[发明专利]便携式多通道作物叶片氮素营养指标无损监测装置

摘要

本发明涉及一种基于冠层反射光谱的作物叶片氮素营养指标无损监测和装置，属于作物生产技术领域，专用于作物田间生产的实时监测和精确施肥管理指导。主要由支架、光谱信号采集总成和主机3个部分组成；光谱信号采集采用4波段8通道设计，硬件系统由模拟信号调理模块、A/D转换模块、单片机模块、存储模块、显示模块、键盘模块、通讯模块和电源管理模块组成，软件系统采用C51单片机语言编写。监测冠层叶片氮含量、氮积累量和叶面积指数3个指标，不仅保证了高监测精度，还为作物的氮素营养水平分析提供了3个不同方面的数据指标，保证了监测结果的可靠性和稳定性；具备适于农业生产一线人员田间操作、实时无损监测和田间实时管理指导的特点。

主权项

1、一种便携式多通道作物叶片氮素营养指标无损监测装置，主要由支架、光谱信号采集总成和主机3个部分组成，支架由可调伸缩支承杆和角度调节器组成，光谱信号采集总成和主机之间由信号线路连接，光谱信号采集总成通过接头与角度调节器连接，主机通过接头与可调伸缩支承杆连接固定，其特征在于：(1)光谱信号采集总成由光谱信号采集部件和外壳组成；外壳用于固定光谱信号采集部件，并通过接头与支架上的角度调节器相连接；光谱信号采集部件由4个入射光管、4个反射光管和管座构成，管座用于固定4个入射光管和4个反射光管；4个入射光管的结构相同，由乳玻璃、物镜、窄带干涉滤光片和光电探测器组成；4个反射光管的结构相同，由窗口玻璃、物镜、窄带干涉滤光片、场镜和光电探测器构成；窄带干涉滤光片只允许给定波长的光波通过，8个窄带干涉滤光片分成4组，每组包含相同的两只滤光片，分别用于入射光管和反射光管，它们的中心波长分别位于610nm、660nm、810nm、1220nm，干涉滤光片的带宽为±10nm；4个入射光管和4个反射光管构成了8个采集通道，每个通道的光电探测器的输出电流信号经由信号连接线路传至主机内的模拟信号调理模块；(2)主机由主机外壳、硬件系统和软件系统构成；①主机外壳用于固定硬件系统，通过接头与可调伸缩支承杆连接；主机外壳上设有水平仪；②硬件系统由模拟信号调理模块、A/D转换模块、单片机模块、存储模块、显示模块、键盘模块、通讯模块和电源管理模块组成，模拟信号调理模块的前端是光管中的光电探测器，后端是A/D转换模块；A/D转换模块的后端是单片机模块；单片机模块接收并按设定程序处理来自A/D转换模块的数字量；融合有叶片氮素营养的定量光谱监测方程和参数调校算法的软件程序固化在单片机模块里；存储模块与单片机模块相连；显示模块与单片机模块相连；键盘模块与单片机模块相连；通讯模块是单片机模块和外部计算机的数据通讯接口；电源管理模块是整个硬件系统的供电和监视模块，当电源电压降低到设定程度后，该模块产生低电压报警，提醒更换电池；③软件系统采用C51单片机语言编写；软件固化在单片机硬件系统中；在软件系统中融合了叶片氮素营养的定量光谱监测方程和参数调校算法，分别为式1至式10：水稻氮含量Y：Y＝3.742×NDVI1.0968 (1)小麦氮含量Y：Y＝4.6138×NDVI1.5992 (2)其中，$\mathrm{NDV}{I}_{\left(\mathrm{1220,610}\right)}=\frac{R_{1220}-R_{610}}{R_{1220}-R_{610}}---\left(3\right)$ 水稻氮积累量Y：Y＝0.3618×RCI(810，610)+1.265 (4)小麦氮积累量Y：Y＝0.4776×RVI(810，660) 0.9143 (5)水稻和小麦的叶面积指数(LAI)：Y＝0.208×RVI(810，660)+0.579 (6)其中，$\mathrm{RV}{I}_{\left(\mathrm{810,660}\right)}=\frac{R_{810}}{R_{660}}---\left(7\right)$ $\mathrm{RV}{I}_{\left(\mathrm{810,610}\right)}=\frac{R_{810}}{R_{610}}---\left(8\right)$ 特征光波段处作物冠层的反射率Rλ的方程$R_{\lambda }=k\frac{E_{\mathrm{R\lambda }}}{E_{\lambda }}---\left(9\right)$ 式中，Eλ为某特征波长处的太阳入射光信号，俄ERλ为对应波段处作物冠层的反射光信号，k为相应波段处的调校参数，由装置的光学系统、光电探测器、信号调理放大电路及其他电路的特性参数决定；λ分别取610nm、660nm、810nm和1220nm；其中，k的算法如下：$k=\frac{E_{\mathrm{R\lambda }1}\times E_{\lambda 2}}{E_{\mathrm{R\lambda }2}\times E_{\lambda 1}}---\left(10\right)$ 式中，λ1和λ2分别指2个不同的波段。