一种作物氮素检测装置及其检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种作物氮素检测装置及其检测方法，包括用于采集来自作物冠层的漫反射光的光学模块、用于对漫反射光进行调理的信号调理电路、用于测量光学模块与所述作物冠层的距离的测距模块、用于采集作物冠层图像的图像采集模块以及微处理器，光学模块的输出端与信号调理电路连接，信号调理电路的输出端、图像采集模块的输出端以及测距模块均与微处理器连接。本发明专利技术中的光源驱动电路采用高频正弦波调制，锁相技术对信号进行解调，以排除外界环境光对测量的影响和车载作业时震动产生的干扰；光学模块与冠层之间的距离校正归一化植被指数；图像技术与多光谱技术融合，通过神经网络对数据进行融合构建检测模型，有效提高对作物氮素的检测精度。

A device for detecting crop nitrogen and its detection method

【技术实现步骤摘要】
一种作物氮素检测装置及其检测方法
本专利技术涉及作物氮素检测
，特别涉及一种作物氮素检测装置及其检测方法。
技术介绍
氮素是作物生长发育和产量品质形成所必需的营养元素之一，在作物体内含量约占干物质量的1％～5％。近年来，为了提高作物产量而大量使用氮肥，过量施用氮肥不仅增加了生产成本，而且直接或间接地污染了环境。因此，科学合理地使用氮肥，不仅可以确保作物产量和品质，而且还能提高氮肥利用率、降低生长成本、减少环境污染，而作物氮素的准确检测是科学合理使用氮肥的前提。目前，作物氮素的检测方法主要是基于常规实验室化学定量分析。这种方法虽然准确度高，但该方法需要破坏性采样，费时、分析成本高，且实时性差，限制了其普遍使用。基于光谱学技术的作物氮素检测方法，由于其实时、快速、准确、大范围、无损、成本低，获得了广泛关注。经对现有技术文献的检索发现，美国专利(专利号：US6596996B1)中介绍了一种两波段的作物冠层氮素测量传感器，采用两个LED光源交替发光的方式对作物冠层进行照射，但该传感器在冠层密度大时，误差较大。美国专利(专利号：US7408145B2)中介绍了一种调制多色光源的光学传感装置，使用一个能在可见和近红外波段同时发光的LED光源作物冠层进行照射，但该传感装置在目标距离变化大时，测量误差大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，以提高作物氮素检测的准确性。为实现以上目的，本专利技术采用一种作物氮素检测装置，包括：用于采集来自作物冠层的漫反射光的光学模块、用于对漫反射光进行调理的信号调理电路、用于测量该检测装置与所述作物冠层的距离的测距模块、用于采集作物冠层图像的图像采集模块以及微处理器，光学模块的输出端与信号调理电路连接，信号调理电路的输出端、测距模块以及图像采集模块的输出端均与微处理器连接。进一步地，所述光学模块包括光源发射模块和漫反射光接收模块，光源发射模块包括光源驱动电路、控制电路及至少一组光源单元，该光源单元包括光源、柱面透镜和硅光电池，光源驱动电路驱动端与光源连接，硅光电池与控制电路连接，柱面透镜布置在光源发射光线的路径上；漫反射光接收模块包括至少一组光接收单元，该光接收单元包括平凸透镜、窄带滤光片、硅光电二极管阵列和前置放大器，平凸透镜布置在所述作物冠层漫反射光的路径上，平凸透镜和硅光电二极管阵列之间布置有窄带滤光片，硅光电二极管阵列的输出端连接前置放大器。进一步地，所述信号调理电路包括锁相解调电路、信号放大电路和AD转换模块，锁相解调电路的输入端与所述前置放大器输出端连接、输出端与信号放大电路连接，信号放大电路输出端与AD转换模块连接，AD转换模块输出端与所述微处理器连接。进一步地，所述测距模块包括半导体二极管激光器、激光器驱动电路、准直透镜、滤光片和两个硅PIN二极管探测器，半导体二极管激光器布置在两个硅PIN二极管探测器之间，且与其中一硅PIN二极管探测器位于同一水平线上；激光器驱动电路与半导体二极管激光器连接，半导体激光二极管的输出光路上布置有准直透镜，半导体激光二极管输出光线经准直透镜后照射在所述作物冠层；半导体激光二极管输出光线经所述作物冠层反射后的光线路径上布置有滤光片，硅PIN二极管探测器布置在滤光片后以探测半导体激光二极管输出光线经所述作物冠层反射后的光。进一步地，所述微处理器包括漫反射光信号获取模块、图像获取模块、第一归一化模块、第二归一化模块和氮素检测模型构建模块；漫反射光信号获取模块用于获取来自作物冠层的漫反射光信号；图像获取模块用于获取作物冠层图像；第一归一化模块用于对作物冠层的漫反射光信号进行归一化植被指数计算，得到归一化植被指数；第二归一化模块用于对作物冠层图像进行归一化绿-红差值指数计算，得到归一化绿-红差值指数；氮素检测模型构建模块用于采用神经网络对归一化植被指数和归一化绿-红差值指数进行数据融合，构建氮素检测模型。进一步地，所述微处理器还包括距离获取模块，距离获取模块用于获取该检测装置与所述作物冠层的距离。进一步地，所述微处理器还包括校正模块，校正模块用于根据所述测距模块测量的检测装置与所述作物冠层的距离，对所述归一化植被指数进行校正，得到校正后的归一化植被指数；相应地，所述氮素检测模型构建模块用于采用神经网络对校正后的归一化植被指数和归一化绿-红差值指数进行数据融合，构建所述氮素检测模型。另一方面，采用一种作物氮素检测方法，包括：获取来自作物冠层的漫反射光信号，该漫反射光为高频调制的光照射在作物冠层所产生；对所述漫反射光信号进行归一化植被指数计算，得到归一化植被指数；获取作物冠层的图像，并对作物冠层图像进行归一化绿-红差值指数计算，得到归一化绿-红差值指数；采用神经网络对归一化植被指数和归一化绿-红差值指数进行数据融合，构建氮素检测模型。进一步地，在所述对所述漫反射光信号进行归一化植被指数计算，得到归一化植被指数之后，还包括：获取检测装置与作物冠层之间的距离，并利用该距离对所述归一化植被指数进行校正，得到校正后的归一化植被指数；相应地，所述采用神经网络对归一化植被指数和归一化绿-红差值指数进行数据融合，构建氮素检测模型，包括：采用神经网络对校正后的归一化植被指数和归一化绿-红差值指数进行数据融合，构建氮素检测模型。进一步地，在所述获取来自作物冠层的漫反射光信号之前，还包括：采集来自作物冠层的漫反射光，并利用信号调理电路对所述漫反射光进行解调放大处理，得到放大后的信号；将所述放大后的信号进行模数转换处理，得到漫反射光的数字信号作为所述漫反射光信号。与现有技术相比，本专利技术存在以下技术效果：本专利技术中，光学模块中的光源驱动电路采用高频正弦波调制，来驱动光源发射光线至作物冠层，并采用锁相技术对作物冠层的发射光信号进行解调，以排除外界环境光对测量的影响和车载作业时震动产生的干扰，提高了对作物氮素的检测精度；将检测装置与冠层之间的距离校正归一化植被指数(NDVI)，提高了归一化植被指数测量精度；将RGB图像技术与多光谱技术融合在一起，通过神经网络对数据进行融合，构建作物氮素检测模型，有效提高对作物氮素的检测精度。附图说明下面结合附图，对本专利技术的具体实施方式进行详细描述：图1是一种作物氮素检测装置的原理框图；图2是一种作物氮素检测装置的结构示意图；图3是光源发射和漫反射光接收的示意图；图4是测距模块结构示意图；图5是作物氮素实时检测示意图。具体实施方式为了更进一步说明本专利技术的特征，请参阅以下有关本专利技术的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本专利技术的保护范围加以限制。如图1-图2所示，本实施例公开了一种作物氮素检测装置，包括：用于采集来自作物冠层的漫反射光的光学模块20、用于对漫反射光进行调理的信号调理电路30、用于测量该检测装置与所述作物冠层的距离的测距模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种作物氮素检测装置，其特征在于，包括：用于采集来自作物冠层的漫反射光的光学模块、用于对漫反射光进行调理的信号调理电路、用于测量该检测装置与所述作物冠层的距离的测距模块、用于采集作物冠层图像的图像采集模块以及微处理器，光学模块的输出端与信号调理电路连接，信号调理电路的输出端、测距模块以及图像采集模块的输出端均与微处理器连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种作物氮素检测装置，其特征在于，包括：用于采集来自作物冠层的漫反射光的光学模块、用于对漫反射光进行调理的信号调理电路、用于测量该检测装置与所述作物冠层的距离的测距模块、用于采集作物冠层图像的图像采集模块以及微处理器，光学模块的输出端与信号调理电路连接，信号调理电路的输出端、测距模块以及图像采集模块的输出端均与微处理器连接。


2.如权利要求1所述的作物氮素检测装置，其特征在于，所述光学模块包括光源发射模块和漫反射光接收模块，光源发射模块包括光源驱动电路、控制电路及至少一组光源单元，该光源单元包括光源、硅光电池和柱面透镜，光源驱动电路驱动端与光源连接，硅光电池与控制电路连接，柱面透镜布置在光源发射光线的路径上；
漫反射光接收模块包括至少一组光接收单元，该光接收单元包括平凸透镜、窄带滤光片、硅光电二极管阵列和前置放大器，平凸透镜布置在所述作物冠层漫反射光的路径上，平凸透镜和硅光电二极管阵列之间布置有窄带滤光片，硅光电二极管阵列的输出端连接前置放大器。


3.如权利要求1所述的作物氮素检测装置，其特征在于，所述信号调理电路包括锁相解调电路、信号放大电路和AD转换模块，锁相解调电路的输入端与所述前置放大器输出端连接、输出端与信号放大电路连接，信号放大电路输出端与AD转换模块连接，AD转换模块输出端与所述微处理器连接。


4.如权利要求1所述的作物氮素检测装置，其特征在于，所述测距模块包括半导体二极管激光器、激光器驱动电路、准直透镜、滤光片和两个硅PIN二极管探测器，半导体二极管激光器布置在两个硅PIN二极管探测器之间，且与其中一硅PIN二极管探测器位于同一水平线上；
激光器驱动电路与半导体二极管激光器连接，半导体激光二极管的输出光路上布置有准直透镜，半导体激光二极管输出光线经准直透镜后照射在所述作物冠层；半导体激光二极管输出光线经所述作物冠层反射后的光线路径上布置有滤光片，硅PIN二极管探测器布置在滤光片后以探测半导体激光二极管输出光线经所述作物冠层反射后的光。


5.如权利要求4所述的作物氮素检测装置，其特征在于，所述微处理器包括漫反射光信号获取模块、图像获取模块、第一归一化模块、第二归一化模块和氮素检测模型构建模块；
漫反射光信号获取模块用于获取来自作物冠层的漫反射光信号；
图像获取模块用于获取作物冠层...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪六三，王儒敬，鲁翠萍，许桃胜，黄河，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34