[发明专利]基于近场声全息技术检测植物病害的系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于农业生物技术领域，尤其是一种基于近场声全息技术检测植物病害的系统及方法。

背景技术

植物在生长发育过程中常常受到各种环境胁迫，其中病害胁迫和水分亏缺对作物产量造成的减少超过了所有其他胁迫的总和。全国病虫害发生总面积在不断地增加，同时存在农药残留超标问题，因此，如何及时准确地对作物病害的分布区域和病害程度进行快速、准确、可靠的判断，是采取有效的防控措施和精准施药进行病害防治的关键。

植物受病害胁迫的影响导致植物蒸腾速率发生变化，张力增加；当其超过一个极限值时，由于水分子间的内聚力失效或对导管壁的附着力失效，水柱的连续体就不能再保持下去，从而发生断裂或抽空，这就是植物导管的“气穴”现象。植物木质部出现气穴的同时，张力会突然释放而产生冲击波，伴随着冲击波的发生就产生了声发射信号，植物就是通过这种信号向我们传递出自身的病害信息，依据声发射信号的分布规律可判断植物的病害胁迫程度。

近场声全息技术是一种先进的用于声源识别、定位以及空间声场可视化的噪声测量分析前沿技术。声场的空间变换算法是近场声全息的核心，经过多年的发展形成了非常多的重建算法。基于Fourier变换的NAH技术，该算法和实验容易实现，且计算速度快，但在重建过程中会引入窗效应和卷绕误差，并且要求全息面和源面为共形的规则形状，如平面、柱面或球面等，一定程度上限制了其应用范围。基于边界元法(BEM)的NAH技术，该方法有效地克服了对源面和全息面形状的限制，但由于BEM的计算需要单元离散、形函数应用、积分计算、矩阵形成等较多步骤，其数值计算的效率低下，影响了它在工程中的推广和应用。在此基础上改进的分布源边界点法，该方法的核心是利用分布在振动体边界结点的法线方向上(背离分析域)的一系列特解源产生的特解间接地构造出振源与声场之间的传递矩阵，有效地避开了采用边界元法求解声辐射问题时所存在的变量插值、奇异积分处理、解的非唯一性以及计算量大等问题，既继承了BEM能适用于任意形状声源分析的优点，又提高了计算速度，得到了广泛应用。

通过近场声全息技术进行植物声发射源的定位，可以为植物病害的精准防治提供理论依据及实验参数，从而有效地并针对性的进行农药喷施，降低农药的使用量。另外，植物病害都有或长或短的潜伏期，在潜伏期内，可能的情况是内部生理结构上发生变化而外部特征并没有发生变化，因此，能够在植物未出现病斑的病害初期及时发现病害并进行防治是有必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于近场声全息技术检测植物病害的系统及方法，该系统通过声发射信号的采集及处理，以分布源边界点法近场声全息技术为理论依据，建立声全息实验模型，对植物的声发射源信号进行识别和声场分析，定位声发射源的位置，判断植物病害状况，实施精准喷药。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于近场声全息技术检测植物病害的系统，包括依次连接的声发射传感器阵列、宽带声发射前置放大器、AD转换器、DSP处理器、上位机及图形显示器，在上位机内运行声源识别算法分析处理软件。

而且，所述声发射传感器阵列采集声发射信号，经过宽带声发射前置放大器放大并滤波处理后进入AD转换器进行多路信号转换，AD转换器转换数据并传入DSP处理器，经处理后的数据上传上位机，上位机以Labview为软件平台，进行数据分析处理，完成对声源的重建，将该声场信息用图形的方式显示出来，以定位声发射源的位置，判断植物病害胁迫程度。

而且，所述声发射传感器和宽带声发射前置放大器选择谐振频率70kHz及以上，并采用高通滤波电路进行电源和信号分离。

而且，所述的AD转换器选用美国ADI公司的AD7656。

而且，所述的DSP处理器采用TMS320VC5509，最高主频能够达到144MHz，能在一个周期内完成三次数据读操作和两次数据写操作。

而且，所述的上位机声源识别算法分析处理软件是以Labview为软件平台，包含了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示与存储，利用MATLAB Script节点，实现在Labview中对Matlab语言的调用。

一种基于近场声全息技术检测植物病害的方法，步骤是：

⑴依据植物的声发射现象，以分布源边界点法近场声全息技术为依据，建立柱面-球面非共形面声全息实验模型；

⑵在实验模型上对单声源设定全息测点数及重建球面结点数，并进行仿真实验分析，选取参数；