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基于太赫兹光谱技术的受桑螟危害初期桑叶的识别方法与流程

泰然健康网
2025-08-09 12:39

本发明涉及桑叶的识别方法领域，具体涉及一种基于太赫兹光谱技术的受桑螟危害初期桑叶的识别方法。

背景技术：

桑螟是桑树的重要害虫之一，以其幼虫为害夏秋桑叶，以晚秋桑叶受害最重，发生严重时，造成桑叶产量下降，质量变劣，影响蚕业生产。桑螟夏秋季幼虫吐丝缀叶成卷叶或叠叶，幼虫隐藏其中咀食叶肉，残留叶脉和上表皮，形成透明的灰褐色薄膜，后破裂成孔。其排泄物污染叶片，影响桑叶质量。9～10月因该虫为害致桑叶枯黄，影响秋季饲蚕或引发蚕病。基于此，桑树虫害防治越早越有意义，但是目前桑螟危害主要由人工观测为主，难于提前防范，经历桑螟危害初期的桑树叶片组织结构发生改变，肉眼无法识别，只有借助其他方法来发现虫斑，并进行及时的防治。

随着光谱技术的快速发展，近红外光谱检测法、高光谱检测法、电磁波检测法及太赫兹波谱(terahert，thz)检测法广泛应用于植物病虫害识别研究。由于大量的大分子振动和转动能级都处于太赫兹波段(0.1～10thz)，在太赫兹波段表现出很强的吸收和谐振，并且物质的太赫兹光谱包含丰富的物理信息和化学信息。针对大多数的有机生物大分子，在太赫兹波段具有指纹特性，可以用于物质的识别。此外，太赫兹光子能量低可避免生物细胞的烧伤以及光致电离损伤。太赫兹具有较强的穿透性，能穿透像桑树叶片这种较薄的生物样本。因此，太赫兹光谱检测技术在识别桑树叶片是否经历桑螟危害上具有一定的优势。

技术实现要素：

本发明提供一种基于太赫兹光谱技术的受桑螟危害初期桑叶的识别方法，可在对桑树的管理中，实现可以尽早发现桑螟虫害，解决了常规的人工观测为主，难于提前防范的问题。

本发明利用太赫兹技术的指纹性、高穿透性、低损害性，采用太赫兹光谱技术进行桑树叶片是否经历桑螟危害的识别。实验选用在相同生长环境相同生长期的健康的叶片以及受到桑螟危害初期的桑树叶片，通过太赫兹时域光谱仪透射式模块采集桑树叶片的时域光谱，通过傅里叶变换将时域光谱转换为频域光谱，再在频域光谱的基础上提取太赫兹透过率光谱。然后对光学参数光谱进行预处理优化，主成分分析(pca)聚类分析后采用最小二乘支持向量机分析对健康叶片以及受桑螟危害初期的叶片进行区分鉴定。本专利发明对尽早发现桑树桑螟虫害并防治具有一定的理论与实践指导意义。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于太赫兹光谱技术的受桑螟危害初期桑叶的识别方法，包括：

步骤1，挑选出未出现桑螟虫害的桑树；

步骤2，对步骤1中筛选得到的桑树样本进行人为可控的放置体长12mm-15mm左右的桑螟幼虫，并对桑螟的活动进行监督，每隔一段时间采集一次叶片，同时采集未放桑螟幼虫的健康桑叶和受桑螟幼虫危害之后的桑叶，得到桑叶样本；

步骤3，采用太赫兹时域光谱仪采集参考信号和桑叶的太赫兹时域光谱；将太赫兹时域光谱转换成太赫兹频域光谱；

步骤4，从太赫兹频域光谱中提取透过率光谱；并对透过率光谱进行基线和平滑预处理；

步骤5，将健康桑叶和受桑螟幼虫危害之后的桑叶的类别编号分别赋值为1和0，然后分别与经过基线和平滑预处理的透过率光谱进行最小二乘支持向量机判别分析建模；

步骤6，采集的步骤(2)中的两类桑叶，获取两类桑叶的太赫兹时域光谱，经步骤(4)处理后带入步骤(5)所建模型中，进行受桑螟危害初期桑叶的识别。

作为优选，步骤1中，依次对前三年、前两年和前一年均未受到桑螟危害的桑树进行筛选，并对桑树进行观察是否有虫卵，选择没有虫卵的三株桑树。

作为优选，步骤2中，在同一株桑树上，选取合适大小的桑叶，放置桑螟幼虫，同时未防止桑螟幼虫跑到其他叶片，用网隔开放置桑螟幼虫的桑叶，受桑螟危害桑叶的选取要保证桑螟幼虫在桑叶上有停留一段时间，采集样本时间分别为放置桑螟幼虫10分钟、30分钟以及1小时的时候。每次健康以及受害叶片各采集20个，作为待测样本。

作为优选，选择受桑螟危害初期桑叶的不同部位，共采集多个不同的点位、每个点位重复采集多次，取平均作为该叶片最终的时域光谱。具体的，步骤(3)中针对每个桑叶样本，选择叶肉部位、避开叶脉部位，共采集12个不同的点位、每个点位重复采集3次，共采集36条时域光谱，将这36条谱取平均作为该叶片最终的时域光谱。积分时间为39.2ps，时域光谱的采样点数为1000，时间分辨率为39.2fs。

作为优选，在检测过程中，样本检测仓内充干燥氮气，空气湿度控制低于5％，采用太赫兹时域光谱系统的透射扫描模块，获取以干燥氮气为背景的参考信号桑叶的太赫兹时域光谱。

步骤(4)中经傅里叶变换之后得到频域光谱，取频段范围为0.1～4thz，频率分辨率为25.5ghz。

作为优选，步骤(4)中针对光学参数光谱，提取信噪比较高的0.1～3thz频段的透过率光谱后，选取光谱范围为0.1～3thz的谱段进行主成分分析(pca)聚类分析后，使用最小二乘支持向量机(ls-svm)建模。

作为优选，所述平滑处理的方法为savitzky-golay平滑。以达到去噪优化的目的。

作为优选，步骤(2)中两种桑叶的类型编号分别幅值为1和0，然后与健康桑叶和受害桑叶的透过率光谱分别进行最小二乘支持向量机判别分析方法进行建模。

本发明获取健康以及受桑螟危害桑叶在0-39.2ps内的时域光谱；将时域光谱进行傅里叶变换得到0.1～4thz范围内的频率光谱；根据频率光谱，提取信噪比较高的0.1～3thz范围内的透过率光谱；采用0.1～3thz范围内的透过率光谱分别与两种桑叶的类别编号进行最小二乘支持向量机分析建模，根据模型结果分析基于太赫兹光谱技术的受桑螟危害桑叶识别方法的可行性与精确度。

本发明专利利用太赫兹光谱技术，研究对受桑螟危害桑叶的识别情况，对尽早发现桑树桑螟虫害并防治具有重大价值，展示了thz在农业、农作物病虫害识别领域中的应用前景。

基于透过率光谱所建ls-svm模型的建模集精度为100％、预测集精度为86.67％。

针对基于太赫兹光谱技术的受桑螟危害初期桑叶的识别方法，相比于传统的人工观测，太赫兹光谱检测技术由于具有指纹特性、高穿透性、相干特性、瞬态特性、强吸水性、低能量损害性等独特的特性，更能及时发现桑树桑螟虫害。因此，太赫兹光谱是用于受桑螟危害初期桑叶识别的科学手段之一。

附图说明

图1为本发明识别方法的流程图；

图2为太赫兹时域光谱仪光路图；

图3为基于太赫兹透过率光谱图；

图4为基于太赫兹透过率光谱模型结果图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

如图1所示，本实施例中基于太赫兹光谱技术的受桑螟危害初期桑叶的识别方法，包括以下步骤：

(1)样本准备及获取：依次对前三年、前两年和前一年均未受到桑螟危害的桑树进行筛选，并对桑树进行观察是否有虫卵，选择没有虫卵的三株健康桑树，此桑树要求生长正常。对筛选得到的健康桑树进行人为可控的放置体长12mm-15mm左右的桑螟幼虫，分为三组，编号分别为a、b、c，分别放在三株桑树的桑叶上，桑叶大小合适，尽可能保持相同叶位的叶片大小相近的完整叶片。对桑螟的活动进行限制与监督，为防止桑螟幼虫跑到其他叶片，用网隔开放置桑螟幼虫的桑叶，同时在周边放置摄影机，观察每只桑螟的活动。a、b、c编号的桑树采集样本时间分别为放置桑螟幼虫10分钟、30分钟以及1小时的时候，同一株桑树上健康以及受害叶片各采集20个，作为待测样本。

(2)光谱采集：实验仪器采用cip-thz透射扫描系统。太赫兹时域光谱仪光路图如图2所示，图中包括：飞秒激光器1和分光镜2，位于探测脉冲光路上的电机3、探测天线4、抛物镜5、样品6和锁相放大器7，位于激发脉冲光路上的回反射镜8、音圈电机9、聚焦透镜10、发射天线11、硅透镜12和抛物镜13。样品6、抛物镜5和抛物镜13放置在样品仓内。向样本仓内充满的干燥氮气，使系统内部湿度小于5％。整个扫谱过程中，实验室内恒温295k，相对湿度恒低于20％。先采集以氮气为背景的参考光谱，然后检测已经采集好的待测样本。每个叶片选择9个不同的点位(选择叶肉部分，避开叶脉部位)，每个点位重复采集3次。将获取的27条时域光谱取平均作为该样本的太赫兹时域光谱，如图3所示。

(3)光谱处理：将所采集的样本太赫兹时域光谱进行傅里叶变换，转换成对应的频域谱数据，计算得到所测样品的透过率t(ω)主要的光学参数光谱。提取的频段范围为0.1～3thz，基线处理后采用savitzky-golay方法对透过率光谱进行平滑去噪处理。

太赫兹发射的频域波形为e0(ω)，探测器直接接收到的发射频域波形即为参考光谱eref(ω)，穿过样品之后探测器接收到的频域波形为样本信号esample(ω)。测量的样品宏观光学性质可以用复折射率n～表示：

其中，n(ω)为样品的实际折射率，它描述的是样品的色散；k(ω)为消光系数，它描述的是样品的吸收特性。ω＝2πf，f为频率。自由空间空气折射率为1，则参考光谱eref(ω)表达式为：

l为太赫兹脉冲在自由空间传播的距离，c为光速，穿过样品的信号光谱可表示为：

其中d为样品厚度，1/(n(ω)+1)和2n(ω)/(n(ω)+1)分别为太赫兹脉冲入射样品和出射样品的透射系数。因此，太赫兹脉冲穿过样品后的透射率可以表示为：

(4)模型建立：将a，b，c三组中的健康桑叶以及受桑螟危害桑叶的编号分别赋值为1和0，然后与经过savitzky-golay方法处理后透过率光谱分别进行主成分分析以及最小二乘支持向量机分析建模，如图4所示。根据模型结果进行健康以及受害桑叶鉴定，其结果为：基于透过率光谱所建ls-svm模型的建模集精度为100％、预测集精度为86.67％。说明采用太赫兹的常用透过率光谱能较准确的识别鉴定出健康桑叶以及受桑螟危害桑叶，在农业检测植物病虫害上具有重要的推广价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。