一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)，其特征是包括自主光源系統(tǒng)、兩路光譜信號(hào)采集系統(tǒng)和精確測(cè)高系統(tǒng)；所述兩路自主光源系統(tǒng)、兩路光譜信號(hào)采集系統(tǒng)和一套精確測(cè)高系統(tǒng)均位于豎直位置，三系統(tǒng)構(gòu)成直線型結(jié)構(gòu)，所述兩路自主光源系統(tǒng)分別產(chǎn)生730nm與810nm兩種波段調(diào)制光信號(hào)照射作物冠層葉片，所述精確測(cè)高系統(tǒng)簡(jiǎn)便、快速、直觀的確定監(jiān)測(cè)裝置與作物冠層的測(cè)量高度。本發(fā)明的自主光源系統(tǒng)采用中心波段LED采用均勻混合排列，光源輸出光信號(hào)均勻性好、監(jiān)測(cè)精度高；光譜信號(hào)采集系統(tǒng)采用特征中心波段濾光片去除反射光中的非特征波段光信號(hào)，減小外部光信號(hào)干擾，提高有效信噪比；光學(xué)元件少而簡(jiǎn)單，加工簡(jiǎn)單，成本經(jīng)濟(jì)。
【專利說明】一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于作物生長(zhǎng)信息智能檢測(cè)領(lǐng)域，專用于農(nóng)田作物生長(zhǎng)信息的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便、無損獲取。涉及一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)，尤其涉及基于主動(dòng)光源的作物生長(zhǎng)信息無損監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，大田作物生長(zhǎng)信息的實(shí)時(shí)、快速、無損獲取能夠?yàn)檗r(nóng)田作物的精確管理提供數(shù)據(jù)支撐。傳統(tǒng)的大田作物取樣、烘樣和化學(xué)分析等操作方法獲取作物生長(zhǎng)信息具有耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用昂貴、破壞性等缺點(diǎn)，且只能在特定的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室才能進(jìn)行分析處理，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的專業(yè)要求嚴(yán)格。隨著高光譜技術(shù)的迅速發(fā)展，基于光譜特性的無損監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦石探測(cè)、國土資源普查、湖泊水質(zhì)檢測(cè)和農(nóng)業(yè)遙感等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。
[0003]基于光譜特性的無損監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有基于被動(dòng)光源與基于主動(dòng)光源兩種裝置?；诒粍?dòng)光源即采用日光作為光源，采用被動(dòng)光源的已有裝置如美國ASD公司生產(chǎn)的FieldSpec4背掛式地物光譜儀、FieldSpec HandHeId2手持式地物光譜儀，英國SKYE公司生產(chǎn)的SpectroSense2地表植物光譜儀等。由于日光穩(wěn)定性易受天氣的影響，往往監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性較低；基于主動(dòng)光源即采用自主光源技術(shù)，消除日光不穩(wěn)定的影響，從而使監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性大幅度提高。采用主動(dòng)光源的已有裝置如美國Hollandscientific公司生長(zhǎng)的Crop Circle ACS-470手持式光譜儀,美國GreenSeeker公司生產(chǎn)的GreenSeeker手持式光譜儀。
[0004]中國專利201310180901.9公開了一種主動(dòng)光源式作物冠層反射光譜測(cè)量裝置及方法，提出了不同尺度冠層的光譜反射測(cè)量的方法，但因其光源出射光的發(fā)散特性，限制了其監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，關(guān)于光路系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)未見其相關(guān)報(bào)道。
[0005]國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心研制一款基于主動(dòng)光源的歸一化植被指數(shù)(NDVI)測(cè)定系統(tǒng)，提出了其光路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，但未見其關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與具體實(shí)現(xiàn)的相關(guān)報(bào)道。
[0006]光路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于主動(dòng)光源的作物生長(zhǎng)信息無損監(jiān)測(cè)裝置的關(guān)鍵技術(shù)。在基于主動(dòng)光源的作物生長(zhǎng)信息無損監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)中，主動(dòng)光源的能量與日光的能量相比要小得多，不能直接應(yīng)用光照度傳感器進(jìn)行測(cè)量。
[0007]因此，需要設(shè)計(jì)特定的光路結(jié)構(gòu)，對(duì)光源輸出進(jìn)行相應(yīng)的聚光操作，對(duì)采集的反射光需要采用相應(yīng)的聚光、濾光操作，使其輸出光譜便于后級(jí)裝置的處理與分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種監(jiān)測(cè)精度高、無機(jī)械運(yùn)動(dòng)、性能穩(wěn)定、不受天氣因素制約的用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)。該光路系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)作物冠層特征敏感波段反射光強(qiáng)度的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲取，采用標(biāo)準(zhǔn)反射率校正方法、耦合作物冠層光譜數(shù)據(jù)-生長(zhǎng)信息模型從而實(shí)現(xiàn)作物生長(zhǎng)信息的無損監(jiān)測(cè)，為大田農(nóng)作物的精確管理調(diào)控提供了數(shù)據(jù)來源。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0010]一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)，其特征是包括自主光源系統(tǒng)、兩路光譜信號(hào)采集系統(tǒng)和精確測(cè)高系統(tǒng)；所述自主光源系統(tǒng)2輸出光照射被監(jiān)測(cè)的作物冠層葉片4，所述光譜信號(hào)采集系統(tǒng)3采集被測(cè)作物冠層葉片4對(duì)自主光源系統(tǒng)2出射光的反射光信號(hào)；兩路光譜信號(hào)采集系統(tǒng)3和一套精確測(cè)高系統(tǒng)均位于豎直位置，三系統(tǒng)構(gòu)成直線型結(jié)構(gòu)，
[0011]所述自主光源系統(tǒng)包括LED陣列5、第一透鏡7、第二透鏡8和保護(hù)玻璃9 ；LED陣列5產(chǎn)生近似平行光，出射光分別經(jīng)過第一透鏡7、第二透鏡8和保護(hù)玻璃9。
[0012]所述LED陣列5分別由中心波長(zhǎng)為730nm的LED10、中心波長(zhǎng)為810nm的LEDll各13只LED6均勻混合兩行排列所組成，能產(chǎn)生730nm與810nm均勻混合光譜，其中單個(gè)LED6的直徑為3mm。
[0013]所述第一透鏡7與第二透鏡8均為條形凸透鏡，第一透鏡7的尺寸為20mm*40mm，第二透鏡8的尺寸為10mm*40mm，第一透鏡7的右焦點(diǎn)與第二透鏡8左焦點(diǎn)重合，第二透鏡8輸出光線為一條形光束。
[0014]所述兩路光譜信號(hào)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相同，都包括第三透鏡15、特定中心波長(zhǎng)濾光片14和光電探測(cè)器陣列12 ;沿光入射光路依次經(jīng)過第三透鏡15、濾光片14和光電探測(cè)器陣列12。
[0015]所述第三透鏡15為圓形凸透鏡,其直徑為25.5mm,厚度為IOmm,焦距為25mm。
[0016]所述濾光片14的中心波長(zhǎng)分別為730nm與810nm,帶寬均為10nm。
[0017]所述光電探測(cè)器陣列選用三行兩列共6只光電二極管13組成的光電二極管陣列，光電探測(cè)器陣列12放置于第三透鏡15焦點(diǎn)處，單個(gè)光電二極管的直徑為3mm。
[0018]所述精確測(cè)高系統(tǒng)包括兩只紅色微型激光燈17與外殼18組成；所述外殼18用于固定兩只激光燈；
[0019]所述兩只紅色微型激光燈17完全相同，輸出光線呈紅色點(diǎn)狀，兩激光燈之間的距離L16固定，激光燈17出射光線與水平方向的角度Θ 19固定，從而保證儀器處于固定測(cè)量高度H20時(shí)，兩激光燈出射光斑21重合。
[0020]本發(fā)明的有益效果:
[0021]1、本發(fā)明的一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)采用特定中心波長(zhǎng)LED陣列作為發(fā)光部件；特定中心波長(zhǎng)LED陣列具有易于調(diào)制、發(fā)光強(qiáng)度高、光譜均勻性與穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。
[0022]2、本發(fā)明的一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)采用第一透鏡與第二透鏡組合的組合透鏡方式；LED陣列所發(fā)出的光線經(jīng)過組合透鏡后能形成光譜均勻性好、光照強(qiáng)度高的條形調(diào)制光線，能有效提高光譜信號(hào)采集系統(tǒng)接收光信號(hào)的信噪比、穩(wěn)定性。
[0023]3、本發(fā)明的一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)采用特定中心波長(zhǎng)濾光片作為光譜波段選擇部件；特定中心波長(zhǎng)濾光片可有效去除入射光中的非特定中心波長(zhǎng)光信號(hào)，防止光電探測(cè)器因光飽和而無法轉(zhuǎn)換有效的調(diào)制光譜信號(hào)，并可有效去除光信號(hào)中的高頻電磁波干擾信號(hào)。
[0024]4、本發(fā)明的一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)采用光電二極管陣列作為光電探測(cè)器；光電二極管具有頻率特性好、靈敏度高、噪聲低、光電轉(zhuǎn)換效率高等特性，可有效保證光路系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
[0025]5、本發(fā)明的一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)采用雙激光光斑重合的精確測(cè)高方式；雙激光光斑重合的精確測(cè)高系統(tǒng)能滿足作物冠層特殊性要求，具有直觀、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確性好等優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明的用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2為本發(fā)明的用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)中的自主光源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖3為本發(fā)明的用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)中的光譜信號(hào)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖4為本發(fā)明的用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)中的精確測(cè)高系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖中:1.激光測(cè)高系統(tǒng)、2.自主光源系統(tǒng)、3.光譜信號(hào)采集系統(tǒng)、4.作物冠層葉片、5.LED陣列、6.單個(gè)LED、7.第一透鏡、8.第二透、9.保護(hù)玻璃、10.中心波長(zhǎng)為730nm的LEDU1.中心波長(zhǎng)為810nm的LED、12.光電二極管陣列、13.單個(gè)光電二極管、14.濾光片、
15.第三透鏡、16.兩激光燈之間的距離L、17.激光燈、18.外殼、19.激光燈出射光線與水平方向的夾角θ、20.測(cè)量高度Η、21.兩激光燈出射光線重合光斑。
【具體實(shí)施方式】
[0031]為了更好的實(shí)施和理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
[0032]如圖1，一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)，包括自主光源系統(tǒng)、兩路光譜信號(hào)采集系統(tǒng)和精確測(cè)高系統(tǒng)；所述自主光源系統(tǒng)2輸出光照射被監(jiān)測(cè)的作物冠層葉片4，所述光譜信號(hào)采集系統(tǒng)3采集被測(cè)作物冠層葉片4對(duì)自主光源系統(tǒng)2出射光的反射光信號(hào)，精確測(cè)高系統(tǒng)I簡(jiǎn)便、快速、直觀的確定監(jiān)測(cè)裝置與作物冠層的測(cè)量高度。兩路光譜信號(hào)采集系統(tǒng)和一套精確測(cè)高系統(tǒng)均位于豎直位置，三系統(tǒng)構(gòu)成直線型結(jié)構(gòu)，
[0033]如圖2，所述自主光源系統(tǒng)包括特定中心波長(zhǎng)LED陣列5、第一透鏡7、第二透鏡8和保護(hù)玻璃9 ;特定中心波長(zhǎng)LED陣列5產(chǎn)生近似平行光，出射光分別經(jīng)過第一透鏡7、第二透鏡8、保護(hù)玻璃9，保護(hù)玻璃9用于保護(hù)透鏡免受物理、化學(xué)損壞。
[0034]如圖2，所述特定中心波長(zhǎng)的LED陣列(5)分別由中心波長(zhǎng)為730nm的LED (10)、中心波長(zhǎng)為810nm的LED (11)各13只LED6均勻混合兩行排列所組成，能產(chǎn)生730nm與810nm均勻混合光譜，其中單個(gè)LED (6)的直徑為3mm。
[0035]所述第一透鏡7與第二透鏡8均為條形凸透鏡，第一透鏡7的尺寸為20mm*40mm，第二透鏡8的尺寸為10mm*40mm，第一透鏡7的右焦點(diǎn)與第二透鏡8左焦點(diǎn)重合，第二透鏡8輸出光線為一條形光束。
[0036]如圖3，所述兩路光譜信號(hào)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相同，都包括第三透鏡15、特定中心波長(zhǎng)濾光片14和光電探測(cè)器陣列12 ;沿光入射光路依次經(jīng)過第三透鏡15、特定中心波長(zhǎng)濾光片14和光電探測(cè)器陣列12。[0037]所述第三透鏡15為圓形凸透鏡，其直徑為25.5mm，厚度為10mm，焦距為25mm。
[0038]所述特定中心波長(zhǎng)濾光片14的中心波長(zhǎng)分別為730nm與810nm，帶寬均為10nm。
[0039]如圖3，所述光電探測(cè)器陣列選用三行兩列共6只光電二極管13組成的光電二極管陣列，光電探測(cè)器陣列12放置于第三透鏡15焦點(diǎn)處，單個(gè)光電二極管的直徑為3mm。
[0040]如圖4，所述精確測(cè)高系統(tǒng)包括兩只紅色微型激光燈17與外殼18組成；所述外殼18用于固定兩只激光燈；
[0041]所述兩只紅色微型激光燈17完全相同，輸出光線呈紅色點(diǎn)狀，兩激光燈之間的距離L16固定，激光燈17出射光線與水平方向的角度Θ 19固定，從而保證儀器處于固定測(cè)量高度H 20時(shí)，兩激光燈出射光斑21重合。
[0042]本發(fā)明光路系統(tǒng)的工作原理如下:
[0043]730nm和810nm波段光譜是作物冠層葉片的敏感波段，作物冠層葉片對(duì)730nm和SlOnm波段光譜的反射光譜中負(fù)載了作物冠層葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)與組分信息，通過檢測(cè)作物冠層葉片的730nm與SlOnm光譜反射信息，即可反演作物生長(zhǎng)信息。
[0044]前級(jí)調(diào)制電路產(chǎn)生頻率固定的調(diào)制信號(hào)控制LED驅(qū)動(dòng)電路點(diǎn)亮特定中心波長(zhǎng)LED，其中心波長(zhǎng)為730nm和810nm，產(chǎn)生強(qiáng)度恒定的、被調(diào)制的730nm、8 IOnm光譜信號(hào)，730nm和SlOnm光譜信號(hào)經(jīng)過第一透鏡、第二透鏡和保護(hù)玻璃后照射于作物冠層葉片。
[0045]第一透鏡起著聚光的作用，盡可能的聚集特定中心波長(zhǎng)LED產(chǎn)生的光譜信號(hào)，提高光源系統(tǒng)出射光強(qiáng)度；第二透鏡起著光線準(zhǔn)直的作用，將第一途徑聚集后的光譜信號(hào)調(diào)整為平行光信號(hào)，提高自主光源輸出光譜信號(hào)的利用率。
[0046]光譜信號(hào)采集系統(tǒng)接收作物冠層葉片對(duì)730nm、810nm波段的反射光譜信號(hào)，730nm、810nm波段反射光譜信號(hào)分別經(jīng)過第三透鏡、特定中心波長(zhǎng)濾光片，其中心波長(zhǎng)為730nm或810nm，被光電探測(cè)器采集轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過后級(jí)電路處理得出作物冠層葉片對(duì)730nm、810nm反射光譜信息。因自主光源輸出光譜信號(hào)強(qiáng)度恒定，通過建模得出作物冠層葉片對(duì)730nm、810nm光譜的反射率，融合冠層反射光譜信息一作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)模型進(jìn)而求出作物的生長(zhǎng)信息。
[0047]自主光源產(chǎn)生的光譜信號(hào)強(qiáng)度有限，測(cè)量的高度的變化會(huì)影響到光譜信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)反射光譜信息的采集，因此本發(fā)明采用固定高度的采集方式。由于作物冠層的特殊性，本發(fā)明采用雙激光重合方法；兩激光燈之間的距離L恒定，出射角Θ恒定，根據(jù)
【權(quán)利要求】
1.一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)，其特征是包括自主光源系統(tǒng)、兩路光譜信號(hào)采集系統(tǒng)和精確測(cè)高系統(tǒng)；所述自主光源系統(tǒng)(2)輸出光照射被監(jiān)測(cè)的作物冠層葉片(4)，所述光譜信號(hào)采集系統(tǒng)(3)采集被測(cè)作物冠層葉片(4)對(duì)自主光源系統(tǒng)(2)出射光的反射光信號(hào)；兩路光譜信號(hào)采集系統(tǒng)(3)和一套精確測(cè)高系統(tǒng)均位于豎直位置，三系統(tǒng)構(gòu)成直線型結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)，其特征是所述自主光源系統(tǒng)包括LED陣列(5)、第一透鏡(7)、第二透鏡(8)和保護(hù)玻璃(9);LED陣列(5)產(chǎn)生近似平行光，出射光分別經(jīng)過第一透鏡(7)、第二透鏡(8)和保護(hù)玻璃(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)，其特征是所述LED陣列(5)分別由中心波長(zhǎng)為730nm的LED (10)、中心波長(zhǎng)為81Onm的LED(Il)各13只LED6均勻混合兩行排列所組成，能產(chǎn)生730nm與810nm均勻混合光譜，其中單個(gè)LED (6)的直徑為 3mm η
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)，其特征是所述第一透鏡(7 )與第二透鏡(8 )均為條形凸透鏡，第一透鏡(7 )的尺寸為20mm*40mm，第二透鏡(8 )的尺寸為10mm*40mm，第一透鏡(7)的右焦點(diǎn)與第二透鏡(8)左焦點(diǎn)重合，第二透鏡(8)輸出光線為一條形光束。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)，其特征是所述兩路光譜信號(hào)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相同，都包括第三透鏡(15)、特定中心波長(zhǎng)濾光片(14)和光電探測(cè)器陣列(12);沿光入射光路依次經(jīng)過第三透鏡(15)、濾光片(14)和光電探測(cè)器陣列12。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)，其特征是所述第三透鏡(15)為圓形凸透鏡,其直徑為25.5mm,厚度為IOmm,焦距為25mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)，其特征是所述濾光片(14)的中心波長(zhǎng)分別為730nm與810nm，帶寬均為10nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)，其特征是所述光電探測(cè)器陣列選用三行兩列共6只光電二極管(13)組成的光電二極管陣列，光電探測(cè)器陣列(12)放置于第三透鏡(15)焦點(diǎn)處，單個(gè)光電二極管的直徑為3mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)，其特征是所述精確測(cè)高系統(tǒng)包括兩只紅色微型激光燈(17)與外殼(18)組成；所述外殼(18)用于固定兩只激光燈。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于作物生長(zhǎng)信息監(jiān)測(cè)的光路系統(tǒng)，其特征是所述兩只紅色微型激光燈(17)完全相同，輸出光線呈紅色點(diǎn)狀，兩激光燈之間的距離L (16)固定，激光燈(17)出射光線與水平方向的角度Θ (19)固定，從而保證儀器處于固定測(cè)量高度H(20)時(shí)，兩激光燈出射光斑(21)重合。
【文檔編號(hào)】G01N21/25GK103674855SQ201310689113
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】曹衛(wèi)星, 倪軍, 盧少林, 朱艷, 姚霞 申請(qǐng)人:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)