專利名稱：一種植物歸一化指數(shù)遙感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于紅色和近紅外激光的植物歸一化指數(shù)(NDVI)遙感裝置。
背景技術(shù)：
精細農(nóng)業(yè)要求能精確掌握氣候和土壤的時間和空間演化，以及其對農(nóng)作物生長的影響，使之能通過肥料、施藥等栽培管理手段，進行高效的農(nóng)業(yè)經(jīng)營與管理，并減少由農(nóng)業(yè)所產(chǎn)生的污染，進而達到提高生產(chǎn)利潤、保護生態(tài)環(huán)境的目標(biāo)，使農(nóng)業(yè)得以持續(xù)、健康的發(fā)展。為此，需要對農(nóng)作物的生長狀況進行實時檢測，并分析產(chǎn)生不良狀況的原因，以便采取相應(yīng)的措施。傳統(tǒng)方法是采用手持式植物葉片色素檢測儀，通過夾持葉片，對葉片中葉綠素相對含量變化的檢測，了解外界脅迫條件(如水分、光照、鹽分、微量元素、氮、磷、鉀養(yǎng)分等的過量或缺乏)的變化，為采取進一步措施提供參考依據(jù)。但是，隨著農(nóng)業(yè)機械化、標(biāo)準(zhǔn)化和大農(nóng)莊模式的發(fā)展，傳統(tǒng)方法逐漸暴露出測量速度慢、精度低的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述問題，提出一種基于紅色和近紅外激光的植物歸一化指數(shù)(NDVI)遙感裝置。通過對植物葉片植物歸一化指數(shù)測量，可更加精確地檢測植物健康程度和葉片中葉綠素含量，方便地進行大面積快速測量。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種植物歸一化指數(shù)遙感裝置，包括半導(dǎo)體激光發(fā)射器、接收半導(dǎo)體激光發(fā)射器光信號的光學(xué)接收器、處理光學(xué)接收器輸出信號的信號處理電路及計算機。
上述半導(dǎo)體激光發(fā)射器由670nm激光脈沖發(fā)射組和780nm激光脈沖發(fā)射組及棱鏡組成；670nm激光脈沖發(fā)射組和780nm激光脈沖發(fā)射組的光信號輸出分別通過棱鏡輸入到光學(xué)接收器；其中670nm激光脈沖發(fā)射組包括半導(dǎo)體激光器電源、670nm半導(dǎo)體激光器和非球面透鏡，780nm激光脈沖發(fā)射組包括半導(dǎo)體激光器電源、780nm半導(dǎo)體激光器和非球面透鏡；670nm激光脈沖發(fā)射組和780nm激光脈沖發(fā)射組中的半導(dǎo)體激光器電源輸出端分別與其半導(dǎo)體激光器的輸入端相連，半導(dǎo)體激光器輸出端與非球面透鏡輸入端相連，非球面透鏡輸出端與棱鏡輸入端相連。
本發(fā)明上述670nm激光脈沖發(fā)射組和780nm激光脈沖發(fā)射組分別設(shè)有溫度控制器和激光器座；670nm激光脈沖發(fā)射組和780nm激光脈沖發(fā)射組中的半導(dǎo)體激光器電源輸出端及其溫度控制器輸出端分別與各自的激光器座輸入端相連，670nm半導(dǎo)體激光器和780nm半導(dǎo)體激光器安裝在各自的激光器座上，670nm半導(dǎo)體激光器和780nm半導(dǎo)體激光器的輸入分別連接各自的激光器座的輸出。
上述溫度控制器為TED200溫度控制器、激光器座為TCLDM9激光器座。
上述光學(xué)接收器由接收望遠鏡、視場光闌、準(zhǔn)直光學(xué)透鏡、分光片、670nm濾光片和780nm濾光片組成；接收望遠鏡輸出端與視場光闌輸入端相連，視場光闌輸出端與準(zhǔn)直光學(xué)透鏡輸入端相連，準(zhǔn)直光學(xué)透鏡輸出端與分光片輸入端相連，分光片的一個輸出端與670nm濾光片輸入端相連，分光片的另一個輸出端與780nm濾光片輸入端相連。
上述信號處理電路及計算機由兩個光電倍增管、兩個高壓電源、兩個放大器、光子計數(shù)器、GPIB接口卡和計算機組成；高壓電源輸出端與光電倍增管高壓輸入端相連，光電倍增管輸出端與放大器輸入端相連，放大器輸出端與光子計數(shù)器輸入端相連，光子計數(shù)器與GPIB接口卡相連，GPIB接口卡插在計算機中，通過PCI接口與計算機相連。
本發(fā)明安裝于運載車輛上。其向數(shù)十米到數(shù)百米外被探測植物葉片發(fā)射兩束不同波長(670nm和780nm)脈沖激光束，當(dāng)不同波長激光脈沖遇到植物葉片時，670nm會被植物葉片中的葉綠素強烈吸收；780nm會被植物葉片細胞結(jié)構(gòu)強烈反射，該系統(tǒng)的光學(xué)接收器接收到這些反射光信號，經(jīng)過整形、濾光、光電轉(zhuǎn)換、放大、和光子計數(shù)處理后，送入計算機進行分析和儲存，可得到植物葉片的植物歸一化指數(shù)，從而獲得植物健康程度和葉片中葉綠素含量，為農(nóng)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展服務(wù)。
本發(fā)明的特點是由于兩個波長的發(fā)射光束均產(chǎn)生于半導(dǎo)體激光器，故大大地降低了儀器的成本，減少了體積和重量，提高了可靠性。


圖1是本發(fā)明植物歸一化指數(shù)遙感裝置原理框圖；圖2是本發(fā)明植物歸一化指數(shù)遙感裝置的半導(dǎo)體激光發(fā)射器部分結(jié)構(gòu)原理圖；圖3是本發(fā)明植物歸一化指數(shù)遙感裝置的光學(xué)接收器部分結(jié)構(gòu)原理圖；圖4是本發(fā)明植物歸一化指數(shù)遙感裝置的信號處理電路及計算機結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的描述。
參見圖1，本發(fā)明中主要包括包括半導(dǎo)體激光發(fā)射器1、光學(xué)接收器2、信號處理電路及計算機3。
參見圖2，上述半導(dǎo)體激光發(fā)射器1由670nm激光脈沖發(fā)射組和780nm激光脈沖發(fā)射組及棱鏡14組成；670nm激光脈沖發(fā)射組和780nm激光脈沖發(fā)射組的光信號輸出分別通過棱鏡14輸入到光學(xué)接收器2；其中670nm激光脈沖發(fā)射組由半導(dǎo)體激光器電源4(Thorlabs，型號LDC205B)、溫度控制器5(Thorlabs，型號TED200)、激光器座6(Thorlabs，型號TCLDM9)、670nm半導(dǎo)體激光器7(Thorlabs，型號HL6714G，波長670nm)和非球面透鏡8構(gòu)成，780nm激光脈沖發(fā)射組由半導(dǎo)體激光器電源9(Thorlabs，型號LDC205B)、溫度控制器10(Thorlabs，型號TED200)、激光器座11(Thorlabs，型號TCLDM9)、780nm半導(dǎo)體激光器12(Thorlabs，型號L780P010，波長780nm)和非球面透鏡13構(gòu)成。半導(dǎo)體激光器電源4、溫度控制器5輸出端與激光器座6輸入端相連，半導(dǎo)體激光器7安裝在激光器座6上，半導(dǎo)體激光器7輸出端與非球面透鏡8輸入端相連，非球面透鏡8輸出端與棱鏡14輸入端相連；半導(dǎo)體激光器電源9、溫度控制器10輸出端與激光器座11輸入端相連，半導(dǎo)體激光器12安裝在激光器座11上，半導(dǎo)體激光器12輸出端與非球面透鏡13輸入端相連，非球面透鏡13輸出端與棱鏡14輸入端相連。半導(dǎo)體激光器電源4為半導(dǎo)體激光器7提供脈沖驅(qū)動電流，溫度控制器5驅(qū)動激光器座6中的制冷器，使半導(dǎo)體激光器7能保持恒定的溫度，半導(dǎo)體激光器7輸出的激光脈沖經(jīng)非球面透鏡8整形后，投射到棱鏡14上，棱鏡14將激光脈沖偏轉(zhuǎn)90°發(fā)射出去；與此同時，半導(dǎo)體激光器電源9為半導(dǎo)體激光器12提供脈沖驅(qū)動電流，溫度控制器10驅(qū)動激光器座11中的制冷器，使半導(dǎo)體激光器12能保持恒定的溫度，半導(dǎo)體激光器12輸出的激光脈沖經(jīng)非球面透鏡13整形后，投射到棱鏡14上，此激光脈沖穿過棱鏡14，與半導(dǎo)體激光器7的激光脈沖同向發(fā)射出去。
參見圖3，光學(xué)接收器2由接收望遠鏡15(Meade，型號LX200GPS)、視場光闌16、準(zhǔn)直光學(xué)透鏡17、分光片18(Thorlabs，型號BPD508-G)、濾光片19(Thorlabs，型號FB670-10)和20(Thorlabs，型號FB780-10)組成；接收望遠鏡15輸出端與視場光闌16輸入端相連，視場光闌16輸出端與準(zhǔn)直光學(xué)透鏡17輸入端相連，準(zhǔn)直光學(xué)透鏡17輸出端與分光片18輸入端相連，分光片18的一個輸出端與濾光片19輸入端相連，分光片18的另一個輸出端與濾光片20輸入端相連。從植物頁面反射的激光回波信號經(jīng)圖3中接收望遠鏡15收光聚焦以后，采用視場光闌16將接收視場控制在合適的視場角范圍內(nèi)，經(jīng)過準(zhǔn)直光學(xué)透鏡17將回波光信號整理成平行光后，經(jīng)分光片18進行50/50分光，一路光經(jīng)濾光片19將雜散背景光過濾，只讓670nm波長的信號光通過，最后投射到光電倍增管22(參見圖4)，另一路光經(jīng)濾光片20將雜散背景光過濾，只讓780nm波長的信號光通過，最后投射到光電倍增管23(參見圖4)。
參見圖4，信號處理電路及計算機3由光電倍增管22和23(Hamamatsu，型號R7400U-20)、高壓電源21和24(Hamamatsu，型號C4840-02)、放大器25和26(Hamamatsu，型號C6438-01)、光子計數(shù)器27(SRS，型號SR400)、GPIB接口卡28(研華，型號PCI-1670)和計算機29組成；高壓電源21輸出端與光電倍增管22高壓輸入端相連，光電倍增管22輸出端與放大器25輸入端相連，放大器25輸出端與光子計數(shù)器27輸入端相連，高壓電源24輸出端與光電倍增管23高壓輸入端相連，光電倍增管23輸出端與放大器26輸入端相連，放大器26輸出端與光子計數(shù)器27輸入端相連，光子計數(shù)器27與GPIB接口卡28相連，GPIB接口卡28插在計算機29中，通過PCI接口與計算機29相連。經(jīng)濾光片19(參見圖3)過濾的670nm波長的信號光投射到光電倍增管22的光敏面上，高壓電源21為光電倍增管22提供偏置高壓，光電倍增管22將670nm波長的信號光轉(zhuǎn)換成光子脈沖電流，經(jīng)放大器25轉(zhuǎn)換并放大成光子脈沖電壓，輸出到光子計數(shù)器27進行光子計數(shù)；經(jīng)濾光片20(參見圖3)過濾的780nm波長的信號光投射到光電倍增管23的光敏面上，高壓電源24為光電倍增管23提供偏置高壓，光電倍增管23將780nm波長的信號光轉(zhuǎn)換成光子脈沖電流，經(jīng)放大器26轉(zhuǎn)換并放大成光子脈沖電壓，也輸出到光子計數(shù)器27進行光子計數(shù)；光子計數(shù)器27將兩種不同波長的光信號分別計數(shù)后，經(jīng)GPIB接口卡28輸出到計算機29，進行數(shù)據(jù)處理和分析。
權(quán)利要求
1.一種植物歸一化指數(shù)遙感裝置，包括半導(dǎo)體激光發(fā)射器、接收半導(dǎo)體激光發(fā)射器光信號的光學(xué)接收器、處理光學(xué)接收器輸出信號的信號處理電路及計算機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植物歸一化指數(shù)遙感裝置，其特征在于所述半導(dǎo)體激光發(fā)射器由670nm激光脈沖發(fā)射組和780nm激光脈沖發(fā)射組及棱鏡組成；670nm激光脈沖發(fā)射組和780nm激光脈沖發(fā)射組的光信號輸出分別通過棱鏡輸入到光學(xué)接收器；其中670nm激光脈沖發(fā)射組包括半導(dǎo)體激光器電源、670nm半導(dǎo)體激光器和非球面透鏡，780nm激光脈沖發(fā)射組包括半導(dǎo)體激光器電源、780nm半導(dǎo)體激光器和非球面透鏡；670nm激光脈沖發(fā)射組和780nm激光脈沖發(fā)射組中的半導(dǎo)體激光器電源輸出端分別與其半導(dǎo)體激光器的輸入端相連，半導(dǎo)體激光器輸出端與非球面透鏡輸入端相連，非球面透鏡輸出端與棱鏡輸入端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的植物歸一化指數(shù)遙感裝置，其特征在于670nm激光脈沖發(fā)射組和780nm激光脈沖發(fā)射組分別設(shè)有溫度控制器和激光器座；670nm激光脈沖發(fā)射組和780nm激光脈沖發(fā)射組中的半導(dǎo)體激光器電源輸出端及其溫度控制器輸出端分別與各自的激光器座輸入端相連，670nm半導(dǎo)體激光器和780nm半導(dǎo)體激光器安裝在各自的激光器座上，670nm半導(dǎo)體激光器和780nm半導(dǎo)體激光器的輸入分別連接各自的激光器座的輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的植物歸一化指數(shù)遙感裝置，其特征在于溫度控制器為TED200溫度控制器)、激光器座為TCLDM9激光器座。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的植物歸一化指數(shù)遙感裝置，其特征在于所述光學(xué)接收器由接收望遠鏡、視場光闌、準(zhǔn)直光學(xué)透鏡、分光片、670nm濾光片和780nm濾光片組成；接收望遠鏡輸出端與視場光闌輸入端相連，視場光闌輸出端與準(zhǔn)直光學(xué)透鏡輸入端相連，準(zhǔn)直光學(xué)透鏡輸出端與分光片輸入端相連，分光片的一個輸出端與670nm濾光片輸入端相連，分光片的另一個輸出端與780nm濾光片輸入端相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的植物歸一化指數(shù)遙感裝置，其特征在于所述信號處理電路及計算機由兩個光電倍增管、兩個高壓電源、兩個放大器、光子計數(shù)器、GPIB接口卡和計算機組成；高壓電源輸出端與光電倍增管高壓輸入端相連，光電倍增管輸出端與放大器輸入端相連，放大器輸出端與光子計數(shù)器輸入端相連，光子計數(shù)器與GPIB接口卡相連，GPIB接口卡插在計算機中，通過PCI接口與計算機相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種植物歸一化指數(shù)遙感裝置，包括半導(dǎo)體激光發(fā)射器、接收半導(dǎo)體激光發(fā)射器光信號的光學(xué)接收器、處理光學(xué)接收器輸出信號的信號處理電路及計算機。本發(fā)明安裝于運載車輛上。其向數(shù)十米到數(shù)百米外被探測植物葉片發(fā)射兩束不同波長(670nm和780nm)脈沖激光束，當(dāng)不同波長激光脈沖遇到植物葉片時，670nm會被植物葉片中的葉綠素強烈吸收；780nm會被植物葉片細胞結(jié)構(gòu)強烈反射，該系統(tǒng)的光學(xué)接收器接收到這些反射光信號，經(jīng)過整形、濾光、光電轉(zhuǎn)換、放大、和光子計數(shù)處理后，送入計算機進行分析和儲存，可得到植物葉片的植物歸一化指數(shù)，從而獲得植物健康程度和葉片中葉綠素含量，為農(nóng)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展服務(wù)。
文檔編號G01N21/00GK1945319SQ20061012471
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月9日
發(fā)明者龔?fù)? 朱忠敏, 宋沙磊, 馬盈盈, 郝中豫, 劉夢雨, 李俊 申請人:武漢大學(xué)