根是植物生长的重要器官。但由于植物根部的生长过程复杂且生长环境不透明，在田间无损地提取根系表型信息面临着诸多挑战。现有的根系表型测量方法不但会破坏根部生长环境、影响植株正常生长，而且无法在田间实现根系表型的高精度监测。因此，本研究提出了一种基于超宽带微波扫描成像的植物根系表型分析方法，并利用时间反演(Time reversal, TR)实现了根系表型的田间无损测量。

　　如图1所示，本研究开发了一套基于时间反演算法的超宽带微波成像系统，系统包含一个3到10GHz的超宽带阵列天线，其中，发射天线的位置固定，而接收天线则以均匀步长围绕目标旋转，从而构成一个拱形扫描区域。系统使用矢量网络分析仪向发射天线提供激发信号，信号经过土壤中根系的辐射和传输后被接收天线接收。接收信号的振幅和相位均会受土壤和植物根系散射的影响，利用时间反演算法计算出信号中受根系扰动的部分，即可实现根系成像，从而提取根系表型信息。在此基础上，本研究利用一大一小两个胡萝卜模拟不同的根系条件，用于检验该系统的表型提取效果。如图2所示，利用该系统对大胡萝卜、小胡萝卜和两个胡萝卜分别成像，实验结果显示，利用阵列天线可以固定传感器与土壤之间的相对距离，有助于减轻传感器位置变化对成像的影响，而基于信号分析原理提出的非迭代的时间反演算法可以提高计算效率，有助于快速定位根的位置(图3和图4)。因此，利用本文提出的微波成像系统可以准确提取植物根系的位置和形状信息，能够在大田条件下实现植物根系表型的无损、实时、准确提取，对植物根系表型分析具有重要意义。

　　图1 基于时间反演算法的根系成像技术流程

　　图2 实验装置示意图。(a) 扫描示意图，其中Tx 为发射器，Rx 为接收器，扫描的角度间隔为10°;(b) 阵列天线和扫描目标;(c) 扫描目标，即包含土壤和胡萝卜的容器;(d) 信号接收和分析装置

　　图3 (a) 小胡萝卜、(b) 大胡萝卜和 (c) 两个胡萝卜的插入损耗振幅;(d) 小胡萝卜、(e) 大胡萝卜和 (f) 两个胡萝卜的插入损耗相位

　　图4 (a) 小胡萝卜、(b) 大胡萝卜和 (c) 两个胡萝卜的时间反演成像

　　来源：Xiaodong Shi, Jiaoyang Li, Saptarshi Mukherjee, et al. Ultra-Wideband Microwave Imaging System for Root Phenotyping. Sensors, 2022, 22:2031-2043.

　　编辑：段博