主动光源式反射光谱测量仪检控电路的设计与性能测试

摘要

变量施肥的实施首先需要准确获取作物的营养状况信息，传统的基于实验室的检测方法因成本高、效率低、时效性差等原因，无法满足大田变量施肥作业的需求。反射光谱检测技术作为一种新型的快速、无损、便捷的分析技术，在作物无损检测方面得到越来越广泛的应用，利用作物冠层的反射光谱指数来检测作物的营养和生长状况是当前国内外信息农业领域的研究热点，结合作物营养诊断模型，可实现作物营养状况信息快速、实时的获取，为田间接需施肥提供参考依据，冠层反射光谱技术的应用对精准农业技术的推广具有重要的现实意义。
　　本文针对课题组确定的主动光源式反射光谱测量原理与测量方法，对反射光谱测量仪的主动光源控制电路、反射光谱测量电路和软件系统进行了设计，设计后的反射光谱测量仪能够进行两个波段的反射光谱测量，能够提供光谱反射率和两波段组合光谱指数测量值，测量值可供光谱营养诊断模型使用。应用所设计的反射光谱测量仪在田间开展了静态及动态性能测试。
　　本文的主要研究内容和结果如下:
　　(1)分析了光谱仪在作物营养信息无损检测方面的需求，介绍了国内外对于作物冠层反射光谱仪的研究现状，列举并分析了国内外所研制的光谱仪的优势和不足之处，最终确定了本文的研究目标;
　　(2)对光谱仪的测量原理、设计方案和功能结构进行了介绍，并根据功能结构确定出检控电路的设计目标，检控电路包括主动光源控制电路和反射光谱信号检测电路;
　　(3)完成了主动光源控制电路的设计，主要包括主动光源的选型、主动光源的光谱稳定性研究、主动光源控制电路的设计以及主动光源结构的介绍;
　　(4)完成了反射光谱检测电路的设计，主要包括光电传感器的选型、光电传感器信号检测电路的设计和检测传感器光路系统的介绍，同时介绍了光谱仪的光路系统;
　　(5)对光谱仪硬件电路系统进行了仿真分析，在仿真分析结果之上，对硬件电路系统的PCB电路板进行绘制、抗干扰设计、搭建和调试工作;
　　(6)完成了光谱仪的软件系统的设计，包括上位机界面的设计、下位机控制器主程序的设计以及主动光源响应信号提取算法的设计;
　　(7)对设计的仪器进行了实验性能测试，实验结果表明:本文设计的主动光源式作物冠层反射光谱仪的测量结果稳定可靠，且仪器的NDVI测量值与高度无关;静态测量情况下，仪器测量的NDVI值与GreenSeeker测量的NDVI值的波动率均在5％以内;且车载测量情况下，仪器所测得的NDVI值与GreenSeeker光谱仪所测得的NDVI值具有较高的一致性，仪器的动态性能良好，能满足田间车载移动测量的需要。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究目的和意义

1．4 研究方法和手段

1．5 主要研究内容

第二章 光谱仪测量原理和方案设计

2．1 光谱仪测量原理

2．1．1 可检测原理

2．1．2 有效测量原理

2．2 反射率和典型光谱指数的确定

2．2．1 光谱指数的理论基础

2．2．2 典型光谱指数的理论计算方法

2．2．3 典型光谱指数在光谱仪中的计算方法

2．3 设计方案与技术路线

2．3．1 设计方案

2．3．2 技术路线

2．4 本章小结

第三章 光谱测量仪主动光源控制电路设计

3．1 光谱仪主动光源设计

3．1．1 特征波段选择

3．1．2 主动光源选型

3．1．3 主动光源结构

3．2 主动光源驱动电路设计

3．2．1 LED的发光特性

3．2．2 主动光源恒流源控制电路

3．2．3 LED恒流控制电路性能测试

3．3 主动光源的光谱稳定性研究

3．3．1 实验测试平台

3．3．2 结温的测量方法和原理

3．3．3 结温对LED发光光谱的影响

3．3．4 LED结温和光谱之间的关系

3．3．5 LED光谱稳定性控制方法

3．3．6 间歇式高频脉动模式的效果

3．4 本章小结

第四章 光谱测量仪测量电路设计

4．1 主控制器选型与设计

4．2 光谱仪光电检测传感器的选型

4．2．1 光电传感器的选型

4．2．2 光电传感器特性参数

4．2．3 光电传感器响应性能研究

4．2．4 检测传感器光路系统结构介绍

4．3 光电传感器信号检测电路设计

4．3．1 一级放大电路设计

4．3．2 高通滤波电路的设计

4．3．3 二级放大电路的设计

4．3．4 信号检测电路PCB板的设计

4．4 光电传感器响应信号提取算法设计

4．4．1 信号提取算法介绍

4．4．2 信号提取算法的仿真

4．4．3 信号提取算法实验验证

4．5 辅助电路的设计

4．5．1 电源模块

4．5．2 电源电压监测电路

4．5．3 温度测量电路

4．5．4 AD采样电路

4．5．5 GPS‘模块

4．5．6 串口通讯模块

4．5．7 超声波测距模块

4．5．8 主动光源光强控制电路

4．6 系统综合电路板的设计

4．7 本章小结

第五章 光谱仪的软件系统设计

5．1 光谱仪软件系统总体框架

5．2 上位机软件设计

5．2．1 上位机开发平台介绍

5．2．2 上位机界面设计

5．2．3 上位机文件存储

5．3 下位机软件设计

5．3．1 下位机软件集成开发环境

5．3．2 下位机软件的工作流程

5．4 本章小结

第六章 光谱仪田间性能测试实验

6．1 仪器的标定实验

6．1．1 实验目的

6．1．2 材料与方法

6．1．3 实验结果及分析

6．2 手持式静态测试实验

6．2．1 实验目的

6．2．2 材料与方法

6．2．3 实验结果及分析

6．3 与Greenseeker对比实验

6．3．1 实验目的

6．3．2 材料与方法

6．3．3 实验结果及分析

6．4 车辆抖动对仪器性能影响实验

6．4．1 实验目的

6．4．2 材料与方法

6．4．3 实验结果及分析

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的研究成果