專(zhuān)利名稱(chēng)：光譜反射率測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感技術(shù)與光譜測(cè)量技術(shù)，尤其用于農(nóng)作物生長(zhǎng) 狀況的光譜測(cè)量技術(shù)。
技術(shù)背景植被長(zhǎng)勢(shì)、營(yíng)養(yǎng)等信息能夠反映在光譜反射率上，基于光譜學(xué)原理的歸一化差異植被指數(shù)NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)作為可見(jiàn)光紅波段和近紅外波段兩波段的歸一化比值，就被 廣泛用于大田作物長(zhǎng)勢(shì)檢測(cè)。這類(lèi)光譜指數(shù)一方面反映植被光合作用 的有效輻射吸收情況，另一方面能夠反映作物群體大小、健康程度情 況，是目前應(yīng)用最為廣泛的植被指數(shù)。作物的光譜反射率測(cè)量有多種方法。美國(guó)ASD (Analytical Spectral Devices )公司生產(chǎn)用于測(cè)量地物光譜反射率的系列光譜輻射 儀，包括全光譜便攜式光譜分析儀(波長(zhǎng)范圍350-2500nm)以及 手持便攜式光譜分析儀(波長(zhǎng)范圍300- 1100nm)等，這些儀器測(cè) 量精度和光譜分辨率都很高，但它們的色散元件都是采用全息反射光 柵，使得儀器價(jià)格昂貴，適用于研究但不適用于生產(chǎn)。目前，研究人員主要利用地物光譜儀，獲取植被光譜反射率曲線， 從光譜反射率曲線提取紅波段和近紅外波段的光譜反射率，然后計(jì)算 NDVI值以判斷大田作物長(zhǎng)勢(shì)檢測(cè)儀。但野外使用的便攜式光譜儀， 不僅價(jià)格昂貴，而且使用時(shí)不能直接判斷大田作物長(zhǎng)勢(shì)，工作人員背 負(fù)近10kg的儀器在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，費(fèi)工費(fèi)時(shí)十分不便，迫切需要開(kāi) 發(fā)一種手持式大田作物長(zhǎng)勢(shì)檢測(cè)儀，其重量輕，適合于手持，觀場(chǎng)測(cè) 試時(shí)能直接判斷作物生長(zhǎng)狀態(tài)。所謂基于近地遙感技術(shù)的植被反射光譜測(cè)量，是指以自然光照作 為光源，測(cè)量植物冠層或葉片的光譜反射率的方法。該方法由于測(cè)量 設(shè)備不與植物發(fā)生直接接觸，因此可以實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)損、實(shí)時(shí)測(cè)量。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種光譜反射率測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置克 服了上述測(cè)量?jī)x存在的不足之處，以自然光作為光源，利用本發(fā)明的 光譜反射率測(cè)量裝置，可直接獲得作物植被指數(shù)以判斷作物長(zhǎng)勢(shì)。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種光譜反射率測(cè)量裝置，所述光譜反射率 測(cè)量裝置由光學(xué)單元、控制單元和超聲波測(cè)距單元三個(gè)部分組成。本發(fā)明在所述光學(xué)單元內(nèi)有四個(gè)光傳輸?shù)耐ǖ?，用于測(cè)量太陽(yáng)輻 射的光強(qiáng)兩個(gè)上通道，用于測(cè)量冠層反射的光的強(qiáng)度兩個(gè)下通道，所 述上、下對(duì)應(yīng)的兩個(gè)通道內(nèi)有相同波長(zhǎng)的濾光片和相同材料制成的光 敏器件。本發(fā)明所述的兩個(gè)濾光片的中心波長(zhǎng)分別是610nm和1220nm。 本發(fā)明所述兩個(gè)上通道釆用了余弦散射體作為光學(xué)窗口，所述兩 個(gè)下通道釆用的是K9材料制成的光學(xué)玻璃作為窗口。本發(fā)明所述光學(xué)單元體有兩部分組成，兩部分單元體之間用螺釘 連接，光學(xué)單元體的一端是光學(xué)窗口，相隔一段內(nèi)孔距離后裝有濾光 片和平凸透鏡，在所述濾光片和平凸透鏡的兩側(cè)加裝有密封墊圈，在 光學(xué)單元體的另一端平凸透鏡焦點(diǎn)處裝有光敏器件。本發(fā)明所述光敏器件是Si光電池或是InGaAs光電二極管。 本發(fā)明所述控制單元是由傳感器連接放大器、連接數(shù)\模轉(zhuǎn)換器、 連接單片機(jī)，所述單片機(jī)再連接U盤(pán)、液晶顯示器、鍵盤(pán)。本發(fā)明所述的超聲波測(cè)距單元是基于壓電原理的超聲波傳感模塊。本發(fā)明所產(chǎn)生的技術(shù)效果是1、 反射光與輻射光的同時(shí)測(cè)量本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在測(cè)量作物冠層 反射光的同時(shí)對(duì)太陽(yáng)輻射光進(jìn)行測(cè)量，簡(jiǎn)化了測(cè)量的操作步驟。2、 傳感器通道的設(shè)計(jì)本發(fā)明獨(dú)立設(shè)計(jì)了釆集太陽(yáng)輻射光和作 是在光學(xué)器件選擇，還是在光學(xué)通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)、 尺寸的設(shè)計(jì)方面都具有獨(dú)到之處。3、 測(cè)光室的密封性本發(fā)明設(shè)計(jì)了密閉的光室，避免了其他雜 散光的影響，保證了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。4、 測(cè)光波長(zhǎng)的有效性基于本發(fā)明所提出的測(cè)光波長(zhǎng)所建立的 作物歸 一 化植被指數(shù)，可以有效地反映作物長(zhǎng)勢(shì)狀態(tài)信息。5、 智能化監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理軟件作物長(zhǎng)勢(shì)檢測(cè)儀能夠準(zhǔn)確測(cè)量 作物的歸一化植被指數(shù)，還能根據(jù)作物種類(lèi)和作物生長(zhǎng)時(shí)期，對(duì)作物 的長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行正確的診斷。6、 USB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能本發(fā)明具備了 USB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，實(shí)現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)的快速存儲(chǔ)，并且方便快捷。7、 測(cè)量距離的一致性本發(fā)明根據(jù)超聲波測(cè)距原理，利用超聲 波來(lái)測(cè)量作物冠層與儀器的距離，保證了儀器距離冠層的高度不變， 從而實(shí)現(xiàn)了儀器測(cè)量范圍的一致性。8、 搡作簡(jiǎn)單本發(fā)明操作簡(jiǎn)單、安全，數(shù)據(jù)采集控制單元體積 較小，方便安裝，很適于農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)使用。


圖l儀器總體結(jié)構(gòu)圖；圖2光學(xué)單元通道的結(jié)構(gòu)圖；圖3數(shù)據(jù)釆集和處理單元的原理框圖；圖4儀器電源轉(zhuǎn)換原理圖；圖5放大電路原理圖；圖6A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖；圖7按鍵去抖電路原理圖；圖8串口通訊電路原理圖；圖9液晶接口圖；圖IOU盤(pán)模塊接口圖11單片機(jī)控制電路原理圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方案作^一步的說(shuō)明。如圖1。儀器由光學(xué)單元100、控制單元300和超聲波測(cè)距單元 200三個(gè)部分組成的。光學(xué)單元100內(nèi)有四個(gè)光傳輸?shù)耐ǖ?，上面?個(gè)通道(通道3、 4)用來(lái)測(cè)量太陽(yáng)輻射的光強(qiáng)，下面兩個(gè)通道(通 道l、 2)用來(lái)測(cè)量冠層反射的光的強(qiáng)度，上、下對(duì)應(yīng)的兩個(gè)通道(通 道1與4、通道2與3)內(nèi)有相同波長(zhǎng)的濾光片40和相同材料制成的 光敏器件60。為了避免太陽(yáng)角度對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響，上面兩個(gè)通道 釆用了余弦散射體作為光學(xué)窗口 20。而下面的兩個(gè)通道由于測(cè)量的 是作物反射的光，所以采用的是K9材料制成的光學(xué)玻璃作為窗口。 當(dāng)使用儀器測(cè)量作物冠層的反射光譜時(shí)，光學(xué)單元被放置在冠層的上 方，這時(shí)釆集到的光信號(hào)將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)再被送到 控制單元進(jìn)行后續(xù)的處理。超聲波模塊200固定在光學(xué)單元100內(nèi)， 與光學(xué)單元一起被固定在一個(gè)直桿上，雙手舉起直桿將光學(xué)單元置于 作物上方，當(dāng)儀器與冠層之間的距離與預(yù)先設(shè)定的高度相同時(shí)，控制 器就會(huì)發(fā)出蜂鳴聲，此時(shí)就可以進(jìn)行光譜反射率的測(cè)量。這樣可以保 證每次測(cè)量時(shí)儀器與冠層之間的距離是相同的，從而保證了測(cè)量范圍 的一致性。圖2是儀器光學(xué)單元通道的結(jié)構(gòu)圖。從圖2中可以看出每個(gè)通道內(nèi)部各個(gè)光學(xué)器件安放的順序和位置。每個(gè)通道都是由兩個(gè)部分組成 的。它們之間用螺釘70連接，并固定在光學(xué)單元100內(nèi)。圖2就是 它們連接在一起的示意圖。兩部分接觸處均無(wú)縫隙，這樣可以防止外 部雜散光混入，保證測(cè)光室是密封的，從而保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。通 道內(nèi)放置的光學(xué)元件依次是光學(xué)窗口 20、濾光片40、平凸透鏡50和 光敏器件60。為了防止擠壓造成通道內(nèi)器件損壞，所以在濾光片40 和平凸透鏡50的前后都放了橡膠墊圈30。 一方面起到了保護(hù)作用， 一方面起到了密閉的作用。通道的視場(chǎng)角是30。，光學(xué)窗口的直徑是 12.5mm，則通道內(nèi)徑d0=12.5-2.25*2=8mm，所以透鏡距離光學(xué)窗口 的長(zhǎng)度hl=2*(d0/2)*ctg(30°/2)-29.9mm，其中光學(xué)窗口的厚度dl是 2mm，墊圈的厚度d2為2mm，濾光片的厚度d3為4mm，透鏡的厚 度d4為6讓?zhuān)詧D2中h2的長(zhǎng)度為3*d2+d3+d4=16mm。由于光 敏器件上光敏面的面積很小，因此接收到的光強(qiáng)就很小，轉(zhuǎn)換成的電 流也就很微弱，不便于后續(xù)的處理。為了增強(qiáng)光敏器件接收到的太陽(yáng) 光的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)中使用了透鏡將射入通道內(nèi)的光進(jìn)行匯聚，并通過(guò) h3的距離，將光敏器件放置在了透鏡的焦點(diǎn)處，從而達(dá)到增強(qiáng)接收 到的太陽(yáng)光強(qiáng)度的目的。設(shè)計(jì)中所選用的透鏡的直徑是16mm、焦距 F為18.1mm,因此圖2中h3長(zhǎng)度為F-d2=16.1mm。通過(guò)獨(dú)自的實(shí)驗(yàn) 和研究結(jié)果，選定了能夠反映作物長(zhǎng)勢(shì)的兩個(gè)敏感波段。紅光波段所 選的波長(zhǎng)是610nm，對(duì)應(yīng)的光敏器件是Si光電池。近紅外波段所選 的波長(zhǎng)選的是1220nm，所選的光敏器件是InGaAs光電二極管。光敏 器件放置在平凸透鏡的焦點(diǎn)上。h4和d5的長(zhǎng)度是根據(jù)光敏器件的高 度和直徑而定的。當(dāng)通道內(nèi)放置的光敏器件是Si光電池時(shí)，h4和 d5的長(zhǎng)度分別為3.2mm、7.6mm;當(dāng)通道內(nèi)放置的光敏器件是InGaAs 光電二極管時(shí)，h4和d5的長(zhǎng)度分別為3.25mm、 4.7mm。圖3是數(shù)據(jù)采集和處理單元的原理框圖。數(shù)據(jù)釆集和處理單元包 括信號(hào)放大電路、數(shù)\模(A/D)轉(zhuǎn)換器、處理器、存儲(chǔ)電路、LCD 顯示電路、鍵盤(pán)控制電路，以及超聲波測(cè)距模塊。超聲波模塊測(cè)量?jī)x 器與冠層之間的距離，然后將此測(cè)量值通過(guò)串口送入單片機(jī)中，若測(cè) 量值與預(yù)設(shè)值相等時(shí)，控制器發(fā)出蜂鳴聲，此時(shí)就可以開(kāi)始測(cè)量。采 集時(shí)光敏器件將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大器進(jìn)行放 大，然后傳送給數(shù)\模(A/D)轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)， 單片機(jī)再進(jìn)行處理運(yùn)算，最后將結(jié)果顯示在液晶屏上，還可以將數(shù)據(jù) 通過(guò)USB 口存儲(chǔ)到U盤(pán)中。
圖4是儀器電源轉(zhuǎn)換原理圖。儀器使用8.4V、 200mAh的電池供 電的。芯片7805可將+8.4V的電源電壓轉(zhuǎn)換成+5V的電壓(VCC) 為A/D轉(zhuǎn)換芯片、單片機(jī)、U盤(pán)模塊、液晶模塊、串口通訊芯片供 電。VCC再經(jīng)過(guò)電源模塊A0505S/D-1W，將輸入為+5V的電壓轉(zhuǎn)換 成士5V的電壓輸出，為放大芯片供電。圖5是本設(shè)計(jì)中通道1的放大電路原理圖。四個(gè)通道的放大電路 都是相同的。Dl表示通道1輸出的信號(hào)。CH0是通道1經(jīng)過(guò)放大以 后的輸出信號(hào)。本設(shè)計(jì)所釆用放大器是儀表放大器芯片INA128。該 芯片具有很高的精度，低噪聲，低輸入偏置電流、低功耗，而且使用 方法簡(jiǎn)便。R2是一個(gè)可調(diào)電位器，通過(guò)調(diào)節(jié)R2就可以獲得1 - 10000 的增益。圖6是數(shù)Mt(A/D)轉(zhuǎn)換電路用于將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換 成單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)。本發(fā)明有四路信號(hào)需要處理，并且為 了保證信號(hào)的檢測(cè)精度，所以選用具有8通道的12位A/D轉(zhuǎn)換芯片 MAX186。 1、 2、 3、 4管腳是模擬量的輸入端，分別接通道l、 2、 3、 4輸出的模擬信號(hào)，17、 15管腳是串行數(shù)據(jù)的輸入、輸出端，它們分 別與單片機(jī)的P1.2和P1.3口連接。16管腳是串行選通輸出端，與單片 機(jī)的P1.4口連接，在內(nèi)部時(shí)鐘模式下，開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，SSTRB變低； 當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時(shí)，SSTRB變高。18管腳是片選信號(hào)，與單片機(jī)的P1.0口 連接，只有P1.0口置低的時(shí)候MAX187才能開(kāi)始進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。管腳 19是串行時(shí)鐘輸入，與單片機(jī)的P1.1口連接。由于本發(fā)明選用的是外 部基準(zhǔn)電壓源，因此使用LM4040用來(lái)將外部電源穩(wěn)定在4.096V。圖7是釆集鍵和存儲(chǔ)鍵分別接單片機(jī)的外部中斷0和外部中斷1 ， 設(shè)置為下跳沿觸發(fā)，有必要進(jìn)行去抖動(dòng)處理。本發(fā)明釆用與非門(mén)構(gòu)成 RS觸發(fā)器，解決了按鍵抖動(dòng)的問(wèn)題。圖8是超聲波測(cè)距模塊所測(cè)得數(shù)值通過(guò)串口通訊的方式送入單片 機(jī)中，此處所選用的芯片是MAX232。其中芯片的12、 IO管腳分別 與單片機(jī)的串行輸入、輸出口相連。圖9是液晶顯示電路用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及測(cè)量的結(jié)果。管腳3和18兩端外接一個(gè)可調(diào)電位器，用于亮度調(diào)節(jié)。Dl用于分壓， 保證液晶進(jìn)行背光時(shí)工作在4.0V 4.4V,起到保護(hù)液晶的作用。在 本系統(tǒng)中對(duì)液晶釆用的操作方式為串行方式。所選用的液晶的型號(hào)為 LCM128645ZK。選擇寄存器RS、讀寫(xiě)控制RW、讀寫(xiě)數(shù)據(jù)起始E分別 與單片機(jī)的P1.5、 P1.7、 P1.6管腳相連，由單片機(jī)對(duì)其讀寫(xiě)進(jìn)行控制。 圖IO是U盤(pán)模塊與單片機(jī)的接口電路。本發(fā)明選用的是并行的 工作方式。D0-D7是8位雙向數(shù)據(jù)總線；中斷請(qǐng)求輸出INT#、地址 信號(hào)線AO、讀選通輸入RD弁、寫(xiě)選通輸入WRl啟動(dòng)信號(hào)輸入STA#、 片選控制輸入CS弁分別與單片機(jī)的P2.6、 P2.0、 P3.7、 P3.6、 P2.5、 P2.7管腳相連。圖ll是主控單元用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、外設(shè)控制。其他外圍電路有 時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和按鍵去抖電路。如圖11和圖7所示。涉及的外 設(shè)包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、U盤(pán)模塊、液晶模塊和超聲波測(cè)距模塊。管腳 P1.0-P1.4與A/D轉(zhuǎn)換模塊相連，用于控制模數(shù)轉(zhuǎn)換的工作。管腳 P1.5-P1.7與液晶接口相連，將單片機(jī)處理后的結(jié)果顯示在液晶屏上。 管腳P0.0-P0.7、 P2.0、 P2.5-P2.7、 P3.6、 P3.7與U盤(pán)模塊相連，將結(jié) 果通過(guò)并行的方式存儲(chǔ)到U盤(pán)中。管腳P3.0、 P3.1與串口通訊芯片 MAX232相連，將超聲波測(cè)距模塊測(cè)量到的距離送入單片機(jī)中?？傊?， 整個(gè)電路的協(xié)調(diào)工作都是由單片機(jī)來(lái)控制完成的。
權(quán)利要求
1、 一種光譜反射率測(cè)量裝置，其特征在于所述光譜反射率測(cè) 量裝置包由光學(xué)單元、控制單元和超聲波測(cè)距單元三個(gè)部分組成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光譜反射率測(cè)量裝置，其特征在于 在所述光學(xué)單元內(nèi)有四個(gè)光傳輸?shù)耐ǖ?，用于測(cè)量太陽(yáng)輻射的光強(qiáng)兩 個(gè)上通道，用于測(cè)量冠層反射的光的強(qiáng)度兩個(gè)下通道，所述上、下對(duì) 應(yīng)的兩個(gè)通道內(nèi)有相同波長(zhǎng)的濾光片和相同材料制成的光敏器件。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光譜反射率測(cè)量裝置，其特征在于 所述兩個(gè)濾光片的中心波長(zhǎng)分別是610nm和1220nm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光譜反射率測(cè)量裝置，其特征在于 所述兩個(gè)上通道采用了余弦散射體作為光學(xué)窗口，所述兩個(gè)下通道釆 用的是K9材料制成的光學(xué)玻璃作為窗口。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光譜反射率測(cè)量裝置，其特征在于 所述光學(xué)單元體有兩部分組成，兩部分單元體之間用螺釘連接，光學(xué) 單元體的一端是光學(xué)窗口，相隔一段內(nèi)孔距離后裝有濾光片和平凸透 鏡，在所述濾光片和平凸透鏡的兩側(cè)加裝有密封墊圈，在光學(xué)單元體 的另一端平凸透鏡焦點(diǎn)處裝有光敏器件。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的光譜反射率測(cè)量裝置，其特征在于 所述光敏器件是Si光電池或是InGaAs光電二極管。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光譜反射率測(cè)量裝置，其特征在于 所述控制單元是由傳感器連接放大器、連接數(shù)\模轉(zhuǎn)換器、連接單片 機(jī)，所述單片機(jī)在連接U盤(pán)、液晶顯示器、鍵盤(pán)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光譜反射率測(cè)量裝置，其特征在于 所述超聲波測(cè)距單元是基于壓電原理的超聲波傳感模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光譜反射率測(cè)量裝置，其包括光學(xué)單元、控制單元和超聲波測(cè)距單元三個(gè)部分。光學(xué)單元內(nèi)有四個(gè)光傳輸?shù)耐ǖ?，兩個(gè)上通道采用了余弦散射體作為光學(xué)窗口，兩個(gè)下通道用的是K9材料光學(xué)玻璃窗口。光學(xué)單元體的一端是光學(xué)窗口，濾光片和平凸透鏡，濾光片和平凸透鏡的兩側(cè)裝有密封墊，在光學(xué)單元體的另一端平凸透鏡焦點(diǎn)處裝有光敏器件。控制單元包括傳感器、放大器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、U盤(pán)、液晶顯示器、鍵盤(pán)等。超聲波測(cè)距單元由基于壓電原理的超聲波傳感模塊等組成。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在測(cè)量作物冠層反射光的同時(shí)對(duì)太陽(yáng)輻射光進(jìn)行測(cè)量，簡(jiǎn)化了測(cè)量的操作步驟，并自動(dòng)保持測(cè)量高度的一致。
文檔編號(hào)G01N21/25GK101144778SQ200710119080
公開(kāi)日2008年3月19日 申請(qǐng)日期2007年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月19日
發(fā)明者剛 劉, 笛 崔, 張喜杰, 曹衛(wèi)星, 艷 朱, 李民贊, 汪懋華 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)