光譜反射率測量裝置的製作方法

2023-07-12 10:36:21

專利名稱：光譜反射率測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種傳感技術與光譜測量技術，尤其用於農作物生長 狀況的光譜測量技術。
技術背景植被長勢、營養等信息能夠反映在光譜反射率上，基於光譜學原理的歸一化差異植被指數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 廣泛用於大田作物長勢檢測。這類光譜指數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，是目前應用最為廣泛的植被指數。作物的光譜反射率測量有多種方法。美國ASD (Analytical Spectral Devices )公司生產用於測量地物光譜反射率的系列光譜輻射 儀，包括全光譜可攜式光譜分析儀(波長範圍350-2500nm)以及 手持可攜式光譜分析儀(波長範圍300- 1100nm)等，這些儀器測 量精度和光譜解析度都很高，但它們的色散元件都是採用全息反射光 柵，使得儀器價格昂貴，適用於研究但不適用於生產。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，然後計算 NDVI值以判斷大田作物長勢檢測儀。但野外使用的可攜式光譜儀， 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的儀器在現場進行測試，費工費時十分不便，迫切需要開 發一種手持式大田作物長勢檢測儀，其重量輕，適合於手持，觀場測 試時能直接判斷作物生長狀態。所謂基於近地遙感技術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。該方法由於測量 設備不與植物發生直接接觸，因此可以實現真正的無損、實時測量。 發明內容本發明的目的在於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，利用本發明的 光譜反射率測量裝置，可直接獲得作物植被指數以判斷作物長勢。本發明的技術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。本發明在所述光學單元內有四個光傳輸的通道，用於測量太陽輻 射的光強兩個上通道，用於測量冠層反射的光的強度兩個下通道，所 述上、下對應的兩個通道內有相同波長的濾光片和相同材料製成的光 敏器件。本發明所述的兩個濾光片的中心波長分別是610nm和1220nm。 本發明所述兩個上通道釆用了餘弦散射體作為光學窗口，所述兩 個下通道釆用的是K9材料製成的光學玻璃作為窗口。本發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，相隔一段內孔距離後裝有濾光 片和平凸透鏡，在所述濾光片和平凸透鏡的兩側加裝有密封墊圈，在 光學單元體的另一端平凸透鏡焦點處裝有光敏器件。本發明所述光敏器件是Si光電池或是InGaAs光電二極體。 本發明所述控制單元是由傳感器連接放大器、連接數\模轉換器、 連接單片機，所述單片機再連接U盤、液晶顯示器、鍵盤。本發明所述的超聲波測距單元是基於壓電原理的超聲波傳感模塊。本發明所產生的技術效果是1、 反射光與輻射光的同時測量本發明實現了在測量作物冠層 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、 傳感器通道的設計本發明獨立設計了釆集太陽輻射光和作 是在光學器件選擇，還是在光學通道內部結構、 尺寸的設計方面都具有獨到之處。3、 測光室的密封性本發明設計了密閉的光室，避免了其他雜 散光的影響，保證了測量結果的準確性。4、 測光波長的有效性基於本發明所提出的測光波長所建立的 作物歸 一 化植被指數，可以有效地反映作物長勢狀態信息。5、 智能化監控與數據處理軟體作物長勢檢測儀能夠準確測量 作物的歸一化植被指數，還能根據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數據存儲功能本發明具備了 USB數據存儲功能，實現了大量數據的快速存儲，並且方便快捷。7、 測量距離的一致性本發明根據超聲波測距原理，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， 從而實現了儀器測量範圍的一致性。8、 搡作簡單本發明操作簡單、安全，數據採集控制單元體積 較小，方便安裝，很適於農田現場使用。


圖l儀器總體結構圖；圖2光學單元通道的結構圖；圖3數據釆集和處理單元的原理框圖；圖4儀器電源轉換原理圖；圖5放大電路原理圖；圖6A/D轉換電路原理圖；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
下面結合附圖對本發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內有四個光傳輸的通道，上面兩 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、下對應的兩個通道(通 道1與4、通道2與3)內有相同波長的濾光片40和相同材料製成的 光敏器件60。為了避免太陽角度對測量產生的影響，上面兩個通道 釆用了餘弦散射體作為光學窗口 20。而下面的兩個通道由於測量的 是作物反射的光，所以採用的是K9材料製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換成電信號，轉換後的電信號再被送到 控制單元進行後續的處理。超聲波模塊200固定在光學單元100內， 與光學單元一起被固定在一個直杆上，雙手舉起直杆將光學單元置於 作物上方，當儀器與冠層之間的距離與預先設定的高度相同時，控制 器就會發出蜂鳴聲，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，從而保證了測量範圍 的一致性。圖2是儀器光學單元通道的結構圖。從圖2中可以看出每個通道內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，並固定在光學單元100內。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器件損壞，所以在濾光片40 和平凸透鏡50的前後都放了橡膠墊圈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。由於光 敏器件上光敏面的面積很小，因此接收到的光強就很小，轉換成的電 流也就很微弱，不便於後續的處理。為了增強光敏器件接收到的太陽 光的強度，設計中使用了透鏡將射入通道內的光進行匯聚，並通過 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光電二極體。光敏 器件放置在平凸透鏡的焦點上。h4和d5的長度是根據光敏器件的高 度和直徑而定的。當通道內放置的光敏器件是Si光電池時，h4和 d5的長度分別為3.2mm、7.6mm;當通道內放置的光敏器件是InGaAs 光電二極體時，h4和d5的長度分別為3.25mm、 4.7mm。圖3是數據採集和處理單元的原理框圖。數據釆集和處理單元包 括信號放大電路、數\模(A/D)轉換器、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，然後將此測量值通過串口送入單片機中，若測 量值與預設值相等時，控制器發出蜂鳴聲，此時就可以開始測量。採 集時光敏器件將接收到的光信號轉換為電信號，再經過放大器進行放 大，然後傳送給數\模(A/D)轉換器，將模擬信號轉換成數位訊號， 單片機再進行處理運算，最後將結果顯示在液晶屏上，還可以將數據 通過USB 口存儲到U盤中。
圖4是儀器電源轉換原理圖。儀器使用8.4V、 200mAh的電池供 電的。晶片7805可將+8.4V的電源電壓轉換成+5V的電壓(VCC) 為A/D轉換晶片、單片機、U盤模塊、液晶模塊、串口通訊晶片供 電。VCC再經過電源模塊A0505S/D-1W，將輸入為+5V的電壓轉換 成士5V的電壓輸出，為放大晶片供電。圖5是本設計中通道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經過放大以 後的輸出信號。本設計所釆用放大器是儀表放大器晶片INA128。該 晶片具有很高的精度，低噪聲，低輸入偏置電流、低功耗，而且使用 方法簡便。R2是一個可調電位器，通過調節R2就可以獲得1 - 10000 的增益。圖6是數Mt(A/D)轉換電路用於將傳感器輸出的模擬信號轉換 成單片機可以處理的數位訊號。本發明有四路信號需要處理，並且為 了保證信號的檢測精度，所以選用具有8通道的12位A/D轉換晶片 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管腳是串行數據的輸入、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，在內部時鐘模式下，開始A/D轉換時，SSTRB變低； 當轉換完成時，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才能開始進行模數轉換。管腳 19是串行時鐘輸入，與單片機的P1.1口連接。由於本發明選用的是外 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 ， 設置為下跳沿觸發，有必要進行去抖動處理。本發明釆用與非門構成 RS觸發器，解決了按鍵抖動的問題。圖8是超聲波測距模塊所測得數值通過串口通訊的方式送入單片 機中，此處所選用的晶片是MAX232。其中晶片的12、 IO管腳分別 與單片機的串行輸入、輸出口相連。圖9是液晶顯示電路用於顯示系統的工作狀態以及測量的結果。管腳3和18兩端外接一個可調電位器，用於亮度調節。Dl用於分壓， 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、讀寫數據起始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。本發明選用的是並行的 工作方式。D0-D7是8位雙向數據總線；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是主控單元用於實現數據處理、外設控制。其他外圍電路有 時鐘電路、復位電路和按鍵去抖電路。如圖11和圖7所示。涉及的外 設包括A/D轉換模塊、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轉換模塊相連，用於控制模數轉換的工作。管腳 P1.5-P1.7與液晶接口相連，將單片機處理後的結果顯示在液晶屏上。 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 果通過並行的方式存儲到U盤中。管腳P3.0、 P3.1與串口通訊晶片 MAX232相連，將超聲波測距模塊測量到的距離送入單片機中。總之， 整個電路的協調工作都是由單片機來控制完成的。
權利要求
1、 一種光譜反射率測量裝置，其特徵在於所述光譜反射率測 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、 根據權利要求l所述的光譜反射率測量裝置，其特徵在於 在所述光學單元內有四個光傳輸的通道，用於測量太陽輻射的光強兩 個上通道，用於測量冠層反射的光的強度兩個下通道，所述上、下對 應的兩個通道內有相同波長的濾光片和相同材料製成的光敏器件。
3、 根據權利要求2所述的光譜反射率測量裝置，其特徵在於 所述兩個濾光片的中心波長分別是610nm和1220nm。
4、 根據權利要求2所述的光譜反射率測量裝置，其特徵在於 所述兩個上通道採用了餘弦散射體作為光學窗口，所述兩個下通道釆 用的是K9材料製成的光學玻璃作為窗口。
5、 根據權利要求2所述的光譜反射率測量裝置，其特徵在於 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，相隔一段內孔距離後裝有濾光片和平凸透 鏡，在所述濾光片和平凸透鏡的兩側加裝有密封墊圈，在光學單元體 的另一端平凸透鏡焦點處裝有光敏器件。
6、 根據權利要求4所述的光譜反射率測量裝置，其特徵在於 所述光敏器件是Si光電池或是InGaAs光電二極體。
7、 根據權利要求l所述的光譜反射率測量裝置，其特徵在於 所述控制單元是由傳感器連接放大器、連接數\模轉換器、連接單片 機，所述單片機在連接U盤、液晶顯示器、鍵盤。
8、 根據權利要求l所述的光譜反射率測量裝置，其特徵在於 所述超聲波測距單元是基於壓電原理的超聲波傳感模塊。
全文摘要
本發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。光學單元內有四個光傳輸的通道，兩個上通道採用了餘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。控制單元包括傳感器、放大器、數/模轉換器、單片機、U盤、液晶顯示器、鍵盤等。超聲波測距單元由基於壓電原理的超聲波傳感模塊等組成。本發明實現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，並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 優先權日2007年6月19日
發明者剛 劉, 笛 崔, 張喜傑, 曹衛星, 豔 朱, 李民贊, 汪懋華 申請人:中國農業大學