發(fā)布時(shí)間：2020-09-26 18:40

　　 光學(xué)系統(tǒng)是作物生長(zhǎng)光譜監(jiān)測(cè)設(shè)備核心模塊之一,直接決定了設(shè)備測(cè)量的精度和可靠性。本文基于作物生長(zhǎng)光譜監(jiān)測(cè)原理,提出了適用于稻麥冠層光譜監(jiān)測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)了一種中功率、小角度LED作為發(fā)光光源,采用了擴(kuò)散片光路系統(tǒng)作為發(fā)光光路,解決了發(fā)光光源功率小、發(fā)光系統(tǒng)準(zhǔn)直后光斑均勻性低等關(guān)鍵難題。研究結(jié)果對(duì)于提高作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀的整體性能,推進(jìn)作物栽培智能化設(shè)備的應(yīng)用,促進(jìn)我國(guó)精確農(nóng)業(yè)自主創(chuàng)新具有重要的意義。首先,本文基于作物生長(zhǎng)光譜監(jiān)測(cè)原理,利用課題組近年來(lái)關(guān)于稻麥生長(zhǎng)信息敏感波段在730nm和810nm波長(zhǎng)附近的研究成果,提出了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案:發(fā)光系統(tǒng)照射產(chǎn)生滿足作物需求(面積不小于1000cm2,強(qiáng)度不小于1W/m2)的橢圓形均勻光斑,感光系統(tǒng)接收發(fā)光系統(tǒng)產(chǎn)生的光線經(jīng)冠層反射之后的漫反射光。其次,對(duì)發(fā)光光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真:基于非成像光學(xué)理論,建立透鏡及反光杯幾何模型,并通過(guò)對(duì)比仿真得到的配光曲線,優(yōu)化透鏡參數(shù)(頂部球半徑、圓柱體高度)及反光杯參數(shù)(底部半徑、頂部半徑),得到了功率為400mw、半值角為100的LED作為發(fā)光光源,滿足了發(fā)光光源的功率要求,又提升了監(jiān)測(cè)儀的便攜性。發(fā)光光路的設(shè)計(jì),兩波段LED呈交叉分布,目的是使兩波段的LED發(fā)出的光線在冠層基本重合,照射同一區(qū)域;基于光斑尺寸(長(zhǎng)軸長(zhǎng)30cm,短軸長(zhǎng)10cm)的要求,對(duì)比不同規(guī)格的擴(kuò)散片,選取100×300規(guī)格的擴(kuò)散片光路系統(tǒng),仿真結(jié)果表明光斑均勻性相對(duì)傳統(tǒng)的柱面鏡光路系統(tǒng)提升了 20%。另外,對(duì)感光光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真:基于幾何光學(xué)原理,建立菲涅爾透鏡幾何模型,計(jì)算菲涅爾透鏡參數(shù)(透鏡傾角),得到了一款焦距為15mm的菲涅爾透鏡作為感光光路核心部件,相比傳統(tǒng)凸透鏡,菲涅爾透鏡具有質(zhì)量輕、體積小的特點(diǎn),提升了儀器的便攜性。感光器件選擇光敏二極管作為感光元件,驗(yàn)證結(jié)果表明光敏二極管工作在線性區(qū)域內(nèi),R2值達(dá)到0.99,保證了測(cè)量精度。最后,對(duì)本文設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了性能仿真和實(shí)物測(cè)試。仿真測(cè)試首先通過(guò)近場(chǎng)光源分布測(cè)試系統(tǒng)得到LED的光學(xué)文件,再將其導(dǎo)入Tracepro光學(xué)仿真軟件,建立系統(tǒng)模型,追跡光線,得到不同高度處光斑輻照度分布圖,再通過(guò)公式計(jì)算出均勻性,與光源均勻性測(cè)試平臺(tái)所測(cè)得的實(shí)物光斑均勻性進(jìn)行比較,結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)光斑均勻性達(dá)到80%以上,能夠滿足測(cè)試需求。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)反射率灰度板的測(cè)試表明,隨著高度的變化,比值植被指數(shù)RVI值在60-80cm高度下變化的均方根誤差(RMSE)為0.1081,而NDVI在60-80cm高度下變化的RMSE為0.0192。田間稻麥試驗(yàn)表明,主動(dòng)式作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)儀獲取的NDVI和RVI值與ASD地物光譜儀具有良好的相關(guān)性,R2達(dá)到0.82以上。表明本文設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)滿足田間測(cè)試的需求。
【學(xué)位單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：S237
【部分圖文】：

圖２－１光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑圖２－１中１、２為發(fā)光單元，其中１為７３０ｎｍ波段，２為８１０ｎｍ波段，３為準(zhǔn)直逡逑７逡逑

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逑本系統(tǒng)要求的設(shè)計(jì)目標(biāo)為在高度６０Ｃｍ－１００ｃｍ時(shí)，形成一個(gè)類似于矩形的橢圓形逡逑均R獍擼衷駁某ぶ岢げ恍∮冢常埃悖�，队戓不小于１０ｃ唬瓤z巒跡玻乘疚艄忮義險(xiǎn)丈淶降孛嬪系母Ｕ斬確植紀(jì)跡艄庠冢罰常埃睿硨停福保埃睿碭澆母Ｕ斬任歟祝恚玻義銜私郵盞降男藕拋愎淮�，目标脣鼓辐射諗厝最小謸鯄耐又@艄庠詮誆愕姆湔斬儒義霞村澹歟祝恚病ｅ義希保靛澹蟈義希懾澹А鰣危蓿苠義希

本文編號(hào)：2827342