主动式作物生长监测仪光学系统设计与仿真研究

摘要

光学系统是作物生长光谱监测设备核心模块之一，直接决定了设备测量的精度和可靠性。本文基于作物生长光谱监测原理，提出了适用于稻麦冠层光谱监测的光学系统设计方案，设计了一种中功率、小角度LED作为发光光源，采用了扩散片光路系统作为发光光路，解决了发光光源功率小、发光系统准直后光斑均匀性低等关键难题。研究结果对于提高作物生长监测仪的整体性能，推进作物栽培智能化设备的应用，促进我国精确农业自主创新具有重要的意义。
　　首先，本文基于作物生长光谱监测原理，利用课题组近年来关于稻麦生长信息敏感波段在730nm和810nm波长附近的研究成果，提出了光学系统设计方案:发光系统照射产生满足作物需求（面积不小于1000cm2，强度不小于1W/m2）的椭圆形均匀光斑，感光系统接收发光系统产生的光线经冠层反射之后的漫反射光。
　　其次，对发光光学系统进行了设计和仿真:基于非成像光学理论，建立透镜及反光杯几何模型，并通过对比仿真得到的配光曲线，优化透镜参数（顶部球半径、圆柱体高度）及反光杯参数（底部半径、顶部半径），得到了功率为400mw、半值角为10°的LED作为发光光源，满足了发光光源的功率要求，又提升了监测仪的便携性。发光光路的设计，两波段LED呈交叉分布，目的是使两波段的LED发出的光线在冠层基本重合，照射同一区域;基于光斑尺寸（长轴长30cm，短轴长10cm）的要求，对比不同规格的扩散片，选取100×300规格的扩散片光路系统，仿真结果表明光斑均匀性相对传统的柱面镜光路系统提升了20％。
　　另外，对感光光学系统进行了设计和仿真:基于几何光学原理，建立菲涅尔透镜几何模型，计算菲涅尔透镜参数（透镜倾角），得到了一款焦距为15mm的菲涅尔透镜作为感光光路核心部件，相比传统凸透镜，菲涅尔透镜具有质量轻、体积小的特点，提升了仪器的便携性。感光器件选择光敏二极管作为感光元件，验证结果表明光敏二极管工作在线性区域内，R2值达到0.99，保证了测量精度。
　　最后，对本文设计的光学系统进行了性能仿真和实物测试。仿真测试首先通过近场光源分布测试系统得到LED的光学文件，再将其导入Tracepro光学仿真软件，建立系统模型，追迹光线，得到不同高度处光斑辐照度分布图，再通过公式计算出均匀性，与光源均匀性测试平台所测得的实物光斑均匀性进行比较，结果表明本文设计的光学系统光斑均匀性达到80％以上，能够满足测试需求。对标准反射率灰度板的测试表明，随着高度的变化，比值植被指数RVI值在60-80cm高度下变化的均方根误差（RMSE）为0.1081，而NDVI在60-80cm高度下变化的RMSE为0.0192。田间稻麦试验表明，主动式作物生长监测仪获取的NDVI和RVI值与ASD地物光谱仪具有良好的相关性，R2达到0.82以上。表明本文设计光学系统满足田间测试的需求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1 引言

2 国内外研究进展

2．1 国外研究进展

2．2 国内研究进展

3 研究目的与研究意义

4 本章小结

第二章 研究思路与方法

1．1 研究思路

1．2 技术路线

2 研究方法与试验设计

2．1 研究方法

2．2 试验设计

2．3 试验数据处理方法

3 本章小结

第三章 发光光学系统设计与仿真

1 发光光源设计

1．1 LED发光芯片的实体简化建模

1．2 封装透镜结构的模型设计

1．3 反光杯的模型设计

1．4 组合设计

1．5 LED实物及性能验证

2 发光系统光路设计

2．1 LED阵列分布

2．2 柱面镜光学系统

2．3 扩散片光学系统

2．4 两种发光光学系统比较

3 本章小结

第四章 感光光学系统设计与仿真

1 感光系统光路设计

1．1 菲涅尔透镜光学原理

1．2 菲涅尔透镜设计

1．3 菲涅尔透镜分类和光损失分析

2 光电探测器件的选取

3 光学系统集成实现

4 本章小结

第五章 监测仪光学系统性能验证及田间试验评价

1 室内性能验证试验结果及分析

1．1 发光系统光斑均匀性试验结果及分析

1．2 高度试验结果及分析

2 田间试验结果及分析

2．1 小麦田间试验

2．2 水稻田间试验

3 本章小结

第六章 总结与展望

1 总结

2 展望

参考文献

致谢

硕士研究生期间的科研成果与参加的研究课题