文 劍 李偉林 肖中亮 張 京 韓紅巖

(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083； 2.北京市頤和園管理處，北京 100091)

活立木內(nèi)部缺陷雷達(dá)波檢測(cè)研究

文 劍1李偉林1肖中亮1張 京2韓紅巖2

(1.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083； 2.北京市頤和園管理處，北京 100091)

針對(duì)活立木內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，個(gè)體化差異較大，導(dǎo)致雷達(dá)波圖像難以解析的問(wèn)題，提出了一種基于振幅比在線估計(jì)相對(duì)介電常數(shù)以及利用希爾伯特積進(jìn)行層位追蹤實(shí)現(xiàn)缺陷界面的相對(duì)定位，并結(jié)合活立木外輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)確定其內(nèi)部缺陷絕對(duì)位置和分布表征的方法，以此開(kāi)發(fā)了基于雷達(dá)波的活立木內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷分析軟件。采用基于時(shí)域有限差分法的正演模擬、實(shí)驗(yàn)室原木試件檢測(cè)分析、頤和園現(xiàn)場(chǎng)活立木檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法的可行性。結(jié)果表明可對(duì)檢測(cè)目標(biāo)點(diǎn)準(zhǔn)確定位，復(fù)現(xiàn)樹(shù)干內(nèi)部橫截面圖像，雷達(dá)波成像結(jié)果與古樹(shù)復(fù)壯時(shí)內(nèi)部實(shí)際結(jié)構(gòu)相符。

活立木； 無(wú)損檢測(cè)； 雷達(dá)波； 樹(shù)木雷達(dá)

引言

圖1 雷達(dá)波掃描橫截面原理圖Fig.1 Principle diagram for radar wave

雷達(dá)波檢測(cè)到的樹(shù)干內(nèi)部缺陷是指由腐朽或空洞導(dǎo)致的介電常數(shù)異常，從而引起雷達(dá)回波圖像產(chǎn)生反射或折射的區(qū)域。在活立木上使用雷達(dá)波法也存在困難：活立木內(nèi)部的介電常數(shù)和電導(dǎo)率關(guān)系難以準(zhǔn)確衡量，天線與樹(shù)皮間的耦合、信號(hào)的衰減會(huì)影響檢測(cè)效果，解析數(shù)據(jù)較為困難。BUTNOR等[16]使用探地雷達(dá)(GPR)對(duì)松科與闊葉樹(shù)種的雷達(dá)波圖像進(jìn)行了對(duì)比研究，驗(yàn)證了雷達(dá)波檢測(cè)活立木內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可能性。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于樹(shù)干的雷達(dá)波檢測(cè)方法研究尚處于起步階段，F(xiàn)U等[17]建立了健康與含缺陷的白橡木雷達(dá)波數(shù)值正演模擬模型，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式對(duì)實(shí)際活立木橫斷面進(jìn)行重構(gòu)。劉星旦等[18]使用探地雷達(dá)對(duì)黃帝陵古側(cè)柏樹(shù)干內(nèi)部腐朽情況進(jìn)行研究，以樹(shù)干腐朽面積占樹(shù)干橫截面積的百分比為指標(biāo)劃分等級(jí)，并分析了腐朽程度與胸徑、樹(shù)干高度、冠幅寬度、面積等參數(shù)間的關(guān)系，驗(yàn)證了雷達(dá)波檢測(cè)的有效性。陳勇平等[19]使用探地雷達(dá)檢測(cè)了馬尾松木材空洞開(kāi)裂殘損情況，檢測(cè)結(jié)果指出含水率對(duì)結(jié)果影響較為顯著，檢測(cè)邊界產(chǎn)生一定偏移，檢測(cè)面積與實(shí)際面積存在一定的偏差。不僅是對(duì)探地雷達(dá)，含水率的不同同樣也對(duì)電阻法與應(yīng)力波法在腐朽和健康木材中的傳播速度與檢測(cè)精度存在影響[20]。樹(shù)干是一種特殊的檢測(cè)對(duì)象，其表面通常呈不規(guī)則輪廓形狀，目前常用的TreeWin分析軟件[21]無(wú)法復(fù)現(xiàn)樹(shù)干截面外輪廓，成像結(jié)果中均設(shè)置為圓形，檢測(cè)不準(zhǔn)確。而且雷達(dá)波和目前使用較多的應(yīng)力波、超聲波等技術(shù)檢測(cè)到的都是樹(shù)皮到缺陷處的相對(duì)位置，若能準(zhǔn)確地檢測(cè)出樹(shù)干內(nèi)部缺陷的實(shí)際位置及形狀分布，可為其材性研究和三維重構(gòu)提供依據(jù)。

本文針對(duì)探地雷達(dá)在活立木無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用中的特點(diǎn)，考慮特殊的樹(shù)干內(nèi)部結(jié)構(gòu)雷達(dá)波圖像、不同介質(zhì)層相對(duì)介電常數(shù)的獲取以及不規(guī)則外輪廓等問(wèn)題，提出結(jié)合希爾伯特積分層處理算法、內(nèi)部缺陷區(qū)域絕對(duì)定位進(jìn)行準(zhǔn)確的成像表征方法，并進(jìn)行二維正演模擬、實(shí)驗(yàn)室試件及頤和園活立木現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

1 研究方法與設(shè)備

1.1 雷達(dá)波層析成像原理

雷達(dá)波檢測(cè)的基本原理是通過(guò)寬頻帶脈沖電磁波信號(hào)在被測(cè)介質(zhì)中傳輸時(shí)，根據(jù)不同介質(zhì)的分界面上形成反射和透射來(lái)確定介質(zhì)的分布情況。對(duì)于活立木的探測(cè)可以通過(guò)沿活立木橫截面切向掃描一周或多周，通過(guò)回波信號(hào)分析活立木的內(nèi)部情況，如圖1所示。當(dāng)電磁波在含有缺陷(腐爛、空洞)活立木內(nèi)部傳播時(shí)，其路徑、強(qiáng)度將發(fā)生變化，形成與正常區(qū)域不同的反射和折射，導(dǎo)致反射波振幅變化。因此可根據(jù)雷達(dá)回波的波形幅度、時(shí)間等參數(shù)，采用希爾伯特法推斷活立木內(nèi)部缺陷的位置、形狀、電性質(zhì)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)活立木內(nèi)部缺陷的分層探測(cè)識(shí)別。根據(jù)雷達(dá)波在健康木質(zhì)體與缺陷介質(zhì)界面間的反射時(shí)間和傳播速度，得到缺陷位置的計(jì)算式為

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式中Z——缺陷距離樹(shù)皮深度

t——傳播時(shí)間

ε——相對(duì)介電常數(shù)

c——真空中光速

1.2 介電常數(shù)估計(jì)

由式(1)可知，介電常數(shù)是估計(jì)缺陷距離樹(shù)皮深度的重要參數(shù)。目前常用的介電常數(shù)檢測(cè)方法主要有鉆孔取芯法、共中心點(diǎn)法、振幅法等。鉆孔取芯法會(huì)對(duì)被測(cè)物造成損傷，不適用于活立木檢測(cè)；共中心點(diǎn)法雖然屬于無(wú)損檢測(cè)法，但測(cè)量方法比較復(fù)雜，而且需要采用兩套雷達(dá)設(shè)備。振幅法是利用雷達(dá)回波信號(hào)在各層介質(zhì)反射信號(hào)的振幅比來(lái)求解相對(duì)介電常數(shù)，是對(duì)被測(cè)物完全無(wú)損的估計(jì)方法。

對(duì)于接收到的雷達(dá)回波信號(hào)，可以近似認(rèn)為是各層界面反射波的疊加。假設(shè)A1為反射波在空氣層與第1介質(zhì)層界面處的幅度，A2為反射波在第1與第2介質(zhì)層界面處的幅度，Am為雷達(dá)波的回波幅值，則第1介質(zhì)層面和第2介質(zhì)層面的介電常數(shù)估計(jì)公式分別為

(2)

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1.3 掃描設(shè)備與分析軟件

在獲取樹(shù)干的雷達(dá)波數(shù)據(jù)時(shí)，本文使用美國(guó)TreeRadar公司的探地雷達(dá)設(shè)備，包括野外數(shù)據(jù)管理器和900 MHz雷達(dá)天線兩部分，如圖2所示。野外數(shù)據(jù)管理器顯示數(shù)字化波形并存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)；雷達(dá)天線繞樹(shù)皮每移動(dòng)5 mm產(chǎn)生一次測(cè)量信號(hào)。

圖2 探地雷達(dá)Fig.2 Ground penetrating radar

樹(shù)木雷達(dá)分析軟件是基于Matlab開(kāi)發(fā)的，如圖3所示，主要分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、分類(lèi)處理、成像合成3個(gè)步驟，處理流程如圖4所示，包括如下內(nèi)容：

如果沒(méi)有找到幾個(gè)關(guān)鍵詞的基本特征，很容易造成選取關(guān)鍵詞后各自為營(yíng)，獨(dú)立成段，不能形成有機(jī)關(guān)聯(lián)。如上文的云浮高二期末考試作文，容易寫(xiě)成一段寫(xiě)“拼搏成就成功人生”，一段寫(xiě)“貢獻(xiàn)成就成功人生”，而兩段之間缺少兩個(gè)關(guān)鍵詞統(tǒng)一于一身的聯(lián)系點(diǎn)，這樣就難以完成“形成有機(jī)關(guān)聯(lián)”這一任務(wù)，作文往往也難以取得高分。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：原始DZT數(shù)據(jù)經(jīng)讀取后，進(jìn)行信號(hào)零點(diǎn)選取、直達(dá)波去除、Curvelet平滑濾波、振幅增益等預(yù)處理[22]，得到樹(shù)干內(nèi)部本體結(jié)構(gòu)和缺陷區(qū)域的有效雷達(dá)波數(shù)據(jù)。

圖3 樹(shù)木雷達(dá)分析軟件界面Fig.3 Analysis software interface of tree radar

分類(lèi)處理：通過(guò)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備得到有效雷達(dá)波數(shù)據(jù)，使用希爾伯特積分層算法進(jìn)行處理，通過(guò)振幅比估計(jì)法確定相對(duì)介電常數(shù)，利用時(shí)延估算出缺陷深度，確定層位結(jié)構(gòu)及缺陷處的形狀大小。將點(diǎn)云法[23]獲得的樹(shù)干模型進(jìn)行橫截面外輪廓提取，得到被測(cè)橫截面準(zhǔn)確的外輪廓數(shù)據(jù)。

成像合成：將樹(shù)干內(nèi)部的雷達(dá)波數(shù)據(jù)和被測(cè)橫截面的外輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，由笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到極坐標(biāo)系，通過(guò)弧長(zhǎng)等分進(jìn)行數(shù)據(jù)映射，完成數(shù)據(jù)合成。成像時(shí)，將原來(lái)樹(shù)皮到缺陷處的相對(duì)位置坐標(biāo)，通過(guò)外輪廓絕對(duì)位置坐標(biāo)的合成，得到缺陷處的絕對(duì)位置坐標(biāo)，顯示出樹(shù)干內(nèi)部缺陷的可視化圖像。

圖4 樹(shù)木雷達(dá)分析軟件工作流程圖Fig.4 General flow chart of analysis software for tree radar

2 二維正演模擬

有關(guān)雷達(dá)波的研究是建立在經(jīng)典的Maxwell方程組基礎(chǔ)上的，時(shí)域有限差分法[24]從Maxwell方程出發(fā)建立計(jì)算時(shí)域電磁場(chǎng)的數(shù)值方法。使用GprMax內(nèi)置的介質(zhì)free_space來(lái)模擬空氣層，其厚度為3 cm，將模擬天線置于空氣層內(nèi)。二維正演模擬中介質(zhì)層的參數(shù)如表1所示，包括各介質(zhì)層的介電常數(shù)和電導(dǎo)率、模型的網(wǎng)格步長(zhǎng)、激勵(lì)源類(lèi)型以及雷達(dá)天線移動(dòng)步長(zhǎng)，εr為介電常數(shù)，σ為電導(dǎo)率，其余的參數(shù)在對(duì)應(yīng)模型中列出。

表1 二維正演模擬中介質(zhì)層的參數(shù)Tab.1 Property parameters of chosen media in configuration

內(nèi)部沒(méi)有任何腐朽或空洞的健康樹(shù)干如圖5a所示，構(gòu)建的模型如圖5b所示，由外至內(nèi)分別為空氣層、樹(shù)皮層、邊材層、芯材層。模型區(qū)域?yàn)?00 mm×200 mm，樹(shù)皮層厚度為20 mm，邊材層厚度為100 mm，芯材層厚度為50 mm，時(shí)窗為10 ns，模型采集的道數(shù)設(shè)置為145道。數(shù)值模擬結(jié)果如圖5c所示，圖中A為起始掃描所在位置。

圖5 健康樹(shù)干的二維正演模擬Fig.5 Numerical simulations of healthy trunk

由健康樹(shù)干的數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，在樹(shù)皮層與邊材層、邊材層與芯材層的分界面處，由于兩側(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)差異，雷達(dá)波在經(jīng)過(guò)時(shí)發(fā)生了反射，產(chǎn)生了反射波，模擬圖像中可以觀察到明顯的分層現(xiàn)象。在健康樹(shù)干模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)修改可以對(duì)不同形狀、不同部位、不同大小的內(nèi)部缺陷進(jìn)行模擬，利用數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)推測(cè)雷達(dá)反射回波的成像規(guī)律。

為了模擬雷達(dá)波經(jīng)過(guò)空洞時(shí)的情況，在邊材層分別設(shè)置了3個(gè)大小不等的圓形空洞，如圖6所示?？斩磮A心坐標(biāo)為(0.5,0.3)，半徑r分別為50、75、100 mm，深藍(lán)色為空氣層，淺藍(lán)色為樹(shù)皮層(厚度20 mm)，綠色為邊材層(厚度550 mm)，棕色為模擬圓形空洞，介電常數(shù)設(shè)置為1，時(shí)窗為15 ns，模型采集的道數(shù)設(shè)置為165道。

圖6 空洞的二維正演模擬結(jié)果Fig.6 Result of numerical simulation of cavity

3種大小的空洞模型經(jīng)過(guò)時(shí)域有限差分法二維正演模擬得到的結(jié)果如圖6，在反射波時(shí)間1～2 ns存在直線型強(qiáng)反射信號(hào)，為空氣層與樹(shù)皮層、樹(shù)皮層與邊材層兩交界面產(chǎn)生的回波圖像，由于時(shí)間較接近，出現(xiàn)了疊加現(xiàn)象；在反射波時(shí)間6、5、4 ns左右分別存在一條雙曲線強(qiáng)反射信號(hào)，下方有多條雙曲線弱反射信號(hào)，為圓形空洞產(chǎn)生，雙曲線頂點(diǎn)深度范圍為空洞區(qū)域范圍，圓心位于頂點(diǎn)下方。雷達(dá)反射波頂點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間與空洞位置有關(guān)，越靠近樹(shù)皮層，反射波頂點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的時(shí)間越?。焕走_(dá)反射波的能量同樣與空洞位置有關(guān)，越靠近樹(shù)皮層，反射波的能量越強(qiáng)。

3 原木試件檢測(cè)

選取10個(gè)頤和園柳木試件進(jìn)行探測(cè)實(shí)驗(yàn)，樹(shù)齡在30 a左右，使用探地雷達(dá)采集橫截面的雷達(dá)波數(shù)據(jù)，用點(diǎn)云法采集外輪廓數(shù)據(jù)，經(jīng)樹(shù)木雷達(dá)軟件得到內(nèi)部缺陷分析結(jié)果，并將結(jié)果與TreeWin軟件結(jié)果作對(duì)比，其中3個(gè)試件的檢測(cè)情況如圖7所示。試件缺陷的實(shí)際面積與檢測(cè)面積可以通過(guò)網(wǎng)格法計(jì)算出來(lái)，圖7所示的3個(gè)試件的雷達(dá)波檢測(cè)誤差情況如表2所示。

通過(guò)對(duì)10個(gè)頤和園柳木試件的檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，B-scan圖無(wú)法直觀地觀察出樹(shù)干內(nèi)部的結(jié)構(gòu)情況。

表2 雷達(dá)波檢測(cè)誤差Tab.2 Error of radar wave

由分析結(jié)果(圖7)與誤差情況(表2)可知，TreeWin軟件探測(cè)結(jié)果與實(shí)際樣本相差較大，而使用了希爾伯特積層位識(shí)別法和點(diǎn)云獲取外輪廓法的樹(shù)木雷達(dá)分析軟件，檢測(cè)面積誤差率在5%左右，提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確度，對(duì)內(nèi)部缺陷區(qū)域的檢測(cè)具有可行性，且可視化效果較好。

4 實(shí)地檢測(cè)

頤和園是現(xiàn)有保存最完好的皇家園林，名木古樹(shù)眾多，主要以松、柏為主，種類(lèi)繁多，立地條件多樣，差異化較大。在頤和園選取多棵活立木進(jìn)行雷達(dá)波檢測(cè)成像，分別位于頤和園昆明湖西堤旁、頤和園西湖西側(cè)岸堤旁，活立木參數(shù)如表3所示。

表3 被測(cè)活立木參數(shù)Tab.3 Parameters of standing trees

4.1 檢測(cè)方法

實(shí)地檢測(cè)過(guò)程中，首先標(biāo)記活立木5個(gè)待測(cè)截面的高度，由地面從下到上高度依次為0.6、0.9、1.2、1.5、1.8 m，并標(biāo)記測(cè)量起始位置，如圖8所示。然后采集活立木的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用于三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，得到樹(shù)干的三維模型，根據(jù)不同高度的標(biāo)記位置，提取5個(gè)高度的不規(guī)則外輪廓數(shù)據(jù)。接著對(duì)每個(gè)截面由起始位置開(kāi)始分別進(jìn)行360°的勻速圓周掃描，掃描時(shí)要保證天線緊貼樹(shù)皮表面，步進(jìn)輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，由野外數(shù)據(jù)采集器記錄雷達(dá)波數(shù)據(jù)，每個(gè)高度掃描3次。最后使用樹(shù)木雷達(dá)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到樹(shù)干內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及缺陷情況。

圖10 L10檢測(cè)結(jié)果Fig.10 Detection results of L10

圖8 掃描高度示意圖Fig.8 Sketch of scanning height

圖9 L10活立木檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)與樹(shù)干模型Fig.9 Experimental field and trunk model

4.2 普通柳樹(shù)檢測(cè)結(jié)果與分析

圖9a為普通柳樹(shù)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，圖9b為構(gòu)建的樹(shù)干模型。在分析不規(guī)則輪廓活立木的雷達(dá)波數(shù)據(jù)時(shí)，一般根據(jù)獲得的單道A-scan數(shù)據(jù)，使用等間距排列獲得B-scan數(shù)據(jù)，本文中采用5 mm等間距。普通柳樹(shù)的B-scan數(shù)據(jù)圖、樹(shù)木雷達(dá)軟件分析結(jié)果、TreeWin軟件分析結(jié)果如圖10所示，其中樹(shù)木雷達(dá)軟件分析結(jié)果中，最外層黑色輪廓表示樹(shù)干的外圍輪廓，中間淺粉色部分表示生長(zhǎng)良好的區(qū)域，最內(nèi)層橙色部分表示空洞區(qū)域。

由樹(shù)木雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果可以看出，L10活立木內(nèi)部不同高度均存在非常嚴(yán)重的缺陷情況，且面積較大，表明其內(nèi)部存在較為嚴(yán)重的中空，影響其正常生長(zhǎng)，可能會(huì)受到外力影響發(fā)生傾倒。根據(jù)樹(shù)木專(zhuān)家的觀察與經(jīng)驗(yàn)分析，該棵柳樹(shù)長(zhǎng)勢(shì)一般，內(nèi)部可能存在大體積的空洞，與樹(shù)木雷達(dá)檢測(cè)分析結(jié)果相符。另外，與TreeWin分析軟件相比，樹(shù)木雷達(dá)分析軟件對(duì)樹(shù)干內(nèi)部缺陷的可視化效果更準(zhǔn)確、直觀，可直接供林業(yè)研究人員使用。

4.3 古柳檢測(cè)結(jié)果與分析

古樹(shù)的保護(hù)長(zhǎng)期依賴(lài)樹(shù)木專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)積累，很難準(zhǔn)確地判斷出其內(nèi)部生長(zhǎng)狀況，而大多數(shù)侵蝕都是從樹(shù)干內(nèi)部開(kāi)始的。在頤和園內(nèi)有眾多一級(jí)、二級(jí)名木古樹(shù)，例如活立木L03和L05是兩棵樹(shù)齡在100 a左右的古柳，經(jīng)過(guò)多次復(fù)壯后，從外表幾乎看不出內(nèi)部存在缺陷。隨著時(shí)間推進(jìn)，復(fù)壯后的古柳內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生新的腐朽或空洞的擴(kuò)大，需要通過(guò)無(wú)損方法進(jìn)行檢測(cè)，從而確定再次復(fù)壯的時(shí)間和方案。

采集樹(shù)干外輪廓數(shù)據(jù)、使用探地雷達(dá)采集雷達(dá)波數(shù)據(jù)后，生成樹(shù)干模型并對(duì)樹(shù)干內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到的不同高度分析結(jié)果如圖11、12所示，橙色部分表示空洞區(qū)域。檢測(cè)結(jié)果表明，兩棵古柳內(nèi)部存在較大范圍的缺陷區(qū)域，經(jīng)計(jì)算，L03活立木內(nèi)部缺陷區(qū)域占截面面積的比例分別為68.89%、65.79%、74.68%、69.89%，平均值高達(dá)69.81%，L05活立木內(nèi)部缺陷區(qū)域占截面面積的比例分別為71.68%、73.68%、72.22%、68.42%，平均值高達(dá)71.50%，必須采取相應(yīng)措施防止其發(fā)生傾倒等危險(xiǎn)情況。

圖11 古柳L03檢測(cè)結(jié)果Fig.11 Detection results of L03

圖12 古柳L05檢測(cè)結(jié)果Fig.12 Detection results of L05

在古柳進(jìn)行復(fù)壯時(shí)，可以觀察到其內(nèi)部幾乎全部為空洞，依靠鐵質(zhì)支架、陶粒等材料支撐，外部樹(shù)皮殘缺不全，需用假皮進(jìn)行修復(fù)，缺陷情況非常嚴(yán)重。古柳復(fù)壯前和復(fù)壯的對(duì)比情況如圖13、14所示，復(fù)壯前樹(shù)干內(nèi)部缺陷情況無(wú)法直接觀察到，但可以通過(guò)雷達(dá)波檢測(cè)圖像分析得到。通過(guò)比較雷達(dá)波可視化圖像和復(fù)壯的古柳實(shí)際內(nèi)部情況，驗(yàn)證了雷達(dá)波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以在完全不損害活立木外表的情況對(duì)內(nèi)部缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)和成像。

圖13 古柳L03修復(fù)前后對(duì)比Fig.13 Comparison of pre-repair and repair of L03

圖14 古柳L05修復(fù)前后對(duì)比Fig.14 Comparison of pre-repair and repair of L05

5 結(jié)論

(1)提出了活立木內(nèi)部缺陷的絕對(duì)定位和分布表征方法，可應(yīng)用于雷達(dá)波圖像解析，并設(shè)計(jì)了基于雷達(dá)波的活立木內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷分析軟件，提高了檢測(cè)精度和成像效果。

(2)針對(duì)活立木內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、雷達(dá)波掃描圖像解析困難等問(wèn)題，采用振幅比估計(jì)法、希爾伯特積分層算法確定缺陷相對(duì)位置，并結(jié)合外輪廓數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的絕對(duì)定位，重建活立木橫截面圖像可顯示掃描橫截面層位結(jié)構(gòu)、健康木質(zhì)和空洞缺陷等活立木內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。

(3)檢測(cè)結(jié)果表明，雷達(dá)波絕對(duì)定位和分布表征方法對(duì)活立木內(nèi)部結(jié)構(gòu)及缺陷的準(zhǔn)確檢測(cè)具有有效性，可應(yīng)用于活立木內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)，同時(shí)也適用于對(duì)建筑木構(gòu)件等領(lǐng)域的快速準(zhǔn)確檢測(cè)。

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RadarWaveDetectionofStandingTreesInternalDefect

WEN Jian1LI Weilin1XIAO Zhongliang1ZHANG Jing2HAN Hongyan2

(1.SchoolofTechnology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2.TheSummerPalaceManagementOffice,Beijing100091,China)

Nondestructive detection for standing tree trunk is more difficult than that for other materials because of characteristics of radar wave imaging of standing tree trunk itself.According to the characteristics like complex internal structure and wide individual differences among different tree species, a method of absolute position characterization of internal defects was proposed.This amplitude ratio was used to estimate relative dielectric constant, and the Hilbert method was used for horizon tracking to realize the relative localization of defect interfaces.Then, the relative position was combined with the contour cloud data of standing tree trunk.The absolute coordinate of the internal structure of trunk was located and wood faultage image was reestablished at last.The internal structure analysis software was designed based on radar wave.For verifying the feasibility of the method, three experiments were performed: numerical simulations using the software GPRMax2D, based on finite-difference time-domain method, laboratory log measurements and real tree trunk measurements.The result showed that this method can locate the target point accurately.Its image resolution can show the internal defects such as holes and rots, and the results coincided with the actual structure of standing tree trunks during the restoration in the Summer Palace.

standing trees; nondestructive detection; radar wave; tree radar

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.022

TN958.4; S758.7

A

1000-1298(2017)10-0180-09

2017-06-21

2017-07-27

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(2017ZY27)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31600589)

文劍(1981—)，男，副教授，博士，主要從事林業(yè)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究，E-mail：wenjian@bjfu.edu.cn