作物根区多频电阻抗成像方法及系统与流程

1.本发明涉及农业生产技术领域，尤其涉及一种作物根区多频电阻抗成像方法及系统。


背景技术：

2.植物根区往往是植物的“隐藏”部分，但其作用却很大，传统意义上的主要功能是摄取水分和营养物质。植物的整个根区包括了植物的根系和土壤，土壤又为根系的生长提供了必要的水分和营养物质。作物的根系是维持作物健康生长的重要器官，其生长、死亡、病变都对作物产量有很大的影响。所以研究提高作物产量，尤其是提高生长在旱区的作物产量，根区是重要的研究部分。
3.电阻抗成像(electrical imedance tomography，简称eit)技术是一种利用生物体内电阻抗分布和变化来进行成像的无创、快速、低成本、安全、系统结构简单的成像技术。其基本原理是根据待测物体内部组织电特性参数的不同，先对物体表面施加安全的电压/电流激励，再测量物体边界的电信号来得出物体内部电阻抗的分布和变化。
4.由于单频的电阻抗成像技术只采用了某一固定的频率作为激励频率，导致电阻抗成像一次只能得到一个频率下的电阻抗分布，且在漫长的测量时间内生物体状态也会发生变化，导致误差较大。多频电阻抗成像技术能够快速得到多个频率下的电阻抗分布，但现有的多频电阻抗成像技术为一个一个频率地逐频串行扫描，成像速度慢。
5.因此，如何提供一种作物根区多频电阻抗成像方法及系统，可并行的一次将叠加的多频信号作为激励信号进行扫描，快速从多频信号中分离出单频信号，在保证幅度、相位准确和较高的信噪比的条件下正确成像成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种作物根区多频电阻抗成像方法及系统。
7.本发明提供一种作物根区多频电阻抗成像方法，包括：使用多频复合激励信号激励设置于待测区域边界上的电极，获取电压波形信号；其中，所述作物根区置于所述待测区域内部；所述多频复合激励信号由多个幅值相同，频率不同的正弦波叠加构成；
8.变分模态分解所述电压波形信号，获得不同频率的信号分量；
9.基于所述信号分量，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息；
10.基于所述幅值信息和相位信息，确定所述作物根区的电阻抗图像。
11.根据本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，所述使用多频复合激励信号激励设置于待测区域边界上的电极，获取电压波形信号，具体包括：
12.选取所述电极中相邻电极对作为激励电极对；
13.以所述多频复合激励信号激励所述激励电极对；
14.检测每一对相邻的测量电极之间的电压，获取电压波形信号；其中，所述测量电极为所有电极中除所述激励电极之外的电极；
15.重复上述选取并激励所述激励电极对，检测每一对相邻的测量电极之间的电压，获取电压波形信号的步骤，直至获取所有激励电极对被激励时的电压波形信号。
16.根据本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，所述变分模态分解所述电压波形信号，获得不同频率的信号分量，具体包括：
17.将构成所述多频复合激励信号的正弦波的数量作为变分模态分解层数；
18.对所述电压波形信号进行变分模态分解，每一层分解后获得一个频率的信号分量，直至获取于所述层数对应的不同频率的信号分量。
19.根据本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，所述基于所述信号分量，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息，具体包括：
20.基于所述信号分量的中心频率对所述信号分量进行正交序列解调，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息。
21.根据本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，所述基于所述中心频率对所述信号分量进行正交序列解调，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息，具体包括：
22.根据所述中心频率，生成相应频率的0
°
参考信号和90
°
参考信号；
23.使用所述0
°
参考信号和90
°
参考信号处理所述信号分量，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息。
24.根据本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，所述基于所述幅值信息和相位信息，确定所述作物根区的电阻抗图像，具体包括：
25.设置待测区域参数、电极参数、剖分密度、初始电阻抗、激励模式、测量模式和所述多频复合激励信号；
26.设置电阻抗成像正问题模型和电阻抗成像逆问题模型；所述正问题为已知电阻抗求解待测区域内的电位分布；所述逆问题为已知待测区域内的电位分布求解电阻抗；基于所述初始电阻抗、所述幅值信息和所述相位信息，求解电阻抗成像正问题，确定所述待测区域内的电位分布；
27.将每一次正问题的求解得到的待测区域内的电位分布作为逆问题求解的已知条件，逆问题求解得到的待测区域内的电阻抗作为下一次正问题求解的已知条件，迭代求解所述正问题和逆问题，直至确定使目标函数达到最小值的待测区域内的目标电阻抗；
28.基于所述目标电阻抗确定所述待测区域内的目标电位分布；
29.基于所述目标电位分布确定所述作物根区的电阻抗图像。
30.根据本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，所述多频复合激励信号由频率范围在100hz
‑
5mhz内，频率差值为1khz的多个幅值相同的正弦波叠加构成。
31.本发明还提供一种多频作物根区电阻抗成像系统，包括：
32.信号采集单元，用于使用多频复合激励信号激励设置于待测区域边界上的电极，获取电压波形信号；其中，所述作物根区置于所述待测区域内部；所述多频复合激励信号由多个幅值相同，频率不同的正弦波叠加构成；
33.信号分解单元，用于变分模态分解所述电压波形信号，获得不同频率的信号分量；
34.信号处理单元，用于基于所述信号分量，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息；
35.图像生成单元，用于基于所述幅值信息和相位信息，确定所述作物根区的电阻抗
图像。
36.本发明还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述作物根区多频电阻抗成像方法的各个步骤。
37.本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述作物根区多频电阻抗成像方法的各个步骤。
38.本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法及系统，可并行的一次将叠加的多频信号作为激励信号进行扫描，快速从多频信号中分离出单频信号，获取更多频率下的成像信息，在保证幅度、相位准确和较高的信噪比的基础上，优化根区成像效果，实现同时多频快速成像的功能，实时监测根系健康状态，提高作物产量。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1为本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法流程图；
41.图2为本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法步骤流程示意图；
42.图3为本发明提供的多频信号分离效果图；
43.图4为本发明提供的多频作物根区电阻抗成像系统结构示意图；
44.图5为本发明提供的电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
45.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.图1为本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法流程图，如图1所示，本发明提供一种作物根区多频电阻抗成像方法，包括：
47.步骤s1，使用多频复合激励信号激励设置于待测区域边界上的电极，获取电压波形信号；其中，所述作物根区置于所述待测区域内部；所述多频复合激励信号由多个幅值相同，频率不同的正弦波叠加构成；
48.步骤s2，变分模态分解所述电压波形信号，获得不同频率的信号分量；
49.步骤s3，基于所述信号分量，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息；
50.步骤s4，基于所述幅值信息和相位信息，确定所述作物根区的电阻抗图像。
51.具体的，图2为本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法步骤流程示意图；如图2所示，以fpga(现场可编程逻辑门阵列，field programmable gate array)作为本发明使用的控制芯片为例，对本发明方案进行说明。使用fpga可以实现多频负荷信号的快速生成，以及电压波形信号的快速分解。除此之外，fpga还可以替换为其他芯片或微处理器，本发明
对此不做限定。
52.事先设置待测区域，在待测区域的边界上设置多个电极，将待测的作物根区置于待测区域内部。
53.在fpga中调用n次直接数字频率合成(direct digital synthesis，简称dds)技术生成n个单频正弦信号，其中对相位增量(pinc)和相位偏移量(poff)的改变，可以实现对各单频信号的频率和相位的控制，pinc和poff与输出频率f
out
和初始相位的关系为，其中n为相位累加器的位数：
[0054][0055][0056]
将获取的n个幅值相同，频率不同的单频正弦信号叠加构成的多频复合激励信号作为激励信号。在步骤s1中，使用获得的多频复合激励信号(即图2中多频率混合激励信号)激励设置于待测区域边界上的电极，获得电压波形信号(即图2中多频率混合测量信号)。
[0057]
需要说明的是，待测区域的形状一般来说设置成圆形，除此之外，还可以设置为规则的多边形，或不规则图形，以及设置在待测区域边界上电机的数量，排布方式(一般在待测区域间隔上，以相同的间距均匀设置)和层数，均可以根据实际需求进行调整。其次，构成多频复合激励信号的正弦波的数量、幅值、频率以及相位，均可根据实际情况进行调整。除此之外，利用激励信号进行激励的模式包括相邻激励、相间激励、相对激励和交叉激励等，具体使用的激励模式可根据实际情况进行调整。本发明上述内容不做限定。
[0058]
基于变分模态分解(variational mode decomposition，简称vmd)盲信号分离技术，在步骤s2中，将任意一个电压波形信号(盲信号)进行变分模态分解，均可获得n个不同频率的信号分量。
[0059]
若在步骤s1中，仅获得一个电压波形信号，则变分模态分解后，获得n个不同频率的信号分量。若在步骤s1中，获得m个电压波形信号，则变分模态分解后，获得n组不同频率的信号分量，每一组中都包含m个相同频率的信号分量，共获得n*m个信号分量。
[0060]
以n取2为例，图3为本发明提供的多频信号分离效果图，如图3所示，310为多频电压波形信号，将其进行变分模态分解后，获得320和330两个单频信号分量。
[0061]
在步骤s3中，对在步骤s2中获得的信号分量进行解调，确定和信号分量一一对应的幅值信息和相位信息。其中，每一组相同频率的信号分量对应的幅值信息和相位信息，可以确定一幅电阻抗图像。
[0062]
需要说明的是，根据信号分量确定幅值信息和相位信息的方法，除了使用图2示例中的正交序列解调之外，还可以使用开关解调、模拟乘法器解调(数字正交解调)、采样保持器解调和过零鉴相法解调等，进行解调的方法可根据实际情况进行调整，本发明对此不作限制。
[0063]
在步骤s4中，基于在步骤s3中获得的幅值信息和相位信息，可以确定待测区域内部电位分布情况，基于电位分布情况确定作物根区的电阻抗图像。
[0064]
需要说明的是，本发明提供的将vmd算法运用到对作物根区多频eit系统的测量信
号分离的方法，除了可以用于待测作物根区的电阻抗成像之外，还可以检测作物的其他部分，或者是迁移的应用于医学领域和制造领域等领域。
[0065]
本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，通过将vmd算法运用到对作物根区多频eit系统的测量信号分离，可并行的一次将叠加的多频信号作为激励信号进行扫描，快速从多频信号中分离出单频信号，获取更多频率下的成像信息，在保证幅度、相位准确和较高的信噪比的基础上，优化根区成像效果，实现同时多频快速成像的功能。克服了单频不能同时得到多个频率下成像信息的缺点，能够获取更多成像信息，使成像效果更精确。又实现了同时多频的快速成像，速度快、误差小。本方法为多频电阻抗成像技术提供了一种快速、准确的信号分离方法，能够为作物根区成像提供帮助，进而提高作物产量。
[0066]
根据本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，所述使用多频复合激励信号激励设置于待测区域边界上的电极，获取电压波形信号，具体包括：
[0067]
选取所述电极中相邻电极对作为激励电极对；
[0068]
以所述多频复合激励信号激励所述激励电极对；
[0069]
检测每一对相邻的测量电极之间的电压，获取电压波形信号；其中，所述测量电极为所有电极中除所述激励电极之外的电极；
[0070]
重复上述选取并激励所述激励电极对，检测每一对相邻的测量电极之间的电压，获取电压波形信号的步骤，直至获取所有激励电极对被激励时的电压波形信号。
[0071]
具体的，本发明使用相邻激励和相邻测量模式进行激励，获取电压波形信号。将由n个幅值相同，频率不同的单频正弦信号叠加构成的多频复合激励信号记为s(t)，待测区域边界上的电极数量记为2k(电极编号为1，2，
…
，2k)。
[0072]
对应的，使用多频复合激励信号激励设置于待测区域边界上的电极，获取电压波形信号的步骤，具体包括：
[0073]
选取电极中第i个和i 1个相邻电极对作为激励电极对，剩余其他电极作为测量电极。
[0074]
以多频复合激励信号s(t)激励所述激励电极对(电极i和i 1)。
[0075]
测量除所述激励电极之外，每一对相邻电极对(即所有测量电极中每一对相邻电极对，共2n
‑
3对)之间的电压，确定电压波形信号vjm(t)。
[0076]
将i＝1记为第1轮激励，从i＝1开始，依次重复上述过程，共经过2k轮(最后一轮选取的电极是编号2k和编号1的电极)刺激，每轮刺激得到2k
‑
3对相邻电极间的电压波形信号，最终可获取到2k*(2k
‑
3)条含有n个频率的电压波形信号。
[0077]
其中，vjm(t)中j＝1，2，3，
…
，2k，m＝1，2，
…
，2n
‑
3。j表示激励的轮数，m表示每一轮采集的电压波形信号的编号(编号的记录方法可为激励电极的顺时针或逆时针记录等，在此不做限定)。
[0078]
采用相邻电极激励模式的优点是在激励电极数一样的情况下获得的独立数据较多。由于作物根区的检测范围一般而言较小，相邻电极激励模式的缺点，激励电流主要分布在电极边缘，对成像目标的边缘分辨率较高，但对中间的成像分辨率较低相比对本发明方案的影响小。
[0079]
本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，可并行的一次将叠加的多频信号作为激励信号进行扫描，准确快速地把多频测量信号分离成多个单频信号并保证幅度、相位
准确，并对各个单频信号进行解调得到大量数据进行电阻抗成像，实现了对植物根区的快速同时多频成像，能够实时监测作物生长状态，从而提高作物产量。
[0080]
根据本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，所述变分模态分解所述电压波形信号，获得不同频率的信号分量，具体包括：
[0081]
将构成所述多频复合激励信号的正弦波的数量作为变分模态分解层数；
[0082]
对所述电压波形信号进行变分模态分解，每一层分解后获得一个频率的信号分量，直至获取于所述层数对应的不同频率的信号分量。
[0083]
具体的，对2k*(2k
‑
3)条含有n个频率的电压波形信号分别进行n层变分模态分解，每个电压波形信号可以得到n个信号分量。
[0084]
分解方法核心用到希尔伯特函数，包括希尔伯特变换和解析函数转换两部分，第一次分解时，以一个电压波形信号为基函数，在第一次分解后，分离出一个信号分量后，剩下的未分离信号成为新的基函数，重复上述分离过程，每次迭代均分离出一个信号分量，重新组成新的基函数，直至将n个不同频率的信号分量都分离出来。
[0085]
具体公式包括：基函数u
k
更新公式，每个信号分量的中心频率ω
k
的更新公式和梯度下降更新公式。
[0086][0087][0088][0089]
其中，ω
k
为每个基函数uk的中心频率公式，f是待分离多频信号即基函数的纯函数形式，k为分离的基函数个数，使用梯度下降更新。
[0090]
进一步，可以理解的是，由于使用变分模态分解方法分离的信号分量，分离时的顺序并没有规律，并且分离的信号数量多，为了方便后续的数据处理，在确定了信号分量的波形和中心频率后，利用傅里叶变换fft对信号分量确定的中心频率并进行排序(例如，按照频率由小到大，将所有的信号分量按照相同的频率为一组进行划分)。
[0091]
本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，本发明方法将vmd运用到作物根区多频eit系统的多频信号分离过程中，可并行的一次将叠加的多频信号作为激励信号进行扫描，基于变分模态分解，准确快速地把多频测量信号分离成多个单频的信号分量，并保证信号分量的幅度、相位准确，并对各个单频信号进行解调得到大量数据进行电阻抗成像，实现了对植物根区的快速同时多频成像，vmd算法与农业生产领域的结合对作物根区电阻抗成像技术有极高的应用价值，能够准确地且快速的分离信号，进而对作物产量有很大的推动作用。
[0092]
根据本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，所述基于所述信号分量，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息，具体包括：
[0093]
基于所述信号分量的中心频率对所述信号分量进行正交序列解调，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息。
[0094]
具体的，正交序列解调通过构造一对正交的正弦序列，计算所采序列与这两个序列的内积，从而得出相应频率成分的实部和虚部，进而确定幅值信息和相位信息。
[0095]
在本发明中，确定信号分量之后，对每一个信号分量，基于信号分量的中心频率对该信号分量进行正交序列解调，确定信号分量的幅值信息和相位信息。
[0096]
本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，可并行的一次将叠加的多频信号作为激励信号进行扫描，准确快速地把多频测量信号分离成多个单频信号，再分别进行正交序列解调，得到大量数据进行电阻抗成像，实现了对植物根区的快速同时多频成像，能够实时监测作物生长状态，从而提高作物产量。
[0097]
根据本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，所述基于所述中心频率对所述信号分量进行正交序列解调，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息，具体包括：
[0098]
根据所述中心频率，生成相应频率的0
°
参考信号和90
°
参考信号；
[0099]
使用所述0
°
参考信号和90
°
参考信号处理所述信号分量，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息。
[0100]
具体的，在获取n个频率下的信号分量之后，根据每个信号分量的中心频率，生成相应频率的0
°
参考信号和90
°
参考信号。
[0101]
其中，ω为vmd分离出来各信号分量的中心频率，b为测量信号的幅值，α为测量信号的相角，y
ref0
表示0
°
的参考信号，y
ref90
表示90
°
的参考信号，y
meas
表示信号分量。
[0102][0103]
首先，将各信号分量与相应频率的0
°
参考信号和90
°
参考信号相乘，y1和y2分别为信号分量与相应频率的0
°
参考信号和90
°
参考信号相乘的结果：
[0104][0105]
将y1和y2分别经过低通滤波器并经过模数转换后得到v1和v2：
[0106][0107]
最后即可求得测量信号的幅值b(幅值信息)和相角α(相位信息)：
[0108][0109]
基于上述基于信号分量的中心频率生成相应频率的0
°
参考信号和90
°
参考信号，确定幅值和相角的方法，对n*2k*(2k
‑
3)个信号分量进行正交序列解调，能够快速的得到n组幅值和相位的信息，即获得更多用于成像的数据，实现作物根区电阻抗的快速、精确成像。
[0110]
本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，可并行的一次将叠加的多频信号作为激励信号进行扫描，准确快速地把多频测量信号分离成多个单频信号，再分别基于信号分量的中心频率生成相应频率的0
°
参考信号和90
°
参考信号，进行正交序列解调，得到大量数据进行电阻抗成像，实现了对植物根区的快速同时多频成像，能够实时监测作物生长状态，从而提高作物产量。
[0111]
根据本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，所述基于所述幅值信息和相位信息，确定所述作物根区的电阻抗图像，具体包括：
[0112]
设置待测区域参数、电极参数、剖分密度、初始电阻抗、激励模式、测量模式和所述多频复合激励信号；
[0113]
设置电阻抗成像正问题模型和电阻抗成像逆问题模型；所述正问题为已知电阻抗求解待测区域内的电位分布；所述逆问题为已知待测区域内的电位分布求解电阻抗；基于所述初始电阻抗、所述幅值信息和所述相位信息，求解电阻抗成像正问题，确定所述待测区域内的电位分布；
[0114]
将每一次正问题的求解得到的待测区域内的电位分布作为逆问题求解的已知条件，逆问题求解得到的待测区域内的电阻抗作为下一次正问题求解的已知条件，迭代求解所述正问题和逆问题，直至确定使目标函数达到最小值的待测区域内的目标电阻抗；
[0115]
基于所述目标电阻抗确定所述待测区域内的目标电位分布；
[0116]
基于所述目标电位分布确定所述作物根区的电阻抗图像。
[0117]
具体的，在实测作物根区的电压波形信号，并进行分解获得n组不同频率下的信号分量，并获取信号分量对应的幅值信息和相位信息之后，一般使用电阻抗成像仿真软件，如eidors，生成作物根区的电阻抗图像。
[0118]
电阻抗图像技术，实际上是基于获取的数据，设置正问题和逆问题，将正问题和逆问题求解结合，反演出作物根区的电阻抗分布，进一步重构获得图像，具体步骤如下：
[0119]
(1)设置测量作物根区的待测区域参数(待测区域的几何尺寸)，电极参数(电极的数量、层数、分布位置和分布规律)、剖分密度(有限元剖分密度)、初始电阻抗、激励模式(如相邻激励，相间激励等)、测量模式(如相邻测量，相间测量等)和所述多频复合激励信号(即多频复合激励信号)。
[0120]
需要说明的是，电极的层数核位置的调整，可以使最终的成像图为作物根区横向剖面，纵向剖面，3d图像等不同的图像，具体可根据实际需求进行调整，本发明对此不作限定。
[0121]
进一步，可以理解的是，本发明提高的作物根区多频电阻抗成像方法还可以用于
构建模型，基于模型实现数据的获取和电阻抗成像。设置模型时，除上述相关参数外，还需要设置待测根区的相关参数，如待测作物根区的大小尺寸和位置等信息。
[0122]
(2)设置正问题模型，基于设置的电极接触阻抗、激励模式、测量模式、多频复合激励信号和初始电阻抗，以及确定的幅值和相位信息求解正问题。
[0123]
eit的正问题是已知电阻抗σ求解场域的电位分布φ，实际上就是电磁场边值问题的求解，即已知数据是目标域中的阻抗分布和激励电流信息，以此计算边界电压分布。
[0124]
电磁场边值问题通常是由偏微分方程和基本边界条件、自然边界条件所构成。根据边值问题的定解条件，场域电位φ的解与电阻抗的分布、场域形状以及电极位置有关，正问题采用的是有限元法。
[0125]
例如，对于圆形eit测量场域内的电位分布函数φ与电阻抗分布函数σ满足偏微分拉普拉斯方程，即：
[0126][0127]
其边界条件包括：
[0128]
基本边界条件：
[0129]
自然边界条件：
[0130]
其中，表示场域ω的边界；f表示已知边界电位；j表示流入场域ω的电流密度；n表示场域ω的外法向单位向量。
[0131]
(3)创建逆问题模型，eit的逆问题是通过测量的边界表面电压来计算内部点阻抗分布，首先逆问题求出电阻抗，并将逆问题求出的电阻抗作为正问题的输入，计算出边界上的电位分布。
[0132]
利用目标函数不断进行迭代比较，最后将比较值控制在某个阈值内，则此时已找到使上述目标函数达到最小的电阻率分布。
[0133]
目标函数f(ρ)可选为：
[0134][0135]
其中，ρ为电阻率分布矢量，v0为待测物表面上测量电位值的矢量，v(ρ)为电阻率分布为ρ的待测物表面的计算电位矢量。
[0136]
在本方案中，第一次正问题的求解使用的是初始电阻抗，求解逆问题后，将逆问题求解的电阻抗作为已知量求解正问题，迭代求解逆问题和正问题，确定目标电阻抗，进而确定电阻抗图像。
[0137]
需要说明的是，上述构建模型和具体求解的方法仅作为一个具体的例子，对本发明提供的方法应用于模型构建的具体例子，在具体应用过程中，可根据实际需求进行调整，本发明对此不作限定。需要说明的是，在本发明提高的作物根区多频电阻抗成像方法中，经过变分模态分解后，一次可以获取多个不同频率下的信号分量，因此，可以同时重构获得多幅电阻抗图像，电阻抗图像的数量取决于组成多频复合激励信号的正弦波的数量。具体可根据实际情况进行调整，本发明对此不作限定。
[0138]
本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，通过将vmd算法运用到对作物根区
多频eit系统的测量信号分离，可并行的一次将叠加的多频信号作为激励信号进行扫描，快速从多频信号中分离出单频信号，获取更多频率下的成像信息，在保证幅度、相位准确和较高的信噪比的基础上，优化根区成像效果，实现同时多频快速成像的功能。克服了单频不能同时得到多个频率下成像信息的缺点，能够获取更多成像信息，使成像效果更精确。又实现了同时多频的快速成像，一次可以同时重构多幅图像，成像速度快、误差小。本方法为多频电阻抗成像技术提供了一种快速、准确的信号分离方法，能够为作物根区成像提供帮助，进而提高作物产量。
[0139]
根据本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，所述多频复合激励信号由频率范围在100hz
‑
5mhz内，频率差值为1khz的多个幅值相同的正弦波叠加构成。
[0140]
具体的，基于系统和eit技术的特性，当激励信号频率低于100hz时，检测误差较大，高于5mhz则普遍存在信号衰减现象，故采用的多频信号频率范围在100hz
‑
5mhz内可以保证获取的电压波形信号分解得到的所有信号分量均能够保证幅度、相位准确和较高的信噪比。
[0141]
选取频率范围在100hz
‑
5mhz内，频率差值为1khz的多个幅值相同的正弦波叠加构成多频复合激励信号，能够保证分解出的不同频率下的信号分量频率的差值稳定，覆盖范围广，克服了单频不能同时得到多个频率下成像信息的缺点，能够获取更多成像信息，使成像效果更精确。
[0142]
本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，选取频率范围在100hz
‑
5mhz内，频率差值为1khz的多个幅值相同的正弦波叠加构成多频复合激励信号，可并行的一次将叠加的多频信号作为激励信号进行扫描，准确快速地把多频测量信号分离成多个单频信号，保证获取的电压波形信号分解得到的所有信号分量均能够保证幅度、相位准确和较高的信噪比。再分别将信号分量进行正交序列解调，得到大量数据进行电阻抗成像，实现了对植物根区的快速同时多频成像，能够实时监测作物生长状态，从而提高作物产量。
[0143]
以下结合具体的应用实例对本发明的方案进行解释说明：
[0144]
以透明圆柱实验装置为待测区域，在透明圆柱实验装置的圆形平面边界上设置32个电极，电极编号i＝1，2，
…
，32。采用由幅值相同、3个频率分别为30khz、50khz、70khz的正弦波叠加后的多频复合激励信号s(t)。
[0145]
在透明圆柱实验装置中加入纯盐水介质，在介质中放上胡萝卜作为待测作物根区，将胡萝卜设置于1号和17号电极的连线上，其圆心距离透明圆柱实验装置的有机玻璃桶中心92.5mm。
[0146]
在fpga中调用直接数字频率合成(direct digital synthesis，简称dds)ip核生成多频信号多频复合激励信号s(t)，并采用多频复合激励信号s(t)对有机玻璃桶中的纯盐水介质以及胡萝卜进行激励。系统每层有32个电极，采用相邻激励和相邻测量的方法进行信号的激励和采集以s(t)作为激励信号，在圆形待测域中激励并获取电压波形信号vjm(t)。
[0147]
从i＝1开始，以i，i 1作为一对电极作为激励电极对检测域施加多频激励复合信号s(t)，记为第1轮刺激，j＝1，后续编号j＝2，3，
…
，32；经过32轮，29对相邻电极间的电压波形vjm(t)，j＝1，2，3，
…
，32，m＝1，2，
…
，29。
[0148]
对获取到的j*m＝928条含有3个频率的电压波形vjm信号，用vmd方法将获得的多
频测量信号进行分离，分别进行3层变分模态分解(vmd)，每个电压波形得到3个信号分量，确定每个分量的中心频率和带宽，实现自适应地将混合信号有效分离，再采用快速傅里叶变换fft对分解信号确定的中心频率并进行排序。
[0149]
根据每个信号分量的中心频率，生成相应频率的0
°
参考信号和90
°
参考信号，对3*928＝2784个信号分量进行正交序列解调，其中y
re0
和y
ref90
分别表示0
°
和90
°
的参考信号，ω为vmd分离出来的各信号分量的中心频率，b为测量信号的幅值，α为测量信号的相角：
[0150][0151]
首先，将各信号分量与相应频率的0
°
参考信号和90
°
参考信号相乘，y1和y2分别为信号分量与相应频率的0
°
参考信号和90
°
参考信号相乘的结果：
[0152][0153]
将y1和y2分别经过低通滤波器并经过模数转换后得到v1和v2：
[0154][0155]
最后即可求得测量信号的幅值b(幅值信息)和相角α(相位信息)：
[0156][0157]
得到3组幅值和相位的信息。
[0158]
将得到的3对幅值和相位信息通过usb上传到上位机用于重构电阻抗图像，即可得到3幅在32个电极下对纯盐水中胡萝卜的图像重构。
[0159]
需要说明的是，上述方案仅作为一个具体的例子对本发明提供的多频作物根区电阻抗成像方法进行解释说明，对本发明不作限定。
[0160]
以下结合实验数据对本发明的方案的有益效果进行说明：
[0161]
输入一个由五个单频信号叠加而成的多频信号进行分解，这五个信号分别为频率为1hz、10hz、100hz、500hz和1000hz，对应的幅值(单位为v)分别为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2，对应的相位分别为10、20、30、40、50(单位为
°
)，分别在matlab中进行仿真，其分解结果如下所示：
[0162]
表1 vmd和正交分解方法得到参数信息对比表
[0163][0164]
正交分解方法对于后两个频率的分解效果较差，可见当混合频率较多时，正交分解的效果不好，但vmd的分解结果依然稳定。
[0165]
为验证这两种方法对于高频的多频信号分解效果，接下来输入一个由三个单频信号叠加而成的频率较高的多频信号进行分解，这五个信号分别为频率为30khz、100khz和5mhz，对应的幅值分别为0.4、0.6、0.8，对应的相位分别为10、20、30，分别在matlab中进行仿真，其分解结果如下所示：
[0166]
表2高频下vmd和正交分解方法得到参数信息对比表
[0167]
[0168][0169]
可见当频率较大时，正交分解的相位会出现误差较大的情况，效果不如vmd方法好。即相比于广泛被应用于多频信号分解的数字正交分解技术，vmd方法得到的幅值和相位精度更高，分解更准确。
[0170]
综上所述，本发明方法将vmd运用到作物根区多频eit系统的多频信号分离过程中，实现了将多频测量信号向多个单频信号的转换，方便各自进行正交序列的解调，满足多频eit系统的快速、准确性。实验结果表明，vmd算法与农业生产领域的结合对作物根区电阻抗成像技术有极高的应用价值，能够准确地且快速的分离信号，进而对作物产量有很大的推动作用。
[0171]
图4为本发明提供的多频作物根区电阻抗成像系统结构示意图，如图4所示，本发明还提供一种多频作物根区电阻抗成像系统，包括：
[0172]
信号采集单元410，用于使用多频复合激励信号激励设置于待测区域边界上的电极，获取电压波形信号；其中，所述作物根区置于所述待测区域内部；所述多频复合激励信号由多个幅值相同，频率不同的正弦波叠加构成；
[0173]
信号分解单元420，用于变分模态分解所述电压波形信号，获得不同频率的信号分量；
[0174]
信号处理单元430，用于基于所述信号分量，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息；
[0175]
图像生成单元440，用于基于所述幅值信息和相位信息，确定所述作物根区的电阻抗图像。
[0176]
具体的，图2为本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法步骤流程示意图；如图2所示，以fpga(现场可编程逻辑门阵列，field programmable gate array)作为本发明使用的控制芯片为例，对本发明方案进行说明。使用fpga可以实现多频负荷信号的快速生成，以及电压波形信号的快速分解。除此之外，fpga还可以替换为其他芯片或微处理器，本发明对此不做限定。
[0177]
事先设置待测区域，在待测区域的边界上设置多个电极，将待测的作物根区置于待测区域内部。
[0178]
在fpga中调用n次直接数字频率合成(direct digital synthesis，简称dds)技术
生成n个单频正弦信号，其中对相位增量(pinc)和相位偏移量(poff)的改变，可以实现对各单频信号的频率和相位的控制，pinc和poff与输出频率f
out
和初始相位的关系为，其中n为相位累加器的位数：
[0179][0180][0181]
将获取的n个幅值相同，频率不同的单频正弦信号叠加构成的多频复合激励信号作为激励信号。信号采集单元410，用于使用获得的多频复合激励信号(即图2中多频率混合激励信号)激励设置于待测区域边界上的电极，获得电压波形信号(即图2中多频率混合测量信号)。
[0182]
需要说明的是，待测区域的形状一般来说设置成圆形，除此之外，还可以设置为规则的多边形，或不规则图形，以及设置在待测区域边界上电机的数量，排布方式(一般在待测区域间隔上，以相同的间距均匀设置)和层数，均可以根据实际需求进行调整。其次，构成多频复合激励信号的正弦波的数量、幅值、频率以及相位，均可根据实际情况进行调整。除此之外，利用激励信号进行激励的模式包括相邻激励、相间激励、相对激励和交叉激励等，具体使用的激励模式可根据实际情况进行调整。本发明上述内容不做限定。
[0183]
基于变分模态分解(variational mode decomposition，简称vmd)盲信号分离技术，信号分解单元420，用于将任意一个电压波形信号(盲信号)进行变分模态分解，均可获得n个不同频率的信号分量。
[0184]
若信号采集单元410仅获得一个电压波形信号，则变分模态分解后，获得n个不同频率的信号分量。若信号采集单元410获得m个电压波形信号，则变分模态分解后，获得n组不同频率的信号分量，每一组中都包含m个相同频率的信号分量，共获得n*m个信号分量。
[0185]
以n取2为例，图3为本发明提供的多频信号分离效果图，如图3所示，310为多频电压波形信号，将其进行变分模态分解后，获得320和330两个单频信号分量。
[0186]
信号处理单元430，用于对信号分解单元420获得的信号分量进行解调，确定和信号分量一一对应的幅值信息和相位信息。其中，每一组相同频率的信号分量对应的幅值信息和相位信息，可以确定一幅电阻抗图像。
[0187]
需要说明的是，根据信号分量确定幅值信息和相位信息的方法，除了使用图2示例中的正交序列解调之外，还可以使用开关解调、模拟乘法器解调(数字正交解调)、采样保持器解调和过零鉴相法解调等，进行解调的方法可根据实际情况进行调整，本发明对此不作限制。
[0188]
图像生成单元440，用于基于信号处理单元430获得的幅值信息和相位信息，可以确定待测区域内部电位分布情况，基于电位分布情况确定作物根区的电阻抗图像。
[0189]
需要说明的是，本发明提供的将vmd算法运用到对作物根区多频eit系统的测量信号分离的方法，除了可以用于待测作物根区的电阻抗成像之外，还可以检测作物的其他部分，或者是迁移的应用于医学领域和制造领域等领域。
[0190]
本发明提供的作物根区多频电阻抗成像方法，通过将vmd算法运用到对作物根区
多频eit系统的测量信号分离，可并行的一次将叠加的多频信号作为激励信号进行扫描，快速从多频信号中分离出单频信号，获取更多频率下的成像信息，在保证幅度、相位准确和较高的信噪比的基础上，优化根区成像效果，实现同时多频快速成像的功能。克服了单频不能同时得到多个频率下成像信息的缺点，能够获取更多成像信息，使成像效果更精确。又实现了同时多频的快速成像，速度快、误差小。本方法为多频电阻抗成像技术提供了一种快速、准确的信号分离方法，能够为作物根区成像提供帮助，进而提高作物产量。
[0191]
需要说明的是，本发明实施例提供的多频作物根区电阻抗成像系统用于执行上述作物根区多频电阻抗成像方法，其具体的实施方式与方法实施方式一致，在此不再赘述。
[0192]
图5为本发明提供的电子设备的实体结构示意图，如图5所示，所述电子设备可以包括：处理器(processor)510、通信接口(communication interface)520、存储器(memory)530和通信总线(bus)540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以执行上述作物根区多频电阻抗成像方法，包括：使用多频复合激励信号激励设置于待测区域边界上的电极，获取电压波形信号；其中，所述作物根区置于所述待测区域内部；所述多频复合激励信号由多个幅值相同，频率不同的正弦波叠加构成；变分模态分解所述电压波形信号，获得不同频率的信号分量；基于所述信号分量，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息；基于所述幅值信息和相位信息，确定所述作物根区的电阻抗图像。
[0193]
此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0194]
另一方面，本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的作物根区多频电阻抗成像方法，该方法包括：使用多频复合激励信号激励设置于待测区域边界上的电极，获取电压波形信号；其中，所述作物根区置于所述待测区域内部；所述多频复合激励信号由多个幅值相同，频率不同的正弦波叠加构成；变分模态分解所述电压波形信号，获得不同频率的信号分量；基于所述信号分量，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息；基于所述幅值信息和相位信息，确定所述作物根区的电阻抗图像。
[0195]
又一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的以执行作物根区多频电阻抗成像方法，该方法包括：使用多频复合激励信号激励设置于待测区域边界上的电极，获取电压波形信号；其中，所述作物根区置于所述待测区域内部；所述多频复合激励信号由多个幅值相同，频率不同的正弦波叠加构成；变分模态分解所述电压波形信号，获得不同频率的信号分量；基于所述信号分量，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息；基于
所述幅值信息和相位信息，确定所述作物根区的电阻抗图像。
[0196]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0197]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0198]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种作物根区多频电阻抗成像方法，其特征在于，包括：使用多频复合激励信号激励设置于待测区域边界上的电极，获取电压波形信号；其中，所述作物根区置于所述待测区域内部；所述多频复合激励信号由多个幅值相同，频率不同的正弦波叠加构成；变分模态分解所述电压波形信号，获得不同频率的信号分量；基于所述信号分量，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息；基于所述幅值信息和相位信息，确定所述作物根区的电阻抗图像。2.根据权利要求1所述的作物根区多频电阻抗成像方法，其特征在于，所述使用多频复合激励信号激励设置于待测区域边界上的电极，获取电压波形信号，具体包括：选取所述电极中相邻电极对作为激励电极对；以所述多频复合激励信号激励所述激励电极对；检测每一对相邻的测量电极之间的电压，获取电压波形信号；其中，所述测量电极为所有电极中除所述激励电极之外的电极；重复上述选取并激励所述激励电极对，检测每一对相邻的测量电极之间的电压，获取电压波形信号的步骤，直至获取所有激励电极对被激励时的电压波形信号。3.根据权利要求1所述的作物根区多频电阻抗成像方法，其特征在于，所述变分模态分解所述电压波形信号，获得不同频率的信号分量，具体包括：将构成所述多频复合激励信号的正弦波的数量作为变分模态分解层数；对所述电压波形信号进行变分模态分解，每一层分解后获得一个频率的信号分量，直至获取于所述层数对应的不同频率的信号分量。4.根据权利要求1所述的作物根区多频电阻抗成像方法，其特征在于，所述基于所述信号分量，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息，具体包括：基于所述信号分量的中心频率对所述信号分量进行正交序列解调，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息。5.根据权利要求4所述的作物根区多频电阻抗成像方法，其特征在于，所述基于所述中心频率对所述信号分量进行正交序列解调，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息，具体包括：根据所述中心频率，生成相应频率的0
°
参考信号和90
°
参考信号；使用所述0
°
参考信号和90
°
参考信号处理所述信号分量，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息。6.根据权利要求5所述的作物根区多频电阻抗成像方法，其特征在于，所述基于所述幅值信息和相位信息，确定所述作物根区的电阻抗图像，具体包括：设置待测区域参数、电极参数、剖分密度、初始电阻抗、激励模式、测量模式和所述多频复合激励信号；设置电阻抗成像正问题模型和电阻抗成像逆问题模型；所述正问题为已知电阻抗求解待测区域内的电位分布；所述逆问题为已知待测区域内的电位分布求解电阻抗；基于所述初始电阻抗、所述幅值信息和所述相位信息，求解电阻抗成像正问题，确定所述待测区域内的电位分布；将每一次正问题的求解得到的待测区域内的电位分布作为逆问题求解的已知条件，逆
问题求解得到的待测区域内的电阻抗作为下一次正问题求解的已知条件，迭代求解所述正问题和逆问题，直至确定使目标函数达到最小值的待测区域内的目标电阻抗；基于所述目标电阻抗确定所述待测区域内的目标电位分布；基于所述目标电位分布确定所述作物根区的电阻抗图像。7.根据权利要求1
‑
6任一项所述的作物根区多频电阻抗成像方法，其特征在于，所述多频复合激励信号由频率范围在100hz
‑
5mhz内，频率差值为1khz的多个幅值相同的正弦波叠加构成。8.一种多频作物根区电阻抗成像系统，其特征在于，包括：信号采集单元，用于使用多频复合激励信号激励设置于待测区域边界上的电极，获取电压波形信号；其中，所述作物根区置于所述待测区域内部；所述多频复合激励信号由多个幅值相同，频率不同的正弦波叠加构成；信号分解单元，用于变分模态分解所述电压波形信号，获得不同频率的信号分量；信号处理单元，用于基于所述信号分量，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息；图像生成单元，用于基于所述幅值信息和相位信息，确定所述作物根区的电阻抗图像。9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至7任一所述的作物根区多频电阻抗成像方法。10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一所述的作物根区多频电阻抗成像方法。
技术总结
本发明提供一种作物根区多频电阻抗成像方法及系统，其中，作物根区多频电阻抗成像方法，包括：使用多频复合激励信号激励设置于待测区域边界上的电极，获取电压波形信号；其中，所述作物根区置于所述待测区域内部；所述多频复合激励信号由多个幅值相同，频率不同的正弦波叠加构成；变分模态分解所述电压波形信号，获得不同频率的信号分量；基于所述信号分量，确定所述信号分量的幅值信息和相位信息；基于所述幅值信息和相位信息，确定所述作物根区的电阻抗图像。能够并行的一次将叠加的多频信号作为激励信号进行扫描，快速从多频信号中分离出单频信号，在保证幅度、相位准确和较高的信噪比的基础上正确成像。噪比的基础上正确成像。噪比的基础上正确成像。


技术研发人员：王忠义 潘庆欣 黄岚 李洋 王楠 赵鹏飞
受保护的技术使用者：中国农业大学
技术研发日：2021.03.01
技术公布日：2021/6/29