MotionLeaf：利用成本效益高的毫米波传感器，实现对植物水分胁迫的精细多叶片阻尼振动监测

《Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies》：MotionLeaf: Fine-grained Multi-leaf Damped Vibration Monitoring for Plant Water Stress Using Cost-effective mmWave Sensors

植物水分胁迫毫米波雷达检测系统研究。提出基于毫米波雷达的MotionLeaf系统，通过非侵入式振动频率检测评估植物水分胁迫。采用IQM相位差分析和盲源分离技术，实验误差0.0176Hz，优于mmVib 0.0416Hz。成功识别7天干旱胁迫信号（<0.06Hz），并在风速>2.5m/s风洞测试中验证被动激发可行性。

　　

摘要

水分胁迫对全球植物的健康和作物产量有着显著影响。传统的检测方法（如土壤湿度传感器）往往精度不足、具有侵入性且需要大量人力。本文介绍了一种基于毫米波技术的新型原型系统——MotionLeaf，该系统通过测量多片叶子的振动频率来评估植物的水分胁迫状况。

MotionLeaf配备了专门的信号处理流程，可以从毫米波雷达采集的噪声较大的微位移测量数据中估算出精细的振动频率。具体而言，系统利用相邻频率调制连续波（FMCW）雷达信号之间的相位差的四分位数均值（IQM）来计算微位移。此外，多个雷达天线通过盲源分离（BSS）技术分离出每片叶子的振动信号。

实验结果表明，MotionLeaf测量叶片振动频率的平均误差为0.0176赫兹，不到现有技术（mmVib [26]）误差0.0416赫兹的一半。在实际的干旱实验中，MotionLeaf通过观察昼夜间的频率变化（变化幅度小于0.06赫兹）有效检测到了植物的水分胁迫情况。进一步使用风扇产生的风进行验证后发现，在风速超过2.5米/秒的户外环境中，该系统仍能实现低频测量（误差约为0.03赫兹）。这些结果凸显了MotionLeaf作为一种可扩展、非侵入式的解决方案，在真实农业场景中准确检测植物水分胁迫方面的有效性和潜力。