水稻原產(chǎn)中國(guó)，是世界主要糧食作物之一。雜交水稻存在著較嚴(yán)重的裂穎現(xiàn)象，這是不育系的一種遺 傳特征。在儲(chǔ)藏過(guò)程中，裂穎種子易受環(huán)境的影響而使其生活力迅速衰退，導(dǎo)致發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率及成秧 率迅速降低，隨著種子儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，種用價(jià)值將大大降低。目前裂穎種子識(shí)別方法主要有水選法、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和聲學(xué)法。水選法只能應(yīng)用于將要播種的水稻 種子，不利于提高種子的儲(chǔ)藏性能。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)通過(guò)采集種子圖像，進(jìn)行圖像處理以檢測(cè)出裂穎種子，但采集圖像過(guò)程中須保證裂穎一側(cè)正對(duì)照相設(shè)備，對(duì)拍攝環(huán)境、拍攝角度、設(shè)備等的要求都比較高，對(duì) 圖像不同的處理方法，得到的識(shí)別效果差異比較明顯，動(dòng)態(tài)識(shí)別效果較差，且成本較高。聲學(xué)特性檢 測(cè)方法操作簡(jiǎn)單，但是極易受到外部噪聲的干擾，因此對(duì)裝備以及環(huán)境的要求較高，成本也較高。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)樣品與設(shè)備

試驗(yàn)水稻品種: ‘川優(yōu) 6203’和‘中 1 優(yōu) 188’，四川華豐種業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)，‘荃優(yōu) 123’，安徽荃銀 高科種業(yè)股份有限公司生產(chǎn)，‘珍稻’，湖北省蘄春縣選育。 選取‘珍稻’正常、裂穎種子各 100 粒進(jìn)行單因素試驗(yàn); 選取‘珍稻’正常、裂穎種子各 120 粒進(jìn)行正交 試驗(yàn); 選取‘珍稻’‘川優(yōu) 6203’‘荃優(yōu) 123’‘中 1 優(yōu) 188’4 個(gè)品種的水稻種子，正常、裂穎各 500 粒作為非 樣本數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。 儀器設(shè)備: 壓電式加速度傳感器 J14236，測(cè)量范圍±50 g，頻率范圍 1 ～ 10 kHz，靈敏度 100 mV·g－1 ，質(zhì) 量 1．86 g，IEPE 電壓輸出，上海北智電子技術(shù)有限公司; 恒流電壓源 61000，上海北智電子技術(shù)有限公司; 數(shù)據(jù)采集卡 USB－1608FS，NI－Measurement Computing Corporation; 電子天平 FA2204B，上海精密科學(xué)儀器 有限公司; 電子數(shù)顯卡尺 C14896，桂林量具刃具有限責(zé)任公司; 鼓風(fēng)干燥箱 DHG9075，上海一恒科學(xué)儀器 有限公司。

1．2 物理特性測(cè)試指標(biāo)與種子發(fā)芽試驗(yàn)

1．2．1 裂穎率測(cè)試

將每個(gè)品種的水稻種子隨機(jī)抽取 100 粒，人工選出裂穎種子并計(jì)算出所占比例為裂 穎率。每個(gè)品種重復(fù) 5 次取平均值。

1．2．2 尺寸測(cè)試

每個(gè)品種的水稻種子人工選出正常、裂穎各 50 粒，用電子數(shù)顯卡尺測(cè)量籽粒的長(zhǎng)、 寬、厚。

1．2．3 百粒質(zhì)量測(cè)試

從每個(gè)品種的水稻種子中隨機(jī)選取正常、裂穎種子各 100 粒用電子天平稱量，每個(gè) 品種重復(fù) 3 次取平均值。

1．2．4 含水率測(cè)試

根據(jù) ASAE Standard 方法對(duì) 4 個(gè)水稻品種種子進(jìn)行含水率試驗(yàn)。每個(gè)品種各取 10 g，將其放入鼓風(fēng)干燥箱中，在 130 ℃溫度下烘干 19 h，從而得到每個(gè)水稻品種的含水率。含水率以濕 基表示，每個(gè)品種重復(fù) 3 次取平均值。

1．2．5 種子發(fā)芽試驗(yàn)及幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)試

根據(jù) GB /T 3543．4—1995進(jìn)行雜交水稻正常種子與裂穎種 子的發(fā)芽試驗(yàn)。超純水浸種 24 h，選擇直徑 20 cm、高 8 cm 的培養(yǎng)皿進(jìn)行培養(yǎng)。每個(gè)品種用正常種子和裂 穎種子為樣本分別進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，每個(gè)樣本重復(fù) 3 次( 皿) 。發(fā)芽試驗(yàn)第 5 天記錄發(fā)芽種子數(shù)量計(jì)算發(fā)芽 勢(shì)，第 14 天記錄發(fā)芽種子數(shù)量計(jì)算發(fā)芽率，并在每個(gè)樣本中隨機(jī)選取 5 ～ 10 株幼苗測(cè)試幼苗生長(zhǎng)指標(biāo): 根數(shù)、平均根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)、葉數(shù)、葉長(zhǎng)( 完全葉平均值) 。 數(shù)據(jù)用 Excel 2007 進(jìn)行初步整理，采用 SPSS 22 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并用獨(dú)立樣本 t 檢驗(yàn)分析差異顯著性。

1．3 撞擊振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試分析系統(tǒng)示意圖如圖 1 所示。

金屬薄板材料選用 65Mn 彈簧鋼，鋼板一端固定另一端懸空，成懸臂梁狀態(tài)，傳感器用萬(wàn)能膠固定在 鋼板自由端下表面。種子在一定的高度( H) 自由下落，撞擊鋼板隨后彈出，鋼板產(chǎn)生振動(dòng)。振動(dòng)給料機(jī)安 裝在高度可調(diào)節(jié)的支撐臺(tái)上，并在出料口加設(shè)一段溜槽，確保種子每次撞擊鋼板的位置都在同一范圍內(nèi)。 裂穎種子通常在頭部穎殼開(kāi)裂較大并與內(nèi)部糙米分離，而正常種子穎殼勾合緊貼內(nèi)部糙米，因此為保證種 子下落時(shí)頭部撞擊鋼板，按頭朝前胚朝后的方向?qū)⒎N子放入振動(dòng)給料機(jī)螺旋槽中，這樣振動(dòng)給料機(jī)在出種 時(shí)種子則會(huì)沿著溜槽頭朝下胚朝上豎直下落。為保證種子撞擊鋼板后隨即彈出，使鋼板自由端向下傾斜 一定角度( 約 10°) 。

2 結(jié)果與分析

選取 4 個(gè)品種雜交水稻進(jìn)行基本物理特性與發(fā)芽試驗(yàn)，其物理特性結(jié)果如表 2 所示，種子發(fā)芽試驗(yàn)結(jié) 果及幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)如表 3 所示。 表

對(duì)每粒雜交水稻種子下落撞擊振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析并提取特征值，進(jìn)而選取閾值進(jìn)行分類。常用的振 動(dòng)信號(hào)特征參數(shù)在時(shí)域上主要有電壓最大值、最小值、絕對(duì)值最大值( 簡(jiǎn)稱為最值) 、極差、均值、均方根， 能量、斜度、峰度等。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)測(cè)試雜交水稻種子下落撞擊金屬懸臂梁薄板振動(dòng)信號(hào)的方法對(duì)裂穎種子籽粒進(jìn)行區(qū)分試驗(yàn)，試 驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn): 當(dāng)板厚為 0．25 mm、板長(zhǎng)為 200 mm，種子下落高度為 250 mm 時(shí)識(shí)別率最高。在此組合下，采 樣頻率為 8 000 Hz 時(shí)，有效采樣點(diǎn)數(shù)平均為 1 800 左右，從開(kāi)始振動(dòng)到信號(hào)波動(dòng)趨于穩(wěn)定大約需要 0．23 s， 因此，理論上單通道 1 s 可檢測(cè) 4 ～ 5 粒種子信號(hào)。由于測(cè)試系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境要求較小，且若設(shè)置成多通道 則通道間幾乎無(wú)相互干擾，因此可設(shè)置多路通道同時(shí)工作，以增加工作效率。因此，雜交水稻種子下落撞 擊金屬懸臂梁薄板的振動(dòng)信號(hào)可以進(jìn)行裂穎籽粒和正常籽粒的區(qū)分。 目前雜交水稻裂穎種子的識(shí)別方法主要有機(jī)器視覺(jué)和聲學(xué)。機(jī)器視覺(jué)方法的研究又多為靜態(tài)檢測(cè)識(shí) 別，而目前已設(shè)計(jì)出的動(dòng)態(tài)在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)正常種子和裂穎種子的平均正確識(shí)別率在 80%左右，處理速 度為 4 粒·s －1; 聲學(xué)識(shí)別檢測(cè)方法對(duì)隔音效果要求高，為避免噪音對(duì)識(shí)別效果的影響，相對(duì)而言本研 究測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，外界環(huán)境噪音無(wú)影響，并且識(shí)別效果更穩(wěn)定。因此本研究的雜交水稻裂穎種子識(shí) 別方法與前兩者相比均有一定優(yōu)勢(shì)。 在給料設(shè)備上，目前本研究在檢測(cè)前需人工把種子樣品頭部朝前排列在振動(dòng)給料機(jī)的振動(dòng)盤(pán)上，否則 可能識(shí)別精度會(huì)受到影響，因此給料設(shè)備還需繼續(xù)改進(jìn)。俞亞新等根據(jù)水稻種子表面特性及慣性特 性設(shè)計(jì)出了帶有導(dǎo)向板的振動(dòng)式排種器，實(shí)現(xiàn)了稻種胚胎定向排列。因此可根據(jù)目前的已有研究對(duì)給料 設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，使其實(shí)現(xiàn)水稻種子頭部朝前自動(dòng)定向排列功能，同時(shí)進(jìn)一步對(duì)定向排列與振動(dòng)給料組 合的工作效率進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。