一种作物水分胁迫的近红外偏振超光谱成像检测装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种作物水分胁迫的偏振检测装置和方法，该装置由计算机、控制模块、数据采集卡、近红外偏振超光谱成像传感器、卤素光源、电控光源摇臂、电控检测摇臂、电控旋转样本台和仪器台架组成。由计算机驱动电控光源摇臂、电控检测摇臂、电控旋转样本台使卤素光源、近红外偏振超光谱成像传感器和被测样本定位到检测位置，采集作物叶片的近红外偏振超光谱数据立方体，提取作物叶片含水率的最优波长，获取偏振度分布、反射强度分布、stocks参量、纹理和灰度均值作物含水率检测的组合特征变量，建立了作物含水率检测模。与传统方法相比，本发明专利技术可同步获取强度分布、偏振和高光谱图像多维光信息，实现了对作物水分胁迫的精确定量分析。?

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种作物水分胁迫的检测装置，特指一种基于近红外偏振超光谱成像技术的作物水分胁迫检测装置，还涉及一种利用该装置的检测方法。
技术介绍
长期以来，作物水分胁迫诊断主要是通过测量植株叶片的气孔导度、叶水势、冠层温度、蒸腾速率、植株茎杆直径的变化等指标间接获得，或采用干湿重法测量。这些方法不仅费时费力，时效性差，还会对作物造成伤害。目前基于光谱和视觉技术的无损检测技术发展很快，但基于光谱技术的无损检测方法通常采用点源采样方式，无法体现整个叶片或冠层区域的光反射特性差异。视觉传感器具有较高的分辨率和较大的视场范围，通过图像分割技术能够有效去除背景等因素的影响，克服了光谱法点源采样和受环境背景影响较大的缺点，但计算机视觉技术主要利用叶片或冠层的颜色、纹理等宏观物理特性进行诊断，无法充分表征作物水分胁迫时丰富的微观结构特征信息，从而制约了作物水分胁迫快速检测方法的应用。植物生理学和植物营养学的研究已经证明，作物发生水分胁迫时不仅能引起叶片颜色(灰度)和纹理等表面宏观特征的变化，叶片表面的粗糙度和质地等微观特征，气孔、海绵体、栅栏组织等内部微结构也会发生显著的变化，而传统的光谱和视觉图像技术难以感知这种微结构和表面质地的微变化。偏振成像技术能够对检测对象表面各点所反射和散射的偏振光进行成像，且偏振图像具有普通图像和反射光谱所不具备的优点，可以表征一些强度图像和光谱很难表征的信息，如目标表面的微观结构变化、物质内部对入射光的选择性吸收、散射以及物体表面前向反射、后向反射、漫反射特性的变化。由于偏振成像技术具有的独特之处，因此可以对作物水分胁迫导致的叶片表面质地和微结构变化信息进行提取和表征。而水分子的振动频率在900-1700nm的近红外区域，因此采用近红外偏振超光谱图像可以有效提取作物的含水率信息，进而对作物的水分胁迫状态进行分析。本专利技术采用近红外偏振超光谱成像技术获取作物的水分胁迫信息，该技术是集近红外光谱反射强度、偏振成像和超光谱成像技术于一身的新技术，将近红外CCD的面阵信息与偏振信息、近红外反射光谱信息相结合，在900-1700nm范围的连续谱段上对同一目标以3. 5nm的高分辨率用256个波段连续成像，构成一个按波长顺序排列的图像数据立方体，兼有偏振技术、高光谱技术和图像技术的优势，既能对植株水分胁迫引起的颜色(灰度)、纹理、形态变化等特征进行可视化分析，又能对植株叶片受水分胁迫导致的质地和微结构的偏振态、反射强度分布的各向异性分布信息，以及作物水分胁迫导致的水分子变化相关的近红外偏振和光谱反射信息进行全面综合的分析。目前，国内外文献尚未见利用近红外偏振超光谱成像技术进行作物水分胁迫分析的相关文件和报道
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有高光谱和图像技术在作物水分胁迫检测方面的不足，提供，能获得全面、高精度的诊断息。为实现上述目的本专利技术的技术方案如下 本专利技术包括如下部件计算机、控制模块、数据采集卡、近红外偏振超光谱成像传感器、齒素光源、电控光源摇臂、电控检测摇臂、电控旋转样本台、仪器台架；其中仪器台架为长方形钢结构，仪器台架的左侧矩形端面的长度中心位置固定电控光源摇臂，与之相对的仪器台架的右侧矩形端面的长度中心位置固定电控检测摇臂，在仪器台架的上端面几何中心位置安装电控旋转样本台，仪器台架内部空间左侧底面固定控制模块、与之相对的右侧底面安装数据采集卡；其中电控光源摇臂的顶端固定了卤素光源，可在电控光源摇臂带动下，围绕电控旋转样本台在0-180°范围旋转；其中电控检测摇臂的顶端固定有偏振超光谱成像装置，可随电控检测摇臂围绕控旋转样本台在0-180°范围旋转；计算机与控制模块通过数据线相连接，控制模块的输出通过数据线与卤素光源、电控光源摇臂、电控检测摇臂、近红外偏振超光谱成像传感器、电控旋转样本台相连；计算机与数据采集卡通过数据线相连，数据采集卡通过数据线与近红外偏振超光谱成像传感器相连接。计算机通过数据线对控制模块和数据采集卡发出指令，控制卤素光源、电控光源摇臂、电控检测摇臂、电控旋转样本台到达检测位置，并通过近红外偏振超光谱成像传感器获取样本的偏振超光谱图像，进而对获取的偏振超光谱图像数据进行采集、分析、处理和显示。计算机还用于按照实验要求设置不同的数据采集模式、检测流程和检测周期。数据采集卡通过接收计算机的控制指令，控制近红外偏振超光谱成像传感器获取样本的偏振超光谱图像信息，并上传计算机进行分析和处理。控制模块通过接收计算机的控制指令，控制卤素光源、电控光源摇臂、电控检测摇臂、电控旋转样本台到达所需的检测位置，并按照计算机设定的数据采集模式和自动调整到下一个检测位置，直至检测流程和检测周期结束。所述的控制模块包括光源控制器、步进电机控制器和步进电机，其中步进电机共四台分别与电控光源摇臂、电控检测摇臂、偏振超光谱成像装置、电控旋转样本台相连接。所述的近红外偏振超光谱成像传感器由依次连接的偏振光学系统、镜头、摄谱仪和CCD构成，偏振光学系统在最下端；其中，摄谱仪的光谱范围为350-2500nm，CCD为铟镓砷近红外(XD，成像范围为900-1700nm。所述电控旋转样本台的支撑面为正方形，可通过更换面板在100-300mm范围调整边长；支撑面离仪器台架的高度在20_300mm范围内可升降调节；电控旋转样本台可围绕其中轴线作0-360°旋转，可通过手动和计算机指令调整其高度、旋转角和检测位置。其中所述卤素光源光谱范围300-2000nm，能够提供平行线光源，光束直径50_100mm。其中所述仪器台架为长方体，其空间尺寸为960X540X200mm。其内部有长方体的腔体，空间尺寸为950X530X 190mm。本专利技术一种作物水分胁迫的近红外偏振超光谱成像检测方法，按照下述步骤进行 (1)将水分胁迫作物样本固定在电控旋转样本台上； (2)对近红外偏振超光谱成像传感器进行标定； (3)设置偏振超光谱信息采集模式，利用近红外偏振超光谱成像传感器采集水分胁迫样本的近红外偏振超光谱数据； (4)对获取的近红外偏振超光谱数据进行分析和特征提取，建立作物含水率与偏振超光谱图像特征信息的对应关系，建立作物含水率检测模型； (5)基于获取的作物偏振超光谱特征信息和建立的作物含水率检测模型，对作物的水分胁迫状态进行评价。其中所述的将水分胁迫作物样本固定在电控旋转样本台上是指将所需检测的作物叶片夹持在电控旋转样本台的上平面中心位置，通过并调整其水平高度，使处在卤素光源和近红外偏振超光谱成像传感器的延长线交点位置。其中所述的对近红外偏振超光谱成像传感器进行标定是对近红外偏振超光谱成像传感器进行黑场和白场标定。其中黑场标定是将采集通道封闭采集无输入的传感器暗电流信息；白场标定是指在选定采集模式下，采集标准白板信息，并记录传感器输出，作为最大信号输出标准。其中所述的设置近红外偏振超光谱数据采集模式是指通过计算机采集软件，设置卤素光源的入射角，近红外偏振超光谱成像传感器的探测角，样本台的旋转周期和样本的采用周期等检测参数。其中所述的对获取的近红外偏振超光谱数据进行分析和特征提取是指利用计算机提取作物的反射光谱、强度图像和偏振图像特征变量，并对特征变量进行归一化和主成分分析消除多重共线性的影响。其中所述的建立本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种作物水分胁迫的近红外偏振超光谱成像检测装置，其特征在于，包括如下部件：计算机、数据采集卡、控制模块、近红外偏振超光谱成像传感器、卤素光源、电控光源摇臂、电控检测摇臂、电控旋转样本台和仪器台架，仪器台架为长方形钢结构，所述仪器台架一侧的长度中心位置固定电控光源摇臂，另一侧的长度中心位置固定电控检测摇臂；在所述仪器台架上面的几何中心位置安装电控旋转样本台；所述仪器台架内部一侧底面固定控制模块，另一侧底面安装数据采集卡；所述卤素光源固定在电控光源摇臂的顶端；所述近红外偏振超光谱成像传感器固定在电控检测摇臂的顶端；计算机与所述控制模块通过数据线相连接，控制模块的输出通过数据线与所述卤素光源、电控光源摇臂、电控检测摇臂、近红外偏振超光谱成像传感器和电控旋转样本台相连；计算机与所述数据采集卡通过数据线相连，数据采集卡通过数据线与所述近红外偏振超光谱成像传感器相连接。

【技术特征摘要】
1.一种作物水分胁迫的近红外偏振超光谱成像检测装置，其特征在于，包括如下部件计算机、数据采集卡、控制模块、近红外偏振超光谱成像传感器、齒素光源、电控光源摇臂、电控检测摇臂、电控旋转样本台和仪器台架，仪器台架为长方形钢结构，所述仪器台架一侧的长度中心位置固定电控光源摇臂，另一侧的长度中心位置固定电控检测摇臂；在所述仪器台架上面的几何中心位置安装电控旋转样本台；所述仪器台架内部一侧底面固定控制模块，另一侧底面安装数据采集卡；所述卤素光源固定在电控光源摇臂的顶端；所述近红外偏振超光谱成像传感器固定在电控检测摇臂的顶端；计算机与所述控制模块通过数据线相连接，控制模块的输出通过数据线与所述卤素光源、电控光源摇臂、电控检测摇臂、近红外偏振超光谱成像传感器和电控旋转样本台相连；计算机与所述数据采集卡通过数据线相连，数据采集卡通过数据线与所述近红外偏振超光谱成像传感器相连接。2.根据权利要求1所述的一种作物水分胁迫的近红外偏振超光谱成像检测装置，其特征在于，所述近红外偏振超光谱成像传感器由依次连接的偏振光学系统、镜头、摄谱仪和CCD构成，所述偏振光学系统在最下端；所述摄谱仪的光谱范围为350-2500nm，所述CCD为铟镓砷近红外CCD，成像范围为900-1700nm。3.根据权利要求1所述的一种作物水分胁迫的近红外偏振超光谱成像检测装置，其特征在于，所述电控旋转样本台的支撑面为正方形，边长为100-300mm ;支撑面离仪器台架的高度在20-300mm范围内可升降调节；所述电控旋转样本台可围绕其中轴线作0-360°旋转。4.根据权利要求1至3之一所述的一种作物水分胁迫的近红外偏振超光谱成像检测装置，其特征在于，所述电控光源摇臂和电控检测摇臂可围绕电控旋转样本台在0-180°范围转动，最小转动角度为O. 1°，所述电控光源摇臂和电控检测摇臂的转动中心线重合；所述电控旋转样本台位于电控光源摇臂、电控检测摇臂之间且与两摇臂距离相等，所述电控旋转样本台的高度与所述转动中心线在同一水平线上。5.根据权利要求4所述的一种作物水分胁迫的近红外偏振超光谱成像检测装置，其特征在于，所述卤素光源的光谱范围300-2000nm;所述仪器台架的尺寸为长960X宽540X高200mm，其内部有长方体的腔体，空间尺寸为长950X宽530X高190mm。6.根据权利要求1所述的一种作物...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓东，左志宇，毛罕平，孙俊，高洪燕，朱文静，张红涛，韩绿化，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：