CN110221350B - 昆虫识别计数系统和野外昆虫监测仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及昆虫识别计数系统，包括：记录昆虫身体和翅膀振动触发的散射光信号的散射识别计数系统，记录昆虫翅膀振动触发的遮挡光信号的遮光识别计数系统，通过遮挡光信号相对于散射光信号时间延迟触发昆虫计数、且通过散射光信号和遮挡光信号判别昆虫种类的信号采集处理器，显示昆虫计数结果和昆虫种类的终端处理显示器；散射识别计数系统位于遮光识别计数系统的上方。还涉及野外昆虫监测仪器，包括引诱系统、捕捉系统、昆虫识别计数系统；捕捉系统位于遮光识别计数系统的下方。本发明结构简单，计数准确，集昆虫诱捕、光学识别、光学计数技术于一体，属于昆虫监测技术领域。

Description

昆虫识别计数系统和野外昆虫监测仪器

技术领域

本发明涉及昆虫监测技术，具体涉及一种昆虫识别计数系统，还涉及一种采用昆虫识别计数系统的野外昆虫监测仪器。

背景技术

昆虫是生态系统中重要的组成部分，近年来环境变化对全球生态系统产生了重大的影响。昆虫具有快速繁殖、生命周期短、扩散能力强等特点，因此对生态环境的变化非常敏感。同时，昆虫也给人类经济及生命安全带来的重大的威胁。

目前的昆虫监测技术主要通过图像识别的方式进行昆虫的识别计数，但是这种方法不但要求相机的采集速度很高，能够快速获取飞行中的昆虫，还要求在背景中获得明显的图片特征。这种方法对于实验条件要求严格、成本较高，不适合大范围的实时监测。

现有技术存在昆虫陷阱对昆虫进行捕捉，并使用红外传感器进行计数，但是这种方法只能进行捕捉昆虫的计数，不能识别昆虫种类。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种提高昆虫计数准确度的昆虫识别计数系统。

本发明的另一个目的是：提供一种将昆虫诱捕、光学识别、光学计数技术相结合的野外昆虫监测仪器。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

昆虫识别计数系统，包括：记录昆虫身体和翅膀振动触发的散射光信号的散射识别计数系统，记录昆虫翅膀振动触发的遮挡光信号的遮光识别计数系统，通过遮挡光信号相对于散射光信号时间延迟触发昆虫计数、且通过散射光信号和遮挡光信号判别昆虫种类的信号采集处理器，显示昆虫计数结果和昆虫种类的终端处理显示器；散射识别计数系统位于遮光识别计数系统的上方。采用这种结构后，可对野外昆虫进行实时监控；采用散射识别计数系统和遮光识别计数系统组合计数，能提高昆虫计数的准确度。

散射识别计数系统包括外壳、准直透镜、准直透镜组固定支架、光源、光源固定支架、探测器、滤光片、塑料空心管、直流信号放大器；塑料空心管的轴向方向沿着上下方向设置，塑料空心管的下端与外壳连通；多个光源通过光源固定支架固定在外壳内，多个准直透镜排列成行组成准直透镜组，准直透镜组通过准直透镜组固定支架固定在外壳内；探测器和滤光片固定在塑料空心管内；沿着光路方向，光源、准直透镜组、滤光片、探测器依次设置；探测器、直流信号放大器、信号采集处理器依次相接。采用这种结构后，直流信号放大器保留了昆虫的翅膀振动频率信号和身体信号，可根据昆虫身体散射光强度和翅膀振动频率进行昆虫种类的识别和计数。

散射识别计数系统还包括固定支架和探测器支杆；固定支架安装在塑料空心管的上端，探测器支杆沿着塑料空心管的轴向安装在固定支架上，固定支架和探测器支杆通过固定螺丝分离可调式固定从而调节探测器的高度，探测器支杆的下端设有探测器固定槽和滤光片固定槽，探测头竖直朝下的探测器安装在探测器固定槽中，滤光片安装在滤光片固定槽中，探测器位于滤光片的上方，探测器和滤光片通过子母螺纹连接，通过子母螺纹调节探测器和滤光片之间的距离，改变探测器的探测角度；光源位于准直透镜组的外侧从而形成水平的光场。采用这种结构后，探测器的探测头与探测平面垂直，可以降低环境光对探测效果的影响，增加野外探测能力；通过子母螺纹连接，可根据需求调节探测器的视场角。

散射识别计数系统中，光源为发射波长940nm的近红外LED光源，准直透镜为圆形菲涅尔透镜，探测器为峰值波长940nm的光电二极管，滤光片为940nm的带通滤光片。采用这种结构后，根据昆虫身体的光学特性选择近红外LED光源，提高探测性能，并且降低仪器成本。

遮光识别计数系统包括外壳、光源、光源固定支架、光源准直透镜、光源准直透镜组固定支架、光线聚焦透镜、光线聚焦透镜组固定支架、探测器、探测器组固定支架、交流信号放大器；散射识别计数系统和遮光识别计数系统通过一塑料空心管相接，遮光识别计数系统的出口接另一塑料空心管，两根塑料空心管的轴向均沿着竖直方向设置，上方塑料空心管的下端与下方塑料空心管的上端上下正对；光源通过光源固定支架固定在外壳内，多个光源准直透镜排列成行组成光源准直透镜组，光源准直透镜组通过光源准直透镜组固定支架固定在外壳内，多个光线聚焦透镜排列成行组成光线聚焦透镜组，光线聚焦透镜组通过光线聚焦透镜组固定支架固定在外壳内，多个探测器排列成行组成探测器组，探测器组通过探测器组固定支架固定在外壳内；沿着光路方向，光源、光源准直透镜组、光线聚焦透镜组、探测器组依次设置，且上方塑料空心管的下端与下方塑料空心管的上端之间围成的区域位于光源准直透镜组和光线聚焦透镜组之间；探测器、交流信号放大器、信号采集处理器依次相接。采用这种结构后，交流信号放大器保留了昆虫的翅膀振动频率信号，利用翅膀振动频率实现昆虫种类识别和计数。

昆虫识别计数系统，还包括无线传输系统；无线传输系统包括无线发射模块和无线接收模块；散射识别计数系统和遮光识别计数系统均与信号采集处理器相接，信号采集处理器与无线发射模块相接，无线接收模块与终端处理显示器相接。

野外昆虫监测仪器，包括引诱系统、捕捉系统、昆虫识别计数系统；捕捉系统位于遮光识别计数系统的下方。

捕捉系统包括箱体、限风器、捕捉网、风扇、塑料空心管；箱体的入口接竖直的塑料空心管，且该塑料空心管位于箱体内；限风器、捕捉网、风扇从上往下设置在塑料空心管内；限风器为减弱风速的漏斗状；捕捉系统和遮光识别计数系统通过另一塑料空心管连接。采用这种结构后，限风器为漏斗状的塑料，减弱昆虫识别计数系统中的风速，同时保证了昆虫被捕捉后的吸力。

引诱系统包括昆虫诱捕UV灯和放有引诱剂的药盘；昆虫诱捕UV灯位于散射识别计数系统的入口处，药盘位于箱体内。采用这种结构后，即采用光学引诱和化学引诱两种方式，在药盘中放入模拟人体气味的化学药品，通过两种引诱方法，提高对昆虫的引诱能力。

散射识别计数系统的入口、散射识别计数系统和遮光识别计数系统之间、遮光识别计数系统和捕捉系统之间、捕捉系统的入口均设置塑料空心管，各塑料空心管的直径相同，上下同轴正对；所有塑料空心管的内壁磨砂，且内表面设有吸光材料涂层。塑料空心管采用低密度材料制作。

本发明的原理是：

针对目前现有监测系统的缺陷而提出。本发明主要包括如下几个方面：1、利用光学以及化学试剂对昆虫进行引诱；2、利用光学的方法记录昆虫的翅振频率，识别昆虫的种类并计数；3、组合散射识别计数系统和遮光识别计数系统两种识别计数系统对昆虫进行计数；4、利用风扇与限风器结合，对昆虫进行捕捉，并利用捕捉网进行昆虫保存；5、利用无线传输系统实现监测数据传输，并进行终端处理、在线监测。昆虫被光学和化学引诱剂吸引到监测仪器上方，由于风扇的吸力，会将飞行中的昆虫吸到仪器中。在昆虫的下降过程中分别经过散射识别计数系统和遮光识别计数系统两个识别计数系统，最后被捕捉到捕捉网中，难以逃出。

总的说来，本发明具有如下优点：

1、结构简单、价格低廉、操作方便。

2、两种识别计数系统集成在一个仪器中，提高监测的准确度。

3、利用科学的手段实现昆虫的捕捉、计数和识别同时进行，而不是捕捉后的观察识别计数。

4、利用科学的手段实现昆虫监测数据的远程传输，实现在线监测。

附图说明

图1是野外昆虫监测仪器的结构示意图。

图2是散射识别计数系统的结构示意图。

图3是散射识别计数系统的探测器支杆的结构示意图。

图4是图3的局部放大图。

图5是遮光识别计数系统的结构示意图。

图6是捕捉系统的结构示意图。

图7是限风器的结构示意图。

图8是采用散射识别计数系统记录的昆虫身体和翅膀振动的散射光信号。

图9是采用遮光识别计数系统记录的昆虫翅膀振动的遮挡光信号。

图中，1为UV灯，2为探测器支杆，3为固定支架，4为塑料空心管，5为散射识别计数系统的外壳，6为连接散射识别计数系统和遮光识别计数系统的塑料空心管，7为遮光识别计数系统的外壳，8为箱体，9为直流信号放大器，10为交流信号放大器，11为信号采集处理器，12为无线传输系统，13为终端处理显示器，14为散射识别计数系统的准直透镜组，15为散射识别计数系统的准直透镜组固定支架，16为散射识别计数系统的光源，17为散射识别计数系统的光源固定支架，18为散射识别计数系统的探测器固定槽，19为滤光片固定槽，20为固定螺丝，21为滤光片，22为散射识别计数系统的探测器，23为遮光识别计数系统的光源，24为遮光识别计数系统的光源固定支架，25为遮光识别计数系统的光源准直透镜组，26为遮光识别计数系统的光源准直透镜组固定支架，27为遮光识别计数系统的光线聚焦透镜组，28为遮光识别计数系统的光线聚焦透镜组固定支架，29为遮光识别计数系统的探测器组，30为遮光识别计数系统的探测器组固定支架，31为连接遮光识别计数系统和捕捉系统的塑料空心管，32为限风器，33为箱体内的塑料空心管，34为捕捉网，35为风扇，36为放有引诱剂的药盘。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

野外昆虫监测仪器，包括引诱系统、捕捉系统、昆虫识别计数系统。昆虫识别计数系统包括散射识别计数系统、遮光识别计数系统、信号采集处理器、无线传输系统、终端处理显示器。散射识别计数系统位于遮光识别计数系统的上方，捕捉系统位于遮光识别计数系统的下方。

散射识别计数系统包括外壳(内部磨砂并涂吸光材料)、准直透镜、准直透镜组固定支架、光源、光源固定支架、探测器、滤光片、塑料空心管、直流信号放大器；塑料空心管的轴向方向沿着上下方向设置，塑料空心管的下端与外壳连通；光源通过光源固定支架固定在外壳内，多个准直透镜排列成行组成准直透镜组，准直透镜组通过准直透镜组固定支架固定在外壳内；探测器和滤光片固定在塑料空心管内；沿着光路方向，光源、准直透镜组、滤光片、探测器依次设置；探测器、直流信号放大器、信号采集处理器依次相接。散射识别计数系统还包括固定支架和探测器支杆；固定支架安装在塑料空心管的上端，探测器支杆沿着塑料空心管的轴向安装在固定支架上，固定支架和探测器支杆通过固定螺丝分离可调式固定从而调节探测器的高度，探测器支杆的下端设有探测器固定槽和滤光片固定槽，探测头竖直朝下的探测器安装在探测器固定槽中，滤光片安装在滤光片固定槽中，探测器位于滤光片的上方，探测器和滤光片通过子母螺纹连接，通过子母螺纹调节探测器和滤光片之间的距离，改变探测器的探测角度；光源位于准直透镜组的外侧从而形成水平的光场。散射识别计数系统中，光源为发射波长940nm的近红外LED光源，准直透镜为圆形菲涅尔透镜，探测器为峰值波长940nm的光电二极管，滤光片为940nm的带通滤光片。

遮光识别计数系统包括外壳(内部磨砂并涂吸光材料)、光源、光源固定支架、光源准直透镜、光源准直透镜组固定支架、光线聚焦透镜、光线聚焦透镜组固定支架、探测器、探测器组固定支架、交流信号放大器；散射识别计数系统和遮光识别计数系统通过一塑料空心管相接，遮光识别计数系统的出口接另一塑料空心管，两根塑料空心管的轴向均沿着竖直方向设置，上方塑料空心管的下端与下方塑料空心管的上端上下正对；光源通过光源固定支架固定在外壳内，多个光源准直透镜排列成行组成光源准直透镜组，光源准直透镜组通过光源准直透镜组固定支架固定在外壳内，多个光线聚焦透镜排列成行组成光线聚焦透镜组，光线聚焦透镜组通过光线聚焦透镜组固定支架固定在外壳内，四个探测器排列成行组成探测器组，探测器组通过探测器组固定支架固定在外壳内；沿着光路方向，光源、光源准直透镜组、光线聚焦透镜组、探测器组依次设置，且上方塑料空心管的下端与下方塑料空心管的上端之间围成的区域位于光源准直透镜组和光线聚焦透镜组之间；探测器、交流信号放大器、信号采集处理器依次相接。遮光识别计数系统中，光源为发射波长940nm的近红外LED光源，光源准直透镜组为圆形菲涅尔透镜，光线聚焦透镜组为与准直透镜组是相同参数的圆形菲涅尔透镜组，探测器为峰值波长940nm的光电二极管。

无线传输系统包括无线发射模块和无线接收模块；散射识别计数系统和遮光识别计数系统均与信号采集处理器相接，信号采集处理器与无线发射模块相接，无线接收模块与终端处理显示器相接。

捕捉系统包括箱体、限风器、捕捉网、风扇、塑料空心管；箱体的入口接竖直的塑料空心管，且该塑料空心管位于箱体内；限风器、捕捉网、风扇从上往下设置在塑料空心管内；限风器为减弱风速的漏斗状；捕捉系统和遮光识别计数系统通过另一塑料空心管连接。

引诱系统包括昆虫诱捕UV灯和药盘；昆虫诱捕UV灯位于散射识别计数系统的入口处，放有引诱剂的药盘位于箱体内。

散射识别计数系统的入口、散射识别计数系统和遮光识别计数系统之间、遮光识别计数系统和捕捉系统之间、捕捉系统的入口均设置塑料空心管，各塑料空心管的直径相同，上下同轴正对；所有塑料空心管的内壁磨砂，且内表面设有吸光材料涂层。

野外昆虫监测仪器的工作过程如下：

昆虫诱捕UV灯和放有化学引诱剂的药盘将附近飞行的昆虫吸引到野外昆虫监测仪器的上方，由于内部风扇微弱的吸力会将昆虫从最上方的塑料空心管吸到两个识别计数系统中。由于限风器的限制，在两个识别计数系统的探测区内的风速不足以使昆虫丧失翅膀振动的能力，但是仍然会使昆虫向下飞行，依次经过散射识别计数系统、遮光识别计数系统，最后通过限风器中心的圆孔到达捕蚊网。

散射识别计数系统中具有一定发散角的光源发出的近红外光会被准直透镜准直成平行光束，在最上方的塑料空心管的正下方形成光强均匀的探测区域。当昆虫由塑料空心管的通道下降到达散射识别计数系统的探测区域时，由于昆虫身体以及翅膀的拍打会引起光的散射，垂直向下的散射探测器会探测到相应的散射光强信号。散射信号经过直流信号放大器不仅保留了昆虫身体的散射光信号，还保留了翅膀振动的散射光信号，最后被信号采集处理器采集处理。可将昆虫身体和翅膀散射信号作为识别昆虫的依据，既能根据昆虫的身体大小进行昆虫种类识别，又能根据翅膀振动频率进行识别，提高识别的准确度。

遮光识别计数系统中具有发散角的光源发出的近红外光线被光源准直透镜组准直，光线在均匀传输一段距离后，再次被光线聚焦透镜组汇聚到遮光系统的探测器上。这样保证在塑料空心管的正下方形成光强均匀的探测区域。在没有昆虫经过探测区域时，探测器接收到的光强一直保持不变，不能被交流信号放大器放大。当昆虫经过散射识别计数系统继续向下飞行，经过遮光探测区域后，由于昆虫身体和翅膀的振动对光线的遮挡会引起遮光探测器探测到的光强均匀变化，被交流信号放大器放大，最后被信号采集处理器采集处理。这种遮光识别计数系统可以根据昆虫翅膀振动的周期性频率对昆虫进行识别。

由于遮光识别计数系统下方的风速较大，昆虫在经过遮光识别计数系统后，会通过限风器的中心的圆孔到达捕蚊网。在限风器的下方，由于没有限风器的限制，最大风速的风扇会将昆虫牢牢吸在捕捉网内。另外，由于限风器的结构类似于漏斗状，昆虫很难从限风器的圆孔中弹出捕捉网，从而实现昆虫的引诱、识别、计数和捕捉功能。

两种识别计数系统对探测到的昆虫信号被信号采集处理器进行采集处理后，经过无线传输系统到达终端处理显示器，实现野外昆虫的在线监测功能。图8为散射识别计数系统记录的昆虫身体与翅膀振动的散射光信号，散射光信号在背景光的基础上明显增加。这是由于昆虫身体引起的散射光强较大，因此会在背景光的基础上有一个明显的凸起信号，与此同时，昆虫翅膀的振动会引起更高频率的散射光信号，翅膀振动信号叠加在身体散射光信号之上。图9是遮光识别计数系统记录的昆虫翅膀振动引起的光强变化的信号，由于昆虫翅膀在探测区域内周期性的振动引起光线的周期性遮挡，会使探测器记录下周期性变化的光线信号。在信息采集处理系统中对两个识别计数系统中记录的昆虫信号，分别进行傅里叶变换，分析昆虫翅膀振动频率，并结合昆虫身体触发的散射光信号强度的大小，从而实现识别昆虫的目的。

本实施例野外昆虫监测仪器中，将两种识别计数系统进行组合使用，昆虫先后经过散射和遮光两种识别计数系统，根据两系统间探测信号的时间延迟，判断昆虫是否被系统捕获，从而提高昆虫的计数准确度。如果昆虫只被散射识别计数系统记录而没有被遮光识别计数系统计数，说明昆虫没有继续向下飞行，而是向上飞行逃出监测仪器。如果昆虫被散射识别计数系统记录后，隔一段时间后被遮光识别计数系统记录，说明昆虫被一直向下飞行，最后被捕捉。当然，这种方法还可以根据昆虫的翅膀振动频率分析是否属于同一只昆虫，大大提高了识别计数的准确度。

按照本发明的实施例，用于野外昆虫在线监测的识别计数系统可以与光学识别技术、昆虫引诱技术、昆虫捕捉技术相结合组成的新的监测系统，不仅能够极大的提高了昆虫识别的准确度，还能提高昆虫计数的准确度，而且其轻便、低成本的特点将会使该系统适用于野外昆虫监测的应用中。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.昆虫识别计数系统，其特征在于：包括

-记录昆虫身体和翅膀振动触发的散射光信号的散射识别计数系统，

-记录昆虫翅膀振动触发的遮挡光信号的遮光识别计数系统，

-通过遮挡光信号相对于散射光信号时间延迟触发昆虫计数、且通过散射光信号和遮挡光信号判别昆虫种类的信号采集处理器，

-显示昆虫计数结果和昆虫种类的终端处理显示器；

散射识别计数系统位于遮光识别计数系统的上方；

散射识别计数系统包括外壳、准直透镜、准直透镜组固定支架、光源、光源固定支架、探测器、滤光片、塑料空心管、直流信号放大器；塑料空心管的轴向方向沿着上下方向设置，塑料空心管的下端与外壳连通；多个光源通过光源固定支架固定在外壳内，多个准直透镜排列成行组成准直透镜组，准直透镜组通过准直透镜组固定支架固定在外壳内；探测器和滤光片固定在塑料空心管内；沿着光路方向，光源、准直透镜组、滤光片、探测器依次设置；探测器、直流信号放大器、信号采集处理器依次相接；

散射识别计数系统还包括固定支架和探测器支杆；固定支架安装在塑料空心管的上端，探测器支杆沿着塑料空心管的轴向安装在固定支架上，固定支架和探测器支杆通过固定螺丝分离可调式固定从而调节探测器的高度，探测器支杆的下端设有探测器固定槽和滤光片固定槽，探测头竖直朝下的探测器安装在探测器固定槽中，滤光片安装在滤光片固定槽中，探测器位于滤光片的上方，探测器和滤光片通过子母螺纹连接，通过子母螺纹调节探测器和滤光片之间的距离，改变探测器的探测角度；光源位于准直透镜组的外侧从而形成水平的光场；

散射识别计数系统中，光源为发射波长940nm的近红外LED光源，准直透镜为圆形菲涅尔透镜，探测器为峰值波长940nm的光电二极管，滤光片为940nm的带通滤光片；

遮光识别计数系统包括外壳、光源、光源固定支架、光源准直透镜、光源准直透镜组固定支架、光线聚焦透镜、光线聚焦透镜组固定支架、探测器、探测器组固定支架、交流信号放大器；散射识别计数系统和遮光识别计数系统通过一塑料空心管相接，遮光识别计数系统的出口接另一塑料空心管，两根塑料空心管的轴向均沿着竖直方向设置，上方塑料空心管的下端与下方塑料空心管的上端上下正对；光源通过光源固定支架固定在外壳内，多个光源准直透镜排列成行组成光源准直透镜组，光源准直透镜组通过光源准直透镜组固定支架固定在外壳内，多个光线聚焦透镜排列成行组成光线聚焦透镜组，光线聚焦透镜组通过光线聚焦透镜组固定支架固定在外壳内，多个探测器排列成行组成探测器组，探测器组通过探测器组固定支架固定在外壳内；沿着光路方向，光源、光源准直透镜组、光线聚焦透镜组、探测器组依次设置，且上方塑料空心管的下端与下方塑料空心管的上端之间围成的区域位于光源准直透镜组和光线聚焦透镜组之间；探测器、交流信号放大器、信号采集处理器依次相接。

2.按照权利要求1所述的昆虫识别计数系统，其特征在于：还包括无线传输系统；无线传输系统包括无线发射模块和无线接收模块；散射识别计数系统和遮光识别计数系统均与信号采集处理器相接，信号采集处理器与无线发射模块相接，无线接收模块与终端处理显示器相接。

3.野外昆虫监测仪器，其特征在于：包括引诱系统、捕捉系统、权利要求1至2中任一项所述的昆虫识别计数系统；捕捉系统位于遮光识别计数系统的下方。

4.按照权利要求3所述的野外昆虫监测仪器，其特征在于：捕捉系统包括箱体、限风器、捕捉网、风扇、塑料空心管，箱体的入口接竖直的塑料空心管，且该塑料空心管位于箱体内；限风器、捕捉网、风扇从上往下依次设置在塑料空心管内；限风器为减弱风速的漏斗状；捕捉系统和遮光识别计数系统通过另一塑料空心管连接。

5.按照权利要求3所述的野外昆虫监测仪器，其特征在于：引诱系统包括昆虫诱捕UV灯和放有引诱剂的药盘；昆虫诱捕UV灯位于散射识别计数系统的入口处，药盘位于箱体内。

6.按照权利要求3所述的野外昆虫监测仪器，其特征在于：散射识别计数系统的入口、散射识别计数系统和遮光识别计数系统之间、遮光识别计数系统和捕捉系统之间、捕捉系统的入口均设置塑料空心管，各塑料空心管的直径相同，上下同轴正对；所有塑料空心管的内壁均磨砂，且内表面均设有吸光材料涂层。