【摘要】：樹木在生長過程中,由于各種原因,會(huì)產(chǎn)生節(jié)子、空洞、腐朽、裂縫等內(nèi)部缺陷。這些缺陷存在于樹木體內(nèi)難以被發(fā)現(xiàn),會(huì)嚴(yán)重危害樹木的健康。如何從外部對(duì)樹木內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測和成像,從而有效地保護(hù)樹木的健康具有重要的研究意義。應(yīng)力波技術(shù)成本低、設(shè)備便攜性好、使用簡便、不受樹木大小影響、不損壞樹木、也不會(huì)危害人體健康,非常適合用于活立木、原木和木材的內(nèi)部缺陷成像,已逐漸成為該成像領(lǐng)域的主流技術(shù)。盡管應(yīng)力波成像方法在國際范圍內(nèi)取得了一些進(jìn)展,已能通過重建圖像直觀反應(yīng)樹木內(nèi)部缺陷的大致位置、輪廓和嚴(yán)重程度,但對(duì)該方法的研究遠(yuǎn)未成熟,現(xiàn)階段主要存在以下四方面的問題。第一,應(yīng)力波方法的觀測信號(hào)量往往不夠充足,現(xiàn)有的層析成像算法無法重建高質(zhì)量的缺陷圖像,導(dǎo)致本領(lǐng)域的層析成像算法準(zhǔn)確度不高的問題;第二,在樹木表面安置傳感器的過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力,實(shí)際應(yīng)用中如何在傳感器數(shù)量減少時(shí),仍能保證應(yīng)力波成像精度的問題;第三,針對(duì)古樹名木等珍貴樹木,如何自動(dòng)確定最佳的傳感器布局策略以實(shí)現(xiàn)高精度應(yīng)力波成像的問題;第四,現(xiàn)有的應(yīng)力波成像方法集中于層析成像,如何實(shí)現(xiàn)樹木內(nèi)部缺陷的應(yīng)力波三維成像,重建缺陷完整立體空間分布的問題。本文針對(duì)樹木內(nèi)部缺陷應(yīng)力波層析成像方法、稀疏采樣下的應(yīng)力波層析成像方法、傳感器空間布局優(yōu)化方法、應(yīng)力波三維成像方法四方面問題進(jìn)行了研究,旨在推動(dòng)應(yīng)力波成像方法由“粗略化”向“精細(xì)化”發(fā)展。主要的創(chuàng)新研究如下:(1)針對(duì)木材的各向異性,基于應(yīng)力波在樹木橫截面中的傳播規(guī)律進(jìn)行了信號(hào)修正,解決波速在樹木橫截面中不均勻的問題。然后,提出一種基于加權(quán)橢圓空間插值的應(yīng)力波層析成像算法,依據(jù)射線長度建立不同曲率的橢圓影響區(qū)估計(jì)網(wǎng)格單元的波速分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能處理雙缺陷等形式的復(fù)雜樣本,也能抵抗由缺陷區(qū)域密度變化引起的信號(hào)干擾。接著,又進(jìn)一步提出一種基于射線分割與分段橢圓插值的應(yīng)力波層析成像算法,以精細(xì)化利用射線為切入點(diǎn),先通過橢圓影響區(qū)分割原始射線,得到改進(jìn)的傳播射線圖,再通過分割后的射線建立分段橢圓影響區(qū)估計(jì)網(wǎng)格單元的波速分布。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法的平均成像準(zhǔn)確度達(dá)到了86.9%,顯示了重建圖像的高質(zhì)量。(2)針對(duì)稀疏采樣下保持應(yīng)力波成像精度的問題,提出了兩種算法。首先,提出一種基于壓縮感知與橢圓插值的應(yīng)力波聯(lián)合層析成像算法。利用壓縮感知在應(yīng)力波稀疏信號(hào)表示、求解方面的優(yōu)勢重建缺陷區(qū)域的內(nèi)在空間結(jié)構(gòu),配合加權(quán)橢圓空間插值方法重建非缺陷區(qū)域,并進(jìn)行特征點(diǎn)選取、混合及聯(lián)合成像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在稀疏采樣下該算法仍能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的層析成像結(jié)果。然后,又進(jìn)一步提出一種基于深度學(xué)習(xí)與輪廓約束的應(yīng)力波層析成像算法。利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)射線圖中的射線分布規(guī)律并進(jìn)行缺陷目標(biāo)檢測,輔助成像算法對(duì)缺陷區(qū)域進(jìn)行輪廓約束。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法的總體成像準(zhǔn)確度達(dá)到了95.1%,在傳感器數(shù)量減少時(shí),成像效果并未受較大影響。(3)針對(duì)傳感器空間布局優(yōu)化問題,通過試驗(yàn)分析了應(yīng)力波射線穿越比及傳感器布置均勻程度對(duì)成像的影響。然后,提出了一種基于缺陷分布模式感知的應(yīng)力波傳感器空間布局優(yōu)化算法。以射線穿越比和傳感器布置的均勻程度為指標(biāo),建立缺陷空間分布模式與傳感器空間布局之間的聯(lián)系,通過優(yōu)化條件及適應(yīng)度函數(shù)的構(gòu)造,結(jié)合優(yōu)化算法搜索最優(yōu)的傳感器空間布局。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,傳感器布局優(yōu)化后,可進(jìn)一步提高成像準(zhǔn)確度達(dá)5.8%。(4)針對(duì)應(yīng)力波三維成像問題,首先對(duì)木材內(nèi)部的應(yīng)力波立體信號(hào)進(jìn)行了采集,并基于應(yīng)力波在樹木縱截面和橫截面內(nèi)傳播規(guī)律對(duì)波速信號(hào)進(jìn)行了修正。然后,提出了一種基于克里金空間插值的樹木內(nèi)部缺陷應(yīng)力波三維成像算法,利用克里金算法建立三維空間內(nèi)插值點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系,并提取準(zhǔn)確的參考點(diǎn)作為空間插值算法的輸入數(shù)據(jù),最終實(shí)現(xiàn)缺陷立體圖像的可視化。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法的平均成像準(zhǔn)確度達(dá)到了89.1%,顯示了算法的有效性。
【圖文】：

應(yīng)力波層析成像布置圖

課題組自主研發(fā)的應(yīng)力波信號(hào)采集設(shè)備
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP391.41;S781.5

【參考文獻(xiàn)】

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1 陳方翔;馮海林;杜曉晨;方益明;翁翔;;基于TIDW的木材內(nèi)部缺陷三維應(yīng)力波成像方法[J];傳感技術(shù)學(xué)報(bào);2015年11期

2 趙建華;張陵;孫清;;利用粒子群算法的傳感器優(yōu)化布置及結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究[J];西安交通大學(xué)學(xué)報(bào);2015年01期

3 徐華東;徐國祺;王立海;楊學(xué)春;;原木橫截面應(yīng)力波傳播時(shí)間等值線繪制及影響因素分析[J];林業(yè)科學(xué);2014年04期

4 陳勇平;劉秀英;李華;韓揚(yáng);黎冬青;張濤;;不同數(shù)量傳感器下云杉模擬缺陷材應(yīng)力波成像規(guī)律探討[J];林業(yè)科學(xué);2012年04期

5 王立海;王洋;徐華東;;弦向角對(duì)應(yīng)力波在原木橫截面?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慬J];林業(yè)科學(xué);2011年08期

6 徐華東;王立海;游祥飛;劉鐵男;;應(yīng)力波在旱柳立木內(nèi)的傳播規(guī)律分析及其安全評(píng)價(jià)[J];林業(yè)科學(xué);2010年08期

7 馮海林;李光輝;方益明;李劍;;應(yīng)力波傳播模型及其在木材檢測中的應(yīng)用[J];系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào);2010年06期

8 張厚江;王喜平;蘇娟;Robert J Ross;;應(yīng)力波在美國紅松立木中傳播機(jī)理的試驗(yàn)研究[J];北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2010年02期

9 馮海林;李光輝;;木材無損檢測中的應(yīng)力波傳播建模和仿真[J];系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào);2009年08期

10 王立海;徐華東;閆在興;呂建雄;楊學(xué)春;周次林;;傳感器的數(shù)量與分布對(duì)應(yīng)力波檢測原木缺陷效果的影響[J];林業(yè)科學(xué);2008年05期

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本文編號(hào)：2703521