CN103674855A - 一种用于作物生长信息监测的光路*** - Google Patents

Abstract

一种用于作物生长信息监测的光路***，其特征是包括自主光源***、两路光谱信号采集***和精确测高***；所述两路自主光源***、两路光谱信号采集***和一套精确测高***均位于竖直位置，三***构成直线型结构，所述两路自主光源***分别产生730nm与810nm两种波段调制光信号照射作物冠层叶片，所述精确测高***简便、快速、直观的确定监测装置与作物冠层的测量高度。本发明的自主光源***采用中心波段LED采用均匀混合排列，光源输出光信号均匀性好、监测精度高；光谱信号采集***采用特征中心波段滤光片去除反射光中的非特征波段光信号，减小外部光信号干扰，提高有效信噪比；光学元件少而简单，加工简单，成本经济。

Description

一种用于作物生长信息监测的光路***

技术领域

本发明属于作物生长信息智能检测领域，专用于农田作物生长信息的实时、准确、简便、无损获取。涉及一种用于作物生长信息监测的光路***，尤其涉及基于主动光源的作物生长信息无损监测的光路***。

背景技术

目前，大田作物生长信息的实时、快速、无损获取能够为农田作物的精确管理提供数据支撑。传统的大田作物取样、烘样和化学分析等操作方法获取作物生长信息具有耗时长、费用昂贵、破坏性等缺点，且只能在特定的专业实验室才能进行分析处理，对实验人员的专业要求严格。随着高光谱技术的迅速发展，基于光谱特性的无损监测技术在矿石探测、国土资源普查、湖泊水质检测和农业遥感等领域的应用越来越广泛。

基于光谱特性的无损监测技术主要有基于被动光源与基于主动光源两种装置。基于被动光源即采用日光作为光源，采用被动光源的已有装置如美国ASD公司生产的FieldSpec4背挂式地物光谱仪、FieldSpec HandHeld2手持式地物光谱仪，英国SKYE公司生产的SpectroSense2地表植物光谱仪等。由于日光稳定性易受天气的影响，往往监测结果的准确性较低；基于主动光源即采用自主光源技术，消除日光不稳定的影响，从而使监测结果的准确性与稳定性大幅度提高。采用主动光源的已有装置如美国Holland scientific公司生长的CropCircle ACS-470手持式光谱仪，美国GreenSeeker公司生产的GreenSeeker手持式光谱仪。

中国专利201310180901.9公开了一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置及方法，提出了不同尺度冠层的光谱反射测量的方法，但因其光源出射光的发散特性，限制了其监测结果的准确性，关于光路***的详细设计未见其相关报道。

国家农业信息化工程技术研究中心研制一款基于主动光源的归一化植被指数(NDVI)测定***，提出了其光路***的设计方法，但未见其关于结构设计与具体实现的相关报道。

光路***的设计是基于主动光源的作物生长信息无损监测装置的关键技术。在基于主动光源的作物生长信息无损监测装置的设计中，主动光源的能量与日光的能量相比要小得多，不能直接应用光照度传感器进行测量。

因此，需要设计特定的光路结构，对光源输出进行相应的聚光操作，对采集的反射光需要采用相应的聚光、滤光操作，使其输出光谱便于后级装置的处理与分析。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供了一种监测精度高、无机械运动、性能稳定、不受天气因素制约的用于作物生长信息监测的光路***。该光路***能够实现作物冠层特征敏感波段反射光强度的实时、准确获取，采用标准反射率校正方法、耦合作物冠层光谱数据-生长信息模型从而实现作物生长信息的无损监测，为大田农作物的精确管理调控提供了数据来源。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于作物生长信息监测的光路***，其特征是包括自主光源***、两路光谱信号采集***和精确测高***；所述自主光源***2输出光照射被监测的作物冠层叶片4，所述光谱信号采集***3采集被测作物冠层叶片4对自主光源***2出射光的反射光信号；两路光谱信号采集***3和一套精确测高***均位于竖直位置，三***构成直线型结构，

所述自主光源***包括LED阵列5、第一透镜7、第二透镜8和保护玻璃9；LED阵列5产生近似平行光，出射光分别经过第一透镜7、第二透镜8和保护玻璃9。

所述LED阵列5分别由中心波长为730nm的LED10、中心波长为810nm的LED11各13只LED6均匀混合两行排列所组成，能产生730nm与810nm均匀混合光谱，其中单个LED6的直径为3mm。

所述第一透镜7与第二透镜8均为条形凸透镜，第一透镜7的尺寸为20mm*40mm，第二透镜8的尺寸为10mm*40mm，第一透镜7的右焦点与第二透镜8左焦点重合，第二透镜8输出光线为一条形光束。

所述两路光谱信号采集***的结构相同，都包括第三透镜15、特定中心波长滤光片14和光电探测器阵列12；沿光入射光路依次经过第三透镜15、滤光片14和光电探测器阵列12。

所述第三透镜15为圆形凸透镜，其直径为25.5mm，厚度为10mm，焦距为25mm。

所述滤光片14的中心波长分别为730nm与810nm，带宽均为10nm。

所述光电探测器阵列选用三行两列共6只光电二极管13组成的光电二极管阵列，光电探测器阵列12放置于第三透镜15焦点处，单个光电二极管的直径为3mm。

所述精确测高***包括两只红色微型激光灯17与外壳18组成；所述外壳18用于固定两只激光灯；

所述两只红色微型激光灯17完全相同，输出光线呈红色点状，两激光灯之间的距离L16固定，激光灯17出射光线与水平方向的角度θ19固定，从而保证仪器处于固定测量高度H20时，两激光灯出射光斑21重合。

本发明的有益效果：

1、本发明的一种用于作物生长信息监测的光路***采用特定中心波长LED阵列作为发光部件；特定中心波长LED阵列具有易于调制、发光强度高、光谱均匀性与稳定性好等特点。

2、本发明的一种用于作物生长信息监测的光路***采用第一透镜与第二透镜组合的组合透镜方式；LED阵列所发出的光线经过组合透镜后能形成光谱均匀性好、光照强度高的条形调制光线，能有效提高光谱信号采集***接收光信号的信噪比、稳定性。

3、本发明的一种用于作物生长信息监测的光路***采用特定中心波长滤光片作为光谱波段选择部件；特定中心波长滤光片可有效去除入射光中的非特定中心波长光信号，防止光电探测器因光饱和而无法转换有效的调制光谱信号，并可有效去除光信号中的高频电磁波干扰信号。

4、本发明的一种用于作物生长信息监测的光路***采用光电二极管阵列作为光电探测器；光电二极管具有频率特性好、灵敏度高、噪声低、光电转换效率高等特性，可有效保证光路***的稳定性和可靠性。

5、本发明的一种用于作物生长信息监测的光路***采用双激光光斑重合的精确测高方式；双激光光斑重合的精确测高***能满足作物冠层特殊性要求，具有直观、简便、准确性好等优点。

附图说明

图1为本发明的用于作物生长信息监测的光路***的结构示意图。

图2为本发明的用于作物生长信息监测的光路***中的自主光源***的结构示意图。

图3为本发明的用于作物生长信息监测的光路***中的光谱信号采集***的结构示意图。

图4为本发明的用于作物生长信息监测的光路***中的精确测高***的结构示意图。

图中：1.激光测高***、2.自主光源***、3.光谱信号采集***、4.作物冠层叶片、5.LED阵列、6.单个LED、7.第一透镜、8.第二透、9.保护玻璃、10.中心波长为730nm的LED、11.中心波长为810nm的LED、12.光电二极管阵列、13.单个光电二极管、14.滤光片、15.第三透镜、16.两激光灯之间的距离L、17.激光灯、18.外壳、19.激光灯出射光线与水平方向的夹角θ、20.测量高度H、21.两激光灯出射光线重合光斑。

具体实施方式

为了更好的实施和理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1，一种用于作物生长信息监测的光路***，包括自主光源***、两路光谱信号采集***和精确测高***；所述自主光源***2输出光照射被监测的作物冠层叶片4，所述光谱信号采集***3采集被测作物冠层叶片4对自主光源***2出射光的反射光信号，精确测高***1简便、快速、直观的确定监测装置与作物冠层的测量高度。两路光谱信号采集***和一套精确测高***均位于竖直位置，三***构成直线型结构，

如图2，所述自主光源***包括特定中心波长LED阵列5、第一透镜7、第二透镜8和保护玻璃9；特定中心波长LED阵列5产生近似平行光，出射光分别经过第一透镜7、第二透镜8、保护玻璃9，保护玻璃9用于保护透镜免受物理、化学损坏。

如图2，所述特定中心波长的LED阵列（5）分别由中心波长为730nm的LED（10）、中心波长为810nm的LED（11）各13只LED6均匀混合两行排列所组成，能产生730nm与810nm均匀混合光谱，其中单个LED（6）的直径为3mm。

所述第一透镜7与第二透镜8均为条形凸透镜，第一透镜7的尺寸为20mm*40mm，第二透镜8的尺寸为10mm*40mm，第一透镜7的右焦点与第二透镜8左焦点重合，第二透镜8输出光线为一条形光束。

如图3，所述两路光谱信号采集***的结构相同，都包括第三透镜15、特定中心波长滤光片14和光电探测器阵列12；沿光入射光路依次经过第三透镜15、特定中心波长滤光片14和光电探测器阵列12。

所述第三透镜15为圆形凸透镜，其直径为25.5mm，厚度为10mm，焦距为25mm。

所述特定中心波长滤光片14的中心波长分别为730nm与810nm，带宽均为10nm。

如图3，所述光电探测器阵列选用三行两列共6只光电二极管13组成的光电二极管阵列，光电探测器阵列12放置于第三透镜15焦点处，单个光电二极管的直径为3mm。

如图4，所述精确测高***包括两只红色微型激光灯17与外壳18组成；所述外壳18用于固定两只激光灯；

所述两只红色微型激光灯17完全相同，输出光线呈红色点状，两激光灯之间的距离L16固定，激光灯17出射光线与水平方向的角度θ19固定，从而保证仪器处于固定测量高度H 20时，两激光灯出射光斑21重合。

本发明光路***的工作原理如下：

730nm和810nm波段光谱是作物冠层叶片的敏感波段，作物冠层叶片对730nm和810nm波段光谱的反射光谱中负载了作物冠层叶片内部结构与组分信息，通过检测作物冠层叶片的730nm与810nm光谱反射信息，即可反演作物生长信息。

前级调制电路产生频率固定的调制信号控制LED驱动电路点亮特定中心波长LED，其中心波长为730nm和810nm，产生强度恒定的、被调制的730nm、810nm光谱信号，730nm和810nm光谱信号经过第一透镜、第二透镜和保护玻璃后照射于作物冠层叶片。

第一透镜起着聚光的作用，尽可能的聚集特定中心波长LED产生的光谱信号，提高光源***出射光强度；第二透镜起着光线准直的作用，将第一途径聚集后的光谱信号调整为平行光信号，提高自主光源输出光谱信号的利用率。

光谱信号采集***接收作物冠层叶片对730nm、810nm波段的反射光谱信号，730nm、810nm波段反射光谱信号分别经过第三透镜、特定中心波长滤光片，其中心波长为730nm或810nm，被光电探测器采集转换为电信号，经过后级电路处理得出作物冠层叶片对730nm、810nm反射光谱信息。因自主光源输出光谱信号强度恒定，通过建模得出作物冠层叶片对730nm、810nm光谱的反射率，融合冠层反射光谱信息—作物生长信息监测模型进而求出作物的生长信息。

自主光源产生的光谱信号强度有限，测量的高度的变化会影响到光谱信号采集***对反射光谱信息的采集，因此本发明采用固定高度的采集方式。由于作物冠层的特殊性，本发明采用双激光重合方法；两激光灯之间的距离L恒定，出射角θ恒定，根据

只有在高度H为：

$H=\frac{L\×\arctan \mathrm{\θ}}{2}$

两激光灯出射的光斑才能重合，形成一个光斑,从而简便、直观的实现固定高度作物生长信息的监测。

Claims (10)

1.一种用于作物生长信息监测的光路***，其特征是包括自主光源***、两路光谱信号采集***和精确测高***；所述自主光源***（2）输出光照射被监测的作物冠层叶片（4），所述光谱信号采集***（3）采集被测作物冠层叶片（4）对自主光源***（2）出射光的反射光信号；两路光谱信号采集***（3）和一套精确测高***均位于竖直位置，三***构成直线型结构。

2.根据权利要求1所述的一种用于作物生长信息监测的光路***，其特征是所述自主光源***包括LED阵列（5）、第一透镜（7）、第二透镜（8）和保护玻璃（9）；LED阵列（5）产生近似平行光，出射光分别经过第一透镜（7）、第二透镜（8）和保护玻璃（9）。 

3.根据权利要求1所述的一种用于作物生长信息监测的光路***，其特征是所述LED阵列（5）分别由中心波长为730nm的LED（10）、中心波长为810nm的LED（11）各13只LED6均匀混合两行排列所组成，能产生730nm与810nm均匀混合光谱，其中单个LED（6）的直径为3mm。 

4.根据权利要求1所述的一种用于作物生长信息监测的光路***，其特征是所述第一透镜（7）与第二透镜（8）均为条形凸透镜，第一透镜（7）的尺寸为20mm*40mm，第二透镜（8）的尺寸为10mm*40mm，第一透镜（7）的右焦点与第二透镜（8）左焦点重合，第二透镜（8）输出光线为一条形光束。 

5.根据权利要求1所述的一种用于作物生长信息监测的光路***，其特征是所述两路光谱信号采集***的结构相同，都包括第三透镜（15）、特定中心波长滤光片（14）和光电探测器阵列（12）；沿光入射光路依次经过第三透镜（15）、 滤光片（14）和光电探测器阵列12。 

6.根据权利要求1所述的一种用于作物生长信息监测的光路***，其特征是所述第三透镜（15）为圆形凸透镜，其直径为25.5mm，厚度为10mm，焦距为25mm。 

7.根据权利要求1所述的一种用于作物生长信息监测的光路***，其特征是所述滤光片（14）的中心波长分别为730nm与810nm，带宽均为10nm。 

8.根据权利要求1所述的一种用于作物生长信息监测的光路***，其特征是所述光电探测器阵列选用三行两列共6只光电二极管（13）组成的光电二极管阵列，光电探测器阵列（12）放置于第三透镜（15）焦点处，单个光电二极管的直径为3mm。 

9.根据权利要求1所述的一种用于作物生长信息监测的光路***，其特征是所述精确测高***包括两只红色微型激光灯（17）与外壳（18）组成；所述外壳（18）用于固定两只激光灯。

10.根据权利要求1所述的一种用于作物生长信息监测的光路***，其特征是所述两只红色微型激光灯（17）完全相同，输出光线呈红色点状，两激光灯之间的距离L（16）固定，激光灯（17）出射光线与水平方向的角度θ（19）固定，从而保证仪器处于固定测量高度H（20）时，两激光灯出射光斑（21）重合。 

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