作物氮素营养无损监测仪的光学系统设计

作物氮素营养无损监测仪的光学系统设计 2008年3月农业机械学报第39卷第3期 作物氮素营养无损监测仪的光学系统设计* 徐志刚朱艳焦学磊曹卫星刘晓英 【摘要】在分析作物冠层反射光谱光学特征和氮素无损监测工作原理的基础上, 研究了像方光场均匀性分 布,大视场小测距,操作抖动和测距不稳对光学系统监测精度的干扰,提出了光学 系统的总体设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,关键元件 选型及其参数确定的原理和方法,分析了光学参数对测量误差的影响和控制原 理,并研制了光学传感变送器. 关键词:氮素无损监测反射光谱光学系统设计 中图分类号:$237;TH744.1;$143.1文献标识码:A DesignofOpticSystemforCropNitrogenNon-destructive MonitoringInstrument XuZhigangZhuYanJiaoXueleiCaoWeixingLiuXiaoying (NanjingAgriculturalUniversity) Abstract Theopticcharactersofcanopyreflectancespectralandtheopticprincipleofnon—destructi ve nitrogenmonitoringwereanalyzed,andthentheopticparametersdisturbingthemonitoringprecision oftheopticsystemwereputforward,whichincludedtheuniformityinimageopticfield,thewide objecttieldwithshortdistanceofsurvey,theoperationditheringandthechangeofdistanceo fsurvey. Theschemeofopticsystemframedesign,thekeyopticorganschoosinganditsopticparameters matchingwereproposedsubsequently.Finally,thecausesandcontrolmethodsoftheopticsystem measurementerrorwereanalyzedandthesampleproductwasdesignedandmanufactured. KeywordsNitrogen,Non—destructivemonitoring,Reflectancespectral,Opticsystem,Design 引言 基于光谱技术的无损快速监测方法在农业中的 应用日益广泛和深入l1J,作物氮素监测是其中的 一 项重要内容.作物氮素营养无损监测仪是指导精 确施肥,解决过量施氮的关键装备.光学系统是作 物生长指标(包括氮素,NDVI[4--5]等)无损监测仪 的关键部件,其系统设计和参数匹配对整台仪器的 性能具有决定性的影响.由于作物田间监测应用的 特殊性,田间作物监测仪的光学系统有别于室内光 谱监测仪,但有关设计方法与光学性能分析的研究 尚未见报道.本文根据田间动态监测的实际要求, 分析影响光学系统监测精度的干扰因素及其控制方 法,提出光学系统的设计方案.. 1作物冠层反射光谱监测氮素的理论基础 及其光学监测要求 太阳光投射到作物冠层叶片后产生的反射包括 菲涅尔反射和漫反射.菲涅尔反射光没有负载叶片 内部结构和组分信息,光学系统应消减该反射光对 监测的影响.漫反射光负载了叶片内部结构和组分 信息,能够用于作物生长指标监测,包括氮素监测, 是研制无损监测仪光学系统的理论基础.已有研究 成果揭示了作物氮素营养与冠层反射特征光谱的定 收稿日期:2007—02—28 *国家自然科学基金资助项目(项目编号:30671215),江苏省农机三项 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 项目 32)和江苏省博士后科研资助计划项目 (项目编号:NJ2007— 徐志刚南京农业大学农学院副教授博士后,210095南京市 朱艳南京农业大学农学院副教授 焦学磊南京农业大学农学院助教 曹卫星南京农业大学农学院教授博士生导师通讯作者 刘晓英南京农业大学农学院讲师 第3期徐志刚等:作物氮素营养无损监测仪的光学系统设计121 量关系,为无损监测仪的研制提供了数学模 型[6--7],该模型的建立基于反射光谱中敏感特征波 长的反射率.所以,对于选定的某一特征波长,光学 系统应具备2个通道,分别用于对太阳辐射的接收 和来自冠层反射光的聚焦,滤波和光场变换,并与光 电探测器的光敏面匹配.光学系统应满足:?光能 在像方光场中应尽可能的均匀分布.?应能够在尽 可能小的探测器光敏面上收集尽可能大的视场(冠 层)上的光能.?应能够抑制测距变化对监测的干 扰.监测仪的视场越大,则漫反射光谱所包含的信 息越丰富完整,监测精度越高.但是,受到操作高度 和作物高度的制约,监测距离(即物距)有限.所以, 小物距,大视场是光学系统的另一特征要求. 2光学系统的总体设计 2.1太阳辐射光学接收系统 光学系统的总体设计如图1所示.在探测器前 设置特殊的漫射透射器,以对电信号输出实旌余弦 修正;设置带通干涉滤光片滤波,探测器只接收设定 波段的光谱信号. 二0-”0-”0 0”-0:0:0”= 图1光学系统示意图 Fig.1Schematicdiagramoftheopticsystem 2.2冠层反射光学接收系统 作物冠层已接近全扩散表面的特征,可视作”朗 伯面”.不需设置漫射透射器,只配匹后续信号处 理,可以消减规则反射光对监测精度的影响.设置 光学窗I2I片,可减弱菲涅耳反射干扰,并防止水气, 灰尘和接触物对系统内部精密元件的污染.设置带 通滤光片滤波,使探测器只接收设定波段的冠层反 射光. 为提高监测精度,选择4个特征波段作为监测 的依据.为此,系统需设置4个波段的带通滤光片, 同时探测各特征波段的冠层反射和太阳辐射光谱信 号.带通滤光片的半宽为?10nm. 2.3探测器 采用测量用光电池作为光电探测器,其突出优 点是光电流与光辐射量之间的线性关系好,因晃动 而产生的电流抖动小,田间监测操作时可有效避免 仪器晃动引起的测量误差.根据所监测光谱波长的 分布要求选择相应光谱特性的光电池. 探测器光敏面面积越大,频率响应越慢,噪声也 越大,探测能力下降越多.但是,受到光学系统和大 视场,小物距要求的制约,光敏面面积不能过小.最 小光敏面直径d应满足[] d>(1) 式中D——光学系统入瞳的有效直径,mm —— 系统的视场半角,(.) —— 空气的折射率,取1.0 3冠层反射光学接收系统的参数设计 3.1视场半角和物镜焦距厂 依据设计任务 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 提出的视场直径D0和测距U 的指标,根据图2确定视场半角和透镜焦距厂为 tan?=面Do=d(2) Ur ,=dU(3) 图2光场变换示意图 Fig.2Transformoftheopticfield 3.2探测器的位置参数 探测器应该安放在物镜的像面位置.由于u 远大于像距v,根据凸透镜成像公式计算,探测器安 装位置应接近于焦平面.所以探测器的位置参数近 似等于像距V. 3.3增大视场 在满足小测距U的条件下,若增大视场D.,必 须减小厂.采用两透镜组L1 合方案,能够获得小焦距个 .厂,既能够增大单个透镜的-{.一 曲面半径,又能够在探测l 器的光敏面上获得均匀分丫 布的光场,提高探测器的 信噪比.如图3所示,设图3组合透镜的主面H, 2个双凸透镜L1和L2的H,及焦面F示意图 焦距分别为,1和,2,间距Fig.3Themainandfoca1 为s;则透镜组合焦距fp1.fbld1n 和探测器安装位置m(焦 平面F到I2的距离)为 . 厂:(4fj 2一s 农业机械学报 mf—I_I厂2(5) 4参数匹配与误差分析 4.1物镜口径D 口径D增大有利于提高探测能力,但是D增 大后,会引起球差增大,冠层面上某点发出的反射光 经透镜折射后,在像方探测平面上不再相交于同一 点. 球差引起测量误差增大.D取小值,在减小球 差的同时,却导致系统的探测能力受到抑制.需根 据式(1),综合考虑探测器的光敏面直径d和测距 u,优化确定D.例如,对于组合透镜,若取D= 10iilln,U=1330iilln,引起的相对误差仅为0.27%. 4.2测距变化 在田间测量过程中,测距难以与设计指标保持 一 致.测距的变化必然会引起探测器光场的均匀性 不稳,进而引起测量信号的变化和误差.如图4所 示,设P平面为冠层面,当测距为u时,P面经光 学系统变换后,正好成像在探测器的光敏面上.P 面以外的P平面上的物点,其光线经光学系统变换 后,在探测器平面上不再相交于一点,而是形成了一 个圆斑.当圆斑不能全部落在或全部不能落在光敏 面上时,会引起误差. 尸.尸 图4测距变化与像面移动不葸图 Fig.4Imageplanemovementcausedbychangeof surveydistance 设P面与P面的距离为t,则引起的像方平面 与探测面的距离为Y,依据牛顿公式有 一 鲁? 式(6)是测量误差分析和误差估算的依据.式 中负号表示当实际测量距离大于设计值u时,光斑 向探测面中心位置移动,导致探测面不能得到有效 利用,光能分布的均匀性下降.当测量距离小于设 计值时,光斑向探测面外侧移动,设定视场范围内的 光线不能落在探测器的光敏面内,导致实际的物方 视场缩小,测量结果的有效性下降;同时,由于光敏 面外围的光能增加,将引起对比度下降,导致探测精 度下降,误差增加. 若组合透镜参数取U1330mm,r= 6.7mm,D=10mm,依据式(6)和图4分析得:实 际测距增量t:100mm时,圆斑直径为3.8× ,圆斑直径为1.7× 10一mm;当取t=500mm时 10一mm. 以上计算结果表明,通过适当匹配光学系统参 数,能够有效减弱测距变化引起的误差,并将其控制 在允许范围之内. 5结构设计与实例 5.1材料选择 4个特征波段光谱的半宽仅为?10nm,其所含 能量很弱,再经透镜和窗口玻璃的衰减,探测器接收 到的能量就更弱,导致探测器输出的信噪比严重下 降.玻璃材料的选择是关键之一.在本光学系统的 设计研制中,针对4个特征波段选择高透过率玻璃 材料,提高了系统信噪比. 5.2透镜和探测器安装位置的调节与锁定 加工和安装误差将导致透镜相对位置和探测器 的安装位置不能满足设计要求,为此,本系统采用精 密螺纹配合锁紧弹簧,在光测设备上调整并锁定透 镜和探测器的安装位置. 5.3设计实例 研制出如图5所示的光学传感变送器,总计 8只,分别与后续的信号处理电路和氮素监测模型 结合,构成完整的氮素监测仪,经过实验室标定后, 已经成功用于2006年水稻生产过程的氮素营养指 标监测,田间监测结果与实验室分析数据的关系如 图6所示. 图5光学传感变送器 Fig.5Sampleproductofopticsystem 6结论 (1)作物氮素无损监测仪用于大田作物氮素营 养的实时动态监测,其监测精度和工作性能受到测 距变化,作物冠层反射光辐射特性,操作抖动等诸多 (下转第166页1 166农业机械学报2008篮 5结论 (1)设计了电磁锤随焊锤击系统,该系统体积 小,重量轻,操作方便,使用灵活,适用于直焊缝和封 闭焊缝,夹具能使电磁锤准确,可靠定位,具有一定 的实用价值. (2)采用恒频脉宽调制技术设计了锤击力和锤 击频率的控制电路,电路稳定,可靠. (3)电磁锤锤击力和锤击频率可准确,独立调 节,锤击力的调节范围:0,1000N,锤击频率的调 节范围:0,25Hz. (4)装机试验表明,700N锤击力和2Hz锤击 频率时,试件焊缝横向,纵向残余应力分别平均下降 90%,300N的锤击力和6Hz的锤击频率时,应力 分别平均下降60%. 参考文献 1郭绍庆,田锡唐,徐文立.随焊激冷减小铝合金薄板的焊接变形[J].焊接,1998(9):8,11. 2KoichiMasubuchi.Researchactivitiesexamineresidualstressesanddistortioninwelded structures[J].WeldingJournal. 1991.70(12):41,46. 3范成磊,方洪渊,田应涛,等.随焊冲击碾压对LY12CZ铝合金接头组织和性能的影响[J].材料工程.2004(10):24, 25. 4范成磊,方洪渊,杨建国,等.随焊冲击碾压控制焊接应力变形新方法[J].机械工程学报,2004,40(8):87--90. 5徐文立,田锡唐,刘雪松.随焊锤击对LY12CZ焊接接头显微组织的影响[J].哈尔滨工业大学学报,2001,33(4): 442,446. 6LiuWP,TianXT,ZhangXZ.Preventingweldhotcrackingbysynchronousrollingduring welding[J].WeldingJour— nal,1996,75(9):297,304. 7徐文立,代宝昌,刘雪松,等.随焊锤击对高强铝合金焊接接头应变分布的影响[J].焊接学报,2003,24(2):27--30. 8方洪渊,董志波,徐文立.随焊锤击防止薄板焊接热裂纹的工艺研究[J].焊 接,2003(3):19--20. (上接第122页l 监测值/% 图6水稻氮素田间监测值与实验室分析值的关系曲线 Fig.6Relationshipbetweenmonitoredvaluesin fieldandanalyzedvaluesinlabforriceplant 田间不确定性因素的影响. (2)通过光学系统的合理设计,参数优化,器件 和材料的匹配能够从根本上减弱田间不确定性因素 对整机监测精度的影响,确保作物氮素无损监测仪 在田间实时动态监测过程中的性能. (3)基于本研究光学系统的设计方案,研制出 光学传感变送器,与后续的信号处理电路和氮素监 测模型融合,构成完整的氮素监测仪,经大田实测检 验,性能满足田间生产的要求. 参考文献 1应义斌,刘燕德,傅霞萍.苹果有效酸度的近红外漫反射无损检测[J].农业机械学 127. 报,2004.35(6):124, 2牛智有,韩鲁佳,苏晓鸥,等.鱼粉品质的近红外反射光谱快速检测方法[J].农业机械学报,2005.36(5):68,71. 3樊霞,韩鲁佳,皇才进.基于近红外光谱技术的牛粪成分含量测定方法[J].农业机械学报.2006.37(3):76,79. 4王秀,赵春江,周汉昌,等.冬小麦生长便携式NDVI测量仪的研制与试验[J].农业工程学报.2004.20(4):95,98. 5郝晓剑,郝丽娜,刘良云,等.智能便携式NDVI测量仪[J].仪器仪表学报,2005,26(3):246,248. 6朱艳,李映雪,周冬琴,等,稻麦叶片氮含量与冠层反射光谱的定量关系[J].生态学报,2006,26(10):3463,3469. 7李映雪,朱艳,戴延波,等.小麦叶面积指数与冠层反射光谱的定量关系[J].应用生态学报,2006,17(8):1443,1447 8李景镇.光学手册[M].北京:兵器工业出版社,1985:168.