空間多光譜信息採集裝置的製作方法
2023-09-22 09:24:30 2
專利名稱：空間多光譜信息採集裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及圖像採集技術，尤其涉及一種用於農作物田間信息採集的空間多光譜信息採集裝置。
背景技術：
「精細農業」是未來農業發展的重要方向，主要包括三個方面一是採集田間農作物的長勢信息，生成作物長勢分布圖；二是獲取田間農作物生長條件的時空差異信息，例如田間地形、地貌、土壤類型、肥力和墒情等，並結合田間農作物的長勢分布信息，通過集成農作物生長發育模擬模型，投入、產出模擬模型和農作物管理專家知識庫等建立的農作物管理輔助決策支持系統，在決策者的參與下生成農作物管理、變量作業實施處方圖；三是根據農作物管理、變量作業實施處方圖生成控制命令，對農業機械的變量作業進行調整與控制， 實現農田作物精細農作管理。其中，田間信息是精細農業技術實踐中的首要環節，特別是田間農作物的長勢信息的獲取尤為重要，其是進行精細農業的基礎。目前，用於獲取田間農業作物長勢信息的信息採集裝置主要包括兩大類高光譜解析度信息採集裝置和高空間解析度信息採集裝置和高光譜解析度信息採集裝置，其中， 高光譜解析度信息採集裝置是採用高光譜傳感器進行信息的採集，高光譜傳感器雖然能較完整的測量出光譜曲線，但每次僅能測量空間的一個點，效率較低，難以滿足田間農作物長勢信息這種大量測量的需要。高空間解析度信息採集裝置主要包括普通的消費性相機和用於衛星的航拍儀器，這類信息採集裝置可以實現較大的空間解析度，但是，其僅能對可見光部分的波段進行響應，而無法對近紅外波段進行有效測量，使得在田間農作物長勢信息分析時，可靠性較差，結果不準確，且採用衛星拍攝時，成本較高，信息獲取具有較大的滯後性；對於以上兩方面的不足，美國GSI公司所推出的MS3100/4100系列產品提供了一種解決方法，可一次獲得紅R、綠G、藍B、近紅外OTR等4個波段中的任意3個，該產品雖然可以得到OTR波段的信息，但是該產品所採用的分光設備的成本很高，在實際應用和推廣的過程中，將有難以預見的困難，而且最多一次只能獲得3個波段的信息，限制了一起的適用範圍；另外，美國Tetracam公司所研製了一種MCA多光譜相機，該光譜相機體積龐大，集成度低，安裝和使用上有諸多不便，且該多光譜相機接口過於單一，靈活性較差，實用性較差，成為其推廣使用的重大阻礙。綜上，現有用于田間農作物長勢信息的採集裝置要麼無法對近紅外波段的光譜信息進行採集，導致信息獲取不準確，要麼成本高，價格昂貴，信息採集量大，信息採集滯後性大，使得現有信息採集裝置的實用性較差。
發明內容
本發明提供一種空間多光譜信息採集裝置，可有效克服現有技術存在的問題，降低成本，提高空間多光譜信息採集裝置的實用性。本發明提供一種空間多光譜信息採集裝置，包括中央控制器，以及與所述中央控制器連接的第一採集電路和第二採集電路，其中所述第一採集電路包括與所述中央控制器連接的第一傳感器驅動模塊，以及與所述第一傳感器驅動模塊連接的可見光傳感器，所述可見光傳感器用於採集紅、綠、藍三個波段的空間光譜信息；所述第二採集電路包括與所述中央控制器連接的第二傳感器驅動模塊，以及與所述第二傳感器驅動模塊連接的近紅外傳感器，所述近紅外傳感器用於採集近紅外波段的空間光譜信息；所述中央控制器用於控制所述第一傳感器驅動模塊和第二傳感器驅動模塊，以驅動所述可見光傳感器和近紅外傳感器同步採集空間光譜信息。上述的空間多光譜信息採集裝置中，所述可見光傳感器為可見光CMOS傳感器；和 /或，所述近紅外傳感器為近紅外CMOS傳感器。上述的空間多光譜信息採集裝置還可包括快門按鍵輸入模塊，連接在快門按鍵和中央控制器之間，用於消除快門按鍵按下時的電平抖動，以為所述中央控制器輸入一個有效脈衝信號。上述的空間多光譜信息採集裝置還可包括SDRAM存儲模塊，與所述中央控制器連接，用於一幀空間光譜信息採集過程中進行
信息暫存；CF卡存儲模塊，與所述中央控制器連接，用於在一幀空間光譜信息採集完畢後，在所述中央控制器控制下將暫存在所述SDRAM存儲模塊的一幀空間光譜信息保存起來。上述的空間多光譜信息採集裝置中，所述中央控制器採用FPGA為核心的控制器。本發明提供的空間多光譜信息採集裝置，通過設置可見光傳感器和近紅外傳感器，並通過對該兩個傳感器進行同步控制，可在同一時刻獲得所要採集對象的紅、綠、藍和近紅外四個波段的空間光譜信息，可用于田間農作物長勢信息的採集中，空間多光譜信息採集裝置結構簡單，實現方便，成本低，且採集信息方便，可有效提高空間多光譜信息採集裝置的實用性；同時，本發明空間多光譜信息採集裝置中的中央控制器採用FPGA為核心的控制器，除可以實現採集裝置內部複雜和精密的邏輯控制以外，還可以為外部提供更加靈活多樣的控制接口和圖像傳輸接口，解決了接口部分對於多光譜相機的推廣的限制；此外， 本發明空間多光譜信息採集裝置通過採用CMOS傳感器，可有效提高圖像的解析度，減少採集裝置的功耗和圖像失真，提高信息採集的準確性和可靠性，基於本實施例裝置採集的信息可準確反應農作物的營養和長勢信息。
圖1為本發明空間多光譜信息採集裝置實施例的結構示意圖；圖2為本發明實施例中快門按鍵輸入模塊對信號進行處理的原理示意圖；圖3為本發明實施例中傳感器驅動模塊的電路原理結構示意圖；圖4為本發明實施例整體結構示意圖。
具體實施例方式為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。 圖1為本發明空間多光譜信息採集裝置實施例的結構示意圖。如圖1所示，本實施例空間多光譜信息採集裝置包括中央控制器1、第一採集電路2和第二採集電路3，所述第一採集電路2和第二採集電路3分別與中央控制器1連接，其中第一採集電路2包括第一傳感器驅動模塊21和可見光傳感器22，第一傳感器驅動模塊21與中央控制器1連接， 可見光傳感器22與第一傳感器驅動模塊21連接，該可見光傳感器22可用於採集紅、綠、藍三個波段的空間光譜信息；第二採集電路3包括第二傳感器驅動模塊31和近紅外傳感器 32，第二傳感器驅動模塊31與中央控制器1連接，近紅外傳感器32與第二傳感器驅動模塊 31連接，該近紅外傳感器32可用於採集近紅外波段的空間光譜信息；中央控制器1用於控制第一傳感器驅動模塊21和第二傳感器驅動模塊31，以分別驅動可見光傳感器22和近紅外傳感器32同步採集空間光譜信息。本實施例空間多光譜信息採集裝置可應用于田間農作物長勢信息的採集中，在進行信息採集時，可通過中央控制器1控制可見光傳感器22和近紅外傳感器32在某一時刻和地點進行信息的同步採集，獲得農作物的紅、綠、藍和近紅外四個波段的空間光譜信息，從而可利用該四個波段的空間光譜信息生成農作物長勢分布圖，以為精細農業實踐提供基礎。本實施例中，上述的可見光傳感器22和近紅外傳感器32均可為CMOS傳感器，具體地，可見光傳感器22為可見光CMOS傳感器，近紅外傳感器32為近紅外CMOS傳感器。相對於現有普遍採用CCD傳感器的信息採集裝置，採用CMOS傳感器可具有較高的空間解析度，較低的功耗和信息失真，可有效保證採集信息的準確性，同時降低能耗。可以看出，由於 CMOS傳感器具有較低的能耗，通過採用COMS傳感器進行空間光譜信息的採集，可有效提高本實施例空間多光譜信息採集裝置進行信息採集時的續航能力，可有效應用于田間農作物長勢信息的長時間採集中；同時，由於CMOS傳感器具有較高的空間解析度和較小的信息失真，使得採集的光譜信息更加準確，可更加真實準確的反應田間農作物的營養和長勢信息， 可保證精細農業技術的有效實施。本實施例中，上述的可見光CMOS傳感器和近紅外CMOS傳感器的空間解析度可為 1280*1024，以保證田間農作物信息採集時信息的準確性和可靠性。實際應用中，可根據需要設置合適的空間解析度，以滿足實際採集和分析的需要，獲得準確的農作物長勢分布圖。本實施例空間多光譜信息採集裝置的快門採用按鍵的輸入方式，以便用戶可通過按壓快門按鍵進行圖像的採集，當用戶按下快門按鍵時，快門按鍵產生的時刻和持續時間的長短是隨機不定的，且存在因開關簧片反彈引起的電平抖動現象。為此，本實施例空間多光譜信息採集裝置還設置有快門按鍵輸入模塊，以便對快門按鍵按下時產生的信號進行處理，具體地，如圖1所示，本實施例空間多光譜信息採集裝置還可包括有快門按鍵輸入模塊4，與設置在採集裝置上的快門按鍵5和中央控制器1連接，用於消除快門按鍵5按下時的電平抖動，以為中央控制器1輸入一個有效的脈衝信號，從而可有效保證快門按鍵5按下時，中央控制器1可根據該有效的脈衝信號控制各傳感器工作。本實施例中，上述的快門按鍵輸入模塊4具體可以是一個同步消抖電路，以保證採集裝置能夠捕捉到快門按鍵按下時的輸入脈衝，並保證每一次快門按鍵的按下，只形成一個有效的脈衝。圖2為本發明實施例中快門按鍵輸入模塊對信號進行處理的原理示意圖。在秒表系統中，要求得到寬度為一個外部時鐘信號elk的周期的鍵入脈衝，因此，上述的快門按鍵輸入模塊4的工作原理是每按一下快門按鍵，快門按鍵輸入模塊4將輸出一個有效的快門脈衝。具體地，如圖2所示，其中shutter為輸入快門按鍵輸入模塊的快門信號，shuttterO 為經過快門按鍵輸入模塊處理後的輸出信號，該輸出信號shutterO輸出至中央控制器；狀態控制信號shutterjempl是快門信號shutter在時鐘信號clkl的下降沿進行鎖存的鎖存信號，狀態控制信號shutter_temp2是狀態控制信號shutter_templ在時鐘信號clkl 的下降沿進行鎖存的鎖存信號，狀態控制信號ShUtter_temp3是狀態控制信號shutter_ temp2的反相信號，復位脈衝就是時鐘信號clkl、狀態控制信號shutterjempl和狀態控制信號ShUtter_temp3的邏輯與。通過對快門按鍵按下時產生的信號進行處理，可有效保證輸入到中央控制器的控制信號的準確性，從而在該控制信號作用下，中央控制器可同步控制可見光傳感器和近紅外傳感器工作，分別採集紅、綠、藍三個波段的空間光譜信息和近紅外波段的空間光譜信息。本實施例中，上述的第一傳感器驅動模塊21和第二傳感器驅動模塊31可為相同的功能模塊，具體可由核心控制模塊和波形發生模塊組成，以用於產生CMOS傳感器工作的必要波形，以及讀出COMS傳感器所採集的光譜信息，並將這些光譜信息傳輸至中央控制模塊。CMOS傳感器工作時，需要外加時鐘信號，外加時鐘信號後，CMOS傳感器會產生一個與外部輸入時鐘信號同步的像素時鐘，該像素時鐘用於同步像素信息的輸出，每一時鐘周期會有一個像素信息輸出。其中，像素的輸出採用逐行輸出的方式，在每一行像素輸出完畢之後，會產生一個低電平的行同步信號，而在一幀信號輸出結束之後會產生一個低電平的幀同步信號，傳感器驅動模塊則需要捕捉這幾個關鍵的信號，並讀出來自於CMOS傳感器的像素信息，並將其傳送至中央控制器。圖3為本發明實施例中傳感器驅動模塊的電路原理結構示意圖。本實施例中的傳感器驅動模塊具體可採用硬體描述語言VHDL來實現，其具體結構可參見圖3所示。本實施例中，CMOS傳感器具有10位數字輸出信號，該10位像素數據由傳感器驅動模塊讀入，並經內部邏輯電路進行處理後，轉化為8位的像素信號輸出，以便於中央控制器的讀取；CMOS傳感器的像素時鐘脈衝信號連接CMOS傳感器的輸出信號，每個有效的像素時鐘輸出一個像素信息；行有效信號和幀有效信號分別連接到CMOS傳感器的行有效和幀有效輸出信號；等待信號由傳感器驅動模塊發出至CMOS傳感器，若此信號為高電平，則CMOS傳感器進入等待模式，在此模式中，模擬偏置電路被禁用，CMOS傳感器為低功耗狀態；快門信號輸入模塊連接外部機械按鍵，內部邏輯電路按有效電平長度將快門輸入脈衝整形，再由快門信號輸出模塊將波形輸出，若此信號為高電平，則傳感器進入單拍模式；復位信號為低電平有效的異步復位信號，若CMOS傳感器復位，則晶片進入初始化的狀態，此時，所有的寄存器回到默認值。實際應用中，可根據不同類型的CMOS傳感器採用合適的傳感器驅動模塊，以有效驅動 CMOS傳感器工作，確保採集的信號的準確性。如圖1所示，本實施例空間多光譜信息採集裝置還可包括有SDRAM存儲模塊6和 CF卡存儲模塊7，其中，SDRAM存儲模塊6與中央控制器1連接，用於一幀空間多光譜信息採集過程中進行信息暫存；CF卡存儲模塊7與中央控制器1連接，用於在一幀空間多光譜信息採集完畢後，在中央控制器1控制下將暫存在SDRAM存儲模塊6的一幀空間多光譜保存起來。本實施例中，對應於每一個傳感器分別設置有SDRAM存儲模塊和CF卡存儲模塊， 這樣，可見光傳感器和近紅外傳感器可分別存儲在不同的CF卡內。本實施例中，CF卡存儲模塊主要用於控制CF卡的數據存儲，在CF卡中，建立FAT 文件系統，並以BMP位圖格式對圖像信息進行存儲。具體地，該CF卡存儲模塊電路可包括對CF卡供電的電源，以及與中央控制器連接的接口。中央控制器從SDRAM存儲模塊中將圖像信息讀出，並在CF卡中，以BMP的文件格式存儲空間多光譜信息。該種信息存儲方式的優點在於，保存的文件信息可以直接在Windows作業系統下被讀出，並且由於BMP文件格式為無損格式，空間多光譜信息可以最真實地反映被拍物體的圖形和色彩特徵。本實施例中，中央控制器是控制空間多光譜信息採集裝置整體工作流程的部件， 其連接了傳感器驅動模塊、DSRAM存儲模塊、CF存儲模塊和快門按鍵輸入模塊。在進行空間光譜信息採集時，傳感器驅動模塊會將CMOS傳感器採集到的光譜信息以8位二進位的格式傳送給中央控制器，由中央控制器將空間光譜信息暫存至高速的SDRAM存儲模塊中；當讀取完完整的一幀空間光譜信息後，再由中央控制器將這些信息存儲至CF卡中，以便於對田間作物長勢信息作進一步的處理和分析，得到田間農作物長勢分布圖。圖4為本發明實施例整體結構示意圖。如圖4所示，可見光傳感器和近紅外傳感器可分別安裝在兩個鏡頭上，每個鏡頭的後端分別安裝有濾光片，以便於各傳感器可採集不同波段的空間光譜信息；第一傳感器驅動模塊和第二傳感器驅動模塊均集成在中央控制器內，具體可由採用FPGA為核心的控制器，且該中央控制器還連接有接口模塊，以便於與外界其它設備進行連接；與中央控制器連接的有兩個CF卡存儲模塊，分別用於存儲兩個傳感器採集的空間光譜信息，且同一時刻採集的信息是對應的，從而通過讀卡器即可讀出CF 卡內存儲的信息，並可對相互對應的信息進行處理，已得到田間農作物的長勢信息，進而得到農作物的長勢分布圖。本實施例空間多光譜信息採集裝置可具有與普通相機相同或類似的控制按鍵，並可採用乾電池進行供電，其操作與普通的相機操作方式相同，下面將對利用本實施例多光譜信息採集裝置的操作步驟進行說明第一步，將兩節9V乾電池安裝於電池接口，打開電源開關按鍵。空間多光譜信息採集裝置自身初始化，約一秒鐘後，就緒指示燈亮起，裝置上電完畢，可以進行拍照。第二步，待就緒指示燈亮起後，按下拍攝按鍵，S卩快門按鍵，空間多光譜信息採集裝置的兩個傳感器同時工作，拍攝圖像，進行光譜信息的採集，信息採集完畢後就緒指示燈熄滅。且對CF卡進行數據寫入時，CF卡工作指示燈開始閃爍，當完成存儲過程後，[CF卡工作指示燈停止閃爍，空間多光譜信息採集裝置的就緒指示燈再次亮起， 一次信息採集完成。如此，即可反覆進行圖像拍攝，採集所需的田間農作物的長勢信息，以便利用採集得到的空間多光譜信息，分析得到田間農作物長勢分布圖。當CF卡存儲已滿時，CF卡空間不足指示燈亮起，提示用戶檢查CF卡；當用戶忘記插入CF卡時，[CF卡空間不足指示燈亮起，提示用戶檢查CF卡；當拍攝全部結束時，關閉多光譜相機的電源開關，機器關閉，即可取下CF卡，做進一步的分析工作。綜上，本實施例空間多光譜信息採集裝置通過設置可見光傳感器和近紅外傳感器，並通過對該兩個傳感器進行同步控制，可在同一時刻獲得所要採集對象的紅、綠、藍和近紅外四個波段的空間光譜信息，可用于田間農作物長勢信息的採集中，空間多光譜信息採集裝置結構簡單，實現方便，成本低，且採集信息方便，可有效提高空間多光譜信息採集裝置的實用性；同時，本實施例空間多光譜信息採集裝置中的中央控制器採用FPGA為核心的控制器，除可以實現採集裝置內部複雜和精密的邏輯控制以外，還可以為外部提供更加靈活多樣的控制接口和圖像傳輸接口，解決了接口部分對於多光譜相機的推廣的限制；此外，本實施例空間多光譜信息採集裝置通過採用CMOS傳感器，可有效提高圖像的解析度， 減少採集裝置的功耗和圖像失真，提高信息採集的準確性和可靠性，基於本實施例裝置採集的信息可準確反應農作物的營養和長勢信息。 最後應說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。
權利要求
1.一種空間多光譜信息採集裝置，其特徵在於，包括中央控制器，以及與所述中央控制器連接的第一採集電路和第二採集電路，其中所述第一採集電路包括與所述中央控制器連接的第一傳感器驅動模塊，以及與所述第一傳感器驅動模塊連接的可見光傳感器，所述可見光傳感器用於採集紅、綠、藍三個波段的空間光譜信息；所述第二採集電路包括與所述中央控制器連接的第二傳感器驅動模塊，以及與所述第二傳感器驅動模塊連接的近紅外傳感器，所述近紅外傳感器用於採集近紅外波段的空間光譜信息；所述中央控制器用於控制所述第一傳感器驅動模塊和第二傳感器驅動模塊，以驅動所述可見光傳感器和近紅外傳感器同步採集空間光譜信息。
2.根據權利要求1所述的空間多光譜信息採集裝置，其特徵在於，所述可見光傳感器為可見光CMOS傳感器；和/或，所述近紅外傳感器為近紅外CMOS傳感器。
3.根據權利要求1所述的空間多光譜信息採集裝置，其特徵在於，還包括快門按鍵輸入模塊，連接在快門按鍵和中央控制器之間，用於消除快門按鍵按下時的電平抖動，以為所述中央控制器輸入一個有效脈衝信號。
4.根據權利要求1所述的空間多光譜信息採集裝置，其特徵在於，還包括SDRAM存儲模塊，與所述中央控制器連接，用於一幀空間光譜信息採集過程中進行信息暫存；CF卡存儲模塊，與所述中央控制器連接，用於在一幀空間光譜信息採集完畢後，在所述中央控制器控制下將暫存在所述SDRAM存儲模塊的一幀空間光譜信息保存起來。
5.根據權利要求1所述的空間多光譜信息採集裝置，其特徵在於，所述中央控制器採用FPGA為核心的控制器。
全文摘要
本發明公開了一種空間多光譜信息採集裝置。該裝置包括中央控制器，以及與中央控制器連接的第一採集電路和第二採集電路，第一採集電路包括與中央控制器連接的第一傳感器驅動模塊，以及與第一傳感器驅動模塊連接的可見光傳感器，可見光傳感器用於採集紅、綠、藍三個波段的空間光譜信息；第二採集電路包括與中央控制器連接的第二傳感器驅動模塊，以及與第二傳感器驅動模塊連接的近紅外傳感器，近紅外傳感器用於採集近紅外波段的空間光譜信息；中央控制器用於控制第一傳感器驅動模塊和第二傳感器驅動模塊驅動可見光傳感器和近紅外傳感器同步採集空間光譜信息。本實施例裝置結構簡單，實現方便，成本低，可有效用于田間農作物長勢信息的採集。
文檔編號G01J3/28GK102213616SQ201110087948
公開日2011年10月12日 申請日期2011年4月8日 優先權日2011年4月8日
發明者孫紅, 安曉飛, 張彥娥, 張澤, 李修華, 李民贊, 李鑫, 趙瑞嬌, 鄭立華 申請人:中國農業大學