基于超声各向异性衰减的采后莴笋茎秆内部空腔无损检测与三维重建技术研究

为解决采后农产品内部品质无损检测难题，南京农业大学团队创新性地研究莴笋茎秆中超声波的各向异性衰减规律（Anisotropic extinction），开发了基于多角度超声测量和最小二乘拟合的空腔3D重建技术，实现95%的检测准确率，为农产品质量控制提供新方法。

　　

采后果蔬内部品质检测是保障其商品价值和食品安全的关键环节，但传统方法如电学检测操作复杂、光学技术受表面干扰、核磁共振成本高昂，难以满足农业现场需求。尤其像莴笋这类易形成内部空腔（cavity）的蔬菜，空腔不仅影响口感，还会成为微生物滋生的温床。超声波技术虽在工业检测中广泛应用，却因植物组织复杂的多孔结构和各向异性特性导致信号衰减严重，长期以来难以应用于农产品检测。

南京农业大学张成团队在《Postharvest Biology and Technology》发表的研究，首次系统揭示了莴笋茎秆中超声波传播的方位依赖性：通过激光共聚焦显微镜观察茎秆横截面四层环状结构（髓心、髓缘、木质部、表皮），发现超声波在径向（radial direction）的衰减系数显著高于方位向（azimuthal direction），这与组织孔隙密度（φ=S_P/S_T）呈负相关。研究采用50kHz超声波探头，结合快速傅里叶变换（FFT）分析传输信号，建立外径-振幅-空腔直径的三维数据库，通过最小二乘曲面拟合实现空腔尺寸量化；创新性提出"边界映射算法+Quickhull算法"的多截面重建策略，仅需7个角度的测量即可高精度还原复杂空腔形态。

主要技术方法

研究使用CTS-8077PR超声收发仪（50kHz探头），配合自制夹具控制接触力；通过激光共聚焦显微镜量化不同组织区域的孔隙密度；采用FFT分析时域信号（采样深度20,000点）；基于60个茎秆横截面测量数据建立3D数据库；通过边界映射和Quickhull算法实现空腔重建。

3.1 莴笋茎秆中超声波的各向异性衰减

茎秆横截面显示髓心孔隙密度达64.04%，表皮仅1.03%。立方体样本测试表明，超声波在方位向的传输振幅（0.76079V）是径向（0.37226V）的2倍，且衰减系数从内向外递减。全截面扫描发现最大信号出现在相对半径11.8%处，证实超声波会绕开高孔隙区域形成弯曲传播路径。

3.2 内部空腔对超声衰减的影响

控制实验显示，空腔直径与信号强度呈线性负相关（R2=0.97262），而茎秆外径存在37.5mm的最佳检测值。椭圆形空腔实验证明，探头垂直方向的空腔长度是影响衰减的关键因素，这为多角度测量提供了理论依据。

3.3 内部空腔的检测与三维重建

对33个莴笋茎秆的60个横截面测试显示，该方法判断空腔存在的准确率达95%。通过每25.7°旋转测量获取7组数据，重建的空腔轮廓与实际切割结果高度吻合。多截面Quickhull算法构建的3D模型成功还原了空腔的空间形态。

该研究不仅首次阐明植物茎秆中超声传播的各向异性规律，更创新性地将工业CT的边界重建算法应用于农产品检测。相比现有技术，该方法成本降低80%且无需复杂样本前处理，为采后农产品分级、病害早期预警提供了突破性解决方案。研究揭示的"弯曲路径传播"现象，对开发其他多孔生物材料的无损检测技术具有重要启示意义。