CN118111954A - 一种基于主动光源的植被指数快速采样系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主动光源的植被指数快速采样系统与方法，所述系统包括发光组件和感知装置；所述发光组件用于向目标物发出特定光谱波段的调制光；所述感知装置包括主控制器、测距传感器和光信号采集组件，所述测距传感器用于获取其与目标物之间的距离，并传输给主控制器用于光照衰减计算，所述光信号采集组件用于接收从目标物反射回来的光束并进行处理，再将结果传输到主控制器，从而计算获得目标物的各光谱波段反射率和植被指数。与现有技术相比，本发明具有可以全天候、快速、精准地获取植物各光谱波段反射率和植被指数的有益效果。

Description

一种基于主动光源的植被指数快速采样系统与方法

技术领域

本发明涉及田间农情信息监测的技术领域，更具体地，涉及一种基于主动光源的植被指数快速采样系统与方法。

背景技术

对作物的生长状态进行动态跟踪，是实现作物优质丰产的重要基础。目前，在作物长势监测领域中，市面上可用于作物长势监测的传感器种类诸多，突出特性和适用场景也各有不同。作物生长监测需要在室外、田间进行原位式监测。相比传统的接触破坏式物理检测方法，为了无损地达到监测效果，研究人员提出了基于冠层光谱反射的非接触式测量方法，从而使冠层受损问题得到了缓解。然而，在实际应用过程中，这类方法往往需要依赖稳定、较强的光源，一旦光源强度发生变化，测量数据极易受到影响。为此，基于主动光源方法的作物冠层反射率测量系统得到了迅猛发展。

基于主动光源方法的作物冠层反射率测量系统的特点在于其能够主动发出特定波段的光，其内部的光接收组件可以对自主发出的光进行频率和强度识别，进而实现对作物冠层反射率的获取。目前，基于主动光源方法的作物冠层反射率测量系统主要采用放大与滤波结合的光电信号处理方案。其中滤波方案主要有高通滤波、带通滤波、低通滤波这三类。而现有技术中，无论采用高通、带通还是低通滤波的方案，均难以将主动发出的光信号进行精准提取。以高通为例，原理上，主动光源发出高频率脉冲光后，经过地物反射回到光检测装置，接收到的反射光依然保持高频特征，可以顺利通过高通滤波器。然而，在实际应用中，主动发光器持续发光极易产生大量热量影响发光光谱的准确，且容易产生红移现象。而若通过间歇性发光，虽然可以缓解发热问题，但这里的间歇因为高通滤波器的特性，间歇时间所形成的脉冲频率需要在高通滤波器的频率响应之外，这就导致高通滤波方案难以实现快速测量，且容易混入干扰信号。

对于低通滤波器，则很容易受到环境光的干扰。带通滤波器类似高通与低通的结合，也难以实现高频脉冲和短间歇，同时在带通滤波器中，中心频率与通带宽度的比值（Q值），是衡量带通滤波器的滤波尖锐程度的一项指标，但实际工程中，高Q值的设计制造具有一定难度。此外，上述技术发明还存在需要使用标准白板进行频繁的电压值校准以及带通参数难以实现的难题。

综上，从现有技术和产品来看，主动光源式的作物长势监测装置依然是作物传感器的一个热点，然而，现有技术在对主动光源光信号的感知能力方面还存有不足。特别在实际作业中，现有技术和传感器普遍存在作业高度低的问题，难以在快速移动载体如无人机上进行作物长势采集，同时缺少对光衰减的检测和补偿机制，以及对快速的环境光变化的应对能力。因此，基于上述对现有技术的分析和对比，当前的主动光源式的作物长势监测装置需要克服对光照衰减、快速环境光照变化、主动光频率精准提取的关键技术难题。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷（不足），提供一种基于主动光源的植被指数快速采样系统，具有在混合光中精准提取特定波段光的效果。

本发明采取的技术方案是：

一种基于主动光源的植被指数快速采样系统，包括发光组件和感知装置；

所述发光组件用于向目标物发出特定光谱波段的调制光；

所述感知装置包括主控制器、测距传感器和光信号采集组件，所述测距传感器用于获取其与目标物之间的距离，并传输给主控制器用于光照衰减计算；所述光信号采集组件用于接收从目标物反射回来的光束并进行处理，再将结果传输到主控制器，从而计算获得目标物的各光谱波段反射率和植被指数。

根据本发明的一种基于主动光源的植被指数快速采样系统，还包括可调云台；所述发光组件和感知装置安装于可调云台上，所述可调云台用于带动发光组件和感知装置移动和/或转动；

进一步地，所述发光组件包括依次连接的光源控制板、信号发生器、光源驱动器、特定波段光源和聚光器；

所述光源控制板与主控制器连接，用于控制信号发生器向光源驱动器发送工作信号，所述信号发生器产生若干路基础信号，若干路基础信号与所述光源驱动器一一对应，且所述光源驱动器在若干路基础信号的触发下产生若干路恒流驱动信号；

所述光源驱动器与特定波段光源一一对应，用于驱动特定波段光源发出特定波段的调制光；

所述聚光器设置于特定波段光源的出光方向上，且与特定波段光源一一对应，用于聚光；

所述特定波段光源通过聚光器聚光后，投射于目标物上，并通过目标物反射到感知装置上。

根据本发明的一种基于主动光源的植被指数快速采样系统，所述特定光谱波段的调制光为不同光谱波段、不同频率、不同强度和/或不同相位参数的光；

所述特定波段光源至少包括蓝光光源、绿光光源、红光光源和近红外光源中的其中一种或两种及其以上的组合；

所述若干路基础信号至少包含一路基础信号，且若干路基础信号中的任意一路基础信号均为间歇性脉冲段信号，设定单个脉冲段信号的频率为F，持续时间为T1秒，相邻脉冲段之间的间歇时间为T2秒，且T1≥、T2＞/>；所述若干路基础信号包含两路或两路以上的基础信号时，其中任意的两路基础信号的频率不同，或相位不同，或频率和相位均不同。

进一步地，所述特定波段光源可以是其他光源与蓝光光源/绿光光源/红光光源/近红外光源的组合，或者，也可以是蓝光光源、绿光光源、红光光源、近红外光源中的其中一种或两种及以上的结合。

根据本发明的一种基于主动光源的植被指数快速采样系统，所述光信号采集组件包括依次设置于光路方向上的透镜组、滤光导光片组、感光器、检波电路和电压采集器；

所述透镜组用于接收从目标物反射回来的光束；

所述滤光导光片组用于按不同的光谱波段通路对反射回来的光束进行滤光分类，从而获得不同光谱波段的光信号；

所述检波电路用于将光信号转换为电信号，并传导到电压采集器；

所述电压采集器与所述主控制器连接。

根据本发明的一种基于主动光源的植被指数快速采样系统，所述光信号采集组件还包括用于安装固定透镜组、滤光导光片组和感光器的镜片支撑架；

所述滤光导光片组包括依次设置在光路方向上的限波滤光片、二向色镜组、反射镜组和多面棱镜；

所述二向色镜组包括N个依次设置于光路方向上的二向色镜，其中，N≥1；所述反射镜组设置于二向色镜组的透射光路和/或反射光路上，用于将透过二向色镜的光和从二向色镜反射的光传导到多面棱镜，并通过多面棱镜传导到感光器上。

根据本发明的一种基于主动光源的植被指数快速采样系统，所述反射镜组包括N+1个反射镜，其中一个反射镜设置于排列在最后的二向色镜的透光光路上，另外N个反射镜分别设置于N个二向色镜的反射光路上；

所述N个二向色镜具有不同的截止波长，且N个二向色镜的截止波长在光路方向上依次增大或依次减小；

进入感光器的光束按截止波长不同组成N+1个光谱波段通路，且所述N+1个光谱波段通路以所述N个二向色镜的截止波长作为间隔点区分开；所述检波电路包括N+1个，且N+1个检波电路与N+1个光谱波段通路一一对应。

进一步地，所述N个二向色镜均为长通二向色镜，或均为短通二向色镜；当所述N个二向色镜均为长通二向色镜时，N个二向色镜的截止波长在光路方向上依次增大；当所述N个二向色镜均为短通二向色镜时，N个二向色镜的截止波长在光路方向上依次减小；

所述特定波段光源的数量与光谱波段通路的数量一一对应；所述特定波段光源发光时的中心波长位于对应光谱波段通路的两个截止波长之间，且特定波段光源的半峰全宽小于或等于对应光谱波段通路的两个截止波长的差值；

所述限波滤光片上所通过的光的最大波长大于任一的二向色镜的最大截止波长，所述限波滤光片上所通过的光的最小波长小于任一的二向色镜的最小截止波长。

根据本发明的一种基于主动光源的植被指数快速采样系统，所述检波电路包括依次设置于光路上的放大电路、相敏电路、低通滤波电路和电压跟随电路；

所述放大电路内至少包括一级放大器；

所述相敏电路和低通滤波电路组成锁相电路，所述锁相电路为单相锁相电路或双相锁相电路；当所述锁相电路为单相锁相电路时，若干路基础信号中的任意一路基础信号接入到对应检波电路的相敏电路中；当所述锁相电路为双相锁相电路时，若干路基础信号中的任意一路基础信号需进行移相操作，再接入到对应检波电路的相敏电路中。

一种基于主动光源的植被指数快速采样方法，所述方法应用于上述的基于主动光源的植被指数快速采样系统，所述方法包括以下步骤：

S1：通过标定试验，得出发光组件中各个光谱波段的光到达目标物表面的实际入射光强的光照衰减计算模型；

S2：以待测植物作为实测目标物，发光组件向实测目标物发出1个或多个特定光谱波段的调制光，其中，每个调制光的频率和相位参数均为已知值；

S3：测距传感器获取植被指数快速采样系统与实测目标物之间的感知距离，且光信号采集组件检测从实测目标物反射回来的1个或多个特定光谱波段的调制光；

S4：主控制器根据步骤S2和S3的相关参数，计算获得实测目标物在当前各个光谱波段下的实际反射光强；

S5：根据S4得到实际反射光强和实际入射光强的比值，计算实测目标物各光谱波段的反射率和植被指数；其中，所述实际入射光强为在S3感知距离下由S1计算得到的对应的各个光谱波段的实际入射光强。

根据本发明的一种基于主动光源的植被指数快速采样方法，步骤S1中，得出发光组件中各个光谱波段的光到达目标物表面的实际入射光强的光照衰减计算模型，主要包括以下步骤：

S11：在地面铺设大面积的参考反射板，并以参考反射板作为目标物，其中，参考反射板的反射率为已知值；同时，控制发光组件、测距传感器和光信号采集组件竖直朝向参考反射板；

S12：控制发光组件朝向参考反射板发光，同时，测距传感器获取植被指数快速采样系统与参考反射板之间的距离，并传输给主控制器；主控制器获取该距离值下，投射于参考反射板表面上的各个光谱波段的值，其中，/>表示光谱波段序号；

S13：梯度化地改变测距传感器与参考反射板之间的距离值，主控制器获取不同距离值下，参考反射板表面上的各个光谱波段的/>值；

S14：通过主控制器对步骤S13获得的值和距离值/>进行数据拟合，得到光照衰减计算模型/>；

S15：根据公式，计算各个光谱波段的实际入射光强/>。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明提出的一种基于主动光源的植被指数快速采样系统与方法，相比现有技术和产品，所提装置采用间歇性脉冲段信号驱动特定波段光源，再结合相敏检测的方法，不仅可以提高对主动光源信号的采样频率，实现对发光组件发出光的完全同频率采样，还可以有效保护发光组件，避免连续工作的严重发热问题。

（2）本发明提出的一种基于主动光源的植被指数快速采样系统与方法，通过限波滤光片与二向色镜相结合的方法对混合光进行了可控波段的精准分光，再结合单一感光器的方案，避免了多感光器的噪声差异问题，实现了在混合光中精准提取特定波段光的目的。通过本发明的一种基于主动光源的植被指数快速采样系统在感知作物冠层信息时可达到光照衰减校准、快速环境光照变化自适应、主动光频率精准提取的效果。

（3）本发明提出的一种基于主动光源的植被指数快速采样系统与方法，通过对特定波段光源构建衰减模型，结合间歇性脉冲段信号方法实现了不同高度目标物表面反射率的精准快速提取；通过自主发光机制，实现了目标物表面小入射角反射率的主动式获取，避免了常规遥感设备的光谱数据易受太阳高度角影响的问题，有效扩宽了遥感时间窗口，提高了反射率和植被指数的准确性。

附图说明

图1为本发明的植被指数快速采样系统示意图。

图2为4光谱波段方案的发光组件示意图。

图3为4光谱波段方案的若干路基础信号的间歇性脉冲段信号示意图。

图4为4光谱波段方案的光谱波段通路示意图。

图5为4光谱波段方案的采光光路的光-电转换原理图。

图6为4光谱波段方案的限波滤光片和长通二向色镜的截止波长示意图。

图7为4光谱波段方案的检波电路示意图。

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。然而应该理解，可以利用各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“该”旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，本实施例公开了一种基于主动光源的植被指数快速采样系统，包括发光组件100、感知装置200和可调云台300；其中，发光组件100和感知装置200安装于可调云台300上，可调云台300用于带动发光组件100和感知装置200移动和/或转动，从而调节发光组件100和感知装置200的观测角度。

在遥感应用领域，植被指数已广泛用来定性和定量评价植被覆盖及其生长活力。植被光谱表现为植被、土壤亮度、环境影响、阴影、土壤颜色和湿度复杂混合反应，而且受大气空间—时相变化的影响。

结合图2~4所示，具体地，发光组件100用于向目标物发出特定光谱波段的调制光；感知装置200包括主控制器210、测距传感器220和光信号采集组件，所述主控制器210与发光组件100电连接，用于控制发光组件100工作；所述测距传感器220用于获取其与目标物之间的距离，并传输给主控制器210用于光照衰减计算；其中，可调云台300通过控制测距传感器220实时朝向目标物，从而使测距传感器220获得其与目标物之间的距离点云数据集，主控制器210通过对距离点云数据集进行主成分分析和聚类分析，从而计算得到感知装置200与目标物之间的距离均值。

所述光信号采集组件用于接收从目标物反射回来的光束并进行处理，再将结果传输到主控制器210，从而计算获得目标物的各光谱波段反射率和植被指数。

结合图2所示，进一步地，发光组件100包括依次连接的光源控制板110、信号发生器120、光源驱动器130、特定波段光源140和聚光器150；其中，光源控制板110与主控制器210连接，用于控制信号发生器120向光源驱动器130发送工作信号，具体为：光源控制板110控制信号发生器120产生若干路基础信号，若干路基础信号与光源驱动器130一一对应；光源驱动器130与特定波段光源140一一对应，用于驱动特定波段光源140发出特定波段的调制光，具体为：光源驱动器130在若干路基础信号的触发下形成若干路恒流驱动信号，若干路恒流驱动信号驱动特定波段光源140发出特定波段的调制光；聚光器150设置于特定波段光源140的出光方向上，且与特定波段光源140一一对应，用于聚光；特定波段光源140通过聚光器150聚光后，投射于目标物上，并通过目标物反射到感知装置200上。

更具体地，发光组件100所发出的特定光谱波段的调制光为特定波段光源140所发出的不同光谱波段、不同频率、不同强度和/或不同相位参数的光；优选为不同光谱波段的光。本实施例中，特定波段光源140包括依次并列设置的蓝光光源、绿光光源、红光光源和近红外光源，因此信号发生器120产生的若干路基础信号为4路基础信号。每个光源上对应设有一聚光器150，且每个光源所发出的光束通过其所对应的聚光器150聚集后，再汇聚成混合光投射于目标物上。

结合图3所示，优选地，信号发生器120产生的4路基础信号的幅值特征一致，4路基础信号采用相位一致，频率不一致的方波。本实施例中，若干路基础信号分别为蓝光、绿光、红光、近红外光的基础信号，其频率F分别为1.0KHz、1.2KHz、1.4KHz和1.6KHz。该4路基础信号均为间歇性脉冲段信号。其中，单个脉冲段信号的持续时间为T1秒，相邻脉冲段之间的间歇时间为T2秒，且、/>。本实施例中，4路基础信号中任一路基础信号的单个脉冲段信号的持续时间均为T1=0.1秒，相邻脉冲段之间的间歇时间为T2=0.1秒。

结合图4和图5所示，进一步地，光信号采集组件包括依次设置于光路方向上的透镜组201、滤光导光片组、感光器230、检波电路240、电压采集器250和镜片支撑架260；其中，透镜组201、滤光导光片组和感光器230安装于镜片支撑架260上；透镜组201用于接收从目标物反射回来的光束，透镜组201内包含若干透镜，以将从目标物反射回来的光束汇集到滤光导光片组上；滤光导光片组按不同的光谱波段通路对反射回来的光束进行滤光分类，从而获得不同光谱波段的光信号；检波电路240用于将光信号转换为电信号，并传导到电压采集器250；电压采集器250与主控制器210连接，进而将电信号传导给主控制器210进行处理。

具体地，滤光导光片组包括依次设置在光路方向上的限波滤光片202、二向色镜组、反射镜组和多面棱镜205；本实施例中，二向色镜组包括3个依次设置于光路方向上的二向色镜203，反射镜组设置于二向色镜组的透射光路和反射光路上，用于将透过二向色镜203的光和从二向色镜203反射的光传导到多面棱镜205，并通过多面棱镜205传导到感光器230上。

进一步地，反射镜组包括4个反射镜204，其中一个反射镜204设置于二向色镜203的透光光路上，另外三个反射镜204分别设置于3个二向色镜203的反射光路上，进而将3个二向色镜203投射和反射的光全部导向多面棱镜205上。其中，多面棱镜205的出光通道垂直于感光器230，以使多面棱镜205将各光谱波段的光垂直导入到感光器230上。3个二向色镜203具有不同的截止波长，且3个二向色镜203的截止波长在光路方向上依次增大或依次减小；进入感光器230的光束按截止波长不同组成4个光谱波段通路，所述检波电路240包括4组，且4组检波电路240与4个光谱波段通路一一对应。

本技术方案中，光谱波段通路与信号发生器120发出的若干路基础信号一一对应，具体地，光束从限波滤光片202、二向色镜203和反射镜204依次出射后，组成4个光谱波段通路，该光谱波段通路以3个二向色镜203的截止波长作为间隔点区分开。其中，特定波段光源140在发光时的中心波长位于该光谱波段通路的截止波长之间，半峰全宽小于或等于该光谱波段通路的截止波长的差值。

本技术方案中，限波滤光片202优选为带通滤光片，或为高通滤光片或低通滤光片的组合，且限波滤光片202上可通过的光的最大波长大于任一的二向色镜203的最大截止波长，限波滤光片202上可通过的光的最小波长小于任一的二向色镜203的最小截止波长。

二向色镜203可以为长通二向色镜或短通二向色镜；当二向色镜203为长通二向色镜时，3个二向色镜203的截止波长在光路的前进方向上依次增大；当二向色镜203为短通二向色镜时，3个二向色镜203的截止波长在光路的前进方向上依次减小。

结合图6所示，本实施例中，3个二向色镜203均采用长通二向色镜203，且3个二向色镜203的波长分别是c=480nm，d=520nm，e=650nm，限波滤光片202上可通过的光的最大波长为b=850nm，最小波长为a=450nm；光束依次经过限波滤光片202、二向色镜203和反射镜204后，按截止波长为间隔点，组成4个光谱波段通路，分别是450~480nm、480~520nm、520~650nm、650~850nm。对应地，4组检波电路240对应的光谱波段分别为450~480nm、480~520nm、520~650nm、650~850nm。

其中，4个特定波段光源140与4个光谱波段通路一一对应，4个特定波段光源140在发光时的中心波长位于对应光谱波段通路的两个截止波长之间，分别为465nm、500nm、630nm、800nm；且4个特定波段光源140的半峰全宽分别为20nm，小于对应光谱波段通路的两个截止波长的差值。

本技术方案通过限波滤光片202与二向色镜203结合，可以对混合光进行可控波段的精准分光，再通过单一感光器230，避免了多感光器230引起的噪声差异的问题，实现了在混合光中精准提取特定波段光的效果。

结合图7所示，进一步地，检波电路240包括依次设置于光路上的放大电路241、相敏电路242、低通滤波电路243和电压跟随电路244。其中，由于设置了4组检波电路240，即光路上设置了并列设置的4个放大电路241、4个相敏电路242、4个低通滤波电路243和4个电压跟随电路244。其中，感光器230与放大电路241连接，电压跟随电路244与主控制器210连接，每一放大电路241内包括若干级放大器，其中至少包括一级放大器，相敏电路242和低通滤波电路243组成锁相电路，4个相敏电路242和低通滤波电路243个成4个锁相电路，其中，每一锁相电路可采用单相锁相电路，也可采用双相锁相电路。优选地，本实施例采用了单相锁相电路，其中，4路基础信号接入到对应检波电路的相敏电路中，当采用双相锁相电路时，4路基础信号还需进行移相操作，再接入到对应检波电路的相敏电路242上。

具体地，本实施例中，相敏电路242的参考信号端所输入的信号为信号发生器120上与相敏电路242所对应的基础信号。即蓝光、绿光、红光和近红外光的基础信号与相敏电路242上的参考信号端一一对应。本实施例中的4路基础信号采用的是间歇性脉冲段信号，再结合相敏电路242检测，在提升基础信号频率的同时，还提高了信号的采样频率，实现对发光组件100所发出光的完全同频率采样。

本实施例还公开了一种基于主动光源的植被指数快速采样方法，所述方法应用于上述的基于主动光源的植被指数快速采样系统，所述方法包括以下步骤：

S1：通过标定试验，得出发光组件中各个光谱波段的光到达目标物表面的实际入射光强的光照衰减计算模型；

S2：以待测植物作为实测目标物，发光组件向实测目标物发出1个或多个特定光谱波段的调制光，其中，每个调制光的频率和相位参数均为已知值；

S3：测距传感器获取植被指数快速采样系统与实测目标物之间的感知距离，且光信号采集组件检测从实测目标物反射回来的1个或多个特定光谱波段的调制光；

S4：主控制器根据步骤S2和S3的相关参数，计算获得实测目标物在当前各个光谱波段下的实际反射光强；

S5：根据S4得到实际反射光强和实际入射光强的比值，计算实测目标物各光谱波段的反射率和植被指数；其中，所述实际入射光强为在S3感知距离下由S1计算得到的对应的各个光谱波段的实际入射光强。

进一步地，步骤S1中，得出发光组件中各个光谱波段的光到达目标物表面的实际入射光强的光照衰减计算模型，主要包括以下步骤：

S11：在地面铺设大面积的参考反射板，以参考反射板作为目标物，其中，参考反射板的反射率∂为已知值；同时，控制发光组件、测距传感器和光信号采集组件竖直朝向参考反射板；

S12：控制发光组件朝向参考反射板发光，同时，测距传感器获取植被指数快速采样系统与参考反射板之间的距离，并传输给主控制器；主控制器获取该距离值下，投射于参考反射板表面上的各个光谱波段的值，其中，/>表示光谱波段序号；

S13：梯度化地改变测距传感器与参考反射板之间的距离值，主控制器获取不同距离值下，参考反射板表面上的各个光谱波段的/>值；

S14：通过主控制器对步骤S13获得的值和距离值/>进行数据拟合，得到光照衰减计算模型/>；

S15：根据公式，计算各个光谱波段的实际入射光强INS[Y]。

其中，步骤S12中，由于本实施例中设置了4个光谱波段，即蓝光、绿光、红光和红外光，设定Y∈[0，3]；其中，Y=0对应蓝光，Y=1对应绿光，Y=2对应红光，Y=3对应红外光。

其中，步骤S12中，测距传感器220获取其与参考反射板之间的距离时，是指获取其与参考反射板之间的距离均值。具体方法为：通过可调云台300控制测距传感器220实时朝向参考反射板，从而使测距传感器220对参考反射板进行探测，形成三维点云雷达地图，并获得其与参考反射板之间的距离点云数据集，主控制器210通过对距离点云数据集进行主成分分析和聚类分析，从而计算得到感知装置200与参考反射板之间的距离均值。

另外，步骤S12中，由于发光组件100上设置了4个特定波段光源140，即蓝光光源、绿光光源、红光光源和近红外光源，因此，投射于参考反射板上的光谱波段为4个，4个光谱波段与4路间歇性脉冲段信号一一对应。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于主动光源的植被指数快速采样系统，其特征在于，包括发光组件和感知装置；

所述发光组件用于向目标物发出特定光谱波段的调制光；

所述感知装置包括主控制器、测距传感器和光信号采集组件，所述测距传感器用于获取其与目标物之间的距离，并传输给主控制器用于光照衰减计算；所述光信号采集组件用于接收从目标物反射回来的光束并进行处理，再将结果传输到主控制器，从而计算获得目标物的各光谱波段反射率和植被指数。

2.根据权利要求1所述的一种基于主动光源的植被指数快速采样系统，其特征在于，还包括可调云台；所述发光组件和感知装置安装于可调云台上，所述可调云台用于带动发光组件和感知装置移动和/或转动；

所述发光组件包括依次连接的光源控制板、信号发生器、光源驱动器、特定波段光源和聚光器；

所述光源控制板与主控制器连接，用于控制信号发生器向光源驱动器发送工作信号，所述信号发生器产生若干路基础信号，若干路基础信号与所述光源驱动器一一对应，且所述光源驱动器在若干路基础信号的触发下产生若干路恒流驱动信号；

所述光源驱动器与特定波段光源一一对应，用于驱动特定波段光源发出特定波段的调制光；

所述聚光器设置于特定波段光源的出光方向上，且与特定波段光源一一对应，用于聚光；

所述特定波段光源通过聚光器聚光后，投射于目标物上，并通过目标物反射到感知装置上。

3.根据权利要求2所述的一种基于主动光源的植被指数快速采样系统，其特征在于，所述特定光谱波段的调制光为不同光谱波段、不同频率、不同强度和/或不同相位参数的光；

所述特定波段光源至少包括蓝光光源、绿光光源、红光光源和近红外光源中的其中一种或两种及其以上的组合；

所述若干路基础信号至少包含一路基础信号，且若干路基础信号中的任意一路基础信号均为间歇性脉冲段信号，设定单个脉冲段信号频率为F，持续时间为T1秒，相邻脉冲段之间的间歇时间为T2秒，且T1≥、T2＞/>；

所述若干路基础信号包含两路或两路以上的基础信号时，其中任意的两路基础信号的频率不同，或相位不同，或频率和相位均不同。

4.根据权利要求2所述的一种基于主动光源的植被指数快速采样系统，其特征在于，所述光信号采集组件包括依次设置于光路方向上的透镜组、滤光导光片组、感光器、检波电路和电压采集器；

所述透镜组用于接收从目标物反射回来的光束；

所述滤光导光片组用于按不同的光谱波段通路对反射回来的光束进行滤光分类，从而获得不同光谱波段的光信号；

所述检波电路用于将光信号转换为电信号，并传导到电压采集器；

所述电压采集器与所述主控制器连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于主动光源的植被指数快速采样系统，其特征在于，所述光信号采集组件还包括用于安装固定透镜组、滤光导光片组和感光器的镜片支撑架；

所述滤光导光片组包括依次设置在光路方向上的限波滤光片、二向色镜组、反射镜组和多面棱镜；

所述二向色镜组包括N个依次设置于光路方向上的二向色镜，其中，N≥1；所述反射镜组设置于二向色镜组的透射光路和/或反射光路上，用于将透过二向色镜的光和/或从二向色镜反射的光传导到多面棱镜，并通过多面棱镜传导到感光器上。

6.根据权利要求5所述的一种基于主动光源的植被指数快速采样系统，其特征在于，所述反射镜组包括N+1个反射镜，其中一个反射镜设置于排列在光路方向上最后的二向色镜的透光光路上，另外N个反射镜分别设置于N个二向色镜的反射光路上；

所述N个二向色镜具有不同的截止波长，且N个二向色镜的截止波长在光路方向上依次增大或依次减小；

进入感光器的光束按截止波长不同组成N+1个光谱波段通路，且所述N+1个光谱波段通路以所述N个二向色镜的截止波长作为间隔点区分开；

所述检波电路包括N+1个，且N+1个检波电路与N+1个光谱波段通路一一对应。

7.根据权利要求6所述的一种基于主动光源的植被指数快速采样系统，其特征在于，

所述N个二向色镜均为长通二向色镜，或均为短通二向色镜；当所述N个二向色镜均为长通二向色镜时，N个二向色镜的截止波长在光路方向上依次增大；当所述N个二向色镜均为短通二向色镜时，N个二向色镜的截止波长在光路方向上依次减小；

所述特定波段光源的数量与光谱波段通路的数量一一对应；所述特定波段光源发光时的中心波长位于对应光谱波段通路的两个截止波长之间，且特定波段光源的半峰全宽小于或等于对应光谱波段通路的两个截止波长的差值；

所述限波滤光片上所通过的光的最大波长大于任一的二向色镜的最大截止波长，所述限波滤光片上所通过的光的最小波长小于任一的二向色镜的最小截止波长。

8.根据权利要求4所述的一种基于主动光源的植被指数快速采样系统，其特征在于，所述检波电路包括依次设置于光路上的放大电路、相敏电路、低通滤波电路和电压跟随电路；

所述放大电路内至少包括一级放大器；

所述相敏电路和低通滤波电路组成锁相电路，所述锁相电路为单相锁相电路或双相锁相电路；当所述锁相电路为单相锁相电路时，若干路基础信号中的任意一路基础信号接入到对应检波电路的相敏电路中；当所述锁相电路为双相锁相电路时，若干路基础信号中的任意一路基础信号需进行移相操作，再接入到对应检波电路的相敏电路中。

9.一种基于主动光源的植被指数快速采样方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1~8任一项所述的基于主动光源的植被指数快速采样系统，所述方法包括以下步骤：

S1：通过标定试验，得出发光组件中各个光谱波段的光到达目标物表面的实际入射光强的光照衰减计算模型；

S2：以待测植物作为实测目标物，发光组件向实测目标物发出1个或多个特定光谱波段的调制光，其中，每个调制光的频率和相位参数均为已知值；

S3：测距传感器获取植被指数快速采样系统与实测目标物之间的感知距离，且光信号采集组件检测从实测目标物反射回来的1个或多个特定光谱波段的调制光；

S4：主控制器根据步骤S2和S3的相关参数，计算获得实测目标物在当前各个光谱波段下的实际反射光强；

S5：根据S4得到实际反射光强和实际入射光强的比值，计算实测目标物各光谱波段的反射率和植被指数；其中，所述实际入射光强为在S3感知距离下由S1计算得到的对应的各个光谱波段的实际入射光强。

10.根据权利要求9所述的一种基于主动光源的植被指数快速采样方法，其特征在于，步骤S1中，得出发光组件中各个光谱波段的光到达目标物表面的实际入射光强的光照衰减计算模型，主要包括以下步骤：

S11：在地面铺设大面积的参考反射板，并以参考反射板作为目标物，其中，参考反射板的反射率为已知值；同时，控制发光组件、测距传感器和光信号采集组件竖直朝向参考反射板；

S12：控制发光组件朝向参考反射板发光，同时，测距传感器获取植被指数快速采样系统与参考反射板之间的距离，并传输给主控制器；主控制器获取该距离值下，投射于参考反射板表面上的各个光谱波段的值，其中，/>表示光谱波段序号；

S13：梯度化地改变测距传感器与参考反射板之间的距离值，主控制器获取不同距离值下，参考反射板表面上的各个光谱波段的/>值；

S14：通过主控制器对步骤S13获得的值和距离值/>进行数据拟合，得到光照衰减计算模型/>；

S15：根据公式，计算各个光谱波段的实际入射光强/>。