《一种用于作物生长信息监测的光路系统.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种用于作物生长信息监测的光路系统.pdf（8页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103674855 A (43)申请公布日 2014.03.26 CN 103674855 A (21)申请号 201310689113.2 (22)申请日 2013.12.13 G01N 21/25(2006.01) (71)申请人 南京农业大学 地址 211225 江苏省南京市溧水区白马镇国 家农业科技园南京农业大学基地 (72)发明人 曹卫星 倪军 卢少林 朱艳 姚霞 (74)专利代理机构 南京天华专利代理有限责任 公司 32218 代理人 徐冬涛 蒋真 (54) 发明名称 一种用于作物生长信息监测的光路系统 (57) 摘要 一种用于作物生长信息监测的光路系统，。
2、 其 特征是包括自主光源系统、 两路光谱信号采集系 统和精确测高系统 ； 所述两路自主光源系统、 两 路光谱信号采集系统和一套精确测高系统均位于 竖直位置， 三系统构成直线型结构， 所述两路自主 光源系统分别产生 730nm 与 810nm 两种波段调制 光信号照射作物冠层叶片， 所述精确测高系统简 便、 快速、 直观的确定监测装置与作物冠层的测量 高度。本发明的自主光源系统采用中心波段 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 ； 光谱信号采集系统采用特征中心波段 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。
3、， 加工简单， 成本经济。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103674855 A CN 103674855 A 1/1 页 2 1. 一种用于作物生长信息监测的光路系统， 其特征是包括自主光源系统、 两路光谱信 号采集系统和精确测高系统 ； 所述自主光源系统 （2） 输出光照射被监测的作物冠层叶片 （4） ， 所述光谱信号采集系统 （3） 采集被测作物冠层叶片 （4） 对自主光源系统 （2） 出射光的 反射光信号 ； 两路光谱信。
4、号采集系统 （3） 和一套精确测高系统均位于竖直位置， 三系统构 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系统， 其特征是所述自主 光源系统包括 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系统， 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。
5、 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系统， 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系统， 其特征是所述两路 光谱信号采集系统的结构相同。
6、， 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系统， 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系统， 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系。
7、统， 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系统， 其特征是所述精确 测高系统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系统， 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。
8、） 出射光线与水平方向的角度 （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。 权 利 要 求 书 CN 103674855 A 2 1/4 页 3 一种用于作物生长信息监测的光路系统 技术领域 0001 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系统， 尤其涉及基于主动光源的作 物生长信息无损监测的光路系统。 背景技术 0002 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。
9、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。 0003 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 SpectroSense。
10、2 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 Crop Circle ACS-470 手持式光谱仪， 美国 GreenSeeker 公司生产 的 GreenSeeker 手持式光谱仪。 0004 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。
11、结果的准确性， 关于光路系统的详细设计未见其相关报道。 0005 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) 测定系统， 提出了其光路系统的设计方法， 但未见其关于结构设计与具体实现的相 关报道。 0006 光路系统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。 0007 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。
12、处理与分析。 发明内容 0008 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系统。该光路系统能够实现 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 说 明 书 CN 103674855 A 3 2/4 页 4 理调控提供了数据来源。 0009 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 ： 0010 一种用于作物生长信息监测的光路系统， 其特征是包括自。
13、主光源系统、 两路光谱 信号采集系统和精确测高系统 ； 所述自主光源系统 2 输出光照射被监测的作物冠层叶片 4， 所述光谱信号采集系统 3 采集被测作物冠层叶片 4 对自主光源系统 2 出射光的反射光信 号 ； 两路光谱信号采集系统 3 和一套精确测高系统均位于竖直位置， 三系统构成直线型结 构， 0011 所述自主光源系统包括 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。 0012 所述 LED 阵列 5 分别由中心波长为 730nm 的 LED10、 中心波长为 8。
14、10nm 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。 0013 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。 0014 所述两路光谱信号采集系统的结构相同， 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。
15、测器 阵列 12。 0015 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。 0016 所述滤光片 14 的中心波长分别为 730nm 与 810nm， 带宽均为 10nm。 0017 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。 0018 所述精确测高系统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 ； 0019 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。
16、距 离 L16 固定， 激光灯 17 出射光线与水平方向的角度 19 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。 0020 本发明的有益效果 ： 0021 1、 本发明的一种用于作物生长信息监测的光路系统采用特定中心波长 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。 0022 2、 本发明的一种用于作物生长信息监测的光路系统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。
17、集系统接收光信号的信噪比、 稳定性。 0023 3、 本发明的一种用于作物生长信息监测的光路系统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。 0024 4、 本发明的一种用于作物生长信息监测的光路系统采用光电二极管阵列作为光 说 明 书 CN 103674855 A 4 3/4 页 5 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 保证光路系统的稳定性和可靠性。 0025 5、 。
18、本发明的一种用于作物生长信息监测的光路系统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系统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 0026 图 1 为本发明的用于作物生长信息监测的光路系统的结构示意图。 0027 图 2 为本发明的用于作物生长信息监测的光路系统中的自主光源系统的结构示 意图。 0028 图 3 为本发明的用于作物生长信息监测的光路系统中的光谱信号采集系统的结 构示意图。 0029 图 4 为本发明的用于作物生长信息监测的光路系统中的精确测高系统的结构示 意图。 0030 图中 ： 1. 激光测高系统、 2. 自主光源系统。
19、、 3. 光谱信号采集系统、 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 、 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 0031 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 ： 0032 如图 1， 。
20、一种用于作物生长信息监测的光路系统， 包括自主光源系统、 两路光谱信 号采集系统和精确测高系统 ； 所述自主光源系统 2 输出光照射被监测的作物冠层叶片 4， 所 述光谱信号采集系统 3 采集被测作物冠层叶片 4 对自主光源系统 2 出射光的反射光信号， 精确测高系统 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 集系统和一套精确测高系统均位于竖直位置， 三系统构成直线型结构， 0033 如图 2， 所述自主光源系统包括特定中心波长 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。
21、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。 0034 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。 0035 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。
22、， 第二透镜 8 输出光线为一条形光束。 0036 如图 3， 所述两路光谱信号采集系统的结构相同， 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。 说 明 书 CN 103674855 A 5 4/4 页 6 0037 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。 0038 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。 0039 如图 3， 所述光电探测器阵列选用三行两。
23、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。 0040 如图 4， 所述精确测高系统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 ； 0041 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 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。 0042 本发明光路系统的工作原理如下 ： 0043 730nm 和 810n。
24、m 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。 0044 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。 0045 第一透镜起着聚光的作用， 尽可能的聚集特定中心波长 L。
25、ED 产生的光谱信号， 提 高光源系统出射光强度 ； 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。 0046 光谱信号采集系统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。
26、， 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。 0047 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 系统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 恒定， 根据 只有在高度 H 为 ： 0048 0049 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。 说 明 书 CN 103674855 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103674855 A 7 2/2 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103674855 A 8 。