專利名稱:光譜反射率測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種傳感技術(shù)與光譜測量技術(shù),尤其用于農(nóng)作物生長 狀況的光譜測量技術(shù)。
技術(shù)背景植被長勢、營養(yǎng)等信息能夠反映在光譜反射率上,基于光譜學原理的歸一化差異植被指數(shù)NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)作為可見光紅波段和近紅外波段兩波段的歸一化比值,就被 廣泛用于大田作物長勢檢測。這類光譜指數(shù)一方面反映植被光合作用 的有效輻射吸收情況,另一方面能夠反映作物群體大小、健康程度情 況,是目前應(yīng)用最為廣泛的植被指數(shù)。作物的光譜反射率測量有多種方法。美國ASD (Analytical Spectral Devices )公司生產(chǎn)用于測量地物光譜反射率的系列光譜輻射 儀,包括全光譜便攜式光譜分析儀(波長范圍350-2500nm)以及 手持便攜式光譜分析儀(波長范圍300- 1100nm)等,這些儀器測 量精度和光譜分辨率都很高,但它們的色散元件都是采用全息反射光 柵,使得儀器價格昂貴,適用于研究但不適用于生產(chǎn)。目前,研究人員主要利用地物光譜儀,獲取植被光譜反射率曲線, 從光譜反射率曲線提取紅波段和近紅外波段的光譜反射率,然后計算 NDVI值以判斷大田作物長勢檢測儀。但野外使用的便攜式光譜儀, 不僅價格昂貴,而且使用時不能直接判斷大田作物長勢,工作人員背 負近10kg的儀器在現(xiàn)場進行測試,費工費時十分不便,迫切需要開 發(fā)一種手持式大田作物長勢檢測儀,其重量輕,適合于手持,觀場測 試時能直接判斷作物生長狀態(tài)。所謂基于近地遙感技術(shù)的植被反射光譜測量,是指以自然光照作 為光源,測量植物冠層或葉片的光譜反射率的方法。該方法由于測量 設(shè)備不與植物發(fā)生直接接觸,因此可以實現(xiàn)真正的無損、實時測量。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種光譜反射率測量裝置,該測量裝置克 服了上述測量儀存在的不足之處,以自然光作為光源,利用本發(fā)明的 光譜反射率測量裝置,可直接獲得作物植被指數(shù)以判斷作物長勢。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種光譜反射率測量裝置,所述光譜反射率 測量裝置由光學單元、控制單元和超聲波測距單元三個部分組成。本發(fā)明在所述光學單元內(nèi)有四個光傳輸?shù)耐ǖ?,用于測量太陽輻 射的光強兩個上通道,用于測量冠層反射的光的強度兩個下通道,所 述上、下對應(yīng)的兩個通道內(nèi)有相同波長的濾光片和相同材料制成的光 敏器件。本發(fā)明所述的兩個濾光片的中心波長分別是610nm和1220nm。 本發(fā)明所述兩個上通道釆用了余弦散射體作為光學窗口,所述兩 個下通道釆用的是K9材料制成的光學玻璃作為窗口。本發(fā)明所述光學單元體有兩部分組成,兩部分單元體之間用螺釘 連接,光學單元體的一端是光學窗口,相隔一段內(nèi)孔距離后裝有濾光 片和平凸透鏡,在所述濾光片和平凸透鏡的兩側(cè)加裝有密封墊圈,在 光學單元體的另一端平凸透鏡焦點處裝有光敏器件。本發(fā)明所述光敏器件是Si光電池或是InGaAs光電二極管。 本發(fā)明所述控制單元是由傳感器連接放大器、連接數(shù)\模轉(zhuǎn)換器、 連接單片機,所述單片機再連接U盤、液晶顯示器、鍵盤。本發(fā)明所述的超聲波測距單元是基于壓電原理的超聲波傳感模塊。本發(fā)明所產(chǎn)生的技術(shù)效果是1、 反射光與輻射光的同時測量本發(fā)明實現(xiàn)了在測量作物冠層 反射光的同時對太陽輻射光進行測量,簡化了測量的操作步驟。2、 傳感器通道的設(shè)計本發(fā)明獨立設(shè)計了釆集太陽輻射光和作 是在光學器件選擇,還是在光學通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)、 尺寸的設(shè)計方面都具有獨到之處。3、 測光室的密封性本發(fā)明設(shè)計了密閉的光室,避免了其他雜 散光的影響,保證了測量結(jié)果的準確性。4、 測光波長的有效性基于本發(fā)明所提出的測光波長所建立的 作物歸 一 化植被指數(shù),可以有效地反映作物長勢狀態(tài)信息。5、 智能化監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理軟件作物長勢檢測儀能夠準確測量 作物的歸一化植被指數(shù),還能根據(jù)作物種類和作物生長時期,對作物 的長勢進行正確的診斷。6、 USB數(shù)據(jù)存儲功能本發(fā)明具備了 USB數(shù)據(jù)存儲功能,實現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)的快速存儲,并且方便快捷。7、 測量距離的一致性本發(fā)明根據(jù)超聲波測距原理,利用超聲 波來測量作物冠層與儀器的距離,保證了儀器距離冠層的高度不變, 從而實現(xiàn)了儀器測量范圍的一致性。8、 搡作簡單本發(fā)明操作簡單、安全,數(shù)據(jù)采集控制單元體積 較小,方便安裝,很適于農(nóng)田現(xiàn)場使用。
圖l儀器總體結(jié)構(gòu)圖;圖2光學單元通道的結(jié)構(gòu)圖;圖3數(shù)據(jù)釆集和處理單元的原理框圖;圖4儀器電源轉(zhuǎn)換原理圖;圖5放大電路原理圖;圖6A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖;圖7按鍵去抖電路原理圖;圖8串口通訊電路原理圖;圖9液晶接口圖;圖IOU盤模塊接口圖11單片機控制電路原理圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方案作^一步的說明。如圖1。儀器由光學單元100、控制單元300和超聲波測距單元 200三個部分組成的。光學單元100內(nèi)有四個光傳輸?shù)耐ǖ?,上面?個通道(通道3、 4)用來測量太陽輻射的光強,下面兩個通道(通 道l、 2)用來測量冠層反射的光的強度,上、下對應(yīng)的兩個通道(通 道1與4、通道2與3)內(nèi)有相同波長的濾光片40和相同材料制成的 光敏器件60。為了避免太陽角度對測量產(chǎn)生的影響,上面兩個通道 釆用了余弦散射體作為光學窗口 20。而下面的兩個通道由于測量的 是作物反射的光,所以采用的是K9材料制成的光學玻璃作為窗口。 當使用儀器測量作物冠層的反射光譜時,光學單元被放置在冠層的上 方,這時釆集到的光信號將轉(zhuǎn)換成電信號,轉(zhuǎn)換后的電信號再被送到 控制單元進行后續(xù)的處理。超聲波模塊200固定在光學單元100內(nèi), 與光學單元一起被固定在一個直桿上,雙手舉起直桿將光學單元置于 作物上方,當儀器與冠層之間的距離與預(yù)先設(shè)定的高度相同時,控制 器就會發(fā)出蜂鳴聲,此時就可以進行光譜反射率的測量。這樣可以保 證每次測量時儀器與冠層之間的距離是相同的,從而保證了測量范圍 的一致性。圖2是儀器光學單元通道的結(jié)構(gòu)圖。從圖2中可以看出每個通道內(nèi)部各個光學器件安放的順序和位置。每個通道都是由兩個部分組成 的。它們之間用螺釘70連接,并固定在光學單元100內(nèi)。圖2就是 它們連接在一起的示意圖。兩部分接觸處均無縫隙,這樣可以防止外 部雜散光混入,保證測光室是密封的,從而保證了測量的準確性。通 道內(nèi)放置的光學元件依次是光學窗口 20、濾光片40、平凸透鏡50和 光敏器件60。為了防止擠壓造成通道內(nèi)器件損壞,所以在濾光片40 和平凸透鏡50的前后都放了橡膠墊圈30。 一方面起到了保護作用, 一方面起到了密閉的作用。通道的視場角是30。,光學窗口的直徑是 12.5mm,則通道內(nèi)徑d0=12.5-2.25*2=8mm,所以透鏡距離光學窗口 的長度hl=2*(d0/2)*ctg(30°/2)-29.9mm,其中光學窗口的厚度dl是 2mm,墊圈的厚度d2為2mm,濾光片的厚度d3為4mm,透鏡的厚 度d4為6讓,所以圖2中h2的長度為3*d2+d3+d4=16mm。由于光 敏器件上光敏面的面積很小,因此接收到的光強就很小,轉(zhuǎn)換成的電 流也就很微弱,不便于后續(xù)的處理。為了增強光敏器件接收到的太陽 光的強度,設(shè)計中使用了透鏡將射入通道內(nèi)的光進行匯聚,并通過 h3的距離,將光敏器件放置在了透鏡的焦點處,從而達到增強接收 到的太陽光強度的目的。設(shè)計中所選用的透鏡的直徑是16mm、焦距 F為18.1mm,因此圖2中h3長度為F-d2=16.1mm。通過獨自的實驗 和研究結(jié)果,選定了能夠反映作物長勢的兩個敏感波段。紅光波段所 選的波長是610nm,對應(yīng)的光敏器件是Si光電池。近紅外波段所選 的波長選的是1220nm,所選的光敏器件是InGaAs光電二極管。光敏 器件放置在平凸透鏡的焦點上。h4和d5的長度是根據(jù)光敏器件的高 度和直徑而定的。當通道內(nèi)放置的光敏器件是Si光電池時,h4和 d5的長度分別為3.2mm、7.6mm;當通道內(nèi)放置的光敏器件是InGaAs 光電二極管時,h4和d5的長度分別為3.25mm、 4.7mm。圖3是數(shù)據(jù)采集和處理單元的原理框圖。數(shù)據(jù)釆集和處理單元包 括信號放大電路、數(shù)\模(A/D)轉(zhuǎn)換器、處理器、存儲電路、LCD 顯示電路、鍵盤控制電路,以及超聲波測距模塊。超聲波模塊測量儀 器與冠層之間的距離,然后將此測量值通過串口送入單片機中,若測 量值與預(yù)設(shè)值相等時,控制器發(fā)出蜂鳴聲,此時就可以開始測量。采 集時光敏器件將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號,再經(jīng)過放大器進行放 大,然后傳送給數(shù)\模(A/D)轉(zhuǎn)換器,將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號, 單片機再進行處理運算,最后將結(jié)果顯示在液晶屏上,還可以將數(shù)據(jù) 通過USB 口存儲到U盤中。
圖4是儀器電源轉(zhuǎn)換原理圖。儀器使用8.4V、 200mAh的電池供 電的。芯片7805可將+8.4V的電源電壓轉(zhuǎn)換成+5V的電壓(VCC) 為A/D轉(zhuǎn)換芯片、單片機、U盤模塊、液晶模塊、串口通訊芯片供 電。VCC再經(jīng)過電源模塊A0505S/D-1W,將輸入為+5V的電壓轉(zhuǎn)換 成士5V的電壓輸出,為放大芯片供電。圖5是本設(shè)計中通道1的放大電路原理圖。四個通道的放大電路 都是相同的。Dl表示通道1輸出的信號。CH0是通道1經(jīng)過放大以 后的輸出信號。本設(shè)計所釆用放大器是儀表放大器芯片INA128。該 芯片具有很高的精度,低噪聲,低輸入偏置電流、低功耗,而且使用 方法簡便。R2是一個可調(diào)電位器,通過調(diào)節(jié)R2就可以獲得1 - 10000 的增益。圖6是數(shù)Mt(A/D)轉(zhuǎn)換電路用于將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換 成單片機可以處理的數(shù)字信號。本發(fā)明有四路信號需要處理,并且為 了保證信號的檢測精度,所以選用具有8通道的12位A/D轉(zhuǎn)換芯片 MAX186。 1、 2、 3、 4管腳是模擬量的輸入端,分別接通道l、 2、 3、 4輸出的模擬信號,17、 15管腳是串行數(shù)據(jù)的輸入、輸出端,它們分 別與單片機的P1.2和P1.3口連接。16管腳是串行選通輸出端,與單片 機的P1.4口連接,在內(nèi)部時鐘模式下,開始A/D轉(zhuǎn)換時,SSTRB變低; 當轉(zhuǎn)換完成時,SSTRB變高。18管腳是片選信號,與單片機的P1.0口 連接,只有P1.0口置低的時候MAX187才能開始進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。管腳 19是串行時鐘輸入,與單片機的P1.1口連接。由于本發(fā)明選用的是外 部基準電壓源,因此使用LM4040用來將外部電源穩(wěn)定在4.096V。圖7是釆集鍵和存儲鍵分別接單片機的外部中斷0和外部中斷1 , 設(shè)置為下跳沿觸發(fā),有必要進行去抖動處理。本發(fā)明釆用與非門構(gòu)成 RS觸發(fā)器,解決了按鍵抖動的問題。圖8是超聲波測距模塊所測得數(shù)值通過串口通訊的方式送入單片 機中,此處所選用的芯片是MAX232。其中芯片的12、 IO管腳分別 與單片機的串行輸入、輸出口相連。圖9是液晶顯示電路用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及測量的結(jié)果。管腳3和18兩端外接一個可調(diào)電位器,用于亮度調(diào)節(jié)。Dl用于分壓, 保證液晶進行背光時工作在4.0V 4.4V,起到保護液晶的作用。在 本系統(tǒng)中對液晶釆用的操作方式為串行方式。所選用的液晶的型號為 LCM128645ZK。選擇寄存器RS、讀寫控制RW、讀寫數(shù)據(jù)起始E分別 與單片機的P1.5、 P1.7、 P1.6管腳相連,由單片機對其讀寫進行控制。 圖IO是U盤模塊與單片機的接口電路。本發(fā)明選用的是并行的 工作方式。D0-D7是8位雙向數(shù)據(jù)總線;中斷請求輸出INT#、地址 信號線AO、讀選通輸入RD弁、寫選通輸入WRl啟動信號輸入STA#、 片選控制輸入CS弁分別與單片機的P2.6、 P2.0、 P3.7、 P3.6、 P2.5、 P2.7管腳相連。圖ll是主控單元用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、外設(shè)控制。其他外圍電路有 時鐘電路、復(fù)位電路和按鍵去抖電路。如圖11和圖7所示。涉及的外 設(shè)包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、U盤模塊、液晶模塊和超聲波測距模塊。管腳 P1.0-P1.4與A/D轉(zhuǎn)換模塊相連,用于控制模數(shù)轉(zhuǎn)換的工作。管腳 P1.5-P1.7與液晶接口相連,將單片機處理后的結(jié)果顯示在液晶屏上。 管腳P0.0-P0.7、 P2.0、 P2.5-P2.7、 P3.6、 P3.7與U盤模塊相連,將結(jié) 果通過并行的方式存儲到U盤中。管腳P3.0、 P3.1與串口通訊芯片 MAX232相連,將超聲波測距模塊測量到的距離送入單片機中??傊?整個電路的協(xié)調(diào)工作都是由單片機來控制完成的。
權(quán)利要求
1、 一種光譜反射率測量裝置,其特征在于所述光譜反射率測 量裝置包由光學單元、控制單元和超聲波測距單元三個部分組成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光譜反射率測量裝置,其特征在于 在所述光學單元內(nèi)有四個光傳輸?shù)耐ǖ溃糜跍y量太陽輻射的光強兩 個上通道,用于測量冠層反射的光的強度兩個下通道,所述上、下對 應(yīng)的兩個通道內(nèi)有相同波長的濾光片和相同材料制成的光敏器件。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光譜反射率測量裝置,其特征在于 所述兩個濾光片的中心波長分別是610nm和1220nm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光譜反射率測量裝置,其特征在于 所述兩個上通道采用了余弦散射體作為光學窗口,所述兩個下通道釆 用的是K9材料制成的光學玻璃作為窗口。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光譜反射率測量裝置,其特征在于 所述光學單元體有兩部分組成,兩部分單元體之間用螺釘連接,光學 單元體的一端是光學窗口,相隔一段內(nèi)孔距離后裝有濾光片和平凸透 鏡,在所述濾光片和平凸透鏡的兩側(cè)加裝有密封墊圈,在光學單元體 的另一端平凸透鏡焦點處裝有光敏器件。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的光譜反射率測量裝置,其特征在于 所述光敏器件是Si光電池或是InGaAs光電二極管。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光譜反射率測量裝置,其特征在于 所述控制單元是由傳感器連接放大器、連接數(shù)\模轉(zhuǎn)換器、連接單片 機,所述單片機在連接U盤、液晶顯示器、鍵盤。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光譜反射率測量裝置,其特征在于 所述超聲波測距單元是基于壓電原理的超聲波傳感模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光譜反射率測量裝置,其包括光學單元、控制單元和超聲波測距單元三個部分。光學單元內(nèi)有四個光傳輸?shù)耐ǖ?,兩個上通道采用了余弦散射體作為光學窗口,兩個下通道用的是K9材料光學玻璃窗口。光學單元體的一端是光學窗口,濾光片和平凸透鏡,濾光片和平凸透鏡的兩側(cè)裝有密封墊,在光學單元體的另一端平凸透鏡焦點處裝有光敏器件??刂茊卧▊鞲衅?、放大器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、單片機、U盤、液晶顯示器、鍵盤等。超聲波測距單元由基于壓電原理的超聲波傳感模塊等組成。本發(fā)明實現(xiàn)了在測量作物冠層反射光的同時對太陽輻射光進行測量,簡化了測量的操作步驟,并自動保持測量高度的一致。
文檔編號G01N21/25GK101144778SQ200710119080
公開日2008年3月19日 申請日期2007年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月19日
發(fā)明者剛 劉, 笛 崔, 張喜杰, 曹衛(wèi)星, 艷 朱, 李民贊, 汪懋華 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學