CN102262057B

CN102262057B - 一种基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器

Info

Publication number: CN102262057B
Application number: CN 201110108056
Authority: CN
Inventors: 邓巍; 赵春江; 陈立平; 孟志军
Original assignee: Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture
Current assignee: NONGXIN TECHNOLOGY (BEIJING) Co.,Ltd.
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2031-04-28
Also published as: CN102262057A

Abstract

本发明涉及农业设备技术领域，具体公开了一种基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器。该基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器包括：多组依次串联的光谱信号发射电路模块、光路模块、光谱信号接收电路模块以及光谱信号分析模块。本发明提供的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，利用不同光谱波段处反射率的不同，并对不同波段的光谱信号用不同频率的正弦波进行调制，可有效消除不同探头之间的相互干扰，可精确计算出树木/农作物枝叶密度指数等被测植物的生物参数，进而实现树木/农作物植株枝叶密度生物信息的光谱探测。

Description

一种基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器

技术领域

本发明涉及农业设备技术领域，特别涉及一种基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器。

背景技术

目前，对靶喷雾是实现高效、低污染农药喷施的一种重要方法。所谓对靶喷雾就是只对目标喷雾，对于非目标不喷雾或者尽量少喷雾。对靶喷雾器械中，靶标探测器是一个关键部分。

光以电磁辐射的方式在空间传播，其投射到物体表面的辐射，一部分被物体表面反射，另一部分被物体吸收。反射或吸收辐射的比率因辐射波长、物体的光谱学特性而异，因此在一定的波段或波长范围内，可利用物体的光谱特征来识别物体。光电探测技术就是利用光源在目标和背景上的反射或目标、背景本身辐射电磁波的差异来探测、识别目标，并对它们进行跟踪、瞄准或其他相应的处理实施。

目前，植株靶标探测有光电探测技术、超声探测技术、微波探测技术及图像探测技术等。微波探测技术由于受到通讯控制技术复杂、经济性较差等限制，尚不适用于农业生产的推广。图像处理探测技术虽然能较好地探测出靶标的外形，确定喷施的覆盖范围和喷施量，但因其稳定性较差、复杂性和数据处理量较大、响应速度较慢和成本较高等问题，因此，此技术大多还处于实验室阶段，实际应用于在线实时作业的较少。超声探测技术虽然不复杂,但其经济成本比光电探测技术的高很多。光电探测技术与其它探测技术相比，因其响应速度快、能实现非接触式探测、抗干扰性强、可靠性好、成本较低、结构简单、体积小、功耗低等优点，被广泛用于在线实时检测和探测中。如图1所示，为现有技术光电探测器探测信号效果示意图。该探测器包括2组，其具有光信号发射部件和接收部件，现有技术中时常发生1组中的反射信号被2组中的接收部件探测到；而2组的反射信号容易被1组的探测部件接收到，从而形成干扰和误测，而且光路也会受到空气中红外光线的干扰。

在农业应用方面，采用透反射测样方式可获取植物叶片的可见-近红外光谱，然后对采样得到的数据进行处理后建立植物叶片叶绿素含量与叶片吸收光谱的定量分析模型，最后利用该模型对预测集样本进行预测，即利用可见-近红外光谱技术无损检测叶片叶绿素含量等植物靶标的其他生物信息，根据这些生物信息即可得到植物靶标的特征，以决策执行器件的动作。但农业作业环境大多在室外自然光照条件下，环境温度、湿度以及外界光的干扰对探测模块的干扰较大，进而影响了测量精度，尤其当需要定量的测量时，就要求系统必须具有较强的抗干扰能力和较高的灵敏度。

在现有的自动对靶喷雾靶标光谱探测器中，为了提高探测系统的抗干扰性能，其收发系统采用了数字式的编码调制方式，但其抗干扰能力还是较弱，而且由于属于方波调制，接收头调制频率较高、输出功率无法调节，使探测距离无法调节，且无法用于系统的定量测量。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，利用不同光谱波段处反射率的不同，并对不同波段的光谱信号用不同频率的正弦波进行调制，可有效消除不同探头之间的相互干扰，可精确计算出树木/农作物枝叶密度指数等被测植物的生物参数，进而实现树木/农作物植株枝叶密度生物信息的光谱探测。

（二）技术方案

为了解决上述问题，本发明提供一种基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，包括：多组依次串联的光谱信号发射电路模块、光路模块、光谱信号接收电路模块以及光谱信号分析模块；

所述光谱信号发射电路模块用于向靶标发射不同频率的正弦波，并将所述正弦波进行放大调制处理；

所述光路模块用于过滤所述光谱信号发射电路模块发射的正弦波；并且，其用于使所述光谱信号发射电路模块发射的正弦波光信号和光谱信号接收电路模块接收到的正弦波光信号均具有收敛性；

所述光谱信号接收电路模块用于接收从靶标反射回来的、并经光路模块处理后的正弦波光信号，并将接收的正弦波光信号进行整流滤波处理；

所述光谱信号分析模块用于根据所述光谱信号接收电路模块接收到的光谱信号计算出被测植物的生物参数，实现对被测植物生物参数的光谱探测。

进一步地，所述光谱信号发射电路模块包括串联连接的正弦波振荡电路、加法器、压控电流源电路和LED发光二极管；所述多组正弦波振荡电路发射的正弦波的频率不同。

进一步地，所述光谱信号接收电路模块包括与多组所述光谱信号发射电路模块相对应依次串联连接的光电池、电流/电压转换电路、带通滤波器和整流滤波器。

进一步地，所述光路模块包括依次连接的滤光片和凸透镜。

进一步地，所述光谱信号发射电路模块包括直流偏置；所述直流偏置与所述正弦波振荡电路并联后与加法器串联。

进一步地，所述压控电流源电路由放大器和起到扩流作用的达林顿管连接组成。

进一步地，所述带通滤波器与其频率相同的正弦波振荡电路进行匹配。

进一步地，所述光谱信号分析模块包括依次连接的模数转化器、单片机、继电器和电磁阀。

进一步地，所述正弦波振荡电路采用文氏桥振荡器。

（三）有益效果

本发明提供的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，具有以下优点：

（1）利用不同光谱波段处反射率的不同，并对不同波段的光谱信号用不同频率的正弦波进行调制，可有效消除不同探头之间的相互干扰，可精确计算出树木/农作物枝叶密度指数(LDI)等被测植物的生物参数，进而实现树木/农作物植株枝叶密度生物信息的光谱探测。

（2）可实现近红外/可见光信号强度的定量测量，以实现探测植株靶标的生物信息，达到智能精量对靶施药的目的，使无靶喷施量减少到最小程度。

（3）应用范围广泛。该光谱探测器除了应用在农田喷洒农药外，还可应用于如铁轨、道路两侧、机场和水路沿线等地方进行杂草清除作业等，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为现有技术光电探测器探测信号效果示意图；

图2为本发明实施例基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器结构示意图；

图3为本发明实施例光谱信号发射电路模块结构示意图；

图4为本发明实施例光谱信号发射电路模块电路图；

图5为本发明实施例光谱信号接收电路模块结构示意图；

图6为本发明实施例光谱信号接收电路模块电路图；

图7为本发明实施例光谱信号接收电路模块中光电池的光谱响应曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图2所示，本发明实施例基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器包括多组依次串联的光谱信号发射电路模块、光路模块和光谱信号接收电路模块以及光谱信号分析模块。

该光谱信号发射电路模块用于向靶标发射不同频率的正弦波，并将该正弦波进行放大调制处理；

该光路模块用于过滤光谱信号发射电路模块发射的正弦波；并且，其用于使光谱信号发射电路模块发射的正弦波光信号和光谱信号接收电路模块接收到的正弦波光信号均具有收敛性；

该光谱信号接收电路模块用于接收从靶标反射回来的、并经光路模块处理后的正弦波光信号，并将接收的正弦波光信号进行整流滤波处理；

该光谱信号分析模块包括模数转化器、单片机、继电器和电磁阀，用于根据接收到的光谱信号信息精确计算出树木/农作物枝叶密度指数、叶绿素含量等被测植物的生物参数，实现对树木/农作物植株枝叶密度生物信息（例如叶面积指数、枝叶密度信息等）的光谱探测，达到智能精量对靶施药的目的，使无靶喷施量减少到最小程度。

农业中，大多数光谱研究所用的光谱范围为可见区（400-700nm）和近红外区（700-2500nm），因为在此区域绿色植物与土壤的反射特征存在较大的差异。绿色植物吸收红光波段的入射光能，而反射近红外波段的入射光能。而农田背景（例如土壤、植物残体，如麦茬等）的反射特性与之形成鲜明的反差，在可见红光与近红外波段的反射率特性完全不同。本实施例中采用的多组光谱信号发射电路模块的数量，可根据实际农田喷施靶标的反射信号的大小，实现近红外/可见光信号强度的定量测量，以实现探测植株靶标的生物信息，达到智能精量对靶施药的目的，使无靶喷施量减少到最小程度。

如图3-4所示，本实施例中光谱信号发射电路模块包括串联连接的正弦波振荡电路、加法器、压控电流源电路和LED发光二极管。该多组正弦波振荡电路发射的正弦可见光波和红外光波的频率不同。该光谱信号发射电路模块还包括直流偏置电路，直流偏置电路与正弦波振荡电路并联后与加法器串联。

例如，本实施例采用两组光谱信号发射电路模块，正弦波振荡电路采用正弦波振荡器，通过两个正弦波振荡器分别产生85HZ和135Hz两个不同频率的正弦波，由于LED二极管只能工作在正向导通状态，所以通过直流偏置作用后的正弦波通过加法器后进行放大处理，然后通过压控电流源产生正弦变化的电流来驱动大功率的LED，此时LED输出的两路光信号的光波波长分别为630nm和850nm，此两路光信号的调制载波信号是频率为85HZ和135Hz的正弦波信号，因此，光强度也随正弦方式变化，达到调制的效果。

正弦波振荡器采用文氏桥振荡器，其使用的元件只需电阻电容，而且波形比较纯真，容易得到频率较广且连续可调的振荡频率。该电路的起振条件为：开始振荡时环路增益A_V=1+R₃₇/（R₃₆+RT₉）略大于3，达到稳定平衡状态时A_V=3。为了进一步改善输出电压幅度的稳定性，一般在放大电路的负反馈回路中采用非线性元件来自动调整反馈的强弱以维持输出电压的恒定。因此，在电阻R₃₇两边并联一个由稳压二极管作负载的硅整流电桥，由稳压二极管作负载的整流电桥是利用其非线性特性起自动稳定输出幅度的作用。调节电阻RT₉的值，当R₃₇/(R₃₆+RT₉)=2时，输出正弦信号稳定且波形失真小。

压控电流源电路由图4中放大器U5D和达林顿管TIP142连接组成。其中，运放引入深度电流串联负反馈，其输出电流I_o=U_in/R₃₈，R₃₈为5.1Ω的功率接地电阻，达林顿管TIP142主要是起到扩流的作用。

本装置选用的大功率LED发光二极管的正向工作电流I_F=350mA，正向电压3.0V-3.7V。其辐射强度与驱动电流只是在一段区间内呈线性关系，并且驱动电流太小。为保证LED发光二极管工作在安全的电流范围之内，本装置设计输出电流I_o取100mA-400mA。即输入电压U_in取0.51V-2.04V。

加法器根据压控电流源的要求，由图4中放大器U1B构成反相求和电路和放大器U5C构成反相放大电路。直流偏置由图3中电阻R₂₇、R₂₈和电位器RT₇组成。为满足LED工作在较好的线性范围，根据振荡器的输出电压的值，取R₂₇=10K、R₂₈=3.7K、RT₇=10K使直流偏置在1.3V-1.8V之间变化。加法器的输出电压为：U_o＝-{(R₃₀/R₂₉)×U_直+［R₃₀/(R₃₂+RT₈)］×U_振}，R₃₀=R₂₉=130K，R₃₂=50K，RT₈=100K使得调节振荡输出幅值时直流偏置恒定不变。U5C主要是将加法器输出电压反相，使输出正电压。

如图5-6所示，本实施例中的光谱信号接收电路模块包括与多组光谱信号发射电路模块相对应依次串联连接的光电池、电流/电压转换电路、带通滤波器和整流滤波器。该带通滤波器的频率与光谱信号发射电路模块中的正弦波振荡器所发射信号的频率相同。

光谱信号接收电路模块通过光敏元件硅光电池检测接收到的光强度，根据该强度通过光谱信号分析模块分析并精确计算出树木/农作物枝叶密度指数（LDI）等被测植物的生物参数（例如叶面积指数、枝叶密度信息等），进而实现树木/农作物植株枝叶密度生物信息的光谱探测。

其中，U2是硅光电池BPW20，它是Vishay生产的高灵敏硅光电池，具有较大的感光面积和较低的暗电流，其光谱响应曲线如图7所示。U3是高阻抗放大器CA3140，它的特点是：极高的输入阻抗和极低的失调电流并且较高的电压转换速率。在本装置中硅光电池采用光导方式与CA3140组成电流/电压转换器，能够精确地将光电池输出的微弱电流信号转换为电压信号。

运放U1A组成一个与振荡器同频率的带通滤波器，该带通滤波器的放大增益对于同相端而言小于3，对于反相端而言大于1。其选频原理为：输入信号经电位器送至运算放大器的反相端，由运放输出后又经文氏电桥选频网络反馈回同相端。只有当输入信号中的某一频率与选频网络固有频率一致时，电路才被激发起振，并输出最大幅度的预选频率信号。

得到的纯净的正弦信号由光谱信号发射电路模块发出并经物体反射回来的信号。此信号经过U_1B进一步放大后再通过由U1C、U1D组成的精密全波整流电路。该电路的优点是：克服了二极管的导通管压降，特别适合用于小信号的整流；可在RT1上并联电容对信号做进一步的滤波处理。这样就可以在输出端得到与接收信号强弱成反比的直流电平。将此输出信号送至单片机处理单元完成相应的信号处理、判断和执行等后续过程。

其中，本实施例中的光路模块包括分别安装在发光二极管LED前端的和光感器件前端的滤光片和凸透镜。为了增加光信号发射的指向性和接收的准确性，在发光二极管LED的前端加装凸透镜，可使LED发射的发散的光信号变为平行光，使发射出的调制光信号具有较好的收敛性，提高光信号相对探测目标的辐射效果。在接收端光电池前加设凸透镜，以使反射光信号的能量更好地聚焦至感光器件上。该滤光片用于过滤光谱信号发射电路模块所发射的、和光谱信号接收电路模块所接收的正弦波光信号，使之具有所需要的、较窄波段的光信号。

本发明提供的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，利用不同光谱波段处反射率的不同，可有效消除不同探头之间的相互干扰，可精确计算出树木/农作物枝叶密度指数等被测植物的生物参数，进而实现树木/农作物植株枝叶密度生物信息的光谱探测。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，其特征在于，包括：多组依次串联的光谱信号发射电路模块、光路模块、光谱信号接收电路模块以及光谱信号分析模块；

所述光谱信号接收电路模块用于接收从靶标反射回来的并经光路模块处理后的正弦波光信号，并将接收的正弦波光信号进行整流滤波处理；

2.如权利要求1所述的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，其特征在于，

所述光谱信号发射电路模块包括串联连接的正弦波振荡电路、加法器、压控电流源电路和LED发光二极管；所述正弦波振荡电路，不同的组所发射的正弦波的频率不同。

3.如权利要求2所述的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，其特征在于，

所述光谱信号接收电路模块包括与多组所述光谱信号发射电路模块相对应依次串联连接的光电池、电流/电压转换电路、带通滤波器和整流滤波器。

4.如权利要求1所述的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，其特征在于，所述光路模块包括依次连接的滤光片和凸透镜。

5.如权利要求2所述的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，其特征在于，所述光谱信号发射电路模块包括直流偏置；所述直流偏置与所述正弦波振荡电路并联后与加法器串联。

6.如权利要求2所述的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，其特征在于，所述压控电流源电路由放大器和起到扩流作用的达林顿管连接组成。

7.如权利要求3所述的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，其特征在于，所述带通滤波器与其频率相同的正弦波振荡电路进行匹配。

8.如权利要求1所述的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，其特征在于，所述光谱信号分析模块包括依次连接的模数转化器、单片机、继电器和电磁阀。

9.如权利要求2所述的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，其特征在于，所述正弦波振荡电路采用文氏桥振荡器。