CN207198033U - 一种基于太赫兹光的主茎秆顶芽识别装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于太赫兹光的主茎秆顶芽识别装置，主茎秆顶芽识别装置包括太赫兹仪、太赫兹发射探头、太赫兹接收探头、太赫兹反射光强检测部件；所述太赫兹仪用于产生探测光和泵浦光；所述太赫兹发射探头用于接收太赫兹仪输出的探测光和泵浦光，辐射太赫兹平面光谱作用到作物的各个部分，进行样品反射式探测；所述太赫兹接收探头用于收集作物各个部分的太赫兹反射波并得到各个部分反射光谱对应光电流；所述太赫兹反射光强检测部件用于检测作物各个部分对太赫兹平面光谱的反射强度。利用太赫兹光谱，对植株冠层顶芽识别，太赫兹波强度低，对有机体穿透能力低，辐射能力弱，无损害，实现无损检测，且识别效果明显、检测精度高。

Description

一种基于太赫兹光的主茎秆顶芽识别装置

技术领域

本实用新型涉及农业技术领域，更具体地，涉及一种基于太赫兹光的主茎秆顶芽识别装置。

背景技术

在农业生产中，有些作物生长过程中为了提高产量，往往根据农艺要求进行打顶作业(如棉花打顶、玉米去雄等)，过去以人力为主。近年来，随着劳动力资源的短缺形势加剧和机电一体化技术的快速发展，智能化打顶机械装备成为研究和发展趋势。

近年来，我国的棉花生产日益趋向集中化和规模化，全程机械化程度也在不断增加。其中，棉花播种、施药及收获机械化发展较为成熟，打顶机械化发展较为落后。虽然，近年来新疆兵团及各高校研制的悬挂式棉花打顶机填补了我国棉花打顶机械化的空白，不过技术相对落后，工作效率较低。因此，研究国内外棉花打顶机械化的发展现状，分析棉花打顶机械化的发展趋势，以此为将来棉花打顶机械的研究及推广提供合理、可靠的建议，已成为推动我国棉花产业向前发展的必要要求。现有技术中的自动打顶方法主要包括机器视觉方法、超声波传感方法、激光三维重构技术。

机器视觉方法是以图像处理理论为支撑，基于冠层顶芽颜色(嫩绿色)和其他部位颜色的差距，通过颜色空间的方式，对冠层主茎秆顶芽识别定位。又或者基于纹理特征以及形态学特征等，然后通过一定的算法计算，实现对冠层主茎秆顶芽识别定位。这些方法所需硬件比较简单，目前市场上已有其样机存在，但由于其识别过程中测量精度过低、对光照太过敏感、对遮挡问题无法克服等问题，导致无法得到普及。

超声波传感方法的原理是采用超声波回波测距原理，运用精确的时差测量技术，检测传感器与作物冠层顶芽目标物之间的距离，采用小角度，小盲区超声波传感器，具有测量准确、无接触、防水、防腐蚀、低成本等优点。然而这种技术也有其无法避免的局限性，利用超声波定位只能识别作物的最高点，然而最高点却并非一定会是作物的冠层顶芽(主茎秆顶点)，亦有可能其他旁植的顶芽，尤其是大田作业，植株密集的情况下，以超声波技术来进行冠层主茎秆顶芽识别定位就更加困难。

激光三维重构技术是利用各种激光传感器组成类似于激光三维扫描仪机构，搜集作物植株的点云数据，进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型，并分析现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观数据(如颜色、表面反照率等性质)，然后利用一定的算法对模型进行定位，找到顶点部位。该方法最大的优点是精准度高，然其缺点亦很明显，成本过高、实用性差、不利于推广。

现有技术中的以上均方法是利用传感器对作物的表型特征(颜色特征、位置特性、形态学特征等)数据进行获取，但未能结合作物本身的农学信息进行识别研究，识别准确率也不高，严重阻碍了智能化装备的研发与应用。

实用新型内容

本实用新型提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于太赫兹光的主茎秆顶芽识别装置，解决了现有的主茎秆顶芽识别定位技术中，未能结合作物本身的农学信息进行识别研究、识别准确率也不高的问题。

根据本实用新型的一个方面，提供一种主茎秆顶芽识别装置，包括太赫兹仪、太赫兹发射探头、太赫兹接收探头、太赫兹反射光强检测部件；所述太赫兹仪用于产生探测光和泵浦光；所述太赫兹发射探头用于接收太赫兹仪输出的探测光和泵浦光，辐射太赫兹平面光谱作用到作物的各个部分，进行样品反射式探测；所述太赫兹接收探头用于收集作物各个部分的太赫兹反射波并得到各个部分反射光谱对应光电流；所述太赫兹反射光强检测部件用于检测作物各个部分对太赫兹平面光谱的反射强度。

作为优选的，还包括放大器及调理电路、模数转换器，所述太赫兹接收探头连接所述放大器及调理电路，所述放大器及调理电路连接所述模数转换器，所述模数转换器连接所述太赫兹反射光强检测部件。

作为优选的，所述太赫兹接收探头包括光敏二极管和光信号接收电路。

作为优选的，还包括支架，所述太赫兹发射探头、太赫兹接收探头设于支架顶部下方，所述支架用于太赫兹发射探头、太赫兹接收探头延伸至作物正上方。

作为优选的，还包括电源模块，所述电源模块包括太阳能电池板，以及与太阳能电池板通过电线连接的蓄电池。

作为优选的，所述太赫兹仪包括：

激光器，用于发射激光；

太赫兹转换器，用于将激光器发射的激光转换为探测光和泵浦光；探测光比泵浦光有T时间延迟；所述T是皮秒级到纳秒级。

本实用新型提出一种基于太赫兹光的主茎秆顶芽识别装置及自动打顶系统，通过吲哚乙酸大分子的特征，利用其在太赫兹光谱范围内的特殊吸收原理，测得吲哚乙酸浓度，进而利用作物本体生物特性，根据作物不同位置吲哚乙酸含量差异，对作物主茎秆冠层顶芽进行识别定位，本实用新型利用太赫兹光谱，对植株冠层顶芽识别，太赫兹波强度低，对有机体穿透能力低，辐射能力弱，无损害，实现无损检测，且识别效果明显、检测精度高，受田间光照影响较小。

附图说明

图1为根据本实用新型实施例的主茎秆顶芽识别定位方法装置结构框图

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型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实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在一些农作物生产过程中，打顶工作作为关键环节，作用十分重大。打顶也称摘心，指在初花至盛花期摘除棉株主茎顶尖一叶一心，通过打顶可消除顶端优势，控制主茎生长，减少无效果枝，使较多养分供应生殖器官，减少无效果枝对水分的徒耗，促进早接铃、多接铃，提高棉花品质，具有明显的增产增收效果。

我们从植物农业角度，如能检测其他存在于作物植株的物质量的值，且该值的大小能直接反映出冠层顶芽部位，那么就能直接利用机器语言进行编译，其识别精度将会比通过外观特征间接计算所得到的冠层顶芽部位更高。

吲哚乙酸(生长素)是一种促进作物细胞分裂的物质，其广泛存在于作物植株的根、茎、叶中，且在作物植株的不同部位分布存在差异：旁植茎秆顶芽含量最高，其次为植株主茎秆冠层顶芽，再其次为其他叶片组织，也就是说，我们能通过作物某组织内的吲哚乙酸的含量来判断该组织为作物植株的何部位。通过测量实验发现，吲哚乙酸作为一种有机大分子物质，其分子键振动能级处于太赫兹光段内，即该物质在太赫兹光段具有明显吸收峰，如此以来，可提取该物质的太赫兹光段吸收特特性，从而计算出吲哚乙酸的含量。

太赫兹光谱是指频率介于0.1THz-10THz(1THz＝10¹²Hz)之间的电磁辐射，它的波长为30nm-3mm，属于远红外与微波波段之间，生物大分子的旋转和振动特性正好处于该波段。经实验验证，吲哚乙酸在太赫兹波段存在特征指纹谱，可通过作物不同部位由于吲哚乙酸的含量差异，进行顶芽区域的准确识别。

实施例1

一种主茎秆顶芽识别装置，包括太赫兹仪4、太赫兹发射探头7、太赫兹接收探头8、太赫兹反射光强检测部件；所述太赫兹仪4用于产生探测光和泵浦光；所述太赫兹发射探头7用于接收太赫兹仪输出的探测光和泵浦光，辐射太赫兹平面光谱作用到作物的各个部分，进行样品反射式探测；所述太赫兹接收探头8用于收集作物各个部分的太赫兹反射波并得到各个部分反射光谱对应光电流；所述太赫兹反射光强检测部件用于检测作物各个部分对太赫兹平面光谱的反射强度。

由于作物植株的不同部位吲哚乙酸具有不同的含量，造成植株不同部位的对太赫兹光的吸收率不同：如图1所示，旁植茎秆顶芽2内吲哚乙酸含量最高，所以在该频段对太赫兹波吸收最多，因此其反射光强强度最小，其次含量较高的部位为植株主茎秆冠层顶芽1，其反射光强强度次之；再其次为其他叶片组织3，由于这些部位吲哚乙酸含量很少，对太赫兹波吸收较少，所以其反射光强强度最大，在本实施例中，可以根据不同部位的反射光强强度值大小，获得不同部位吲哚乙酸含量高低关系。

作为优选的，还包括放大器及调理电路、模数转换器，所述太赫兹接收探头连接所述放大器及调理电路，所述放大器及调理电路连接所述模数转换器，所述模数转换器连接所述太赫兹反射光强检测部件，在本实施例中，所述放大器及调理电路、模数转换器、太赫兹反射光强检测部件集成于一PC机5内。

作为优选的，所述太赫兹接收探头包括光敏二极管和光信号接收电路。

作为优选的，还包括支架6，所述太赫兹发射探头7、太赫兹接收探头8设于支架顶部下方，所述支架用于太赫兹发射探头7、太赫兹接收探头8延伸至作物正上方。

作为优选的，还包括电源模块，所述电源模块包括太阳能电池板，以及与太阳能电池板通过电线连接的蓄电池。

作为优选的，所述太赫兹仪包括：

激光器，用于发射激光；

太赫兹转换器，用于将激光器发射的激光转换为探测光和泵浦光；探测光比泵浦光有T时间延迟；所述T是皮秒级到纳秒级。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种主茎秆顶芽识别装置，其特征在于，包括太赫兹仪、太赫兹发射探头、太赫兹接收探头、太赫兹反射光强检测部件；所述太赫兹仪用于产生探测光和泵浦光；所述太赫兹发射探头用于接收太赫兹仪输出的探测光和泵浦光，辐射太赫兹平面光谱作用到作物的各个部分，进行样品反射式探测；所述太赫兹接收探头用于收集作物各个部分的太赫兹反射波并得到各个部分反射光谱对应光电流；所述太赫兹反射光强检测部件用于检测作物各个部分对太赫兹平面光谱的反射强度。

2.根据权利要求1所述的主茎秆顶芽识别装置，其特征在于，还包括放大器及调理电路、模数转换器，所述太赫兹接收探头连接所述放大器及调理电路，所述放大器及调理电路连接所述模数转换器，所述模数转换器连接所述太赫兹反射光强检测部件。

3.根据权利要求1所述的主茎秆顶芽识别装置，其特征在于，所述太赫兹接收探头包括光敏二极管和光信号接收电路。

4.根据权利要求1所述的主茎秆顶芽识别装置，其特征在于，还包括支架，所述太赫兹发射探头、太赫兹接收探头设于支架顶部下方，所述支架用于太赫兹发射探头、太赫兹接收探头延伸至作物正上方。

5.根据权利要求1所述的主茎秆顶芽识别装置，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块包括太阳能电池板，以及与太阳能电池板通过电线连接的蓄电池。

6.根据权利要求1所述的主茎秆顶芽识别装置，其特征在于，所述太赫兹仪包括：

激光器，用于发射激光；

太赫兹转换器，用于将激光器发射的激光转换为探测光和泵浦光；探测光比泵浦光有T时间延迟；所述T是皮秒级到纳秒级。