CN101144778B - 光谱反射率测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光谱反射率测量装置，其包括光学单元、控制单元和超声波测距单元三个部分。光学单元内有四个光传输的通道，两个上通道采用了余弦散射体作为光学窗口，两个下通道用的是K9材料光学玻璃窗口。光学单元体的一端是光学窗口，滤光片和平凸透镜，滤光片和平凸透镜的两侧装有密封垫，在光学单元体的另一端平凸透镜焦点处装有光敏器件。控制单元包括传感器、放大器、数/模转换器、单片机、U盘、液晶显示器、键盘等。超声波测距单元由基于压电原理的超声波传感模块等组成。本发明实现了在测量作物冠层反射光的同时对太阳辐射光进行测量，简化了测量的操作步骤，并自动保持测量高度的一致。

Description

光谱反射率测量装置

技术领域

本发明涉及一种传感技术与光谱测量技术，尤其用于农作物生长状况的光谱测量技术。

背景技术

植被长势、营养等信息能够反映在光谱反射率上，基于光谱学原理的归一化差异植被指数NDVI(Normalized Difference VegetationIndex)作为可见光红波段和近红外波段两波段的归一化比值，就被广泛用于大田作物长势检测。这类光谱指数一方面反映植被光合作用的有效辐射吸收情况，另一方面能够反映作物群体大小、健康程度情况，是目前应用最为广泛的植被指数。

作物的光谱反射率测量有多种方法。美国ASD(AnalyticalSpectral Devices)公司生产用于测量地物光谱反射率的系列光谱辐射仪，包括全光谱便携式光谱分析仪(波长范围：350-2500nm)以及手持便携式光谱分析仪(波长范围：300-1100nm)等，这些仪器测量精度和光谱分辨率都很高，但它们的色散元件都是采用全息反射光栅，使得仪器价格昂贵，适用于研究但不适用于生产。

目前，研究人员主要利用地物光谱仪，获取植被光谱反射率曲线，从光谱反射率曲线提取红波段和近红外波段的光谱反射率，然后计算NDVI值以判断大田作物长势检测仪。但野外使用的便携式光谱仪，不仅价格昂贵，而且使用时不能直接判断大田作物长势，工作人员背负近10kg的仪器在现场进行测试，费工费时十分不便，迫切需要开发一种手持式大田作物长势检测仪，其重量轻，适合于手持，现场测试时能直接判断作物生长状态。

所谓基于近地遥感技术的植被反射光谱测量，是指以自然光照作为光源，测量植物冠层或叶片的光谱反射率的方法。该方法由于测量设备不与植物发生直接接触，因此可以实现真正的无损、实时测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光谱反射率测量装置，该测量装置克服了上述测量仪存在的不足之处，以自然光作为光源，利用本发明的光谱反射率测量装置，可直接获得作物植被指数以判断作物长势。

本发明的技术方案是一种光谱反射率测量装置，所述光谱反射率测量装置由光学单元、控制单元和超声波测距单元三个部分组成，在所述光学单元内有四个光传输的通道，用于测量太阳辐射光强度的两个上通道，用于测量冠层反射光强度的两个下通道，所述上、下对应的两个通道内有相同波长的滤光片和相同材料制成的光敏器件，所述两个上通道采用了余弦散射体作为光学窗口，所述两个下通道采用的是K9材料制成的光学玻璃作为窗口。

本发明所述光学单元的每个通道由两部分组成，两部分之间用螺钉连接，每个通道的一端是光学窗口，相隔一段内孔距离后装有滤光片和平凸透镜，在所述滤光片和平凸透镜的两侧加装有密封垫圈，在每个通道的另一端平凸透镜焦点处装有光敏器件。

本发明所述光敏器件是Si光电池或是InGaAs光电二极管。

本发明所述上下两个通道内滤光片的中心波长分别是：610nm和1220nm。

本发明所述控制单元是由传感器连接放大器、连接数\模转换器、连接单片机，所述单片机再连接U盘、液晶显示器、键盘。

本发明所述的超声波测距单元是基于压电原理的超声波传感模块。

本发明所产生的技术效果是：

1、反射光与辐射光的同时测量：本发明实现了在测量作物冠层反射光的同时对太阳辐射光进行测量，简化了测量的操作步骤。

2、传感器通道的设计：本发明独立设计了采集太阳辐射光和作物反射光的通道。无论是在光学器件选择，还是在光学通道内部结构、尺寸的设计方面都具有独到之处。

3、测光室的密封性：本发明设计了密闭的光室，避免了其他杂散光的影响，保证了测量结果的准确性。

4、测光波长的有效性：基于本发明所提出的测光波长所建立的作物归一化植被指数，可以有效地反映作物长势状态信息。

5、智能化监控与数据处理软件：作物长势检测仪能够准确测量作物的归一化植被指数，还能根据作物种类和作物生长时期，对作物的长势进行正确的诊断。

6、USB数据存储功能：本发明具备了USB数据存储功能，实现了大量数据的快速存储，并且方便快捷。

7、测量距离的一致性：本发明根据超声波测距原理，利用超声波来测量作物冠层与仪器的距离，保证了仪器距离冠层的高度不变，从而实现了仪器测量范围的一致性。

8、操作简单：本发明操作简单、安全，数据采集控制单元体积较小，方便安装，很适于农田现场使用。

附图说明

图1仪器总体结构图；

图2光学单元通道的结构图；

图3数据采集和处理单元的原理框图；

图4仪器电源转换原理图；

图5放大电路原理图；

图6A/D转换电路原理图；

图7按键去抖电路原理图；

图8串口通讯电路原理图；

图9液晶接口图；

图10U盘模块接口图；

图11单片机控制电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方案作进一步的说明。

如图1。仪器由光学单元100、控制单元300和超声波测距单元200三个部分组成的。光学单元100内有四个光传输的通道，上面两个通道(通道3、4)用来测量太阳辐射的光强，下面两个通道(通道1、2)用来测量冠层反射的光的强度，上、下对应的两个通道(通道1与4、通道2与3)内有相同波长的滤光片40和相同材料制成的光敏器件60。为了避免太阳角度对测量产生的影响，上面两个通道采用了余弦散射体作为光学窗口20。而下面的两个通道由于测量的是作物反射的光，所以采用的是K9材料制成的光学玻璃作为窗口。当使用仪器测量作物冠层的反射光谱时，光学单元被放置在冠层的上方，这时采集到的光信号将转换成电信号，转换后的电信号再被送到控制单元进行后续的处理。超声波模块200固定在光学单元100内，与光学单元一起被固定在一个直杆上，双手举起直杆将光学单元置于作物上方，当仪器与冠层之间的距离与预先设定的高度相同时，控制器就会发出蜂鸣声，此时就可以进行光谱反射率的测量。这样可以保证每次测量时仪器与冠层之间的距离是相同的，从而保证了测量范围的一致性。

图2是仪器光学单元通道的结构图。从图2中可以看出每个通道内部各个光学器件安放的顺序和位置。每个通道都是由两个部分组成的。它们之间用螺钉70连接，并固定在光学单元100内。图2就是它们连接在一起的示意图。两部分接触处均无缝隙，这样可以防止外部杂散光混入，保证测光室是密封的，从而保证了测量的准确性。通道内放置的光学元件依次是光学窗口20、滤光片40、平凸透镜50和光敏器件60。为了防止挤压造成通道内器件损坏，所以在滤光片40和平凸透镜50的前后都放了橡胶垫圈30。一方面起到了保护作用，一方面起到了密闭的作用。通道的视场角是30°，光学窗口的直径是12.5mm，则通道内径d0＝12.5-2.25*2＝8mm，所以透镜距离光学窗口的长度h1＝2*(d0/2)*ctg(30°/2)≈29.9mm，其中光学窗口的厚度d1是2mm，垫圈的厚度d2为2mm，滤光片的厚度d3为4mm，透镜的厚度d4为6mm，所以图2中h2的长度为3*d2+d3+d4＝16mm。由于光敏器件上光敏面的面积很小，因此接收到的光强就很小，转换成的电流也就很微弱，不便于后续的处理。为了增强光敏器件接收到的太阳光的强度，设计中使用了透镜将射入通道内的光进行汇聚，并通过h3的距离，将光敏器件放置在了透镜的焦点处，从而达到增强接收到的太阳光强度的目的。设计中所选用的透镜的直径是16mm、焦距F为18.1mm，因此图2中h3长度为F-d2＝16.1mm。通过独自的实验和研究结果，选定了能够反映作物长势的两个敏感波段。红光波段所选的波长是610nm，对应的光敏器件是Si光电池。近红外波段所选的波长选的是1220nm，所选的光敏器件是InGaAs光电二极管。光敏器件放置在平凸透镜的焦点上。h4和d5的长度是根据光敏器件的高度和直径而定的。当通道内放置的光敏器件是Si光电池时，h4和d5的长度分别为3.2mm、7.6mm；当通道内放置的光敏器件是InGaAs光电二极管时，h4和d5的长度分别为3.25mm、4.7mm。

图3是数据采集和处理单元的原理框图。数据采集和处理单元包括信号放大电路、数\模(A/D)转换器、处理器、存储电路、LCD显示电路、键盘控制电路，以及超声波测距模块。超声波模块测量仪器与冠层之间的距离，然后将此测量值通过串口送入单片机中，若测量值与预设值相等时，控制器发出蜂鸣声，此时就可以开始测量。采集时光敏器件将接收到的光信号转换为电信号，再经过放大器进行放大，然后传送给数\模(A/D)转换器，将模拟信号转换成数字信号，单片机再进行处理运算，最后将结果显示在液晶屏上，还可以将数据通过USB口存储到U盘中。

图4是仪器电源转换原理图。仪器使用8.4V、200mAh的电池供电的。芯片7805可将+8.4V的电源电压转换成+5V的电压(VCC)为A/D转换芯片、单片机、U盘模块、液晶模块、串口通讯芯片供电。VCC再经过电源模块A0505S/D-1W，将输入为+5V的电压转换成±5V的电压输出，为放大芯片供电。

图5是本设计中通道1的放大电路原理图。四个通道的放大电路都是相同的。D1表示通道1输出的信号。CH0是通道1经过放大以后的输出信号。本设计所采用放大器是仪表放大器芯片INA128。该芯片具有很高的精度，低噪声，低输入偏置电流、低功耗，而且使用方法简便。R2是一个可调电位器，通过调节R2就可以获得1～10000的增益。

图6是数\模(A/D)转换电路用于将传感器输出的模拟信号转换成单片机可以处理的数字信号。本发明有四路信号需要处理，并且为了保证信号的检测精度，所以选用具有8通道的12位A/D转换芯片MAX186。1、2、3、4管脚是模拟量的输入端，分别接通道1、2、3、4输出的模拟信号，17、15管脚是串行数据的输入、输出端，它们分别与单片机的P1.2和P1.3口连接。16管脚是串行选通输出端，与单片机的P1.4口连接，在内部时钟模式下，开始A/D转换时，SSTRB变低；当转换完成时，SSTRB变高。18管脚是片选信号，与单片机的P1.0口连接，只有P1.0口置低的时候MAX187才能开始进行模数转换。管脚19是串行时钟输入，与单片机的P1.1口连接。由于本发明选用的是外部基准电压源，因此使用LM4040用来将外部电源稳定在4.096V。

图7是采集键和存储键分别接单片机的外部中断0和外部中断1，设置为下跳沿触发，有必要进行去抖动处理。本发明采用与非门构成RS触发器，解决了按键抖动的问题。

图8是超声波测距模块所测得数值通过串口通讯的方式送入单片机中，此处所选用的芯片是MAX232。其中芯片的12、10管脚分别与单片机的串行输入、输出口相连。

图9是液晶显示电路用于显示系统的工作状态以及测量的结果。管脚3和18两端外接一个可调电位器，用于亮度调节。D1用于分压，保证液晶进行背光时工作在4.0V～4.4V，起到保护液晶的作用。在本系统中对液晶采用的操作方式为串行方式。所选用的液晶的型号为LCM128645ZK。选择寄存器RS、读写控制RW、读写数据起始E分别与单片机的P1.5、P1.7、P1.6管脚相连，由单片机对其读写进行控制。

图10是U盘模块与单片机的接口电路。本发明选用的是并行的工作方式。D0-D7是8位双向数据总线；中断请求输出INT#、地址信号线A0、读选通输入RD#、写选通输入WR#、启动信号输入STA#、片选控制输入CS#分别与单片机的P2.6、P2.0、P3.7、P3.6、P2.5、P2.7管脚相连。

图11是主控单元用于实现数据处理、外设控制。其他外围电路有时钟电路、复位电路和按键去抖电路。如图11和图7所示。涉及的外设包括A/D转换模块、U盘模块、液晶模块和超声波测距模块。管脚P1.0-P1.4与A/D转换模块相连，用于控制模数转换的工作。管脚P1.5-P1.7与液晶接口相连，将单片机处理后的结果显示在液晶屏上。管脚P0.0-P0.7、P2.0、P2.5-P2.7、P3.6、P3.7与U盘模块相连，将结果通过并行的方式存储到U盘中。管脚P3.0、P3.1与串口通讯芯片MAX232相连，将超声波测距模块测量到的距离送入单片机中。总之，整个电路的协调工作都是由单片机来控制完成的。

Claims (6)

1.一种光谱反射率测量装置，该光谱反射率测量装置由光学单元、控制单元和超声波测距单元三个部分组成，在所述光学单元内有四个光传输的通道，用于测量太阳辐射光强度的两个上通道，用于测量冠层反射光强度的两个下通道，所述上、下对应的两个通道内有相同波长的滤光片和相同材料制成的光敏器件，其特征在于：所述两个上通道采用了余弦散射体作为光学窗口，所述两个下通道采用的是K9材料制成的光学玻璃作为窗口。

2.根据权利要求1所述的光谱反射率测量装置，其特征在于：所述光学单元的每个通道由有两部分组成，两部分之间用螺钉连接，每个通道的一端是光学窗口，相隔一段内孔距离后装有滤光片和平凸透镜，在所述滤光片和平凸透镜的两侧加装有密封垫圈，在每个通道的另一端平凸透镜焦点处装有所述光敏器件。

3.根据权利要求2所述的光谱反射率测量装置，其特征在于：所述光敏器件是Si光电池或是InGaAs光电二极管。

4.根据权利要求2所述的光谱反射率测量装置，其特征在于：所述上、下两个通道内滤光片的中心波长分别是：610nm和1220nm。

5.根据权利要求1所述的光谱反射率测量装置，其特征在于：所述控制单元是由传感器连接放大器、连接数\模转换器、连接单片机，所述单片机再连接U盘、液晶显示器、键盘。

6.根据权利要求1所述的光谱反射率测量装置，其特征在于：所述超声波测距单元是基于压电原理的超声波传感模块。

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