CN114062281B - 一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置，该装置采用4波段4通道设计，各通道包括光学成像模块、光电转换模块和控制电路模块；所述光学成像模块包括望远成像模块和分光模块，所述望远成像模块包括第一透镜、光圈、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，所述分光模块为窄带滤光片，该窄带滤光片设于第四透镜上方；所述光电转换模块包括图像传感器和光电转换处理器，光电转换模块将采集和处理的作物图谱信息发送到控制电路模块，所述控制电路模块通过输出接口将信息输出。本发明解决了非成像型传感器传感装置难以消除复杂水土背景的问题，同时该装置实现了作物生长信息的快速无损采集、智能化解析和可视化解释。

Description

一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置
技术领域
本发明涉及智慧农业领域，特别涉及一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置。
背景技术
作物生长信息(叶面积指数、氮含量及氮积累量等)精确感知是实现作物生产精确管理的重要基础，对作物高产优产起着重要作用。传统的作物生长信息获取依赖室内化学分析，需要通过大田作物破坏性取样结合化学实验，费时费力，存在测试误差。由于作物体内生化成分、群体结构等因素的变化会引起某些波段反射光谱的变化，利用这些特定波段的光谱信息可以监测作物生长信息，因而光谱技术成为支持作物生长信息无损感知的一项关键技术。
专利200710019340.9、201210214137.8和201210472211.6分别公开了一种便携式多通道作物叶片氮素营养指标无损监测装置、一种田间作物生长信息无损快速检测装置和一种高精度作物生长信息监测仪，上述装置或仪器均为非成像型的作物生长监测设备，通过作物光谱反射率值与农学参数的关系，实现作物生长信息的直接获取。然而非成像型作物生长监测设备只能获取视场范围内的整体光谱，视场内的水体、土壤等干扰因素会对监测精度造成较大影响，尤其是作物生长前期阶段。而成像型作物光谱传感器能够获取作物每个像素点的反射光谱，具有“图谱合一”的优势，监测精度更加准确。
目前，田块尺度近距离获取作物生长信息多以高光谱成像传感器为主，然而光栅分光结合扫描平台推扫式成像导致该类传感器视场小、波段多、体积重以及数据处理繁杂，无法在田间得到广泛的推广应用。同时现有的多光谱成像传感器多与无人机直接集成应用，在近距离获取作物信息时常由于风场导致作物光谱图像出现严重偏差，进而造成作物生长信息预测精度的大幅度降低。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中存在的不足，提供一种宽视角、小像差的多光谱成像型作物生长传感装置；该装置采用4波段4通道设计，能够便携式或者搭载无人车作业，各通道通过光学成像模块实现作物反射光信息的大视场采集，通过光电转换模块和控制电路模块实现作物光信息的转换、处理和传输，进而通过上位机实现作物生长信息近距离大视场的智能化解析及可视化解释。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置，其包括光学成像模块、光电转换模块和控制电路模块；所述光学成像模块包括望远成像模块和分光模块，所述望远成像模块包括第一透镜、光圈、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，所述分光模块为窄带滤光片，该窄带滤光片设于第四透镜上方；所述光电转换模块包括图像传感器和光电转换处理器，光电转换模块将采集和处理的作物图谱信息发送到控制电路模块，所述控制电路模块通过输出接口将信息输出。
进一步的，所述传感装置采用多通道设计结构，其至少包括两个通道，且各个通道均包括所述光学成像模块、光电转换模块和控制电路模块。
进一步的，所述光学成像模块安装在光学成像模块安装基座中，光学成像模块安装基座与控制电路模块的电路板相互连接固定，所述图像传感器安装在控制电路模块下表面，且位于光学成像模块正上方，光电转换处理器安装在控制电路模块的上表面，图像传感器通过控制电路模块与光电转换处理器连接，控制电路模块通过有线方式将采集的作物图谱信息发送到处理分析装置。
进一步的，所述望远成像模块从作物冠层至成像面依次包括第一透镜、光圈、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，所述第一透镜为具有负屈光率的凸凹透镜，所述第二透镜为具有正屈光率的凸平透镜，所述第三透镜为具有负屈光率的凹凸透镜，所述第四透镜为具有正屈光率的双凸透镜；其中，第一透镜和第四透镜均为塑料非球面透镜，第二透镜和第三透镜均为玻璃球面透镜。
进一步的，所述望远成像模块视场角为68°；所述望远成像模块中的光圈设置在第一透镜和第二透镜之间，光圈数F＝3.5。
进一步的，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和整个传感装置的焦距分别为f1，f2，f3，f4和f，其中，f1，f2，f3，f4和f满足：-9mm<f1<-7mm，4mm<f2<6mm，-5mm<f3<-3mm，4mm<f4<6mm，f＝5mm。
进一步的，所述望远成像模块的非球面镜片的面型满足以下公式：
其中：z为沿光轴方向的坐标值，r为垂直光轴方向的径向坐标，c为该光学表面的顶点曲率，k为该表面的圆锥系数；A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16分别为四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶、十六阶的非球面系数。
进一步的，所述第一透镜和第四透镜采用APL5514ML，折射率和阿贝数分别为1.545和55.912，第二透镜采用D-LAF50，折射率和阿贝数分别为1.774和49.604，第三透镜采用H-ZF88，折射率和阿贝数分别为1.946和17.944；所述窄带滤光片的中心波段分别为560nm，650nm，730nm和815nm，中心波长透过率为65％～70％，带宽为9nm～10nm，截止率小于0.00001％。
进一步的，所述第一透镜与第二透镜，第二透镜与第三透镜，第三透镜与第四透镜，第四透镜与滤光片以及滤光片与图像传感器的间隔分别为G12，G23，G34，G45和G56，其中，G12，G23，G34，G45和G56满足：8mm<G12<10mm，1mm<G23<3mm，0.5mm<G34<2mm,3mm<G45<5mm，0.5mm<G56<2mm。
进一步的，所述图像传感器为OmniVision的OV2710图像传感器芯片，安装在光学成像模块正上方，将作物光信号放大和AD转换为可以执行的标准数字信号；所述光电转换处理器为SONIX的SN9C5256AJG芯片，通过标准的I2C接口实现与图像传感器的控制通讯，经控制电路模块将作物信息通过有线方式传输到处理分析装置，实现作物生长信息的近距离快速和无损获取。
本发明的有益效果是：采用多通道广角望远成像模块结合窄带干涉滤光片分光模块，实现了作物信息的宽视角获取，突破了近距离光谱信息采集与宽视角成像的技术矛盾，通过成像型作物多光谱传感器传感装置获取作物光谱和图像信息，解决了非成像型传感器传感装置难以消除复杂水土背景的问题，同时该装置实现了作物生长信息的快速无损采集、智能化解析和可视化解释。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为宽视场多光谱成像型作物生长传感装置的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1的侧视图；
图4为图1的剖面视图；
图5为光学成像***结构及光路示意图；
图5-1为光学成像***各中心波长五个视场的MTF曲线图；
图5-2为光学成像***场曲和畸变图；
图5-3为光学成像***点列图；
图5-4为光学成像***相对照度图。
图中：1-光学成像模块，2-光学成像模块安装基座，3-控制电路模块，4-图像传感器，5-光电转换处理器，6-光学成像与控制电路模块固定柱，7-下壳体固定柱，8-上壳体固定柱，9-输出接口，11-第一透镜，12-光圈，13-第二透镜，14-第三透镜，15-第四透镜，16-滤光片，111-第一透镜物侧面，112-第一透镜像侧面，131-第二透镜物侧面，132-第二透镜像侧面，141-第三透镜物侧面，142-第三透镜像侧面，151-第四透镜物侧面，152-第四透镜像侧面，161-滤光片物侧面，162-滤光片像侧面。
具体实施方式
为使本发明的特征和优点更加易懂，现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1至图4所示，一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置，其包括光学成像模块1、光电转换模块和控制电路模块。所述光学成像模块1包括望远成像模块和窄带干涉滤光片，所述光电转换模块包括图像传感器4和光电转换处理器5，光电转换模块将采集和处理的作物图谱信息发送到控制电路模块3，控制电路模块以有线的方式通过输出接口9传输到处理分析装置。
本发明中，光学成像模块1安装在光学成像模块安装基座2中，光学成像模块安装基座2与控制电路模块3通过螺丝固定，控制电路模块3与固定柱6通过螺丝固定，图像传感器4安装在光学成像模块正上方，光电转换处理器5安装在控制电路模块的上表面，上壳体固定柱8与下壳体固定柱9通过螺丝固定。
本发明中，所述图像传感器4与光电转换处理器5通过控制电路模块连接，并通过控制电路模块以有线的通信方式将作物图谱信息传输到处理分析装置，所述的处理分析装置能够实现作物生长农学参数的智能化解析和可视化解释。
本发明中，所述图像传感器采用OmniVision的OV2710芯片，通过驱动放大和AD转换将作物光信号转换为可执行的标准数字信号，所述光电转换处理器为SONIX的SN9C5256AJG芯片，通过标准的I2C接口实现与图像传感器的控制通讯，经控制电路模块将作物信息通过有线方式传输到处理分析装置。
本发明中，一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置的焦距f为5mm，光圈值为3.5，视场角为68°，能够实现作物生长信息的近距离大视场获取。
如图5所示，所述光学成像模块从作物冠层至成像面依次为第一透镜11、光圈12、第二透镜13、第三透镜14、第四透镜15、窄带干涉滤光片16。第一透镜11具有负屈光率，第一透镜11的物侧面111为凸面，第一透镜11的像侧面112为凹面，物侧面近光轴处为凸面，可以有效扩大视场。第二透镜13具有正屈光率，第二透镜13的物侧面131为凸面，第二透镜13的像侧面132为平面，有利于均衡镜头屈光率配置，减小敏感度。光圈12位于第一透镜11像侧面112与第二透镜物侧面131之间，可满足控制进光量，使足够光线进入图像传感器感光位置。第三透镜14具有负屈光率，第三透镜14的物侧面141为凹面，第三透镜14的像侧面142为凸面，有利于修正第一透镜11和第二透镜13产生的像差。第四透镜15具有正屈光率，第四透镜15的物侧面151为凸面，第四透镜15的像侧面152为凸面，有利于修正第三透镜14产生的像差，能够使不同波段光线更好聚焦到像面上。
本发明中，物侧面111、物侧面151、像侧面112和像侧面152依下列非球面曲线公式定义：
其中：
z为沿光轴方向的坐标值。
r为垂直光轴方向的径向坐标。
c为该光学表面的顶点曲率。
k为该表面的圆锥系数。
A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16分别为四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶、十六阶的非球面系数。
上述中，所说的「一透镜具有正屈光率(或负屈光率)」，是指所述透镜以高斯光学理论计算出来之近轴屈光率为正(或为负)。所说的「透镜之物侧面(或像侧面)」定义为成像光线通过透镜表面的特定范围。
上述中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的焦距分别为f1，f2，f3，f4和f，其中，f1，f2，f3，f4满足：-9mm<f1<-7mm，4mm<f2<6mm，-5mm<f3<-3mm，4mm<f4<6mm。具体的，第一透镜和第四透镜采用APL5514ML，折射率和阿贝数分别为1.545和55.912，第二透镜采用D-LAF50，折射率和阿贝数分别为1.774和49.604，第三透镜采用H-ZF88，折射率和阿贝数分别为1.946和17.944。所述窄带滤光片的中心波段分别为560nm，650nm，730nm和815nm，中心波长透过率为65％～70％，带宽为9nm～10nm，截止率小于0.00001％。
上述中，第一透镜与第二透镜，第二透镜与第三透镜，第三透镜与第四透镜，第四透镜与滤光片以及滤光片与图像传感器的间隔分别为G12，G23，G34，G45和G56，其中，G12，G23，G34，G45和G56满足：8mm<G12<10mm，1mm<G23<3mm，0.5mm<G34<2mm,3mm<G45<5mm，0.5mm<G56<2mm。
本发明中，如图5所示，按照光线在图像传感器4上汇聚的情况，由右到左依次为0视场、0.3视场、0.5视场、0.7视场和1视场的光线。所有视场的光线在成像像面上得到了良好汇聚，而且入射光线角度较小，能够较好与图像传感器4耦合。
本发明中，如图5-1所示，所述该宽视角多光谱成像型作物生长传感器传感装置四个通道(560nm、650nm、730nm和815nm)各视场的MTF曲线图，能够反映镜头结构的成像质量，在空间频率167lp/mm处，0.7视场MTF值均大于0.3，能够保证作物图谱信息的高质量成像。
本发明中，如图5-2所示，所述该宽视角多光谱成像型作物生长传感器传感装置光学成像***的场曲(左图)和畸变(右图)曲线图，场曲会造成中心和边缘最佳成像不在一个平面，从左图场曲曲线可以看出，场曲最大格值已经优化到小于0.25mm。畸变会影响图像的变形，从右图畸变曲线可以看出，最大视场处的畸变小于3％，说明传感器传感装置优化到了较好程度。
本发明中，如图5-3所示，所述该宽视角多光谱成像型作物生长传感器传感装置光学成像***的点列图，由一点发出的若干光线经光学***后，因存在像差的原因，形成散布在一定范围的弥散斑，从图中可以看出，点列图在全视场RMS(均方根误差)小于3μm，已经校正的非常良好。
本发明中，如图5-4所示，所述该宽视角多光谱成像型作物生长传感器传感装置光学成像***的相对照度图，广角镜头相对照顾达到30％以上便可得到较好品质的图像，该***的全视场的相对照度大于60％，完全符合作物生长图谱信息获取的要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置，其特征在于，包括光学成像模块、光电转换模块和控制电路模块；所述光学成像模块包括望远成像模块和分光模块，所述望远成像模块包括第一透镜、光圈、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，所述分光模块为窄带滤光片，该窄带滤光片设于第四透镜上方；所述光电转换模块包括图像传感器和光电转换处理器，光电转换模块将采集和处理的作物图谱信息发送到控制电路模块，所述控制电路模块通过输出接口将信息输出；
所述望远成像模块从作物冠层至成像面依次包括第一透镜、光圈、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，所述第一透镜为具有负屈光率的凸凹透镜，所述第二透镜为具有正屈光率的凸平透镜，所述第三透镜为具有负屈光率的凹凸透镜，所述第四透镜为具有正屈光率的双凸透镜；其中，第一透镜和第四透镜均为塑料非球面透镜，第二透镜和第三透镜均为玻璃球面透镜；
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和整个传感装置的焦距分别为f1，f2，f3，f4和f，其中，f1，f2，f3，f4和f满足：-9mm<f1<-7mm，4mm<f2<6mm，-5mm<f3<-3mm，4mm<f4<6mm，f＝5mm；
所述第一透镜与第二透镜，第二透镜与第三透镜，第三透镜与第四透镜，第四透镜与滤光片以及滤光片与图像传感器的间隔分别为G12，G23，G34，G45和G56，其中，G12，G23，G34，G45和G56满足：8mm<G12<10mm，1mm<G23<3mm，0.5mm<G34<2mm,3mm<G45<5mm，0.5mm<G56<2mm。
2.根据权利要求1所述的一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置，其特征在于，所述传感装置采用多通道设计结构，其至少包括两个通道，且各个通道均包括所述光学成像模块、光电转换模块和控制电路模块。
3.根据权利要求1所述的一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置，其特征在于，所述光学成像模块安装在光学成像模块安装基座中，光学成像模块安装基座与控制电路模块的电路板相互连接固定，所述图像传感器安装在控制电路模块下表面，且位于光学成像模块正上方，光电转换处理器安装在控制电路模块的上表面，图像传感器通过控制电路模块与光电转换处理器连接，控制电路模块通过有线方式将采集的作物图谱信息发送到处理分析装置。
4.根据权利要求1所述的一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置，其特征在于，所述望远成像模块视场角为68°；所述望远成像模块中的光圈设置在第一透镜和第二透镜之间，光圈数F＝3.5。
5.根据权利要求1所述的一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置，其特征在于，所述望远成像模块的非球面镜片的面型满足以下公式：
其中：z为沿光轴方向的坐标值，r为垂直光轴方向的径向坐标，c为该光学表面的顶点曲率，k为该表面的圆锥系数；A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16分别为四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶、十六阶的非球面系数。
6.根据权利要求1所述的一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置，其特征在于，所述第一透镜和第四透镜采用APL5514ML，折射率和阿贝数分别为1.545和55.912，第二透镜采用D-LAF50，折射率和阿贝数分别为1.774和49.604，第三透镜采用H-ZF88，折射率和阿贝数分别为1.946和17.944；所述窄带滤光片的中心波段分别为560nm，650nm，730nm和815nm，中心波长透过率为65％～70％，带宽为9nm～10nm，截止率小于0.00001％。
7.根据权利要求1所述的一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置，其特征在于，所述图像传感器为OmniVision的OV2710图像传感器芯片，安装在光学成像模块正上方，将作物光信号放大和AD转换为可以执行的标准数字信号；所述光电转换处理器为SONIX的SN9C5256AJG芯片，通过标准的I2C接口实现与图像传感器的控制通讯，经控制电路模块将作物信息通过有线方式传输到处理分析装置，实现作物生长信息的近距离快速和无损获取。
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