CN2738243Y - 胁迫状态和品质诊断仪 - Google Patents

Abstract

一种测量作物胁迫状态和蛋白质品质的仪器。它利用作物冠层的三个离散波长处的反射率来对上述指标进行评估，能对作物的生长状态进行快速诊断和监控并能对蛋白质品质进行评价。它采用被动光源(日光)，在531nm、570nm和670nm三个特征波长处对作物冠层的反射率进行探测。采用光频传感器对入射光进行测量，所得频率信号输入微控制器的脉冲输入端；采用硅光电传感器对反射光进行测量，所测模拟信号输入微控制器的模拟输入端进行A/D转换。最后由微控制器按照PRI和NRI公式进行计算，所得结果可以显示、存储和上传。这种探测仪器视角大，结构简单，成本低，使用方便，适合指导农场管理者对农作物进行科学管理。

Description

胁迫状态和品质诊断仪

技术领域

本实用新型涉及一种植物生理分析仪器，具体涉及采用作物冠层特定的离散波长处的光的反射率对作物的胁迫状态和作物的蛋白质品质进行诊断或监测的仪器。

背景技术

作物胁迫状态的实时监测是作物生长状况的实时监测的重要方面，是进行作物有效管理的重要一环。

作物的品质除了受遗传因子控制外，也受植物营养的影响。研究表明，作物不同生育期营养状况与谷物的品质存在相关性。根据建立的作物不同生育期叶片的氮素营养与谷物的品质的定量关系，就能根据作物的生长状况，即氮素的营养状况预测最终收获谷物的品质。

植物因缺乏营养元素会严重影响其生长速度和产量。植物缺营养元素能引起叶片叶色、形态、结构以及各种外观不同的缺素症状。叶片吸收太阳辐射能的多少与叶片内外部结构对入射的反射特性有关，而叶片吸收太阳辐射能的多少在很大程度上决定了光合速率。植物叶片的光谱特性与叶片厚度、叶片表面特性、水分含量和叶绿素等色素含量有关。植物营养元素状况与光谱特性也密切相关。植物光谱特性的研究已成为地球资源光谱信息研究的重要组成部分。不同营养状况下植物光谱特性的差异引起了农学、植物生理学和遥感等许多学科的研究者的重视。这不仅使田间非破坏性、快速、简易地诊断营养状况有了可能，而且由于传感器等遥感技术的发展，使得大面积监测植物的营养状况也取得了很大进展。

植物冠层光谱特性是植物光谱特性与背景土壤光谱特性的综合，随着植物冠层的发育，土壤光谱特性的作用逐渐下降，而在植物衰老时，土壤背景的作用又逐渐增大。一般叶面积指数(LAI)达到3左右时，冠层在可见光和中红外波段的光谱反射率基本稳定，而在近红外波段，LAI达到5～6时光谱反射率才能饱和。冠层光谱反射率还受太阳光入射角、双向反射、气溶胶、风速等诸多外部因素的影响。由于植物营养状况能影响到叶面积、冠层形态、内在生理特征，而且不同营养元素的影响程度也不一，因此，利用冠层光谱分析可以诊断植物营养状况。现代“精确农业”的一个很重要技术手段，就是利用遥感技术监测作物的营养状况与长势。

随着氮素营养水平的提高，光谱反射率在可见光和中红外波段降低，而在近红外波段却增加。诊断作物冠层氮素营养水平的敏感波段为760～900nm、630～690nm和520～550nm。不同氮素营养水平下的冠层光谱反射率存在着明显差异，经植被指数转换后差异更为显著与稳定，利用冠层光谱测试可以区分作物的氮素营养水平。

光谱分析技术在农业中的应用包括原料的分析和鉴定、产品的质量控制和标记及新产品的研制和开发；分析对象从粮食到饲料、从水果到蔬菜、从肉类到奶制品及各种液体饮料等；测定的性质参数包括各种农产品和食品的湿度及淀粉、蛋白质、油脂、糖分、纤维及灰分的含量。农业领域近红外分析不但可用于实验室分析，也可用于现场分析和在线分析，适合于育种、栽培、农产品加工等需要分析成千上万种样品的领域。

第一台近红外光谱仪的分光系统是滤光片分光系统，测量样品必须预先干燥，使其水分含量小于15％，然后样品经磨碎，使其粒径小于1毫米，并装样品池。此类仪器只能在单一或少数几个波长下测定(非连续波长)，灵活性差，而且波长稳定性、重现性差，如样品的基体发生变化，往往会引起较大的测量误差！“滤光片”被称为第一代分光技术。

70年代中期至80年代，光栅扫描分光系统丌始应用，但存在以下不足：扫描速度慢、波长重现性差，内部移动部件多。此类仪器最大的弱点是光栅或反光镜的机械轴长时间连续使用容易磨损，影响波长的精度和重现性，不适合作为过程分析仪器使用。“光栅”被称为第二代分光技术。

80年代中后期至90年代中前期，应用“傅立叶变换”分光系统，但是由于干涉计中动镜的存在，仪器的在线可靠性受到限制，特别是对仪器的使用和放置环境有严格要求，比如室温、湿度、杂散光、震动等。“傅立叶变换”被称为第三代分光技术。

90年代中期，开始有了应用二极管阵列技术的近红外光谱仪，这种近红外光谱仪采用固定光栅扫描方式，仪器的波长范围和分辨率有限，波长通常不超过1750nm。由于该波段检测到的主要是样品的三级和四级倍频，样品的摩尔吸收系数较低，因而需要的光程往往较长。“二极管阵列”被称为第四代分光技术。

90年代末，“声光可调滤光器”(缩写为AOTF)技术的问世，AOTF是利用超声波与特定的晶体作用而产生分光的光电器件，与通常的单色器相比，采用声光调制即通过超声射频的变化实现光谱扫描，光学系统无移动性部件，波长切换快、重现性好，程序化的波长控制使得这种仪器的应用具有更大的灵活性，尤其是外部防尘和内置的温、湿度集成控制装置，大大提高了仪器的环境适应性，加之全固态集成设计产生优异的避震性能，使其近年来在工业在线和现场(室外)分析中得到越来越广泛的应用。

从上面的论述中可知，对于便携式仪器，在满足功能要求的前提下，采用滤光片来进行光谱分析是最好的一种方案。本实用新型就属于基于滤光片分光技术的光谱分析仪器。

对于作物胁迫状态的监测，采用的评价参数是：Photochemical Reflectance Index

$\mathrm{PRI}=\frac{R_{531}-R_{570}}{R_{531}+R_{570}}----\left(1\right)$

对于作物的蛋白质品质监测，采用的评价参数是：Nitrogen Reflectance Index

$\mathrm{NRI}=\frac{R_{570}-R_{670}}{R_{570}+R_{670}}----\left(2\right)$

其中R₅₃₁，R₅₇₀，R₆₇₀分别为在波长为800nm，680nm和445nm处的光谱反射率数值

目前，常采用地物光谱仪进行PRI和NRI的测量，该测量方法所需设备结构复杂、重量较大、价值昂贵、操作困难，测量数据还需要进行二次处理，所以难以推广应用。

发明内容

为了满足农民和农场管理者对作物进行监测和评价，本实用新型提供了一种光谱测量仪器，该仪器不仅能应用于对作物的胁迫状态的监测，还能应用于作物蛋白质品质的评价。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

设计一种应用于农业生产中的植物光谱生理测量仪器，它是采用滤光片分光技术在三个特征波长处对作物的冠层光谱进行测量，入射光经分光后进入光频传感器进行测量，反射光先经分光，然后通过物镜投射到硅探测器的光敏面上进行测量。

光谱测量生理仪器，是入射光经分光后由光频传感器进行测量，光频传感器是可编程的，可以通过调整灵敏度和分频来获得准确的测量值。

光谱测量生理仪器，是反射光经过入射物镜后投射到硅探测器的光敏面上进行测量，物镜参数决定了测量的冠层的面积。

光谱测量生理仪器，是具有液晶、按键等人机接口，具有120K的数据存储能力，并且数据可以通过串口上传到PC机上。

以上提出了一种植物光谱生理测量仪器，它至少包括测量入射光的漫射体、滤光片和光频传感器；测量反射光的物镜、滤光片和硅光电探测器。

该仪器的工作原理如下：利用日光作光源，通过6个光电传感器，在近红外和可见光三个特定波长处，分别对日光入射光和待测植被的冠层反射光进行探测，测得的六个参数，经模拟—数字转换后，由微控制器进行处理得到PRI和NRI值，所得结果由液晶显示器显示。在本应用中，若仪器测得531nm特征波长处的入射光信号为E₅₃₁、对应波长植被反射光信号为E_R531；570nm特征波长处的入射光信号为E₅₇₀、对应波长植被反射光信号为E_R570；670nm特征波长处的入射光信号为E₆₇₀、对应波长植被反射光信号为E_R670，则有：

$R_{531}=k_{531}\frac{E_{R531}}{E_{531}};$ $R_{570}=k_{570}\frac{E_{R570}}{E_{570}};$ $R_{670}=k_{670}\frac{E_{R670}}{E_{670}}$

式中k₅₃₁、k₅₇₀和k₆₇₀为比例常数(仪器参数)，由仪器的光学系统(入射部分和反射部分)、光电传感器及其适配放大器及其电路的特性参数决定。

$\mathrm{PRI}=\frac{k_{531}\frac{E_{R531}}{E_{531}}-k_{570}\frac{E_{R570}}{E_{570}}}{k_{531}\frac{E_{R531}}{E_{531}}+k_{680}\frac{E_{R570}}{E_{570}}}----\left(3\right)$

$\mathrm{NRI}=\frac{k_{570}\frac{E_{R570}}{E_{570}}-k_{570}\frac{E_{R670}}{E_{670}}}{k_{570}\frac{E_{R570}}{E_{570}}+k_{670}\frac{E_{R670}}{E_{670}}}----\left(4\right)$

公式(3)(4)表明：只要确定仪器的待定特征常数k₅₃₁，k₅₇₀，k₆₇₀就可由六个光电传感器测得的信号求得PRI和NRI的值。

上述特殊光谱响应特性的光电传感器的作用是测量特定波长的光的能量。从PRI和NRI的计算公式可以看出来，测量PRI和NRI的关键点是求出三个特定波长的能量，三个特征波长的能量的测量是通过光电传感器实现的。光电传感器由窄带干涉滤光片、硅光电传感器或光频传感器及其适配放大器等组成。窄带干涉滤光片是建立在光学薄膜干涉原理上的精密光学滤光器件，其只允许中心波长附近通带内的光通过，这就产生了三个特征波长。六个窄带干涉滤光片分为三组，每组为特性相同的两滤光片，它们的中心波长分别位于531nm、570nm和670nm。光电传感器在近红外和可见光特征波长处具有较高的光谱灵敏度，其光敏面尺寸要保证在不同的日光照明条件下有足够大信号输出和线性度。三个入射光电传感器安装在仪器的上方，用来测量入射日光的强度；三个反射光电传感器安装在仪器的下方，面向被测植被，用于测量植物反射光的强度。

上述光学系统的作用是保证测量的高度和面积。光学系统包括入射日光信号传感器前面的毛玻璃、光圈和植被反射光传感器前面的接收物镜。接收物镜的焦距决定了采用的测量高度。光学系统和光电传感器通过镜筒固定为一个整体。

上述仪器存储器、显示器、单片机等部分的作用是将硅光电传感器适配放大电路输出的模拟信号经模拟—数字转换器转换变为数字信号，并将光频传感器的频率信号变成数字信号，再由单片计算机按公式(3)、(4)计算，求出PRI和NRI值由液晶显示器进行显示。测量数据可以存储在仪器的存储器中，并能通过电平转换电路将数据上传到PC。

仪器上的存储电路能将测量的数据存储在仪器上，用户可以通过RS232串口将数据上传到上位机PC上进行进一步分析和处理。

仪器上的单片机上扩展LCD显示、掉电后数据不丢失的EEPROM存储器、信号调理电路等。

本实用新型的有益效果是：

(1)可以对作物的胁迫状态进行监测，还可以对作物的蛋白质品质进行监测；

(2)该发明结构精巧，便于携带，测量，方便管理着对作物进行实时评价、诊断，以便迅速采取应对措施。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是仪器原理框图。

图3是仪器的电路原理图。

图中1.电池，2.漫射体，3.滤光片A，4.滤光片B，5.滤光片C，6.光频传感器A，7.光频转换器B，8.光频转换器C，9.电路板，10.外壳，11.液晶面板，12.按键，13.滤光片D，14.滤光片E，15.滤光片F，16.硅探测器A，17硅探测器B，18.硅探测器C，19.物镜A，20.物镜B，21.物镜C，22.三角架，23.微控制器电路，24.入射光探测器及其信号调理电路，25.反射光探测器及其信号调理电路，26.液晶屏电路，27.按键电路，28.存储及电平转换电路，29.反射光探测部分接口电路原理，30.JTAG接口电路，31.入射光光频转换接口电路原理，32.按键接口电路，33.EEPROM存储器接口电路原理，34.液晶接口原理，35.电源原理，36.微控制器接口，37.串口及ISP接口电路。

具体实施方式

在图1中，仪器包括三个光频传感器6、7、8，三个硅光电探测器16、17、18，三个光学物镜19、20、21，六个窄带滤光片3、4、5、13、14、15。六个窄带干涉滤光片分为三组，每组为光学特性相同的两个滤光片，它们的中心波长分别位于531nm、570nm和670nm。测量入射光信号的三个光频传感器前分别耦合近红外滤光片A3、滤光片B4和滤光片C5，滤光片3、4、5前设有漫射体2，以减小日光入射角度的影响；测量植被反射光信号的三个硅光电探测器16、17、18前设有成像物镜19、20、21，成像物镜将距离1.3m左右的植被目标成像在光的探测器的光敏面上，在成像物镜和光电探测器中间设置滤光片D13、红光滤光片E14和蓝光滤光片F15。硅探测器和光学部分通过镜筒连接成一个密闭整体，电缆11、电路板9固定在仪器外壳10的中间，侧面有液晶面板11和按键12，下面设有三角架22。

在图2所示实施例中，LPC2114为控制中心23，周围扩展入射光测量模块24、反射光测量模块25、液晶显示模块26、按键模块27和存储上传模块28。入射光测量模块24输出的是脉冲信号，这三路脉冲信号直接输入微控制器23的输入捕获端口。反射光测量模块25输出的信号是模拟信号，这三路模拟信号直接输入微控制器的模拟量输入端口。液晶显示模块26的接口是串行数据接口，可以跟微控制器的I/O相连。按键模块27直接跟微控制器的I/O相连。存储电路采用的是IIC总线的EEPROM，可以直接跟微控制器的IIC接口相连。微控制器的UART接口通过MAX232进行电平转换成RS232电平，可以跟PC机相连，进行数据和命令的双向传输。

在图3所示的另一个实施例中，给出了详细的电路原理图。电路分下面几个部分：反射光测量适配电路29、JTAG调试接口30、入射光适配电路31、按键接口电路32、EEPROM接口电路33、液晶接口电路34、电源接口电路35、微控制器核心电路36、串口和ISP接口电路37。

Claims (3)

1、一种胁迫状态和品质诊断仪，其特征是包括三个光频传感器(6)、(7)、(8)，三个硅电探测器(16)、(17)、(18)，三个光学物镜(19)、(20)、(21)，六个窄带滤光片(3)、(4)、(5)、(13)、(14)、(15)；六个窄带干涉滤光片分为三组，每组为光学特性相同的两个滤光片，测量入射光信号的三个光频传感器前分别耦合近红外滤光片A(3)、B(4)、C(5)，滤光片(3)、(4)、(5)前设有漫射体(2)，测量植被反射光信号的三个硅光电探测器(16)、(17)、(18)前设有成像物镜(19)、(20)、(21)，在成像物镜的光电探测器中间设置滤光片(13)、红光滤光片E(14)、蓝光滤光片F(15)，硅探测器和光学部分通过镜筒连接成一个密闭整体；电缆(11)、电路板(9)固定在仪器外壳(10)的中间，侧面有液晶面板(11)和按键(12)，下面设有三角架(22)。

2、根据权利要求1所述的胁迫状态和品质诊断仪，其特征是六个窄带滤光片，其中心波长分别位于531nm、570nm和670nm。

3、根据权利要求1所述的胁迫状态和品质诊断仪，其特征是其工作原理为利用日光作光源，通过6个光电传感器，在近红外和可见光三个特定波长处，分别对日光入射光和得测植被的冠层反射光进行探测，测得六个参数，经模拟—数字转换后，由微控制器进行处理得到PRI和NRI值，所得结果由液晶显示器显示。

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