[发明专利]一种用于作物生长信息监测的光路系统

说明书

技术领域

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

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。

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SpectroSense2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。

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，限制了其监测结果的准确性，关于光路系统的详细设计未见其相关报道。

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。

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。

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处理与分析。

发明内容

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理调控提供了数据来源。

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：

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，

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。

所述LED阵列5分别由中心波长为730nm的LED10、中心波长为810nm的LED11各13只LED 6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。

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。

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和光电探测器阵列12。

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。

所述滤光片14的中心波长分别为730nm与810nm，带宽均为10nm。

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。