土壤的不透明性以及复杂、异质的地下环境使得原位地下传感技术的开发比其地上对应物更具挑战性。 目前大多数根表型分析技术要么是在可控环境下高分辨率、非破坏性的分析方法，要么是侵入性、劳动密集型、破坏性的低通量的方法。 因此，人们一直在努力开发一种田间的非破坏性高通量根表型动态测量系统。

　　在本研究中作者提出了一种非接触式热声(non-contact thermoacoustic, NCTA) 传感系统, 它依赖于热声 (TA) 效应，其中微波照射会导致不同的加热，进而在具有电介质对比度的界面处产生声波或超声波 (US) 压力波。如图 1a 所示，热声波在根-土壤界面产生，使用高灵敏度空气耦合电容式微机械超声换能器 (CMUT) 可以在大空间尺度上进行高灵敏度和高通量的非接触式检测。

　　图1非接触式热声地下传感系统以及多模式设计和传感器概念图

　　为了验证该系统的功能，作者进行了马铃薯块茎成像研究(图2)。将马铃薯放入40厘米深的盆栽容器中，深度从10-20厘米不等，通过开放式波导施加微波激发。CMUT 放置在距盆20厘米的位置，使用电动线性平台扫描30厘米的土壤，以合成高分辨率图像。然后将扫描数据输入基于分段SAR的成像重建算法，以重建马铃薯块茎的热成像图像。

　　作者还进一步利用该方法对马铃薯鲜重进行预测研究。如图3所示，图像处理步骤包括阈值处理、边缘检测、孔填充、平滑和过滤以去除噪声和伪影，从而创建马铃薯块茎的二值图像。然后，从处理后的二值图像中提取白色像素的数量，并将其与土豆首次收获时测量的鲜重相关联。如图3b所示，重建、处理后的热成像图像与作为生物量含量代表的马铃薯鲜重之间存在很强的相关性。

　　图2 (a) 嵌入土壤中的马铃薯块茎的非接触热声成像实验装置; (b)、(c)、(d) 马铃薯块茎的真实图像; (e), (f), (g) 对应的重建热声图像。

　　图3 (a) 图像处理流程，用于从重建的热声图像中提取与存在马铃薯块茎相对应的像素数; (b) 提取的像素数与成像马铃薯鲜重之间的相关性，可作为生物量含量的代表。

　　来源：Singhvi, A., Fitzpatrick, A., Scharwies, J. D., Dinneny, J. R., & Arbabian, A. (2022). A Thermoacoustic Imaging System for Non-Invasive and Non-Destructive Root Phenotyping. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs.

　　编辑：婷婷