基于超声各向异性衰减的生菜茎秆内部空腔无损检测与三维重建技术研究

本研究针对采后生菜茎秆内部空腔无损检测难题，通过分析超声波在同心环状组织结构中的各向异性衰减规律（径向衰减>方位向），建立空腔尺寸与信号衰减的定量关系，开发出多角度超声测量结合边界映射算法的三维重建技术，检测准确率达95%，为农产品内部品质评估提供了新方法。

　　

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，但现有技术面临重大挑战：电学检测操作复杂，光学方法受表面特性干扰，核磁共振成本高昂。尤其对于生菜等茎秆类蔬菜，内部空腔（hollow cavity）的形成会加速微生物侵染，但传统破坏性检测方法无法满足产业化需求。超声波技术虽在工业无损检测中广泛应用，却因植物组织复杂的多孔结构和声阻抗差异导致信号严重衰减，此前尚未建立有效的检测模型。

南京农业大学团队在《Postharvest Biology and Technology》发表的研究，创新性地选取具有典型同心环结构的生菜茎秆为模型，通过激光共聚焦显微镜（LSCM）量化不同组织区域（髓心、髓缘、木质部、表皮）的孔隙密度φ（φ=S_P/S_T），结合定制化超声测试系统（50kHz探头，FFT分析）测量径向与方位向的衰减系数α_ext，并采用边界映射算法（boundary mapping algorithm）和Quickhull算法实现空腔三维重建。

3.1 各向异性衰减规律

研究发现生菜茎秆的髓心区孔隙密度高达64.04%，显著高于表皮的1.03%。超声传播呈现明显方向依赖性：径向衰减系数（0.35-0.55 mm^-1）始终高于方位向（0.15-0.35 mm^-1）。跨截面传播实验揭示声波会优先绕行髓心区，形成"弯曲路径"，这解释了为何接收探头在髓缘区（相对半径11.8%）信号最强。

3.2 空腔对声学特性的影响

通过人工构建直径0-14mm的圆柱形空腔，发现透射波振幅与空腔直径呈线性负相关（R2=0.9726）。对于椭圆形空腔，垂直于长轴测量时振幅变化更显著，证实检测灵敏度与声波绕行路径长度直接相关。建立的3D数据库（外径-振幅-空径映射关系）为定量检测奠定基础。

3.3 空腔重建技术

通过7个角度（25.7°间隔）的超声测量，结合最小二乘拟合获得空腔边界点，重建轮廓与实际切面误差<5%。在60个样本测试中，该方法判断空腔存在与否的准确率达95%，仅出现1例假阴性（将2mm空腔误判为实心）。

该研究首次系统阐释了超声在植物组织中的各向异性传播机制，开发的"多角度测量-边界映射-三维拟合"技术体系，不仅适用于生菜茎秆空腔检测，更为胡萝卜、甘蔗等具有类似解剖结构的农产品品质评估提供了新思路。未来通过探头阵列化和算法优化，有望实现流水线式在线检测，推动采后无损检测技术的产业化应用。