一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置及檢測方法

《一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置及檢測方法》是南京農業大學於2012年6月27日申請的專利，該專利的申請號為2012102141378，公布號為CN102768186A，授權公布日為2012年11月7日，發明人是曹衛星、倪軍、朱艷、田永超、姚霞、徐志剛。

《一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置及檢測方法》公開了一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置，該檢測裝置包括多光譜作物生長感測器、電流-電壓轉換電路、靈敏度調節電路、濾波電路、模擬-數字轉換電路、單片微型處理器、控制鍵盤、數字溫度感測器、液晶屏、電源電路、指示電路；其中：所述多光譜作物生長感測器依次串接電流-電壓轉換電路、靈敏度調節電路、濾波電路、模擬-數字轉換電路、單片微型處理器；所述控制鍵盤、數字溫度感測器分別連線單片微型處理器；所述單片微型處理器與液晶屏連線；所述電源電路與指示電路相連且向整個裝置供電。該發明還公開了一種基於該檢測裝置的檢測方法；該發明結構緊湊，不僅能夠實現小型化，而且提高系統的穩定性和可靠性。

2016年12月7日，《一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置及檢測方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置及檢測方法》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置及檢測方法
• 公布號：CN102768186A
• 授權日：2012年11月7日
• 申請號：2012102141378
• 申請日：2012年6月27日
• 申請人：南京農業大學
• 地址：江蘇省南京市玄武區衛崗1號
• 發明人：曹衛星、倪軍、朱艷、田永超、姚霞、徐志剛
• Int.Cl.：G01N21/27(2006.01)I
• 代理機構：南京經緯專利商標代理有限公司
• 代理人：許方
• 類別：發明專利

專利背景

作物生長信息監測是作物精確診斷與管理調控的依據，對作物的生長發育、產量品質起著決定性的作用。長期以來，作物生長信息（如氮含量、氮積累量、葉面積指數、葉乾重）的檢測都是以實驗室常規測試為主，主要有形態診斷法、葉色卡片法、化學診斷法、肥料視窗診斷法和酶學診斷法等，其缺陷是：對作物產生破壞、影響作物生長，而且在取樣、測定、數據分析等方面需要耗費大量的人力、物力，時效性差，不能實時指導作物精確管理。

作物體內大多數生理生化變化會引起某些特定波段反射光譜的變化。基於這一原理，可以利用作物生長信息的光譜特徵波長和植被指數來反演作物的生長狀態。傳統的方法是利用作物單個葉片在某些特定波長處的光譜反射率及其組合信息對作物的生長指標進行檢測，這種方法獲得的作物葉片信息無法充分表征整個植株的生理狀態，帶有較大的不確定性，以此推知作物群體生長水平不完整且不精確。此外田間作物光譜信息採集一般採用點源採樣方式，其採樣點信息的多元性、層次性和微弱性，使得作物生長信息的識別與提取變得極其困難。

截至2012年6月，基於冠層反射光譜的作物氮素監測系統在實際使用時，整機功能、量化指標和可靠性均不高。多光譜作物生長感測器僅為理論研究，未有詳細的實施方案，且無法解決裝置的簡便性和操作的可靠性問題。

發明內容

專利目的

《一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置及檢測方法》所要解決的技術問題是針對背景技術中存在的不足，提供一種實時性好、準確率高且可靠性強的田間作物生長信息檢測儀，能夠實現在田間條件下低成本、攜帶型測量作物的氮含量、氮累積量、葉面積指數和葉乾重等生長信息。

技術方案

一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置，包括多光譜作物生長感測器、電流-電壓轉換電路、靈敏度調節電路、濾波電路、模擬-數字轉換電路、單片微型處理器、控制鍵盤、數字溫度感測器、液晶屏、電源電路、指示電路；其中：所述多光譜作物生長感測器依次串接電流-電壓轉換電路、靈敏度調節電路、濾波電路、模擬-數字轉換電路、單片微型處理器；所述控制鍵盤、數字溫度感測器分別連線單片微型處理器；所述單片微型處理器與液晶屏連線；所述電源電路與指示電路相連且向整個裝置供電。

進一步的，《一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置及檢測方法》的田間作物生長信息無損快速檢測裝置，多光譜作物生長感測器包括上行光作物生長感測器、下行光作物生長感測器、固定支架、活動支撐桿、五芯禁止傳輸導線；其中：

上行光作物生長感測器和下行光作物生長感測器均包括多孔感測器固件、光電探測器陣列、光譜濾光片、清潔玻璃、濾波圈；其中，上行光作物生長感測器中的濾波圈表面設有餘弦校正器，下行光作物生長感測器中的濾波圈表面設有保護玻璃；

所述光電探測器陣列、光譜濾光片、清潔玻璃依次間隔排列於多孔感測器固件中且被密封；濾波圈通過緊固螺絲連線在多孔感測器固件上；

所述五芯禁止傳輸導線的一端分別連線上行光作物生長感測器、下行光作物生長感測器的光電探測器陣列，所述五芯禁止傳輸導線的另一端連線所述電流-電壓轉換電路。

進一步的，《一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置及檢測方法》的田間作物生長信息無損快速檢測裝置，所述多孔感測器固件結構由作物冠層葉面積密度分布特徵以及反射式光電檢測系統靈敏度確定，其視場角為25°-30°，孔深為26毫米，孔徑為12.8毫米。

進一步的，《一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置及檢測方法》的田間作物生長信息無損快速檢測裝置，所述光電探測器陣列是由四個光電二極體間隔排列而成。

進一步的，《一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置及檢測方法》的田間作物生長信息無損快速檢測裝置，所述光譜濾光片的中心波段為560納米，710納米，720納米，810納米，中心波長透過率為65%-70%，頻寬為9納米-10納米，截止率小於0.00001%。

一種基於田間作物生長信息無損快速檢測裝置的田間作物生長信息無損快速檢測方法，採用如下步驟：

步驟1），將上行光作物生長感測器與水平位置成90連線於固定支架上表面；下行光作物生長感測器與水平位置成90°固定連線於固定支架下表面；固定支架通過緊固螺絲固定在活動支撐桿的頂部；調節活動支撐桿，設定下行光作物生長感測器與水平位置成90°，且距離作物冠層高度0.7米～1.1米，以獲取適當的分辨視場；

步驟2），將多光譜作物生長感測器輸出的信號送入電流-電壓轉換電路，靈敏度調節電路根據太陽光光強大小，自動適配轉換電阻，將光電流信號轉換成具有一定幅值的電壓信號；運用濾波電路從頻域中分離出特徵光譜信息；將分離出的特徵光譜信息通過模擬-數字轉換電路轉換為單片微型處理器可以執行的標準數位訊號；

步驟3），單片微型處理器實時採集作物冠層光譜信息且對採集到的信息進行處理，並將結果實時顯示在顯示液晶屏上。

進一步的，一種田間作物生長信息無損快速檢測方法，步驟3）所述單片微型處理器利用多次插值查找表算法處理採集數據。

改善效果

《一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置及檢測方法》的田間作物生長信息無損快速檢測裝置中的多光譜作物生長感測器採用集成化密封式多孔固件結構，結構緊湊，不僅能夠實現小型化，而且提高系統的穩定性和可靠性。採用濾波圈實現空間濾波，提高了系統的信噪比。該發明動態性能好，抗干擾能力強，測量精度高，能實現田間作物生長信息線上測量。

附圖說明

圖1為《一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置及檢測方法》電路模組連線示意圖。

圖2為多光譜作物生長感測器結構圖。

圖3為上行光、下行光作物生長感測器的剖面結構圖。

圖4為上行光作物生長感測器的結構圖。

圖5為下行光作物生長感測器的結構圖。

圖中標號：1—上行光作物生長感測器，2—下行光作物生長感測器，3—固定支架，4—活動支撐桿，5—多孔感測器固件，6—光電探測器陣列，7—光譜濾光片，8—清潔玻璃，9—濾波圈，10—餘弦校正器，11—保護玻璃。

技術領域

《一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置及檢測方法》涉及精準農業中的作物精確診斷，重點針對田間作物信息快速獲取，屬於作物生長指標信息智慧型檢測領域。

權利要求

1.一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置，其特徵在於：包括多光譜作物生長感測器、電流-電壓轉換電路、靈敏度調節電路、濾波電路、模擬-數字轉換電路、單片微型處理器、控制鍵盤、數字溫度感測器、液晶屏、電源電路、指示電路；其中：所述多光譜作物生長感測器依次串接電流-電壓轉換電路、靈敏度調節電路、濾波電路、模擬-數字轉換電路、單片微型處理器；所述控制鍵盤、數字溫度感測器分別連線單片微型處理器；所述單片微型處理器與液晶屏連線；所述電源電路與指示電路相連且向整個裝置供電；多光譜作物生長感測器包括上行光作物生長感測器、下行光作物生長感測器、固定支架、活動支撐桿、五芯禁止傳輸導線；其中：上行光作物生長感測器和下行光作物生長感測器均包括多孔感測器固件、光電探測器陣列、光譜濾光片、清潔玻璃、濾波圈；其中，上行光作物生長感測器中的濾波圈表面設有餘弦校正器，下行光作物生長感測器中的濾波圈表面設有保護玻璃；所述多孔感測器固件結構由作物冠層葉面積密度分布特徵以及反射式光電檢測系統靈敏度確定，其視場角為25°-30°，孔深為26毫米，孔徑為12.8毫米；所述光電探測器陣列、光譜濾光片、清潔玻璃依次間隔排列於多孔感測器固件中且被密封；濾波圈通過緊固螺絲連線在多孔感測器固件上；所述五芯禁止傳輸導線的一端分別連線上行光作物生長感測器、下行光作物生長感測器的光電探測器陣列，所述五芯禁止傳輸導線的另一端連線所述電流-電壓轉換電路。

2.如權利要求1所述的田間作物生長信息無損快速檢測裝置，其特徵在於：所述光電探測器陣列是由四個光電二極體間隔排列而成。

3.如權利要求1所述的田間作物生長信息無損快速檢測裝置，其特徵在於：所述光譜濾光片的中心波段為560納米，710納米，720納米，810納米，中心波長透過率為65%-70%，頻寬為9納米-10納米，截止率小於0.00001%。

4.一種基於權利要求1-3任一所述的田間作物生長信息無損快速檢測裝置的田間作物生長信息無損快速檢測方法，其特徵在於採用如下步驟：

步驟1），將上行光作物生長感測器與水平位置成90°連線於固定支架上表面；下行光作物生長感測器與水平位置成90°固定連線於固定支架下表面；固定支架通過緊固螺絲固定在活動支撐桿的頂部；調節活動支撐桿，設定下行光作物生長感測器與水平位置成90°，且距離作物冠層高度0.7米～1.1米，以獲取適當的分辨視場；

步驟2），將多光譜作物生長感測器輸出的信號送入電流-電壓轉換電路，靈敏度調節電路根據太陽光光強大小，自動適配轉換電阻，將光電流信號轉換成具有一定幅值的電壓信號；運用濾波電路從頻域中分離出特徵光譜信息；將分離出的特徵光譜信息通過模擬-數字轉換電路轉換為單片微型處理器可以執行的標準數位訊號；

步驟3），單片微型處理器實時採集作物冠層光譜信息且對採集到的信息進行處理，並將結果實時顯示在顯示液晶屏上。

5.如權利要求4所述的一種田間作物生長信息無損快速檢測方法，其特徵在於：步驟3）所述單片微型處理器利用多次插值查找表算法處理採集數據。

實施方式

如圖1所示的檢測裝置，多光譜作物生長感測器的輸出連線電流-電壓轉換電路，電流-電壓轉換電路的輸出依次串接靈敏度調節電路、濾波電路、模擬-數字轉換電路、單片微型處理器；數字溫度感測器連線單片微型處理器；單片微型處理器連線控制鍵盤、顯示液晶屏；電源電路分別連線指示電路、電流-電壓轉換電路、單片微型處理器、控制鍵盤、顯示液晶屏和各所述的各個電路並為各個電路提供電源。電源電路採用鋰電池供電，採用穩壓電路得到系統穩定的電源電壓等級DC5V。

參照圖2，多光譜作物生長感測器的結構包括上行光作物生長感測器1、下行光作物生長感測器2、固定支架3、活動支撐桿4。上行光作物生長感測器1與水平位置成90°連線於固定支架3上表面；下行光作物生長感測器2與水平位置成90°固定連線於固定支架3下表面；固定支架3通過緊固螺絲固定在活動支撐桿4的頂部。調節活動支撐桿4，設定下行光作物生長感測器與水平位置成90°，且距離作物冠層高度1米～1.3米，以獲取適當的分辨視場。

參照圖3、圖4和圖5，上行光作物生長感測器1包括多孔感測器固件5、光電探測器陣列6、光譜濾光片7、清潔玻璃8、濾波圈9和餘弦校正器10；光電探測器陣列6是由四個光電二極體間隔排列而成；光譜濾光片7選用中心波段560納米，710納米，720納米810納米四種；光電探測器陣列6、光譜濾光片7、清潔玻璃8依次間隔排列於多孔感測器固件5中且被密封；濾波圈9通過緊固螺絲連線在多孔感測器固件5表面；餘弦校正器10敷貼於濾波圈表面；

下行光光感測器2包括多孔感測器固件5、光電探測器陣列6、光譜濾光片7、清潔玻璃8、濾波圈9和保護玻璃11；光電探測器陣列6是由四個光電二極體間隔排列而成；光譜濾光片7選用中心波段560納米，710納米，720納米，810納米四種；光電探測器陣列6、光譜濾光片7、清潔玻璃8依次間隔排列於三孔感測器固件5中且被密封；濾波圈9通過緊固螺絲連線在多孔感測器固件5表面；保護玻璃11敷貼於濾波圈表面；五芯禁止傳輸導線的一端連線光電探測器，另一端連線所述電流-電壓轉換電路。

單片微型處理器選用的是STC89C516單片機，通過數據口採集多光譜信息和測試環境溫度信息。控制鍵盤由“復位”、“測量”、“監測”、“診斷”四個鍵組成，其中“測量”按鍵用來實時採集作物冠層光譜信息且對採集到的信息進行處理，並將結果實時顯示在顯示液晶屏上；“監測”按鍵用來中斷當前實時測量，捕捉當前值；“診斷”按鍵用來耦合作物生長模型，反演作物氮含量、氮積累量、葉面積指數和葉乾重等生長信息，並將結果顯示在顯示液晶屏上，用於評價作物生長狀況；“復位”按鍵用來恢復至初始化狀態，並在液晶屏上顯示初始化信息及當前測試環境溫度。

在監測田間作物生長信息過程中，將多光譜作物生長感測器1安裝於活動支撐桿4頂部的固定支架3上，調節活動支撐桿4使下行光光譜感測器與水平位置成90°，且距離作物冠層高度0.7米～1.1米，以獲取一定分辨視場中的光譜信息，經電流-電壓轉換電路、靈敏度調節電路、濾波電路處理，提取出作物冠層反射特徵光譜信息。單片微型處理器提供了三種工作模式：“復位”、“測量”、“監測”與“診斷”，由控制鍵盤選擇切換。在“測量”模式下，單片微型處理器實時採集作物冠層光譜信息且對採集到的信息進行處理，並將結果實時顯示在顯示液晶屏上；在“監測”模式下，單片微型處理器中斷當前實時測量，捕捉當前值；在“診斷”模式下，系統耦合作物生長模型，反演作物氮含量、氮積累量、葉面積指數和葉乾重等生長信息，並將結果顯示在顯示液晶屏上，用於評價作物生長狀況；在“復位”模式下，系統恢復至初始化狀態，並在液晶屏上顯示初始化信息及當前測試環境溫度。

作物生長信息無損檢測方法具體包括以下步驟：

1、設定上行光作物生長感測器1與水平位置成90°連線於固定支架3上表面；設定下行光作物生長感測器與水平位置成90°固定連線於固定支架3下表面；固定支架3通過緊固螺絲固定在活動支撐桿4的頂部。調節活動支撐桿4使下行光作物生長感測器距離作物冠層高度0.7米～1.1米，以獲取適當的分辨視場。由於多光譜作物生長感測器結構的特殊性，不僅確保了檢測系統較高的解析度，而且增強了感測器的信號強度。

2、下行光光譜感測器2結構的具體設計方法如下：

1）反射式光電檢測系統傳輸光路可知光電探測器6口徑、視場角與視場面積之間的關係如下：

（1）

（2）

其中Δw為光電探測器6所接受到的總能量，為探測器6的有效幾何面積，β為視場角，ΔA為下行光作物生長感測器2視場面積，H為探測器6到冠層的垂直距離。

光電探測器6接收到的總能量E正比於Δw·ΔA，即。對於選定的光電探測器6，其有效幾何面積一定，設計較大的視場角β會獲得較強的光譜信息，有利於信號的獲取與處理；但是田間作物生長姿態具有很強的隨機性，冠層葉面積密度分布並非均勻，較大的檢測視場面積必然會忽略對象的差異性，獲取的信息不完整且不精確，帶有較大的不確定性。為了確保探測的靈敏度與分辨效果，綜合兩者性能，設計下行光作物生長感測器2視場角為25°~30°，當距作物冠層高0.7~1.1米，視場範圍是直徑為高度一半左右的圓形區域；由此可得多孔固件5孔深26毫米，孔徑12.8毫米。

2）將光電探測器陣列6、光譜濾光片7、清潔玻璃8依次間隔排列於多孔感測器固件5中且被密封；結構緊湊，系統可靠性高，實現了下行光作物生長感測器的小型化。

3）採用空間濾波的方法減小田間大氣散射光對光電探測陣列6的干擾，提高檢測系統信噪比；設計濾波圈9尺寸為：直徑48毫米，厚度10毫米；通過緊固螺絲將其連線在多孔感測器固件5表面。

3、上行光作物生長感測器1結構的具體設計方法如下：

為了消除感測器結構、材質對光信號傳輸的影響，上行光作物生長感測器1的結構參數設計、元器件匹配與下行光作物生長感測器2大致相同。不同之處在於：上行光作物生長感測器1採集的是太陽光入射特徵光譜，為了減小太陽角度變化對檢測系統的影響，利用餘弦校正器10進行光譜糾正，並將其敷貼於濾波圈9表面。

4、將多光譜作物生長感測器輸出的信號送入電流-電壓轉換電路，靈敏度調節電路根據太陽光光強大小，自動適配轉換電阻，將光電流信號轉換成具有一定幅值的電壓信號；運用低通濾波電路從頻域中分離出特徵光譜信息；將分離出的特徵光譜信息通過模擬-數字轉換電路轉換為單片微型處理器可以執行的標準數位訊號。

5、在“測量”模式下，單片微型處理器實時採集作物冠層光譜信息，利用多次插值查找表算法處理數據，並將結果實時顯示在顯示液晶屏上；在“監測”模式時，單片微型處理器中斷當前實時測量，捕捉當前值；在“診斷”模式時，系統耦合作物生長模型，反演作物氮含量、氮積累量、葉面積指數和葉乾重等生長信息，並將結果顯示在顯示液晶屏上，用於評價作物生長狀況。

榮譽表彰

2016年12月7日，《一種田間作物生長信息無損快速檢測裝置及檢測方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。