一種多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法，通過(guò)對(duì)傳感器輸出電壓做溫度補(bǔ)償，即可實(shí)現(xiàn)反射率的溫度補(bǔ)償；本發(fā)明構(gòu)建基于溫度的同時(shí)適用于720nm和810nm上行光傳感器和下行光傳感器輸出電壓的預(yù)測(cè)模型，通過(guò)預(yù)測(cè)模型得到上行光傳感器與下行光傳感器的溫度補(bǔ)償模型；根據(jù)溫度補(bǔ)償后的輸出電壓計(jì)算反射率實(shí)現(xiàn)對(duì)多光譜作物生長(zhǎng)傳感器反射率的溫度補(bǔ)償。本發(fā)明構(gòu)建了運(yùn)算量低、精度高的多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型，提高了傳感器田間應(yīng)用的溫度穩(wěn)定性；了解了多光譜作物生長(zhǎng)傳感器的溫度特性，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了傳感器輸出電壓的溫度預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了傳感器反射率的溫度補(bǔ)償。
【專利說(shuō)明】一種多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法。

【背景技術(shù)】
[0002]快速、準(zhǔn)確地獲取作物生長(zhǎng)信息對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控具有重要的指導(dǎo)意義。傳統(tǒng)的田間采樣、室內(nèi)分析測(cè)試獲取作物生長(zhǎng)信息的方法，盡管結(jié)果可靠，但時(shí)效性差，難以滿足現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。作物體內(nèi)生化組分及組織結(jié)構(gòu)的不同，會(huì)引起某些特定反射光譜顯著變化，利用高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)這些特定光譜，進(jìn)而可以精確地感知作物多種生長(zhǎng)信息，如葉面積指數(shù)、葉綠素含量、生物量、氮含量、糖氮比等。為了在生產(chǎn)一線推廣作物長(zhǎng)勢(shì)光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)。傳感器在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，光電器件受環(huán)境溫度的影響較大，從而使傳感器的輸出信號(hào)隨溫度變化產(chǎn)生漂移。田間應(yīng)用中，隨季節(jié)溫度變化及陽(yáng)光照射，傳感器的內(nèi)部溫度可達(dá)10-60°C，溫度對(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響明顯，故需做溫度補(bǔ)償。通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件電路可可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，但該方法硬件電路復(fù)雜、補(bǔ)償精度低。與硬件補(bǔ)償相比，軟件補(bǔ)償成本低，精度高，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、最小二乘支持向量機(jī)等智能算法已得到廣泛應(yīng)用；在研究利用近紅外反射率檢測(cè)蘋果可溶性固形物含量時(shí)構(gòu)建了各溫度專用以及全溫度范圍通用的溫度補(bǔ)償模型。該類算法所構(gòu)建溫度補(bǔ)償模型盡管精度高，但模型過(guò)于復(fù)雜，難以集成到運(yùn)算能力有限的單片機(jī)中，進(jìn)而限制了在智能傳感器和智能儀器中的應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法，旨在解決傳統(tǒng)的多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償電路復(fù)雜、成本高、精度低、穩(wěn)定性差的問(wèn)題。
[0004]本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法，該多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法包括:
[0005]步驟一，以720nm上行光傳感器和下行光傳感器的輸出電壓構(gòu)建基于溫度的傳感器輸出電壓預(yù)測(cè)模型，將SlOnm的上行光和下行光傳感器輸出電壓做驗(yàn)證數(shù)據(jù)；
[0006]步驟二，以室溫25°C時(shí)上行光和下行光傳感器不同波段的輸出電壓V25a代表接收到的λ波段入射光能量；構(gòu)建的模型中應(yīng)有溫度的主效應(yīng)及溫度與V25a的交互作用項(xiàng)；溫度對(duì)傳感器輸出電壓的影響規(guī)律明顯，溫度的主效應(yīng)用多項(xiàng)式來(lái)模擬，多項(xiàng)式將考慮一次項(xiàng)、二次項(xiàng)、三次項(xiàng)和四次項(xiàng)；則傳感器輸出電壓溫度預(yù)測(cè)模型的原型如公式(4)所示:
[0007]Vta = a+bV25A+cT+dT2+eT3+fT4+gT.V25 λ (4)
[0008]T為攝氏溫度，Vta為溫度T下λ波段上行光或下行光傳感器的輸出電壓；利用建模數(shù)據(jù)和SPSS16.0的非線性回歸功能得公式(4)的系數(shù)，其中e = 0，f = 0，因此模型剔除溫度的三次項(xiàng)和四次項(xiàng)得公式(5)；
[0009]Vta = 0.041+0.909V25A-0.002T+10_5T2+0.004T.V25 λ (5)
[0010]步驟三，將720nm和SlOnm的ν25λ代入公式(5)得到不同溫度下傳感器的預(yù)測(cè)值，并計(jì)算反射率，模型對(duì)810nm的驗(yàn)證數(shù)據(jù)亦呈現(xiàn)很高的擬合度；模型的R2 = 0.9998，RRMSE=2.31% ；
[0011]步驟四，對(duì)公式(5)做形式上的轉(zhuǎn)換，得公式(6);公式(6)將不同溫度條件下的上行、下行光傳感器的輸出電壓Vta補(bǔ)償?shù)?5°C對(duì)應(yīng)的電壓V25a ；
τ, V —0.041+ 0.0027'-10 V ,、
[0012]V25 =- (6)
25λ0.909 + 0.00477
[0013]利用V25a計(jì)算反射率即可實(shí)現(xiàn)多光譜作物生長(zhǎng)傳感器反射率的溫度補(bǔ)償。
[0014]進(jìn)一步，該多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法經(jīng)溫度補(bǔ)償后，在5°C?60°C范圍內(nèi)720nm反射率的波動(dòng)范圍由3%下降到0.1 %, 820nm的由7.7%下降到0.4%，且這兩個(gè)波段溫度補(bǔ)償后的反射率均接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)25°C時(shí)的反射率，表明反射率的溫度補(bǔ)償模型精度高，適用性好。
[0015]進(jìn)一步，該多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法中多光譜作物生長(zhǎng)傳感器采集作物冠層720nm和SlOnm光譜反射率，耦合作物生長(zhǎng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)模型，反演作物長(zhǎng)勢(shì)信息；傳感器以太陽(yáng)光為光源，采用濾光片分光；反射率定義為物體的反射能量與入射能量之比，光譜反射率則為特定波長(zhǎng)下的物體反射率；作物冠層對(duì)波長(zhǎng)為λ的太陽(yáng)光譜反射率P Λ為:
[0016]Px = ――(O
[0017]式中，La為作物冠層λ波長(zhǎng)的光譜反射輻射亮度，W.sr—1.m_2，Ελ為λ波長(zhǎng)的太陽(yáng)光譜平行入射到作物冠層上的輻照度，W.m_2，π為立體角，立體角單位球面度sr ;由式(I)可知，利用La和Ea計(jì)算得到作物冠層的光譜反射率。
[0018]進(jìn)一步，為了獲取La和Ea，多光譜作物生長(zhǎng)傳感器在結(jié)構(gòu)上分為上行光傳感器和下行光傳感器，共有4個(gè)通道；上行光傳感器接收720nm和SlOnm的入射光，并進(jìn)行余弦糾正；下行光傳感器用于接收對(duì)應(yīng)波段作物冠層反射輻射亮度；傳感器的光闌孔徑為12.8臟，孔深26mm，視場(chǎng)角27°，光譜濾光片帶寬10nm，透過(guò)率為65% -70% ;傳感器所用光電探測(cè)器靈敏度為0.55A.F1，光譜響應(yīng)度為0.0llA.T1.cm—2。
[0019]進(jìn)一步，傳感器采用招制機(jī)殼封裝，孔徑38mm,高50mm。
[0020]本發(fā)明提供的多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法，構(gòu)建了運(yùn)算量低、精度高的多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型，提高了傳感器田間應(yīng)用的溫度穩(wěn)定性；傳感器的反射率是由傳感器中相同波段的下行光傳感器和上行光傳感器的輸出電壓相除得到；溫度對(duì)反射率的影響規(guī)律較復(fù)雜，本質(zhì)是溫度影響傳感器的輸出電壓所引起。因此本發(fā)明研究了多光譜作物生長(zhǎng)傳感器的溫度特性，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了傳感器輸出電壓的溫度預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了傳感器反射率的溫度補(bǔ)償。
[0021]本發(fā)明構(gòu)建了傳感器輸出電壓的溫度預(yù)測(cè)模型，模型可根據(jù)25°C時(shí)傳感器的輸出電壓預(yù)測(cè)得到不同溫度下的傳感器輸出電壓；在此基礎(chǔ)上，將模型做形式上的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而構(gòu)建了反射率的溫度補(bǔ)償模型，模型將反射率因溫度影響產(chǎn)生的波動(dòng)范圍由1.0% -7.0%降低到不超過(guò)0.45%，顯著地降低了溫度對(duì)傳感器反射率的影響；提高了傳感器使用中的溫度穩(wěn)定性。
[0022]本發(fā)明溫度補(bǔ)償?shù)某杀镜?，精度高，克服了常?guī)用硬件實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償電路復(fù)雜，干擾大，補(bǔ)償精度低，且適應(yīng)性差的弊端；本發(fā)明構(gòu)建的溫度補(bǔ)償模型運(yùn)算量低、精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，適合于集成到智能儀器和智能傳感器中應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法流程圖；
[0024]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的溫度對(duì)傳感器輸出電壓的影響示意圖；
[0025]圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的溫度對(duì)傳感器反射率的影響示意圖；
[0026]圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)數(shù)值的比較示意圖；
[0027]圖中:A.傳感器輸出電壓的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值；B.反射率的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值；
[0028]圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的反射率溫度補(bǔ)償前后對(duì)比圖示意圖；
[0029]圖中:A.720nm反射率溫度補(bǔ)償前后對(duì)比圖；B.81nm反射率溫度補(bǔ)償前后對(duì)比圖；
[0030]圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)及溫度補(bǔ)償前后的反射率變化示意圖；
[0031]圖中:Α.以40%反射率標(biāo)準(zhǔn)灰度板為監(jiān)測(cè)對(duì)象時(shí)傳感器的輸出電壓；B.以40%反射率標(biāo)準(zhǔn)灰度板為監(jiān)測(cè)對(duì)象時(shí)傳感器720nm反射率溫度補(bǔ)償前后對(duì)比圖；C.以40%反射率標(biāo)準(zhǔn)灰度板為監(jiān)測(cè)對(duì)象時(shí)傳感器810nm反射率溫度補(bǔ)償前后對(duì)比圖；D.以60%反射率標(biāo)準(zhǔn)灰度板為監(jiān)測(cè)對(duì)象時(shí)傳感器的輸出電壓；E.以60%反射率標(biāo)準(zhǔn)灰度板為監(jiān)測(cè)對(duì)象時(shí)傳感器720nm反射率溫度補(bǔ)償前后對(duì)比圖；F.以60%反射率標(biāo)準(zhǔn)灰度板為監(jiān)測(cè)對(duì)象時(shí)傳感器81nm反射率溫度補(bǔ)償前后對(duì)比圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0033]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步描述。
[0034]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法包括以下步驟:
[0035]SlOl:以720nm上行光傳感器和下行光傳感器的輸出電壓構(gòu)建基于溫度的傳感器輸出電壓預(yù)測(cè)模型，將SlOnm的上行光和下行光傳感器輸出電壓做驗(yàn)證數(shù)據(jù)；
[0036]S102:以室溫25°C時(shí)上行光和下行光傳感器不同波段的輸出電壓V25a代表接收到的λ波段入射光能量；構(gòu)建的模型中應(yīng)有溫度的主效應(yīng)及溫度與V25a的交互作用項(xiàng)；溫度對(duì)傳感器輸出電壓的影響規(guī)律明顯，溫度的主效應(yīng)可用多項(xiàng)式來(lái)模擬，同時(shí)為避免龍格現(xiàn)象，多項(xiàng)式將僅考慮一次項(xiàng)、二次項(xiàng)、三次項(xiàng)和四次項(xiàng)；
[0037]S103:將720nm和SlOnm的V25a代入公式得到不同溫度下傳感器的預(yù)測(cè)值，并計(jì)算反射率，模型對(duì)SlOnm的驗(yàn)證數(shù)據(jù)亦呈現(xiàn)很高的擬合度；
[0038]S104:對(duì)公式做形式上的轉(zhuǎn)換，得將不同溫度條件下的上行、下行光傳感器的輸出電壓補(bǔ)償?shù)?5°C對(duì)應(yīng)的電壓，即可實(shí)現(xiàn)多光譜作物生長(zhǎng)傳感器反射率的溫度補(bǔ)償。
[0039]本發(fā)明的具體步驟為:
[0040]步驟一，以720nm上行光傳感器和下行光傳感器的輸出電壓構(gòu)建基于溫度的傳感器輸出電壓預(yù)測(cè)模型，將SlOnm的上行光和下行光傳感器輸出電壓做驗(yàn)證數(shù)據(jù)；
[0041]步驟二，以室溫25°C時(shí)上行光和下行光傳感器不同波段的輸出電壓V25a代表接收到的λ波段入射光能量；構(gòu)建的模型中應(yīng)有溫度的主效應(yīng)及溫度與V25a的交互作用項(xiàng)；溫度對(duì)傳感器輸出電壓的影響規(guī)律明顯，溫度的主效應(yīng)可用多項(xiàng)式來(lái)模擬，同時(shí)為避免龍格現(xiàn)象，多項(xiàng)式將僅考慮一次項(xiàng)、二次項(xiàng)、三次項(xiàng)和四次項(xiàng)；則傳感器輸出電壓溫度預(yù)測(cè)模型的原型如公式(4)所示:
[0042]Vta = a+bV25A+cT+dT2+eT3+fT4+gT.V25 λ 4()
[0043]T為攝氏溫度，Vta為溫度T下λ波段上行光或下行光傳感器的輸出電壓；利用建模數(shù)據(jù)和SPSS16.0的非線性回歸功能可得公式⑷的系數(shù)，其中e = 0，f = 0，因此模型剔除溫度的三次項(xiàng)和四次項(xiàng)得公式(5)；
[0044]Vta = 0.041+0.909V25A-0.002T+10_5T2+0.004Τ.V25 λ 5()
[0045]步驟三，將720nm和SlOnm的V25a代入公式(5)得到不同溫度下傳感器的預(yù)測(cè)值，并計(jì)算反射率，模型對(duì)810nm的驗(yàn)證數(shù)據(jù)亦呈現(xiàn)很高的擬合度；模型的R2 = 0.9998，RRMSE=2.31% ；
[0046]步驟四，對(duì)公式(5)做形式上的轉(zhuǎn)換，得公式(6);公式(6)可將不同溫度條件下的上行、下行光傳感器的輸出電壓Vta補(bǔ)償?shù)?5°C對(duì)應(yīng)的電壓V25a ；
―― Vr1- 0.041+ 0.002Γ-10 5T2 ,、
0047 I = - (6)

0.909 + 0.0047ν '
[0048]利用V25a計(jì)算反射率即可實(shí)現(xiàn)多光譜作物生長(zhǎng)傳感器反射率的溫度補(bǔ)償；本試驗(yàn)反射率溫度補(bǔ)償前后對(duì)比見(jiàn)圖5，可見(jiàn)經(jīng)溫度補(bǔ)償后，在5°C?60°C范圍內(nèi)720nm反射率的波動(dòng)范圍由3%下降到0.1 %, 820nm的由7.7%下降到0.4%，且這兩個(gè)波段溫度補(bǔ)償后的反射率均接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)25 °C時(shí)的反射率，表明反射率的溫度補(bǔ)償模型精度高，適用性好。
[0049]本發(fā)明的工作原理:傳感器反射率隨溫度變化的根本原因?yàn)闇囟葘?duì)上行光傳感器和下行光傳感器輸出電壓的影響，因此通過(guò)對(duì)傳感器輸出電壓做溫度補(bǔ)償，即可實(shí)現(xiàn)反射率的溫度補(bǔ)償；本發(fā)明構(gòu)建基于溫度的同時(shí)適用于720nm和SlOnm上行光傳感器和下行光傳感器輸出電壓的預(yù)測(cè)模型，通過(guò)預(yù)測(cè)模型得到上行光傳感器與下行光傳感器的溫度補(bǔ)償模型；根據(jù)溫度補(bǔ)償后的輸出電壓計(jì)算反射率實(shí)現(xiàn)對(duì)多光譜作物生長(zhǎng)傳感器反射率的溫度補(bǔ)償。
[0050]本發(fā)明的具體實(shí)施例:
[0051]I多光譜作物生長(zhǎng)傳感器:
[0052]多光譜作物生長(zhǎng)傳感器采集作物冠層720nm和810nm光譜反射率，耦合作物生長(zhǎng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)模型，反演作物長(zhǎng)勢(shì)信息；傳感器以太陽(yáng)光為光源，采用濾光片分光；反射率定義為物體的反射能量與入射能量之比，光譜反射率則為特定波長(zhǎng)下的物體反射率；作物冠層對(duì)波長(zhǎng)為λ的太陽(yáng)光譜反射率P X為..Tc L i,/ λ \
[0053]P? =(I)

tA
[0054]式中，U為作物冠層λ波長(zhǎng)的光譜反射輻射亮度，W.sr—1.m_2，Ελ為λ波長(zhǎng)的太陽(yáng)光譜平行入射到作物冠層上的輻照度，W.m_2，π為立體角，立體角單位球面度Sr ;由式(I)可知，利用Lλ和Eλ可計(jì)算得到作物冠層的光譜反射率；為了獲取Lλ和Eλ，多光譜作物生長(zhǎng)傳感器在結(jié)構(gòu)上分為上行光傳感器和下行光傳感器，共有4個(gè)通道；上行光傳感器接收720nm和810nm的入射光，并進(jìn)行余弦糾正；下行光傳感器用于接收對(duì)應(yīng)波段作物冠層反射輻射亮度；傳感器的光闌孔徑為12.8mm，孔深26mm，視場(chǎng)角27°，光譜濾光片帶寬10nm，透過(guò)率為65% -70% ;傳感器所用光電探測(cè)器靈敏度為0.55A.W—1，光譜響應(yīng)度為0.0llA.T1.CnT2 ;傳感器采用招制機(jī)殼封裝,孔徑38mm,高50mm,體積小、重量輕、攜帶方便，極其適合田間應(yīng)用；
[0055]2試驗(yàn)設(shè)計(jì):
[0056]本發(fā)明的試驗(yàn)共有兩部分，試驗(yàn)I用于構(gòu)建模型，試驗(yàn)2用于檢驗(yàn)所構(gòu)建模型的適用性；
[0057]試驗(yàn)1:利用可程控式恒溫恒濕箱RP-80控制測(cè)試溫度，RP-80溫度調(diào)節(jié)范圍為-20°C _150°C，控制精度為±0.5°C，相對(duì)濕度調(diào)節(jié)范圍為20% -98% RH，控制精度為±2.5% RH ;以灰度板(反射率為40% )為多光譜作物生長(zhǎng)傳感器的監(jiān)測(cè)對(duì)象；將RP-80箱外齒鶴燈的光通過(guò)光纖引入箱內(nèi)積分球，作為試驗(yàn)光源；穩(wěn)定齒鶴燈的電源電壓為10V,可保證光源的光強(qiáng)不變；提供不同的電源電壓，則可改變光源光強(qiáng)；試驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)灰度板置于恒溫恒濕箱內(nèi)，上行光傳感器和下行光傳感器固定于標(biāo)準(zhǔn)灰度板中心處垂直上方1cm處；光源置于多光譜傳感器右上方45°，與多光譜作物生長(zhǎng)傳感器相距15cm處；上行光傳感器接收光源輻射信息，下行光傳感器接收標(biāo)準(zhǔn)灰度板反射光輻射信息；恒溫恒濕箱內(nèi)溫度分別設(shè)置為 6°C、11°C、15°C、20°C、25°C、30°C、35°C、40°C、44°C、49°C、54°C、62°C，相對(duì)濕度保持為40% RH不變；每溫度下米集720nm和810nm上行光傳感器和下行光傳感器的輸出電壓，采集周期設(shè)置為3s，連續(xù)采集200次數(shù)據(jù)取平均；
[0058]試驗(yàn)2:溫度設(shè)置同試驗(yàn)1，光源的電源電壓設(shè)為IlV以得到不同光強(qiáng)，分別以40%和60%反射率的標(biāo)準(zhǔn)灰度板為監(jiān)測(cè)對(duì)象；
[0059]3結(jié)果與分析:
[0060]3.1溫度對(duì)傳感器輸出特性的影響:
[0061]光強(qiáng)保持不變，不同溫度下傳感器的輸出電壓見(jiàn)圖2 ;由圖2可知，隨溫度升高，傳感器的輸出電壓呈增加趨勢(shì)，表明傳感器具有正的溫度特性；6°C時(shí)傳感器任一通道的輸出電壓越高，則隨溫度升高該通道的輸出電壓增幅將越大，即平均變化率Ak較大(Ak =(V62-V6) / (62-6)，V62和V6分別為62°C和6°C時(shí)傳感器各通道的輸出電壓)；相同溫度下，傳感器同一波段通道的輸出電壓越高說(shuō)明該通道的光電探測(cè)器接收的入射光能量E越大，因此Ak的不同應(yīng)為溫度與E共同作用的結(jié)果，即溫度和E存在著交互作用；
[0062]利用圖2數(shù)據(jù)計(jì)算得720nm和810nm反射率(圖3);由圖3可見(jiàn)，隨溫度升高反射率呈非線性下降趨勢(shì)，在5°C?40°C范圍內(nèi)反射率的下降較快，隨后趨緩；試驗(yàn)中下行光傳感器的輸出電壓小于相同波段上行光傳感器的輸出，隨溫度升高上行光傳感器的輸出電壓增幅將大于下行光傳感器的增幅，所以反射率表現(xiàn)為下降趨勢(shì)；
[0063]圖2中傳感器的輸出電壓隨溫度升高呈近似線性增加，可簡(jiǎn)單的用y = a+bx表示，y為傳感器輸出電壓，X為溫度；則反射率R可表示為: n a, +hxf
[0064]R = —Tl-(2 )

a2 + D2X
_.t CiJ)' — CiJi1/ \
[0065]R =廠 1 l ' ;(3)
(a' +a.xy
[0066]結(jié)合圖2可知式(3)中82和132均大于0，所以隨溫度升高，反射率的導(dǎo)數(shù)R’趨向于0，反射率的變化將趨緩；
[0067]3.2傳感器溫度補(bǔ)償模型構(gòu)建:
[0068]傳感器反射率隨溫度變化的根本原因?yàn)闇囟葘?duì)上行光傳感器和下行光傳感器輸出電壓的影響，因此通過(guò)對(duì)傳感器輸出電壓做溫度補(bǔ)償，即可實(shí)現(xiàn)反射率的溫度補(bǔ)償；本發(fā)明構(gòu)建基于溫度的同時(shí)適用于720nm和810nm上行光傳感器和下行光傳感器輸出電壓的預(yù)測(cè)模型，通過(guò)預(yù)測(cè)模型得到上行光傳感器與下行光傳感器的溫度補(bǔ)償模型；根據(jù)溫度補(bǔ)償后的輸出電壓計(jì)算反射率實(shí)現(xiàn)對(duì)多光譜作物生長(zhǎng)傳感器反射率的溫度補(bǔ)償；
[0069]3.2.1傳感器輸出電壓溫度預(yù)測(cè)模型構(gòu)建:
[0070]傳感器720nm和810nm通道監(jiān)測(cè)原理相同，在結(jié)構(gòu)上僅濾光片有差異，溫度對(duì)傳感器不同通道輸出電壓的影響規(guī)律必然一致；因此，本發(fā)明以圖2中720nm上行光傳感器和下行光傳感器的輸出電壓構(gòu)建基于溫度的傳感器輸出電壓預(yù)測(cè)模型，將810nm的上行光和下行光傳感器輸出電壓做驗(yàn)證數(shù)據(jù)；多光譜作物生長(zhǎng)傳感器的輸出電壓受入射光能量影響，在環(huán)境條件不變的情況下，入射光能量越高則傳感器的輸出電壓越大；因此相同溫度下，傳感器的輸出電壓代表了其接收到的相應(yīng)波段的入射光能量，本發(fā)明以室溫25°C時(shí)上行光和下行光傳感器不同波段的輸出電壓V25a代表接收到的λ波段入射光能量；根據(jù)前文的結(jié)論，構(gòu)建的模型中應(yīng)有溫度的主效應(yīng)及溫度與V25a的交互作用項(xiàng)；由圖2可見(jiàn)，溫度對(duì)傳感器輸出電壓的影響規(guī)律明顯，溫度的主效應(yīng)可用多項(xiàng)式來(lái)模擬，同時(shí)為避免龍格現(xiàn)象，多項(xiàng)式將僅考慮一次項(xiàng)、二次項(xiàng)、三次項(xiàng)和四次項(xiàng)；則傳感器輸出電壓溫度預(yù)測(cè)模型的原型如公式⑷所示:
[0071]Vta = a+bV25A+cT+dT2+eT3+fT4+gT.V25 λ (4)
[0072]T為攝氏溫度，Vta為溫度T下λ波段上行光或下行光傳感器的輸出電壓；利用建模數(shù)據(jù)和SPSS16.0的非線性回歸功能可得公式⑷的系數(shù)，其中e = 0，f = 0，因此模型剔除溫度的三次項(xiàng)和四次項(xiàng)得公式(5)；
[0073]Vta = 0.041+0.909V25A-0.002T+10_5T2+0.004Τ.V25 λ (5)
[0074]將720nm和SlOnm的V25A代入公式(5)得到不同溫度下傳感器的預(yù)測(cè)值，并計(jì)算反射率，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的吻合情況見(jiàn)圖4 ;由圖4可見(jiàn)，模型對(duì)SlOnm的驗(yàn)證數(shù)據(jù)亦呈現(xiàn)很高的擬合度；模型的R2 = 0.9998，RRMSE = 2.31% ；
[0075]3.2.2傳感器反射率溫度補(bǔ)償模型構(gòu)建:
[0076]對(duì)公式(5)做形式上的轉(zhuǎn)換，得公式(6);公式(6)可將不同溫度條件下的上行、下行光傳感器的輸出電壓ντλ補(bǔ)償?shù)?5°C對(duì)應(yīng)的電壓ν25λ ；
「 n ,, κ(/ - 0.041+ 0.002Γ-10 -T1
[0077]K,, = —- (6

0.909 + 0.00471
[0078]利用V25a計(jì)算反射率即可實(shí)現(xiàn)多光譜作物生長(zhǎng)傳感器反射率的溫度補(bǔ)償；本試驗(yàn)反射率溫度補(bǔ)償前后對(duì)比見(jiàn)圖5，可見(jiàn)經(jīng)溫度補(bǔ)償后，在5°C?60°C范圍內(nèi)720nm反射率的波動(dòng)范圍由3%下降到0.1 %, 820nm的由7.7%下降到0.4%，且這兩個(gè)波段溫度補(bǔ)償后的反射率均接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)25°C時(shí)的反射率，表明反射率的溫度補(bǔ)償模型精度高，適用性好；
[0079]3.3模型驗(yàn)證:
[0080]試驗(yàn)2的模型檢驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6 ;由圖6可見(jiàn)，以40%和60%反射率標(biāo)準(zhǔn)灰度板為監(jiān)測(cè)對(duì)象，隨溫度變化傳感器720nm和810nm反射率的變化幅度為1.0-2.6%，溫度補(bǔ)償后反射率的波動(dòng)范圍變小，最大波動(dòng)范圍不超過(guò)0.45% ;對(duì)溫度補(bǔ)償前和補(bǔ)償后反射率的波動(dòng)范圍做成對(duì)t檢驗(yàn)，得P = 0.015 < 0.05，表明反射率的溫度補(bǔ)償模型可顯著的降低溫度對(duì)反射率的影響。
[0081]本發(fā)明在光強(qiáng)保持恒定不變的情況下，國(guó)家信息農(nóng)業(yè)工程技術(shù)中心研制的多光譜作物生長(zhǎng)傳感器在5°C -60°C范圍內(nèi)，隨溫度升高傳感器的輸出電壓表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，反射率則呈非線性下降，在5°C -40°C范圍內(nèi)下降較快，隨后趨緩；
[0082]本發(fā)明構(gòu)建了傳感器輸出電壓的溫度預(yù)測(cè)模型，模型可根據(jù)25°C時(shí)傳感器的輸出電壓預(yù)測(cè)得到不同溫度下的傳感器輸出電壓，模型的R2 = 0.9998, RRMSE = 2.31%;在此基礎(chǔ)上，將模型做形式上的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而構(gòu)建了反射率的溫度補(bǔ)償模型，模型將反射率因溫度影響產(chǎn)生的波動(dòng)范圍由1.0% -7.0%降低到不超過(guò)0.45%，成對(duì)t檢驗(yàn)結(jié)果表明所構(gòu)建的模型可顯著地降低溫度對(duì)傳感器反射率的影響；顯著地提高了傳感器使用中的溫度穩(wěn)定性。
[0083]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法，其特征在于，該多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法包括: 步驟一，以720nm上行光傳感器和下行光傳感器的輸出電壓構(gòu)建基于溫度的傳感器輸出電壓預(yù)測(cè)模型，將SlOnm的上行光和下行光傳感器輸出電壓做驗(yàn)證數(shù)據(jù)； 步驟二，以室溫25°C時(shí)上行光和下行光傳感器不同波段的輸出電壓V25a代表接收到的入波段入射光能量；構(gòu)建的模型中應(yīng)有溫度的主效應(yīng)及溫度與ν25λ的交互作用項(xiàng)；溫度對(duì)傳感器輸出電壓的影響規(guī)律明顯，溫度的主效應(yīng)用多項(xiàng)式來(lái)模擬，多項(xiàng)式將考慮一次項(xiàng)、二次項(xiàng)、三次項(xiàng)和四次項(xiàng)；則傳感器輸出電壓溫度預(yù)測(cè)模型的原型如公式(4)所示:
Vt λ = a+bV25 λ +cT+dT2+eT3+fT4+gT.V25 λ 4() T為攝氏溫度，Vta為溫度T下λ波段上行光或下行光傳感器的輸出電壓；利用建模數(shù)據(jù)和SPSS16.0的非線性回歸功能得公式(4)的系數(shù)，其中e = 0，f = 0，因此模型剔除溫度的三次項(xiàng)和四次項(xiàng)得公式(5)；
Vta = 0.041+0.909V25A-0.002Τ+1(Γ5Τ2+0.004Τ.V25λ 5() 步驟三，將720nm和SlOnm的V25a代入公式(5)得到不同溫度下傳感器的預(yù)測(cè)值，并計(jì)算反射率，模型對(duì)810nm的驗(yàn)證數(shù)據(jù)亦呈現(xiàn)很高的擬合度；模型的R2 = 0.9998, RRMSE =2.31% ； 步驟四，對(duì)公式(5)做形式上的轉(zhuǎn)換，得公式(6);公式(6)將不同溫度條件下的上行、下行光傳感器的輸出電壓ντλ補(bǔ)償?shù)?5°C對(duì)應(yīng)的電壓ν25λ ；
VT/ - 0.041 + 0.0027'-10 T2I 】—(o/
0.909 + 0.00471 利用ν25λ計(jì)算反射率即可實(shí)現(xiàn)多光譜作物生長(zhǎng)傳感器反射率的溫度補(bǔ)償。
2.如權(quán)利要求1所述的多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法，其特征在于，該多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法經(jīng)溫度補(bǔ)償后，在5°C?60°C范圍內(nèi)720nm反射率的波動(dòng)范圍由3%下降到0.1 %, 820nm的由7.7%下降到0.4%，且這兩個(gè)波段溫度補(bǔ)償后的反射率均接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)25°C時(shí)的反射率，表明反射率的溫度補(bǔ)償模型精度高，適用性好。
3.如權(quán)利要求1所述的多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法，其特征在于，該多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法中多光譜作物生長(zhǎng)傳感器采集作物冠層720nm和SlOnm光譜反射率，耦合作物生長(zhǎng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)模型，反演作物長(zhǎng)勢(shì)信息；傳感器以太陽(yáng)光為光源，采用濾光片分光；反射率定義為物體的反射能量與入射能量之比，光譜反射率則為特定波長(zhǎng)下的物體反射率；作物冠層對(duì)波長(zhǎng)為λ的太陽(yáng)光譜反射率Pd:
π?.;P(I)
tA 式中，La為作物冠層λ波長(zhǎng)的光譜反射輻射亮度，W.sr—1.m_2，Ελ為λ波長(zhǎng)的太陽(yáng)光譜平行入射到作物冠層上的輻照度，W.πΓ2，為立體角，立體角單位球面度sr ;由式(I)可知，利用La和Eλ計(jì)算得到作物冠層的光譜反射率。
4.如權(quán)利要求3所述的多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法，其特征在于，為了獲取La和Ea ,多光譜作物生長(zhǎng)傳感器在結(jié)構(gòu)上分為上行光傳感器和下行光傳感器，共有4個(gè)通道；上行光傳感器接收720nm和SlOnm的入射光，并進(jìn)行余弦糾正；下行光傳感器用于接收對(duì)應(yīng)波段作物冠層反射輻射亮度；傳感器的光闌孔徑為12.8_，孔深26_，視場(chǎng)角27°，光譜濾光片帶寬10nm，透過(guò)率為65% -70%;傳感器所用光電探測(cè)器靈敏度為0.55A.T1，光譜響應(yīng)度為 0.0llA.T1.cm_2。
5.如權(quán)利要求3所述的多光譜作物生長(zhǎng)傳感器溫度補(bǔ)償模型的構(gòu)建方法，其特征在于，傳感器采用招制機(jī)殼封裝，孔徑38mm,高50mm。
【文檔編號(hào)】G01N21/25GK104251824SQ201410505858
【公開(kāi)日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】曹衛(wèi)星, 倪軍, 朱艷, 劉乃森, 龐方榮, 董繼飛 申請(qǐng)人:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)