本发明专利技术公开了一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置，该装置采用4波段4通道设计，各通道包括光学成像模块、光电转换模块和控制电路模块；所述光学成像模块包括望远成像模块和分光模块，所述望远成像模块包括第一透镜、光圈、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，所述分光模块为窄带滤光片，该窄带滤光片设于第四透镜上方；所述光电转换模块包括图像传感器和光电转换处理器，光电转换模块将采集和处理的作物图谱信息发送到控制电路模块，所述控制电路模块通过输出接口将信息输出。本发明专利技术解决了非成像型传感器传感装置难以消除复杂水土背景的问题，同时该装置实现了作物生长信息的快速无损采集、智能化解析和可视化解释。智能化解析和可视化解释。智能化解析和可视化解释。
【技术实现步骤摘要】
一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置
[0001]本专利技术涉及智慧农业领域，特别涉及一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置。
技术介绍
[0002]作物生长信息(叶面积指数、氮含量及氮积累量等)精确感知是实现作物生产精确管理的重要基础，对作物高产优产起着重要作用。传统的作物生长信息获取依赖室内化学分析，需要通过大田作物破坏性取样结合化学实验，费时费力，存在测试误差。由于作物体内生化成分、群体结构等因素的变化会引起某些波段反射光谱的变化，利用这些特定波段的光谱信息可以监测作物生长信息，因而光谱技术成为支持作物生长信息无损感知的一项关键技术。
[0003]专利200710019340.9、201210214137.8和201210472211.6分别公开了一种便携式多通道作物叶片氮素营养指标无损监测装置、一种田间作物生长信息无损快速检测装置和一种高精度作物生长信息监测仪，上述装置或仪器均为非成像型的作物生长监测设备，通过作物光谱反射率值与农学参数的关系，实现作物生长信息的直接获取。然而非成像型作物生长监测设备只能获取视场范围内的整体光谱，视场内的水体、土壤等干扰因素会对监测精度造成较大影响，尤其是作物生长前期阶段。而成像型作物光谱传感器能够获取作物每个像素点的反射光谱，具有“图谱合一”的优势，监测精度更加准确。
[0004]目前，田块尺度近距离获取作物生长信息多以高光谱成像传感器为主，然而光栅分光结合扫描平台推扫式成像导致该类传感器视场小、波段多、体积重以及数据处理繁杂，无法在田间得到广泛的推广应用。同时现有的多光谱成像传感器多与无人机直接集成应用，在近距离获取作物信息时常由于风场导致作物光谱图像出现严重偏差，进而造成作物生长信息预测精度的大幅度降低。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的是克服上述
技术介绍
中存在的不足，提供一种宽视角、小像差的多光谱成像型作物生长传感装置；该装置采用4波段4通道设计，能够便携式或者搭载无人车作业，各通道通过光学成像模块实现作物反射光信息的大视场采集，通过光电转换模块和控制电路模块实现作物光信息的转换、处理和传输，进而通过上位机实现作物生长信息近距离大视场的智能化解析及可视化解释。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置，其包括光学成像模块、光电转换模块和控制电路模块；所述光学成像模块包括望远成像模块和分光模块，所述望远成像模块包括第一透镜、光圈、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，所述分光模块为窄带滤光片，该窄带滤光片设于第四透镜上方；所述光电转换模块包括图像传感器和光电转换处理器，光电转换模块将采集和处理的作物图谱信息发送到控制电路模块，所述控制电路模块通过输出接口将信息输出。
[0007]进一步的，所述传感装置采用多通道设计结构，其至少包括两个通道，且各个通道均包括所述光学成像模块、光电转换模块和控制电路模块。
[0008]进一步的，所述光学成像模块安装在光学成像模块安装基座中，光学成像模块安装基座与控制电路模块的电路板相互连接固定，所述图像传感器安装在控制电路模块下表面，且位于光学成像模块正上方，光电转换处理器安装在控制电路模块的上表面，图像传感器通过控制电路模块与光电转换处理器连接，控制电路模块通过有线方式将采集的作物图谱信息发送到处理分析装置。
[0009]进一步的，所述望远成像模块从作物冠层至成像面依次包括第一透镜、光圈、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，所述第一透镜为具有负屈光率的凸凹透镜，所述第二透镜为具有正屈光率的凸平透镜，所述第三透镜为具有负屈光率的凹凸透镜，所述第四透镜为具有正屈光率的双凸透镜；其中，第一透镜和第四透镜均为塑料非球面透镜，第二透镜和第三透镜均为玻璃球面透镜。
[0010]进一步的，所述望远成像模块视场角为68
°
；所述望远成像模块中的光圈设置在第一透镜和第二透镜之间，光圈数F＝3.5。
[0011]进一步的，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和整个传感装置的焦距分别为f1，f2，f3，f4和f，其中，f1，f2，f3，f4和f满足：
‑
9mm<f1<
‑
7mm，4mm<f2<6mm，
‑
5mm<f3<
‑
3mm，4mm<f4<6mm，f＝5mm。
[0012]进一步的，所述望远成像模块的非球面镜片的面型满足以下公式：
[0013][0014]其中：z为沿光轴方向的坐标值，r为垂直光轴方向的径向坐标，c为该光学表面的顶点曲率，k为该表面的圆锥系数；A4、A6、A8、A
10
、A
12
、A
14
、A
16
分别为四阶、六阶、八阶、十阶、十二阶、十四阶、十六阶的非球面系数。
[0015]进一步的，所述第一透镜和第四透镜采用APL5514ML，折射率和阿贝数分别为1.545和55.912，第二透镜采用D
‑
LAF50，折射率和阿贝数分别为1.774和49.604，第三透镜采用H
‑
ZF88，折射率和阿贝数分别为1.946和17.944；所述窄带滤光片的中心波段分别为560nm，650nm，730nm和815nm，中心波长透过率为65％～70％，带宽为9nm～10nm，截止率小于0.00001％。
[0016]进一步的，所述第一透镜与第二透镜，第二透镜与第三透镜，第三透镜与第四透镜，第四透镜与滤光片以及滤光片与图像传感器的间隔分别为G12，G23，G34，G45和G56，其中，G12，G23，G34，G45和G56满足：8mm<G12<10mm，1mm<G23<3mm，0.5mm<G34<2mm,3mm<G45<5mm，0.5mm<G56<2mm。
[0017]进一步的，所述图像传感器为OmniVision的OV2710图像传感器芯片，安装在光学成像模块正上方，将作物光信号放大和AD转换为可以执行的标准数字信号；所述光电转换处理器为SONIX的SN9C5256AJG芯片，通过标准的I2C接口实现与图像传感器的控制通讯，经控制电路模块将作物信息通过有线方式传输到处理分析装置，实现作物生长信息的近距离快速和无损获取。
[0018]本专利技术的有益效果是：采用多通道广角望远成像模块结合窄带干涉滤光片分光模
块，实现了作物信息的宽视角获取，突破了近距离光谱信息采集与宽视角成像的技术矛盾，通过成像型作物多光谱传感器传感装置获取作物光谱和图像信息，解决了非成像型传感器传感装置难以消除复杂水土背景的问题，同时该装置实现了作物生长信息的快速无损采集、智能化解析和可视化解释。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置，其特征在于，包括光学成像模块、光电转换模块和控制电路模块；所述光学成像模块包括望远成像模块和分光模块，所述望远成像模块包括第一透镜、光圈、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，所述分光模块为窄带滤光片，该窄带滤光片设于第四透镜上方；所述光电转换模块包括图像传感器和光电转换处理器，光电转换模块将采集和处理的作物图谱信息发送到控制电路模块，所述控制电路模块通过输出接口将信息输出。2.根据权利要求1所述的一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置，其特征在于，所述传感装置采用多通道设计结构，其至少包括两个通道，且各个通道均包括所述光学成像模块、光电转换模块和控制电路模块。3.根据权利要求1所述的一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置，其特征在于，所述光学成像模块安装在光学成像模块安装基座中，光学成像模块安装基座与控制电路模块的电路板相互连接固定，所述图像传感器安装在控制电路模块下表面，且位于光学成像模块正上方，光电转换处理器安装在控制电路模块的上表面，图像传感器通过控制电路模块与光电转换处理器连接，控制电路模块通过有线方式将采集的作物图谱信息发送到处理分析装置。4.根据权利要求1所述的一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置，其特征在于，所述望远成像模块从作物冠层至成像面依次包括第一透镜、光圈、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，所述第一透镜为具有负屈光率的凸凹透镜，所述第二透镜为具有正屈光率的凸平透镜，所述第三透镜为具有负屈光率的凹凸透镜，所述第四透镜为具有正屈光率的双凸透镜；其中，第一透镜和第四透镜均为塑料非球面透镜，第二透镜和第三透镜均为玻璃球面透镜。5.根据权利要求1或4所述的一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置，其特征在于，所述望远成像模块视场角为68
°
；所述望远成像模块中的光圈设置在第一透镜和第二透镜之间，光圈数F＝3.5。6.根据权利要求1或4所述的一种宽视角多光谱成像型作物生长传感装置，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和整个传感装置的焦距分别为f1，f2，f3，f4和f，其中，f1，f2，f3，f4和f满足：
‑
9mm<f1<
‑
7mm，4mm<f2<6mm，
‑
5mm<f3<
‑
【专利技术属性】
技术研发人员：倪军，王永贤，朱艳，曹卫星，蒋小平，田永超，胡金钊，马吉锋，张羽，王雪，
申请(专利权)人：南京农业大学，
类型：发明
国别省市：
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