基于電阻抗成像的立木無損檢測系統(tǒng)

左瑞雪， 韓仲鑫

（南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院、人工智能學(xué)院， 江蘇 南京 210023）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，木材的消耗量逐漸增加，需求量也日益增長。根據(jù)中國森林資源清查數(shù)據(jù)官網(wǎng)顯示，2018 年第九次全國森林覆蓋率只達到了22.96%，木材利用率平均只有65%左右，但一些發(fā)達國家能達到80%的利用率[1]，從數(shù)據(jù)中可以看出木材資源在我國仍然比較貧乏[2]。由于樹木在生長過程中會出現(xiàn)腐朽、空洞等不良情況，若砍伐后才發(fā)現(xiàn)則浪費更多的資源。雖然樹木具有天然再生的特性，但更新周期較長，人工種植的樹木從種植到成材使用需要很長時間，天然樹木生長周期比人工種植要更久一些。因此，如何提高木材的利用率成為了人們的研究重點。常見的活立木無損檢測方法[3]有：目測法[4-5]、應(yīng)力波法[6]、超聲波法[7]、X 射線法[8]等。超聲波法在檢測時需要將樹皮剝?nèi)?，容易造成樹木被感染；?yīng)力波法在識別細(xì)微缺陷時精度較低；X 射線法成本較高，且器材笨重，不適合室外檢測活立木?？梢钥闯?，這些方法都或多或少存在一些缺點，特別是無法準(zhǔn)確對樹木內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行檢測。因此，還需要進一步研究活立木無損檢測技術(shù)。

電阻抗成像（Electrical Impedance Tomography,EIT）是新興起的一種無損檢測成像技術(shù)[9-10]，其原理是通過電極向被測物體邊界注入安全的激勵電流/電壓，然后測量被測物體的邊界電壓/電流信號，提取出邊界信號，選擇合適的成像算法求出被測物體內(nèi)部電導(dǎo)率的分布情況，從而實現(xiàn)圖像重建，判斷被測物體的生理狀態(tài)[11]。EIT 具有成本低、成像速度快、精度高等優(yōu)點，主要應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[12-14]，近幾年來在食品工業(yè)、地球物理學(xué)[15]等多個領(lǐng)域也展開了研究和應(yīng)用，但是在活立木無損檢測領(lǐng)域依然少有報道。

本文采用軟硬件結(jié)合的方式，結(jié)合虛擬儀器將電阻抗成像理論應(yīng)用于立木無損檢測中，通過這種方式設(shè)計一種高精度、高性能的立木無損檢測電阻抗成像系統(tǒng)。

1 EIT 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.1 EIT 系統(tǒng)設(shè)計

EIT 成像系統(tǒng)的總體框架如圖1 所示。該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集卡、壓控電流源、多路選通、微弱信號檢測與處理、物理模型、LabVIEW 主控、圖像重建等模塊。

圖1 EIT 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架

首先由計算機端LabVIEW 程序控制型號為USB-6361 的數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生頻率可調(diào)（1～30 kHz），峰峰值為±4 V 的正弦交流電壓信號。信號經(jīng)過壓控電流源電路將其轉(zhuǎn)換為電流信號，經(jīng)過16 電極循環(huán)輸入到被測物體中。同時由LabVIEW 控制多路選通部分，以相鄰激勵-相鄰測量的方式采集信號。采集的邊界電壓信號通過微弱信號檢測與處理模塊，電壓跟隨器電路將多路選通模塊和處理模塊進行隔離，濾波后信號經(jīng)由儀表放大電路、可編程增益放大電路進行二級放大。最后將處理的信號采用數(shù)據(jù)采集卡進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將數(shù)據(jù)上傳到計算機端，采用敏感矩陣算法進行圖像重建。系統(tǒng)實物圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實物圖

1.2 壓控電流源

由數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生的正弦交流電壓信號，經(jīng)過壓控電流源電路將電壓信號轉(zhuǎn)為電流信號，輸入到被測物體中。系統(tǒng)選擇橋式Howland 電流源，其構(gòu)成是在增強型Howland 的輸出負(fù)載端額外連接一個運放，用作單位增益反相放大器以形成橋。其優(yōu)點是具有較高的輸出阻抗，輸入高電壓和較高頻率時可以減少失真，保持電路的精度。橋式Howland 電流源如圖3 所示。

圖3 橋式Howland 電流源

由式（1）可知，當(dāng)輸入電壓有效值為1 V 時，想要實現(xiàn)輸出電流為1 mA，可設(shè)置R1=R2=R3= 2 kΩ，R4A=R4B= 1 kΩ，R5=R6= 2 kΩ。電路中加入電容補償，設(shè)置C1=C2= 0.1 pF，Cc= 5 pF，可以有效地避免電路在高頻率激勵時產(chǎn)生的振蕩，并提高電流源的穩(wěn)定性。

1.3 多路選通

多路選通部分采用16 選1 的MAX396 芯片，MAX396 是一種高精度、16 通道、低電壓多路復(fù)用器，各通道間導(dǎo)通電阻為6 Ω，轉(zhuǎn)換時間小于250 ns，平坦度最大為10 Ω，適用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

MAX396 通過引腳A3、A2、A1、A0 和使能端EN 實現(xiàn)16 選1 的功能，選擇4 片MAX396 并聯(lián)，其中2 片作為激勵電極，2 片作為測量電極，采用相鄰激勵-相鄰測量的方式由LabVIEW 程序進行控制。相鄰激勵-相鄰測量的方式在EIT 系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，當(dāng)電極為16 時，以1-2為激勵電極，測量3-4、4-5、5-6、6-7、…、15-16 的邊界電壓，依次類推，實驗每周期可采樣16 ×( )16 - 3 = 208 組數(shù)據(jù)。16 通道多路選通激勵電極部分電路如圖4 所示。

圖4 激勵電極部分電路

1.4 微弱信號檢測與處理

由于采集的邊界電壓信號微弱，并存在直流信號干擾，需要對采集的信號進行放大和濾波處理。由兩片OPA192 芯片組成電壓跟隨器電路，將處理模塊與電極進行隔離，信號經(jīng)高通濾波電路處理，濾除直流信號和噪聲干擾，然后差分進入AD624 儀表放大電路。AD624是一種高精度、低噪聲的儀表放大器，可以通過一個外部可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)放大增益，增益范圍為1～10 000，具有高共模抑制比（CMRR），最大值為130 dB，增益寬積為25 MHz，非常適合應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

經(jīng)儀表放大器放大超過50 倍時，信號精度會降低，需要進行二級放大，為提高放大倍數(shù)和靈活性，二級放大選擇可編程增益放大器AD8251。AD8251 具有1、2、4、8 四個增益選擇，可以通過控制引腳A1、A0 的高低電平來調(diào)節(jié)放大增益。放大后的信號經(jīng)過在LabVIEW 程序中設(shè)置巴特沃斯濾波器濾波后，通過幅度譜和相位譜提取出信號的幅值和相位，計算出信號的實部和虛部數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)上傳到計算機端，用于圖像重建。

放大電路如圖5 所示。

圖5 放大電路圖

1.5 LabVIEW 控制和數(shù)據(jù)采集卡

實驗過程中，信號的產(chǎn)生和采集、多路選通的切換順序，由計算機端LabVIEW 程序控制數(shù)據(jù)采集卡完成。LabVIEW 程序流程如圖6 所示。

圖6 LabVIEW 主控流程

數(shù)據(jù)采集卡選擇美國NI 公司的USB-6361 板卡，它通過USB 接口與計算機連接，可以提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集，節(jié)約系統(tǒng)搭建時間。數(shù)據(jù)采集卡主要參數(shù)如下：

1） 模擬輸入通道為16 個，分辨率16 位，采樣率最高2 MS/s；

2） 模擬輸出通道為2 個，分辨率16 位，采樣率最高2.86 MS/s；

3） 數(shù)字I/O 通道為24 個，可配置為輸入、輸出或計數(shù)器/定時器。

2 敏感矩陣算法

圖像重建算法分為靜態(tài)成像和動態(tài)成像，靜態(tài)成像是以電阻抗分布的絕對值為成像目標(biāo)，通過測量某一時刻的數(shù)據(jù)，利用相應(yīng)的算法實現(xiàn)圖像重建；動態(tài)成像是以獲得不同時刻的生物組織內(nèi)部作為電阻抗分布，通過比較兩個不同時刻的電阻抗分布信息實現(xiàn)差分圖像重建。

敏感矩陣算法也是動態(tài)成像的一種算法，它能夠?qū)崿F(xiàn)較高分辨率和高時空分辨率的成像效果。對于樹木內(nèi)部出現(xiàn)腐蝕或空洞等不良狀況時，其內(nèi)部電導(dǎo)率相對于健康樹木的電導(dǎo)率發(fā)生了一定的變化，為了檢測這些不良狀況，分別測量健康樹木、帶有空洞樹木的兩組數(shù)據(jù)，利用敏感矩陣算法進行差分圖像重建。

設(shè)定樹樁模型為一個閉合區(qū)域Ω，電導(dǎo)率分布為σ，在測量邊界電壓的過程中，測量值和目標(biāo)場域中的電導(dǎo)率變化間存在一定的敏感關(guān)系，可以用矩陣的形式表示這種敏感關(guān)系，稱為敏感矩陣[16]。其矩陣關(guān)系式為：

式中：UP為邊界電極上的電壓變化量；CP為場域內(nèi)電導(dǎo)率的變化量；S為敏感矩陣；i表示第i次的激勵-測量電極 對的組合；j表示第j個 剖 分 單元；?φiu是 當(dāng) 第i對 激 勵電極注入信號時，每個剖分單元具有的電位梯度；??iu是當(dāng)?shù)趇對測量電極注入信號時，每個剖分單元具有的電位梯度。公式構(gòu)造的敏感矩陣具有病態(tài)性，因此不能直接求其逆矩陣S-1。根據(jù)測量的邊界電壓來計算場域內(nèi)電導(dǎo)率的變化情況，選擇正則化算法求解CP。

3 性能分析

3.1 輸出阻抗測試

理想的電流源具有較高的輸出阻抗，輸出阻抗等效于信號源的內(nèi)阻，內(nèi)阻越大，輸出電流越穩(wěn)定，即不易受負(fù)載的影響。在Multisim 14 中對電流源的輸出阻抗進行仿真測量，輸出阻抗如圖7 所示。從圖中可以看出，頻率為10 kHz 時，輸出阻抗可以達到5.6 MΩ 左右，表明該系統(tǒng)的電流源具有較高的輸出阻抗。

圖7 輸出阻抗仿真曲線

3.2 通道一致性

通道一致性，即U 型曲線，可以直觀地反映出多路選通模塊的效果。圖8 所示為激勵頻率10 kHz，輸入電流0～4 mA 時的U 型曲線。圖中橫軸表示采樣次數(shù)，縱軸表示測得信號的電壓幅值。觀察圖像可以發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)具有良好的信號一致性，數(shù)據(jù)趨勢一致，證明系統(tǒng)具有一定的分辨力和穩(wěn)定性。

圖8 通道一致性

3.3 放大電路測試

在Multisim 14 中對放大電路進行仿真測試，調(diào)節(jié)儀表放大器為50 倍，可編程增益放大倍數(shù)為2 倍，輸入激勵頻率為10 kHz，輸入電壓為50 mV，仿真結(jié)果如圖9所示。其中A 代表正極輸入，B 代表負(fù)極輸入，C 代表放大50 倍，D 代表放大2 倍?？梢钥闯觯娐房梢詫崿F(xiàn)所需要的放大倍數(shù)。

圖9 放大電路波形

4 實驗結(jié)果

樹樁物理模型如圖10 所示。選擇直徑約為20 cm，高約為10 cm 的帶空洞的樹樁模型，且空洞位置偏離中心，并均勻釘入16 個不銹鋼釘作為16 個電極使用，電極尺寸為3.0 mm × 63 mm。實驗參數(shù)設(shè)置如下：激勵頻率設(shè)置為1～30 kHz 可調(diào)，輸入電流為0～4 mA。

圖10 樹樁物理模型

數(shù)據(jù)采集實驗后，將采集到的邊界電壓值通過敏感矩陣算法進行圖像重建。重建結(jié)果如圖11 所示，距離中心位置較近的白色區(qū)域為樹木模型中空洞的位置，在1～20 kHz 范圍內(nèi)，可以清晰地對空洞位置進行檢測識別，形狀基本與實際相吻合，實驗初步達到預(yù)期效果。同時，在激勵頻率為5 kHz、6 kHz 時成像效果相對最好，不存在偽目標(biāo)，其余頻率段成像時都存在偽目標(biāo)和較大的偽影。在頻率超過20 kHz 后，成像效果并不顯著，其輪廓和大小存在較大的誤差，表明該系統(tǒng)在樹木檢測領(lǐng)域采用低頻率激勵時效果更佳。

圖11 成像圖

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一套以虛擬儀器LabVIEW 程序控制、數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生信號與采集為核心的EIT 成像系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、成本低等優(yōu)點，實現(xiàn)了對生物組織內(nèi)部電阻抗分布的圖像重建。利用NI 公司的USB-6361數(shù)據(jù)采集卡簡化了硬件電路，節(jié)約了搭建系統(tǒng)的時間，同時提高了信號源的精度。另外，系統(tǒng)中電流源采用橋式Howland 電路，并加入電容補償進行改進，使得電流源可以提供較高的輸出阻抗和穩(wěn)定性。圖像重建結(jié)果表明，在激勵頻率范圍為1～20 kHz 時，可以實現(xiàn)對樹木模型中空洞位置的基本定位及大致輪廓，且與實際基本符合。所設(shè)計系統(tǒng)具有可行性和有效性，為電阻抗成像在立木無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一定的參考。

注：本文通訊作者為左瑞雪。