[发明专利]一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于主动光源的作物冠层反射光谱无损检测装置光路系统的结构设计，属于几何光学技术设计领域，但其具备特殊应用领域的特殊特征，尤其是其聚光的形式、检测单元的组合形式和结构形式，体现出农业信息无损检测领域的特证，具体地说是一种能将窄带LED主动光汇集成具有特殊几何特征、适合作物冠层检测的带状光，并将冠层反射光转换成便于检测的光电信号的光学检测机构。结合作物生长信息模型，测量值可以转化为各种作物生长指标，实现对作物生长信息的诊断，可在作物营养状况诊断和精确农业变量施肥领域应用，是当前现代化农业迫切需要的农业信息装备。

背景技术

目前，利用作物冠层漫反射光谱获取作物生长信息是农业信息领域的重要研究方向，国内外学者对漫反射光谱和相关作物生长信息之间的机理关系已经有了十分深入和广泛的研究，大量研究表明：利用冠层光谱分析技术可以有效实现作物生长特征和植株营养状况的动态监测，其中差值植被指数、归一化植被指数和比值植被指数等光谱指数被广泛应用于植物叶面积指数、干物质生产、叶片氮含量和氮积累量、叶片碳氮比和产量估测，相比于传统的物理和生化方法研究作物的营养状况，冠层光谱分析技术具有快速、便携、无损、不受时空限制等突出优点，是农业信息化领域迫切需要的技术手段。但将冠层光谱反射信息和作物生长信息之间的机理关系进行工程化实现并应用于田间实时测量和实时指导农业生产是目前的薄弱环节，基本处于研究阶段和试用化阶段，尚未在实际农业生产中得到有效的应用。

采用冠层反射光谱传感技术（Ground-based Canopy Reflectance Sensing）来获取作物的生长信息指标是当前该领域研究的热点和重要手段，该类技术的实现形式主要有两种：被动光源式和主动光源式。被动光源式测量仪器利用太阳光作为检测光源，其最大的局限性是其使用受到太阳光照强度、太阳入射角等因素的影响，其测量值也会因自然光环境的变化而变化，一般需要在晴好天气且具有较大太阳角时使用，阴雨天则无法使用。主动光源式仪器自带能发射特定波长的光源，光源的发光经过高频调制，能消除外部光环境的影响，可以在任何天气条件和自然光照条件下使用，主动光源式仪器是目前的主流形式。

发明内容

本发明的目的在于实现基于主动光源的冠层反射光谱的测量，提出一种一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置及其方法，利用该结构可以实现主动光源的光路参数可调，以适应对不同尺度冠层反射光谱的测量，测量原理上保证不同波段反射光谱响应值之间的恒值比例关系，使NDVI，RVI等比值型光谱指数的测量值理论上不随测量高度发生改变（测量对象不变时），增强了测量装置的可操作性。

本发明的技术方案是：

一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置，它包括光路系统安装基座、LED安装定位器、柱面镜安装架和柱面镜构成的光路发射单元，以及至少一组由光谱检测光路安装孔、平凸透镜、滤光片和光电敏感器件构成的光路检测单元，其中滤光片的类型与LED发光阵列的波长匹配；所述的光路系统安装基座上设置有平行的光谱检测光路安装孔和光带整形槽，平凸透镜安装在光谱检测光路安装孔内，LED安装定位器设置在光路系统安装基座背面的定位器安装槽上，该LED安装定位器为板状结构，内置若干个用于安装LED发光阵列的LED安装孔，柱面镜安装架嵌入设置在光路系统基座正面的光带整形槽的下方槽内，柱面镜设置在柱面镜安装架上；所述的光谱检测光路安装孔内平凸透镜的后端依次设置滤光片和光电敏感器件，所述的光电敏感器件输出电压信号供给后级处理设备。

本发明的光路系统安装基座和光带整形槽之间夹装调节垫片，通过夹装不同厚度的调节垫片能够调节光路系统的结构参数。

本发明的LED安装孔为具有一定倾角的斜孔；LED发光阵列通过LED安装孔安装在光路系统安装基座上。

本发明的光路检测单元为两组，能够接收对应的波长LED发光阵列的光信号；各组光路检测单元的滤光片与对应LED发光阵列的波长匹配。

本发明的光电敏感器件为光电池。

一种主动光源式作物冠层反射光谱测量方法，应用一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置，它包括计算冠层反射率R_λ的步骤；

（A-1）、安装光路发射和检测单元，测量安装基座与作物冠层的高度H，安装波长为λ的LED发光阵列，采用光路检测单元获取对冠层反射光的响应值即光电敏感器件输出的电压信号，经过I/V转换和滤波处理后，得到LED发光阵列对冠层照射的反射光响应电压值L_cλ-H；