缺陷的应力波层析成像算法研究

袁匆，杜晓晨

（浙江农林大学信息工程学院，临安 311300）

树木内部缺陷一般难以通过肉眼察觉，会危害树木的健康、降低木材质量。如何便捷地检测到树木内部缺陷具有重要研究意义。提出一种改进的应力波层析成像算法用于检测木材中的内部缺陷。实验环节中，三种不同缺陷类型的树木样本被用于检验本文提出的成像算法。实验结果表明该方法的有效性。

树木内部缺陷；应力波；层析成像

0 引言

树木无损检测技术具有重要的研究意义和应用价值，通过该技术，可以准确、快速、无损地对树木内部健康情况进行检测，从而提高木材的加工率和智能程度，同时又能有效保护古树名木、行道树、景观树等各类树木[1]。在众多无损检测技术中，应力波技术对人体无害又有很好的便携性，特别适合应用于树木的内部缺陷检测[2]。

1 应力波层析成像的基本原理

R.J.Ross和J.C.Ward通过实验发现，应力波经过树木缺陷区域的速度比经过正常区域的速度慢[3]。因此，树木内部的缺陷区域可以由应力波技术分析得到。如图1所示，使用一定数量的应力波传感器平均放置在树木横截面，当敲击其中一个传感器产生应力波时，其余传感器收集应力波在木材内部不同方向的传播时间，由于通过不同材质时波的衰减程度不同，导致所接收的传播时间存在差异，根据所接收传播时间计算出波速并进行图像重构，最终以二维图像方式直观地显示树木内部缺陷情况。

图1 应力波层析成像示意图

图2 树木横截面网格图

2 应力波层析成像算法

首先，如图2所示，生成树木横截面的网格图。显然，计算出每个网格点所对应的应力波波速值，再映射到统一尺度的颜色区间，就能得到树木内部缺陷的层析成像结果。

lij表示第i条应力波射线穿过第j号网格的距离。图3中仅有一条应力波射线，而进行应力波层析成像一般至少需要8个以上数量的传感器，如图4所示。则M表示应力波射线总数，N表示有效的网格总数。定义S为慢度（速度的倒数），得到LS=T，并以矩阵形式表示如下：

L表示应力波射线的长度，可通过传感器两两之间的位置测量得到。T表示应力波的传播时间，可通过项目组自主研发的硬件设备获取。S则为目标向量，表示N个网格中的应力波慢度，通过求解公式1，即得到所有网格单元内的波速慢度值（速度分布）。

图3 单条应力波射线

图4 多条应力波射线

3 改进的应力波层析成像算法

上述应力波层析成像算法中，网格数量越多，则成像效果越精细。但随着网格数量即N的增加，未被应力波射线穿越的网格也会随之增多，见图4中的空白网格点。由此可见，L是一个稀疏矩阵，仅靠求解公式（1）难以得到理想的层析成像结果。

空白网格单元显然与相邻的有效网格单元或应力波射线相关联。因此，可以利用基本的应力波层析成像结果和邻域信息来计算这些无效网格所对应的慢度值，从而改进成像效果[4]。本文利用空间插值方法，提出了一种改进的应力波层析成像算法，具体步骤如下：

步骤1：每敲击某个应力波传感器一次，就采用基本的应力波层析成像算法求解公式1；

步骤2：针对每一个无效网格单元，根据邻域信息应用最短距离插值法求得其波速值，最终获得完整的S向量；

步骤3：重复步骤1和步骤2，直到所有的传感器都被敲击；

步骤4：对获得的一组S向量求取均值，再根据该结果对树木的横截面进行二维成像。

4 实验结果

采用项目组自主研发的应力波信号测量设备进行了成像算法实验。设备包括了若干枚应力波传感器、一些数据线、电子锤（如图5所示）和信号处理箱（如图6所示），信号处理箱将采集到的传感器两两间应力波传播时间矩阵传输到上位机作为算法的输入部分。另外，实验所采用的样本均为真实的树木样本。

图5 实验设备1

图6 实验设备2

本文对三种不同的树木样本进行了层析成像实验。成像实验过程中，对每个样本，均放置了12个应力波传感器。第一个样本的内部缺陷类型为自然腐朽，缺陷的区域在木桩横截面的右下方，如图7所示。本文算法的层析成像结果如8所示，成像结果中的绿色区域表示正常木材部分，而红色则表示缺陷部分。对比结果表明：成像结果中缺陷区域的位置、形状、大小、腐朽程?度均与木桩横截面的真实情况较为一致。

图7 样本1

图8 成像结果

第二个树木样本为一个健康的木桩，不存在内部缺陷，如图9所示。本文算法的层析成像结果如10所示。结果表明：本文提出的木材应力波层析成像算法也能正确处理健康树木。

为了提高检测难度，对第三个健康木材样本手工凿出一个孔洞，且该空洞面积较小，区域设置在木桩横截面的中心点偏左上方的位置，如图11所示。本文算法的层析成像结果如12所示。对比结果表明：当缺陷较小、成像难度增大时，本文算法的成像结果仍能大致反映出缺陷区域的位置、形状、大小和腐朽程度。

图9 样本1

图10 成像结果

5 结语

本文针对树木内部缺陷，提出了一种改进的应力波层析成像算法，并通过实验验证了其有效性。如何进一步提高成像算法的精度，特别是在缺陷情况不明显的情况下，保证较好的成像效果，是项目组下一步的研究目标。

[1]C.B.Wessels,F.S.Malan，T.Rypstra.A Review ofMeasurement Methods Used on Standing Trees for the Prediction of Some Mechanical Properties of Timber，European Journal of Forest Research，2011，130(6):881-893.

[2]C.J.Lin,T.T.Chang，M.Y.Juan.StressWave Tomography for the Quantification of Artificial Hole Detection in Camphor Tree.Taiwan Journal For Science，2011，26(1):17-32.

[3]J.R.Robert,C.W.James，T.W.Anton.StressWave Nondestructive Evaluation ofWetWood，Forest Products Journal，1994，7(8):79-83.

[4]X.C.Du,S.Z Li,G.H.Li,etal.StressWave Tomography ofWood Internal Defects Using Ellipse-Based Spatial Interpolation and Velocity Compensation，BioResource，2015，10(3):3948-3962.

Tomography of Tree Internal Defects Based on Stress Wave Method

YUAN Cong，DU Xiao-chen

（School of Information and Engineering，Zhejiang Agricultural and Forestry University，Lin'an 311300）

Internal defects in wood are difficult to observe directly,they can endanger the tree's health and reduce the quality of the logs,so it is important to detect tree internal defects conveniently.Proposes a novel stresswave tomographymethod using spatial interpolation for the detection of internal defects in wood.Three wood samples,with different defects,are used to test the proposed tomography method in the experiment.The results show that the proposed method perform well.

袁匆（1995-），男，浙江台州人，本科，研究方向为应力波成像

杜晓晨（1981-），男，浙江杭州人，博士，副教授，研究方向为应力波成像

2017-03-06

2017-05-10

浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划资助项目（No.2016R412029）

1007-1423（2017）14-0074-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.14.015

Tree Internal Defects;StressWave;Tomography