基于EIT技术的植物根区原位三维成像方法研究

20220121

农、林、牧、渔业

研制了一套植物根区三维电阻抗成像监测原型系统，成像频率范围500 Hz-300 KHz。采用1个电源板和8个控制板的系统结构，包含8×32电极系统，可以实现电阻抗断层成像。本系统采用低成本微控制器为控制单元，PC端Matlab程序完成图像重构。模拟电源采用变压器、整流桥和稳压芯片等实现，各正负电源纹波系数最大仅为0.344%。采用两路DDS芯片提供激励源和参考源，精密恒流源提供系统激励电流，模拟乘法器用于信号解调。激励采用相邻激励，恒流源可输出2 MHz范围内的稳定信号，提供1mAp-p、2mAp-p、4mAp-p、8mAp-p电流输出规格，不同电流幅度和不同频率下的解调结果均与理论值有极好的线性关系，R2均在0.999以上。系统进行差频成像。成像程序基于EIDORS的Matlab成像软件和控制板微控制器程序。系统设计采用多重防护，保证电子芯片以及采集信号免受电磁干扰。系统测试表明，电极测量稳定，测量数据符合仿真结果。使用绝缘体和植物体进行成像测试，结果表明电压幅值数据成像适合绝缘待测物，而矢量电压数据成像则更能全面体现植物体信息。同时验证了在差分成像中改变激励信号相角，使得测量矢量电压信号的实部和虚部相近，可以提升系统的抗干扰能力，且不会影响系统性能。 目前科技成果处在实验室研究阶段，需要进行技术方案设计和工艺改进。

本成果属于应用基础研究，需要合作方继续提供应用基础研究转化中所需要的资金50-70万元，以便开展深入研究，进一步提高技术升级、改进方案和工艺以适应小规模的系统样机试制。在转化中，合作方需要提供一定的实验室、温室，实验室面积不小于30 m2左右，可以完成硬件、软件调试；温室可50 m2左右,中可以自动控制温室内的主要环境因子，如温度、湿度、光照、水分等，以便在测试中提供环境条件。 需要提供DS6062600MHz双通道示波器, 安捷伦手持示波器U1620A，泰克(Tektronix) AFG3102任意波形发生器，DSA1030A频谱分析仪，DDS-307A型电导率仪，高精度温度表F250（精度0.01℃）； SR844射频数字锁相放大器、Agilent E4980A阻抗分析仪、KEYSIGHT E5061B ENA 网络分析仪（实验室用）、KEYSIGHT N992xA 手持矢量网络分析仪(VNA，现场测量)。 由于本项目成果为多学科交叉特点，涉及信息技术、农业智能化装备、土壤学、作物学等领域，需要有一定交叉技术背景的高科技企业来完成转化工作。这样对企业中的技术力量要求较高：技术人员，有电子工程背景不少于1/3，农业智能装备人员不少于1/4，所有参与人员均为硕士以上。

仅限国内转让

植物根区主要包括根系和土壤介质。根区土壤含水量与营养状况直接影响根系的生长和活力水平，进而影响地上部分的生长、营养状况及产量，根区是植物赖以维持正常生命活动的重要场所。监测作物根区，研究根系发育、根群分布、不同生长时期根系吸收水分和养分的能力，以及不同环境条件下根系的变化，对认识和调控作物生产及土壤水肥管理都具有非常重要的意义。早期的根系观测多采用破坏性方法，而目前的数字成像方法易受农业因素干扰，且因其昂贵笨重的采集前端而多有不便。本项目研发了一套低成本的电阻抗断层成像系统，这将为农业中电阻抗断层成像提供手段，系统还可便捷地为电导率分布映射至水分分布建立所需校准关系，以观测根区水分分布。 本项目的社会效益在于不仅能够提供与传统方法不同的新技术和仪器系统，可用于科学研究及生产实践中以促进科技进步，而且有助于培养一批具有创新精神和多学科交叉思维的优秀工程技术人才以便更好地服务于国家建设。 本项目的经济效益在于采用先进的EIT传感技术可快速、无损地获取根区水分分布、生理生态过程变化等重要信息，减少了人力、物力消耗，提高研究、生产效率。若进一步进行批量生产并拓展应用市场，不仅可为科技公司带来可观的经济收益，还能提供一定数量的就业岗位。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

植物根系的生长情况和活力水平直接影响地上部的生长和营养状况，而根区是维持植物正常生命活动的重要场所。北京水资源匮乏，筛选具有优良根系、耐旱的作物品种，以及扩展到培育节水耐旱的园林树种都具有重要的生态学意义。根区的科学研究迫切需要原位、无损、连续监测作物根区参数的方法及仪器。采用电阻抗断层功能成像的方法获取根区根系分布状态，揭示根系与土壤的相互作用规律是值得探索并具有挑战性的课题。针对根区的阻容特性及复杂的变异性，对场域内的电位分布及复阻抗分布进行模型化分析。通过合理分布于闭合场域边界及中心处的新型电极阵列及相应的优化测量策略，创新地提出了一种基于内-外电极的传感阵列结构，性能评估表明其可提高空间分辨率约10% - 20%，尤其在距离待测域边界较远处。该阵列结构基于16个域边界电极和8个内部电极的结合；仿真及实验表明，在成像域半径中点处放置内部电极是一个合适选择，可为靠近成像域中心处提供更高的灵敏度和更多的独立且可恢复信息，因而，相关阵列能在整个成像域内提升及均一化分辨率。采用变分模态分解和正交解调实现同时多频测量，研究复阻抗分布的EIT图像重构方法，并采用2D断层成像进行插值快速三维电阻抗成像。基于上述研究所构建的植物根区原位阻抗断层成像系统经过测试，系统可靠，可以通过植物根区电阻抗图像变化来探索根区水分分布、养分变化等规律，促进科学新发现，也将为筛选优良根系的植物品种提供便捷、有力的科学工具。