玉米穗水分分布的电阻抗成像方法、系统及电子设备技术方案

本发明专利技术提供一种玉米穗水分分布的电阻抗成像方法及系统。该方法包括：将环状多电极阵列套设在带苞叶的玉米穗上，其中环状多电极阵列中的电极环形支架具有纵向排布在玉米穗上的一个或多个环；测量环状多电极阵列中的电极与玉米穗的接触阻抗；基于预设的接触阻抗阈值，选择对激励电极施加电流激励模式或电压激励模式，并测量电流激励模式或电压激励模式下除激励电极以外的其余电极上的电压；将测量电压转换为实际电压值或将电压激励模型下的测量电流转换为电压以便后级电路处理；以及建立正问题和逆问题模型并输入接触阻抗和实际电压值，以对玉米穗内部的水分分布成像。本发明专利技术可实现在体无损测量玉米穗内部水分分布情况。可实现在体无损测量玉米穗内部水分分布情况。可实现在体无损测量玉米穗内部水分分布情况。

【技术实现步骤摘要】
玉米穗水分分布的电阻抗成像方法、系统及电子设备


[0001]本专利技术涉及谷物水分测量与传感器设计
，尤其涉及一种玉米穗水分分布的电阻抗成像方法、系统及电子设备。

技术介绍

[0002]玉米是我国主粮之一，玉米品种选育极为重要。选育和种植收获时子粒含水量低、生理成熟后籽粒脱水速率快的玉米品种已成为玉米育种家非常关注的问题。对于耐旱品种，研究干旱胁迫下玉米果穗生理成熟期水分动态变化对其产量的影响较大；对于“宜机收”品种，果穗收获时籽粒含水量低、完熟期脱水速率快是选育此类品种的重要特征之一。果穗成熟过程中在体测量无损伤地测量穗柄、穗轴、籽粒、苞叶各层的水分分布图像非常重要。
[0003]现有技术中，核磁成像方法可以检测到离体的完整玉米穗的水分分布。
[0004]然而，MRI仪器昂贵笨重，扫描时间长，它不能用于长期在线实时监测，限制了其在田间广泛使用，不适于对在体玉米果穗各层介质中的水分含量进行在线连续监测。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种玉米穗水分分布的电阻抗成像方法、系统及电子设备，该系统用于观测带苞叶玉米穗内部水分分布情况，获取玉米穗成熟前和收割后的水分变化。旨在克服现有技术中测量范围受限、测量精度较低的问题，解决难以在苞叶存在情况下获取玉米穗内部水分分布情况的问题，基于电极阵列与不规则玉米穗的良好耦合实现非侵入、无损的测量，并基于电阻抗技术，根据激励信号和测量值建立正问题和逆问题模型来求解场域内的电导率分布，从而重构出玉米穗各个部位的水分分布图像。
[0006]具体地，本专利技术实施例提供了以下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术的实施例提供一种玉米穗水分分布的电阻抗成像方法，包括：
[0008]将环状多电极阵列套设在带苞叶的玉米穗上，其中所述环状多电极阵列中的电极环形支架具有纵向排布在所述玉米穗上的一个或多个环；
[0009]测量所述环状多电极阵列中的电极与所述玉米穗的接触阻抗；
[0010]基于预设的接触阻抗阈值，选择对激励电极施加电流激励模式或电压激励模式，并测量所述电流激励模式或所述电压激励模式下除所述激励电极以外的其余电极的电压；
[0011]将测量电压转换为实际电压值或将所述电压激励模型下的测量电流转换为电压以便后级电路处理；以及
[0012]建立正问题模型和逆问题模型并输入所述接触阻抗和所述实际电压值，以对所述玉米穗内部的水分分布成像，成像包括二维断层成像和三维成像，并对经验模型标定。
[0013]进一步地，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法还包括：
[0014]所述基于预设的接触阻抗阈值，选择对激励电极施加电流激励模式或电压激励模式，并测量所述电流激励模式或所述电压激励模式下除所述激励电极以外的其余电极的电
压，包括：
[0015]当所述接触阻抗小于所述接触阻抗阈值时，采用所述电流激励模式，采集电极两端的测量电压信号；
[0016]当所述接触阻抗等于或大于所述接触阻抗阈值时，采用所述电压激励模式，由电流电压转换器将电流信号转换为所述测量电压信号，
[0017]信号频率范围为40Hz
‑
20MHz。
[0018]进一步地，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法还包括：
[0019]所述将测量电压转换为实际电压值包括：
[0020]所述测量电压信号滤波去除直流分量并进行放大，再经由解调电路生成实部电压V
R
信号和虚部电压V
I
信号，再通过运算电路分别确定所述V
R
信号和所述V
I
信号的幅值上限与下限以得到模数转换AD值的采集范围；
[0021]采集所述AD值，并将所述AD值转换为实际电压值。
[0022]进一步地，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法还包括：
[0023]所述采集所述AD值，并将所述AD值转换为实际电压值包括：
[0024]通过以下公式计算所述测量电压信号的相位：
[0025][0026]其中，A
ref
、A
ref90
分别是参考信号为0
°
和90
°
时的幅值，为被解调信号相对于所述参考信号的相位。
[0027]进一步地，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法还包括：
[0028]所述采集所述AD值，并将所述AD值转换为实际电压值还包括：
[0029]通过以下公式计算所述测量电压信号的幅值：
[0030][0031]其中，A
s
为被解调信号幅值。
[0032]进一步地，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法还包括：
[0033]所述采集所述AD值，并将所述AD值转换为实际电压值还包括：
[0034]所述实际电压值包括实部数据Real和虚部数据Imag，基于所述幅值和所述相位，通过以下公式进行四象限计算以得到所述测量电压信号的实部电压值和虚部电压值：
[0035]Real＝sin(A
s
)
[0036]Imag＝cos(A
s
)
[0037]进一步地，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法还包括：
[0038]对电极对应的玉米穗断层面中预定玉米穗位置进行取样标定，通过烘干称重法测量所述玉米穗断层面中预定位置的实际水分含量，其中所述玉米穗断层面包括穗轴层、籽粒层、苞叶层，其中穗轴层与籽粒结合的第一穗轴层、与轴芯结合的第二穗轴层；
[0039]基于所述苞叶层、所述籽粒层、所述第一穗轴层、所述第二穗轴层的所述实际水分含量和电阻抗值建立经验模型；
[0040]基于所述经验模型，得到目标玉米穗断层面中每个部位的水分值。
[0041]进一步地，该玉米穗水分分布的电阻抗成像方法还包括：
[0042]所述经验模型包括实部部分和虚部部分，并且包括所述实部部分和所述虚部部分的所述经验模型为：其中C代表水分含量值，N为层数，N＝1,2,3,4，分别表示苞叶层、籽粒层、第一穗轴层和第二穗轴层，Z
R
为电阻抗实部值，Z
I
为电阻抗虚部值，α0、α1、α2、α3、α4、β1、β2为回归系数，所述经验模型对所述苞叶层、所述籽粒层、所述第一穗轴层、所述第二穗轴层单独标定。
[0043]第二方面，本专利技术的实施例还提供一种玉米穗水分分布的电阻抗成像系统，包括：
[0044]电极阵列模块，用于将环状多电极阵列套设在带苞叶的玉米穗上，其中所述环状多电极阵列中的电极环形支架具有纵向排布在所述玉米穗上的一个或多个环；
[0045]接触阻抗测量模块，用于测量所述环状多电极阵列中的电极与所述玉米穗的接触阻抗；
[0046]测量电压确定模块，用于基于预设的接触阻抗阈值，选择对激励电极施加电流激励模式或电压激励模式，并测量所述电流激励模式或所述电压激励模式下除所述激励电极以外的其余电极的电压；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于玉米穗水分分布的电阻抗成像方法，其特征在于，包括：将环状多电极阵列套设在带苞叶的玉米穗上，其中所述环状多电极阵列中的电极环形支架具有纵向排布在所述玉米穗上的一个或多个环；测量所述环状多电极阵列中的电极与所述玉米穗的接触阻抗；基于预设的接触阻抗阈值，选择对激励电极施加电流激励模式或电压激励模式，并测量所述电流激励模式或所述电压激励模式下除所述激励电极以外的其余电极的电压；将测量电压转换为实际电压值或将所述电压激励模型下的测量电流转换为电压以便后级电路处理；以及建立正问题模型和逆问题模型并输入所述接触阻抗和所述实际电压值，以对所述玉米穗内部的水分分布成像，成像包括二维断层成像和三维成像，并对经验模型标定。2.根据权利要求1所述的玉米穗水分分布的电阻抗成像方法，其特征在于，所述基于预设的接触阻抗阈值，选择对激励电极施加电流激励模式或电压激励模式，并测量所述电流激励模式或所述电压激励模式下除所述激励电极以外的其余电极的电压，包括：当所述接触阻抗小于所述接触阻抗阈值时，采用所述电流激励模式，采集电极两端的测量电压信号；当所述接触阻抗等于或大于所述接触阻抗阈值时，采用所述电压激励模式，由电流电压转换器将电流信号转换为所述测量电压信号，以及信号频率范围为40Hz至20MHz。3.根据权利要求1所述的玉米穗水分分布的电阻抗成像方法，其特征在于，所述将测量电压转换为实际电压值包括：所述测量电压信号滤波去除直流分量并进行放大，再经由解调电路生成实部电压V
R
信号和虚部电压V
I
信号，再通过运算电路分别确定所述V
R
信号和所述V
I
信号的幅值上限与下限以得到模数转换AD值的采集范围；采集所述AD值，并将所述AD值转换为实际电压值。4.根据权利要求3所述的玉米穗水分分布的电阻抗成像方法，其特征在于，所述采集所述AD值，并将所述AD值转换为实际电压值包括：通过以下公式计算所述测量电压信号的相位：其中，A
ref
、A
ref90
分别是参考信号为0
°
和90
°
时的幅值，为被解调信号相对于所述参考信号的相位。5.根据权利要求4所述的玉米穗水分分布的电阻抗成像方法，其特征在于，所述采集所述AD值，并将所述AD值转换为实际电压值还包括：通过以下公式计算所述测量电压信号的幅值：其中，A
s
为被解调信号幅值。
6.根据权利要求5所述的玉米穗水分分布的电阻抗成像方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王忠义，李洋，王楠，黄岚，范利锋，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：