基于非对称椭圆的应力波木材缺陷断层成像算法.pdf
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1、林业工程学报,():收稿日期:修回日期:基金项目:国家重点研发计划()。作者简介:郑强,男,研究方向为木材无损检测。通信作者:刘云飞,男,教授;徐锋,男,副教授。:基于非对称椭圆的应力波木材缺陷断层成像算法郑强,赵玮,徐锋,刘云飞(南京林业大学信息科学技术学院,南京)摘 要:木材中的空洞、腐朽等缺陷在很大程度上影响着木材的力学性能。为实现木材内部缺陷的无损检测,提高木材利用率,提出了一种基于非对称椭圆的木材应力波无损检测算法。选取 个不同缺陷的原木样本作为实验材料,其中两个分别为位于中心以及边缘的人工圆形缺陷,一个为偏边缘的自然缺陷,采用自制的应力波检测设备获取木材截面内的波形数据。首先根据得
2、到的射线速度值计算分段后的线段和交点的速度值,并进行校正;然后计算射线两侧不同的控制系数,确定射线影响区域;最后根据网格单元的速度值生成断层图像。数值仿真与实测结果表明,基于非对称椭圆的应力波断层成像算法能够精确地检测出原木样本的缺陷。从重建的断层图像可以看出:与基本椭圆插值方法相比,提出的算法能够更清晰地显示缺陷的大小及位置,应用混淆矩阵定量分析,在准确率、精确度和查全率 个参数指标上分别有,和 的提升。基于非对称椭圆的木材应力波无损检测算法可以提高断层图像的精度,准确反映缺陷情况,对于木材缺陷的无损检测具有较好的参考作用。关键词:应力波;木材缺陷检测;非对称椭圆;图像重建;混淆矩阵中图分类
3、号:文献标志码:文章编号:(),(,):,()(),林 业 工 程 学 报第 卷 :;随着我国经济的快速发展,木质产品的使用量逐渐增加,造成林木的储备量逐渐减少,并且由于木材是一种生物质材料,在生长过程中,易受到有害生物的侵入,使得木材产生腐朽、空洞、裂缝等缺陷,造成木材力学性能下降,利用率降低。对木材的检测与评估,可以有效地发现其中的缺陷,提高原木的利用率,减少资源的浪费。因此,对原木缺陷展开检测具有重要意义。传统的检测方法有目测法和敲击法,但两种方法都过于依赖经验,客观性不足,且准确度较低。无损检测技术因其准确、方便等优点,近年来广泛应用于木材检测领域,而应力波技术作为无损检测技术之一,与
4、其他技术相比,由于具有安全性好、设备便携、适合各种环境等优点,使其在木材的力学性能检测、缺陷检测及生长特性的测绘等多个方面都得到广泛的应用。木材应力波无损检测的基本原理是利用冲击锤敲击安装在木材周围的传感器,激发应力波,使其在木材内部传播,计算应力波到达接收传感器的时间,并根据传播路径(射线)计算速度,通过分析不同射线的传播速度确定木材的内部情况。应力波成像在国内外已有许多研究成果。等使用 应力波检测仪对巴拿马雨林中的多种树木进行检测,并利用 软件对木材内部缺陷成像,该研究实现了应力波无损检测技术与图像技术的结合,提供了更加直观、准确的木材内部缺陷检测方法。等利用 检测仪器获得木材样本的断层图
5、像,并提出一种图像分割的方法来确定缺陷在木材中的位置,研究发现阈值与传感器数量、缺陷面积的大小等因素有关,不同的木材样本有不同的最佳成像阈值。等通过研究提出了一种校正方法用于消除木材各向异性对应力波传播的影响,使断层成像的精度得到了一定提高,并利用仿真数据和真实数据验证了方法的有效性。刘涛提出一种基于射线分割的木材应力波断层成像算法,精细化利用每条射线,对活立木的成像结果与 微钻阻力仪的结果比较表明,该算法有较高的成像精度,并与 相结合提出一种新的算法,解决了应力波信号不足导致成像精度降低的问题。等提出一种基于加权椭圆空间插值的算法,该方法加强了椭圆设定中射线两端对周围区域的影响;通过对 个原
6、木样本的研究结果表明,该算法有效实现了对缺陷的检测,并提高了成像精度。等使用基本椭圆空间插值算法(,)对样品的缺陷进行检测,结果显示算法能有效检测样品的缺陷,并且在存在外部干扰的情况下也能有较好的效果。尽管国内外应力波断层成像技术都取得了较好的成果,但是专用仪器价格昂贵,而常用的椭圆插值算法在确定影响区时未考虑波的实际传播情况。为此,本研究提出了一种基于非对称椭圆的木材应力波无损检测断层成像算法(,)用于木材应力波断层成像。当应力波在木材中传播经过缺陷区域时会发生反射和折射,从而导致波会绕过缺陷沿折线传播,该算法通过调整两侧不同的控制系数,使确定的影响区域更接近波实际传播所包围的区域,减小了因
7、缺陷区域的射线对非缺陷区的面积影响,进一步提高成像精度。利用多个原木样本分别使用 和 进行断层成像,比较成像结果,验证 算法的成像效果。理论与方法 应力波在木材横截面内的传播模型为方便计算,在实际应用中假设木材的横截面为圆形且传播路径为直线,在该圆形边缘均匀地布置一定数量的传感器以获取应力波在不同角度时的传播数据,结合测量的距离值即可计算得到射线的速度。木材横截面内应力波传播示意图如图 所示,表示发射端传感器位置,、表示接收端传感器位置,在实际测量中由冲击锤敲击传感器产生脉冲,从发射端穿透木材到接收端,得到发射与接收端的波形数据并计算时间差值。为波沿径向的传播路径,表示波沿径向传播的速度值;为
8、波沿弦向的传播路径,表示波沿弦向传播的速度值。由于木材内部密度并不均匀且是各向异性的,因此,应力波在木材内的传播速度并不相同。在健康木材横截面内,边缘区域的速度要明显小于沿径向传播时的速度。由于木材的断层成像一般是根据横截面内速度的分布情况判断是否存在缺陷,当边缘的速度较小时,会将其误判为缺陷区域,造成较大误差。为减小各向异性对成像的影响,第 期郑强,等:基于非对称椭圆的应力波木材缺陷断层成像算法等测量了不同树种健康木材横截面内多个角度传播速度,建立了应力波在健康木材横截面内的传播速度模型如式()所示:()式中:为弦向传播速度;为径向传播速度;为弦向角。根据式()所表示的传播速度模型对速度值进
9、行校正,以减小因木材的各向异性造成的成像误差,校正公式如下:()()式中,为校正后的弦向传播速度。图 木材横截面内应力波传播示意图 应力波成像方法目前,实现木材断层成像的方法主要有两大类,一种是基于代数迭代的反演算法;另一种是近年来提出的基于射线本身的空间插值方法。两种方法的相同点是在成像时都将横截面近似为圆形,划分为多个网格单元,然后对网格单元的速度值进行求解,最后生成横截面的断层图像;不同点是求解网格单元速度值的方法不同。基于代数迭代反演算法的主要原理是通过射线在网格内的距离矩阵以及测量得到的时间矩阵计算网格单元的慢度值矩阵。由于迭代时的初始值准确度较低,并且传感器较少时,网格单元较大,所
10、以成像效果一般较差。基于射线速度插值的算法主要是利用射线本身速度值,结合各种插值方法实现网格单元速度的求解。这一类算法不需要确定网格单元初始值,相比反演迭代算法成像效果更好。目前,使用较多的基于射线本身的成像算法主要有基于改进椭圆的空间插值算法、基于 插值的成像算法、基于射线分割的断层成像算法等。应力波无损检测断层成像算法基于椭圆空间插值的成像算法中,每条射线影响其对应的相邻区域(影响区),将这一区域定义为椭圆形,其控制系数表示为:()式中:为控制系数;为椭圆的短轴长度;为椭圆的长轴长度。控制系数的确定对成像精度有着重要的作用。以往的研究中都是通过多次测试选取最优的控制系数,当传感器的数量改变
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