CN1945319A - 一种植物归一化指数遥感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种植物归一化指数遥感装置，包括半导体激光发射器、接收半导体激光发射器光信号的光学接收器、处理光学接收器输出信号的信号处理电路及计算机。本发明安装于运载车辆上。其向数十米到数百米外被探测植物叶片发射两束不同波长(670nm和780nm)脉冲激光束，当不同波长激光脉冲遇到植物叶片时，670nm会被植物叶片中的叶绿素强烈吸收；780nm会被植物叶片细胞结构强烈反射，该系统的光学接收器接收到这些反射光信号，经过整形、滤光、光电转换、放大、和光子计数处理后，送入计算机进行分析和储存，可得到植物叶片的植物归一化指数，从而获得植物健康程度和叶片中叶绿素含量，为农业的持续健康发展服务。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于红色和近红外激光的植物归一化指数(NDVI)遥感装置。
背景技术
精细农业要求能精确掌握气候和土壤的时间和空间演化，以及其对农作物生长的影响，使之能通过肥料、施药等栽培管理手段，进行高效的农业经营与管理，并减少由农业所产生的污染，进而达到提高生产利润、保护生态环境的目标，使农业得以持续、健康的发展。为此，需要对农作物的生长状况进行实时检测，并分析产生不良状况的原因，以便采取相应的措施。传统方法是采用手持式植物叶片色素检测仪，通过夹持叶片，对叶片中叶绿素相对含量变化的检测，了解外界胁迫条件(如：水分、光照、盐分、微量元素、氮、磷、钾养分等的过量或缺乏)的变化，为采取进一步措施提供参考依据。但是，随着农业机械化、标准化和大农庄模式的发展，传统方法逐渐暴露出测量速度慢、精度低的缺点。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种基于红色和近红外激光的植物归一化指数(NDVI)遥感装置。通过对植物叶片植物归一化指数测量，可更加精确地检测植物健康程度和叶片中叶绿素含量，方便地进行大面积快速测量。
本发明提供的技术方案是：一种植物归一化指数遥感装置，包括半导体激光发射器、接收半导体激光发射器光信号的光学接收器、处理光学接收器输出信号的信号处理电路及计算机。
上述半导体激光发射器由670nm激光脉冲发射组和780nm激光脉冲发射组及棱镜组成；670nm激光脉冲发射组和780nm激光脉冲发射组的光信号输出分别通过棱镜输入到光学接收器；其中670nm激光脉冲发射组包括半导体激光器电源、670nm半导体激光器和非球面透镜，780nm激光脉冲发射组包括半导体激光器电源、780nm半导体激光器和非球面透镜；670nm激光脉冲发射组和780nm激光脉冲发射组中的半导体激光器电源输出端分别与其半导体激光器的输入端相连，半导体激光器输出端与非球面透镜输入端相连，非球面透镜输出端与棱镜输入端相连。
本发明上述670nm激光脉冲发射组和780nm激光脉冲发射组分别设有温度控制器和激光器座；670nm激光脉冲发射组和780nm激光脉冲发射组中的半导体激光器电源输出端及其温度控制器输出端分别与各自的激光器座输入端相连，670nm半导体激光器和780nm半导体激光器安装在各自的激光器座上，670nm半导体激光器和780nm半导体激光器的输入分别连接各自的激光器座的输出。
上述温度控制器为TED200温度控制器、激光器座为TCLDM9激光器座。
上述光学接收器由接收望远镜、视场光阑、准直光学透镜、分光片、670nm滤光片和780nm滤光片组成；接收望远镜输出端与视场光阑输入端相连，视场光阑输出端与准直光学透镜输入端相连，准直光学透镜输出端与分光片输入端相连，分光片的一个输出端与670nm滤光片输入端相连，分光片的另一个输出端与780nm滤光片输入端相连。
上述信号处理电路及计算机由两个光电倍增管、两个高压电源、两个放大器、光子计数器、GPIB接口卡和计算机组成；高压电源输出端与光电倍增管高压输入端相连，光电倍增管输出端与放大器输入端相连，放大器输出端与光子计数器输入端相连，光子计数器与GPIB接口卡相连，GPIB接口卡插在计算机中，通过PCI接口与计算机相连。
本发明安装于运载车辆上。其向数十米到数百米外被探测植物叶片发射两束不同波长(670nm和780nm)脉冲激光束，当不同波长激光脉冲遇到植物叶片时，670nm会被植物叶片中的叶绿素强烈吸收；780nm会被植物叶片细胞结构强烈反射，该系统的光学接收器接收到这些反射光信号，经过整形、滤光、光电转换、放大、和光子计数处理后，送入计算机进行分析和储存，可得到植物叶片的植物归一化指数，从而获得植物健康程度和叶片中叶绿素含量，为农业的持续健康发展服务。
本发明的特点是由于两个波长的发射光束均产生于半导体激光器，故大大地降低了仪器的成本，减少了体积和重量，提高了可靠性。
附图说明
图1是本发明植物归一化指数遥感装置原理框图；
图2是本发明植物归一化指数遥感装置的半导体激光发射器部分结构原理图；
图3是本发明植物归一化指数遥感装置的光学接收器部分结构原理图；
图4是本发明植物归一化指数遥感装置的信号处理电路及计算机结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步详细的描述。
参见图1，本发明中主要包括：包括半导体激光发射器1、光学接收器2、信号处理电路及计算机3。
参见图2，上述半导体激光发射器1由670nm激光脉冲发射组和780nm激光脉冲发射组及棱镜14组成；670nm激光脉冲发射组和780nm激光脉冲发射组的光信号输出分别通过棱镜14输入到光学接收器2；其中670nm激光脉冲发射组由半导体激光器电源4(Thorlabs，型号LDC205B)、温度控制器5(Thorlabs，型号TED200)、激光器座6(Thorlabs，型号TCLDM9)、670nm半导体激光器7(Thorlabs，型号HL6714G，波长670nm)和非球面透镜8构成，780nm激光脉冲发射组由半导体激光器电源9(Thorlabs，型号LDC205B)、温度控制器10(Thorlabs，型号TED200)、激光器座11(Thorlabs，型号TCLDM9)、780nm半导体激光器12(Thorlabs，型号L780P010，波长780nm)和非球面透镜13构成。半导体激光器电源4、温度控制器5输出端与激光器座6输入端相连，半导体激光器7安装在激光器座6上，半导体激光器7输出端与非球面透镜8输入端相连，非球面透镜8输出端与棱镜14输入端相连；半导体激光器电源9、温度控制器10输出端与激光器座11输入端相连，半导体激光器12安装在激光器座11上，半导体激光器12输出端与非球面透镜13输入端相连，非球面透镜13输出端与棱镜14输入端相连。半导体激光器电源4为半导体激光器7提供脉冲驱动电流，温度控制器5驱动激光器座6中的制冷器，使半导体激光器7能保持恒定的温度，半导体激光器7输出的激光脉冲经非球面透镜8整形后，投射到棱镜14上，棱镜14将激光脉冲偏转90°发射出去；与此同时，半导体激光器电源9为半导体激光器12提供脉冲驱动电流，温度控制器10驱动激光器座11中的制冷器，使半导体激光器12能保持恒定的温度，半导体激光器12输出的激光脉冲经非球面透镜13整形后，投射到棱镜14上，此激光脉冲穿过棱镜14，与半导体激光器7的激光脉冲同向发射出去。
参见图3，光学接收器2由接收望远镜15(Meade，型号LX200GPS)、视场光阑16、准直光学透镜17、分光片18(Thorlabs，型号BPD508-G)、滤光片19(Thorlabs，型号FB670-10)和20(Thorlabs，型号FB780-10)组成；接收望远镜15输出端与视场光阑16输入端相连，视场光阑16输出端与准直光学透镜17输入端相连，准直光学透镜17输出端与分光片18输入端相连，分光片18的一个输出端与滤光片19输入端相连，分光片18的另一个输出端与滤光片20输入端相连。从植物页面反射的激光回波信号经图3中接收望远镜15收光聚焦以后，采用视场光阑16将接收视场控制在合适的视场角范围内，经过准直光学透镜17将回波光信号整理成平行光后，经分光片18进行50/50分光，一路光经滤光片19将杂散背景光过滤，只让670nm波长的信号光通过，最后投射到光电倍增管22(参见图4)，另一路光经滤光片20将杂散背景光过滤，只让780nm波长的信号光通过，最后投射到光电倍增管23(参见图4)。
参见图4，信号处理电路及计算机3由光电倍增管22和23(Hamamatsu，型号R7400U-20)、高压电源21和24(Hamamatsu，型号C4840-02)、放大器25和26(Hamamatsu，型号C6438-01)、光子计数器27(SRS，型号SR400)、GPIB接口卡28(研华，型号PCI-1670)和计算机29组成；高压电源21输出端与光电倍增管22高压输入端相连，光电倍增管22输出端与放大器25输入端相连，放大器25输出端与光子计数器27输入端相连，高压电源24输出端与光电倍增管23高压输入端相连，光电倍增管23输出端与放大器26输入端相连，放大器26输出端与光子计数器27输入端相连，光子计数器27与GPIB接口卡28相连，GPIB接口卡28插在计算机29中，通过PCI接口与计算机29相连。经滤光片19(参见图3)过滤的670nm波长的信号光投射到光电倍增管22的光敏面上，高压电源21为光电倍增管22提供偏置高压，光电倍增管22将670nm波长的信号光转换成光子脉冲电流，经放大器25转换并放大成光子脉冲电压，输出到光子计数器27进行光子计数；经滤光片20(参见图3)过滤的780nm波长的信号光投射到光电倍增管23的光敏面上，高压电源24为光电倍增管23提供偏置高压，光电倍增管23将780nm波长的信号光转换成光子脉冲电流，经放大器26转换并放大成光子脉冲电压，也输出到光子计数器27进行光子计数；光子计数器27将两种不同波长的光信号分别计数后，经GPIB接口卡28输出到计算机29，进行数据处理和分析。
Claims (6)
1.一种植物归一化指数遥感装置，包括半导体激光发射器、接收半导体激光发射器光信号的光学接收器、处理光学接收器输出信号的信号处理电路及计算机。
2.根据权利要求1所述的植物归一化指数遥感装置，其特征在于：所述半导体激光发射器由670nm激光脉冲发射组和780nm激光脉冲发射组及棱镜组成；670nm激光脉冲发射组和780nm激光脉冲发射组的光信号输出分别通过棱镜输入到光学接收器；其中670nm激光脉冲发射组包括半导体激光器电源、670nm半导体激光器和非球面透镜，780nm激光脉冲发射组包括半导体激光器电源、780nm半导体激光器和非球面透镜；670nm激光脉冲发射组和780nm激光脉冲发射组中的半导体激光器电源输出端分别与其半导体激光器的输入端相连，半导体激光器输出端与非球面透镜输入端相连，非球面透镜输出端与棱镜输入端相连。
3.根据权利要求1或2所述的植物归一化指数遥感装置，其特征在于：670nm激光脉冲发射组和780nm激光脉冲发射组分别设有温度控制器和激光器座；670nm激光脉冲发射组和780nm激光脉冲发射组中的半导体激光器电源输出端及其温度控制器输出端分别与各自的激光器座输入端相连，670nm半导体激光器和780nm半导体激光器安装在各自的激光器座上，670nm半导体激光器和780nm半导体激光器的输入分别连接各自的激光器座的输出。
4.根据权利要求3所述的植物归一化指数遥感装置，其特征在于：温度控制器为TED200温度控制器)、激光器座为TCLDM9激光器座。
5.根据权利要求1或2所述的植物归一化指数遥感装置，其特征在于：所述光学接收器由接收望远镜、视场光阑、准直光学透镜、分光片、670nm滤光片和780nm滤光片组成；接收望远镜输出端与视场光阑输入端相连，视场光阑输出端与准直光学透镜输入端相连，准直光学透镜输出端与分光片输入端相连，分光片的一个输出端与670nm滤光片输入端相连，分光片的另一个输出端与780nm滤光片输入端相连。
6.根据权利要求1或2所述的植物归一化指数遥感装置，其特征在于：所述信号处理电路及计算机由两个光电倍增管、两个高压电源、两个放大器、光子计数器、GPIB接口卡和计算机组成；高压电源输出端与光电倍增管高压输入端相连，光电倍增管输出端与放大器输入端相连，放大器输出端与光子计数器输入端相连，光子计数器与GPIB接口卡相连，GPIB接口卡插在计算机中，通过PCI接口与计算机相连。
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