专利名称：大面积小麦冠层平均温度监测系统及方法
技术领域：
本发明涉及在线温度监测技术领域，尤其涉及一种大面积小麦观测平均温度监测系统及方法。
背景技术：
小麦在我国的农作物中所占比例一直很大。研究小麦的光合作用有利于提高小麦的单位产量，而温度对光合作用的影响十分巨大。因此，对小麦的温度进行在线及时监测，是农业提高经济效益、生产效率的必要途径。然而，目前尚无针对小麦叶片温度的有效监测方法，目前均采用逐个测量小麦叶片温度的方式对疫情进行判断和预警。传统方法在测温度前需用夹子夹住叶片，逐一对小麦的温度进行测量，这种测量方法不仅费时费工，而且对叶片也有损伤，不易对大片区域小麦进行测量。虽然可以实现小麦温度测量的目的，但有如下缺陷(1)费时，测量100小麦叶片温度需要半小时，在大片区域的产麦区使用较难，每天需专人耗费大量时间进行测量；(2)费力，操作过程较为复杂，对操作人员熟练程度有一定的要求；(3)每次测量都对小麦有不同程度的损伤，面临测量数量与损伤小麦之间的矛盾。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是提供一种省时省力、可对大面积小麦冠层平均温度进行快速、准确的监测的大面积小麦冠层平均温度监测系统及方法。( 二 )技术方案为解决上述问题，本发明提供了一种大面积小麦冠层平均温度监测系统，该系统包括红外探测�？椋糜谔讲庠ど杳婊奶讲馇蚰诘暮焱夥湫藕牛恍藕挪杉氪砟？椋胨龊焱馓讲饽？橄嗔糜诖卸脸鏊龊焱馓讲饽？槭涑龅牡缧藕牛⒍云浣写恚涑鍪治露刃藕牛皇荽砟？椋胨鲂藕挪杉氪砟？橄嗔糜诟菟鍪治露刃藕牛囱菟鎏讲馇蚰诘钠骄露�。优选地，所述红外探测模块进一步包括红外探测器，置于所述探测区域内的预设位置，用于探测预设面积的探测区域内的红外辐射信号；镜头，设置于所述红外探测器前端，用于调整所述红外探测器的视场角。优选地，所述红外探测器以多晶硅材料为基底。优选地，所述信号采集与处理�？榻徊桨ㄐ藕挪杉ピ胨龊焱馓讲饽？橄嗔糜诖卸脸鏊龊焱馓讲饽？槭涑龅牡缧藕牛恍藕糯淼ピ胨鲂藕挪杉ピ嗔糜诙运鲂藕挪杉ピ杉降牡缧藕沤蟹糯蠹奥瞬ù恚苑糯蠹奥瞬ù砗蟮男藕胖鹨唤心Ｊ唬涑鍪治露刃藕�。优选地，该装置还包括控制�？椋隹刂颇？橛胨鲂藕挪杉按砟？橐约八鍪荽砟？榫嗔糜谙蛩鲂藕挪杉按砟？榉⒊龆脸雒睿约敖邮账鍪荽砟？榉囱莸玫降乃鎏讲馇蚰诘奈露仁荨１痉⒚骰固峁┝艘恢执竺婊÷蠊诓闫骄露燃嗖夥椒ǎ梅椒òú街鑃i.将红外探测模块置于探测区域内的预设位置；S2.串行读取所述红外探测�？槭涑龅牡缧藕牛云浣写聿⑹涑鍪治露刃藕牛籗3.采用实时标定的方法，对所述探测区域内部的黑体进行测定和定标，并根据所述数字温度信号以及小麦叶片的发射率，反演所述探测区域内的平均温度。优选地，步骤S2进一步包括S2. 1串行读出所述红外探测模块输出的电信号；S2. 2对所述电信号进行放大及滤波处理，对放大及滤波处理后的信号逐一进行模数转换，输出数字温度信号。优选地，步骤S3进一步包括S3. 1采用实时定标方式，对所述探测区域内部的黑体进行测定和标定；S3. 2根据所述数字温度信号以及小麦叶片的发射率，获得所述探测区域内小麦的表观温度；S3. 3根据步骤S3. 1的定标结果，对步骤S3. 2得到的所述表观温度进行辐射率修正，得到所述探测区域内小麦的真实温度，生成探测区域内的平均温度。优选地，步骤S3中，根据下式对所述探测区域内部的黑体进行标定以及计算小麦叶片的表观温度V = Ra ε σ T4 = KT4其中，V为所述数字温度信号，T为小麦叶片的绝对温度，R为红外探测器的灵敏度，a为与大气衰减距离有关的常数，ε为小麦叶片的发射率，标定时ε取1，σ为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。(三)有益效果本发明的系统及方法可以以非接触方式，在一定距离(如1. 5m)对小麦区域平均温度情况进行监测；不仅能够快速获得小麦叶片的温度，而且不会对小麦有任何的损伤；弥补了原有测温方法的不足，从而对实现不同区域范围的目标进行监测。
图1为实施例1的大面积小麦冠层平均温度监测系统结构框图；图2为实施例2的大面积小麦冠层平均温度监测系统结构示意图；图3为依照本发明一种实施方式的大面积小麦冠层平均温度监测方法流程图。
具体实施例方式本发明提出的大面积小麦冠层平均温度监测系统及方法，结合附图及实施例详细说明如下。本发明的系统及方法用于大片麦地的温度在线监测。通过本发明的系统及方法，可通过非接触方式获得区域小麦叶片的温度情况，可实现连续、在线的温度监测。其基本原理是黑体辐射定律。自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。黑体的光谱辐射出射度由普朗克公式确定，即^=I-Tvb(D由普朗克公式可推导出辐射体温度与检测电压之间的关系式V = Ra ε σ T4 = KT4(2)其中，V为检测到的电压信号，K = Rae σ ,由实验确定，T为测量物体的绝对温度，R为探测器的灵敏度，a为与大气衰减距离有关的常数，ε为发射率，标定时ε取1，σ为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。因此，可以通过检测电压而确定被测物体的温度，上式表明探测器输出信号与目标温度呈非线性关系，V与T的四次方成正比，所以要进行线性化处理。线性化处理后得到物体的表观温度，需进行辐射率修正为真实温度。实施例1如图1所示，本实施例的大面积小麦冠层平均温度监测系统包括红外探测�？�、信号采集与处理�？�、数据处理�？橐约翱刂颇？�。其中红外探测�？椋糜谔讲庠ど杳婊奶讲馇蚰诘暮焱夥湫藕�。其进一步包括红外探测器，置于探测区域内的预设位置；镜头，设置于红外探测器前端，用于调整红外探测器的视场角从而改变探测范围。为了获得探测区域内小麦叶片的温度情况，因此需获得红外信号辐射特性，优选地，本实施方式的红外探测器采用多晶硅材料为基底，在常温下工作，响应波段为8 μ m-14 μ m。由于红外探测器输出的信号为模拟信号，且较为微弱，通常在μ V数量级，因此信号采集与处理�？橛牒焱馓讲饽？橄嗔糜诖�(顺序)读出红外探测模块输出的电信号，并对其进行处理，输出数字温度信号。该�？榘ㄐ藕挪杉ピ牒焱馓讲饽？橄嗔糜诖�(顺序)读出红外探测器输出的电信号；信号处理单元，与信号采集单元相连，用于对信号采集单元采集到的电信号进行放大及滤波处理，对放大及滤波处理后的信号逐一进行模数转换，输出可被模数转换器接受的范围的数字温度信号。数据处理模块与信号采集与处理�？橄嗔捎檬凳倍ū攴绞剑运鎏讲馄魈讲夥段诘暮谔褰胁舛ê捅甓ǎ⒏莞檬治露刃藕乓约靶÷笠镀姆⑸渎剩囱萏讲馇蚰诘钠骄露�。信号采集及处理�？橐约笆荽砟？榫ü涌谟肟刂颇？橄嗔刂颇？橛糜谙蛐藕挪杉按砟？榉⒊龆脸雒睿约敖邮帐荽砟？榉囱莸玫降奶讲馇蚰诘奈露仁�。实施例2如图2所示，本实施例的大面积小麦冠层平均温度监测系统设置在某农田高1. 5m处，该系统包括外壳6、镜头1、红外探测器2、信号采集与处理�？橐约笆荽砟？�3、以及支架4，镜头1、红外探测器2、信号采集与处理�？橐约笆荽砟？�3均置于外壳6中。其中，支架4与系统外壳6相连，为整个系统提供支撑。控制�？槲冻痰纳衔籔C，信号采集与处理�？橐约笆荽砟？�3通过接口 5与该上位PC通信。在距离小麦1. 5m处安装红外探测器2，设视场角为沈.6°拉=53.2°，依据此视场角调节镜头1的结构，使探测范围的红外光线入射到镜头1中，有效探测范围约为1. 77m2。镜头1后固化以多晶硅材料为基底材料的红外探测器2。在探测器2后端设置信号采集与处理模块以及数据处理模块3，将红外探测器2输出的信号串行读出，并进行放大、滤波、模数转换等处理，再根据处理后数字温度信号以及相应算法反演该探测区域内的平均温度。信号采集与处理�？橐约笆荽砟？�3实时通过串行接口 5将相应数据发送到上位PC机并接收上位PC发送的各种命令。设本实施例中小麦叶表发射率设置为0.85，用此发射率反演出平均温度。测量过程中对探测器内部的黑体进行测定以及标定处理，从而扣除系统本身噪声。本发明还提供了一种大面积小麦冠层平均温度监测方法，如图3所示，该方法包括步骤Si.将红外探测�？橹糜谔讲馇蚰诘脑ど栉恢茫籗2.串行读取红外探测�？槭涑龅牡缧藕牛云浣写聿⑹涑鍪治露刃藕牛籗3.采用实时标定的方法，对探测区域内部的黑体进行测定和定标，并根据数字温度信号以及小麦叶片的发射率，反演探测区域内的平均温度。步骤S2进一步包括S2. 1串行读出红外探测模块输出的电信号；S2. 2对电信号进行放大及滤波处理，对放大及滤波处理后的信号逐一进行模数转换，输出数字温度信号。步骤S3进一步包括S3. 1采用实时定标方式，对探测区域内部的黑体进行测定和标定；S3. 2根据该数字温度信号以及小麦叶片的发射率，获得探测区域内小麦的表观温度；S3. 3根据步骤S3. 1的定标结果，对步骤S3. 2得到的表观温度进行辐射率修正，得到探测区域内小麦的真实温度，生成探测区域温度。步骤S3中，根据式( 对探测区域内部的黑体进行标定以及计算小麦叶片的表观温度。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种大面积小麦冠层平均温度监测系统，其特征在于，该系统包括红外探测�？椋糜谔讲庠ど杳婊奶讲馇蚰诘暮焱夥湫藕牛恍藕挪杉氪砟？椋胨龊焱馓讲饽？橄嗔糜诖卸脸鏊龊焱馓讲饽？槭涑龅牡缧藕牛⒍云浣写恚涑鍪治露刃藕牛皇荽砟？椋胨鲂藕挪杉氪砟？橄嗔糜诟菟鍪治露刃藕牛囱菟鎏讲馇蚰诘钠骄露�。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述红外探测�？榻徊桨ê焱馓讲馄鳎糜谒鎏讲馇蚰诘脑ど栉恢茫糜谔讲庠ど杳婊奶讲馇蚰诘暮焱夥湫藕牛痪低罚柚糜谒龊焱馓讲馄髑岸耍糜诘髡龊焱馓讲馄鞯氖映〗�。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述红外探测器以多晶硅材料为基底。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号采集与处理�？榻徊桨ㄐ藕挪杉ピ胨龊焱馓讲饽？橄嗔糜诖卸脸鏊龊焱馓讲饽？槭涑龅牡缧藕牛恍藕糯淼ピ胨鲂藕挪杉ピ嗔糜诙运鲂藕挪杉ピ杉降牡缧藕沤蟹糯蠹奥瞬ù恚苑糯蠹奥瞬ù砗蟮男藕胖鹨唤心Ｊ唬涑鍪治露刃藕�。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该装置还包括控制�？椋隹刂颇？橛胨鲂藕挪杉按砟？橐约八鍪荽砟？榫嗔糜谙蛩鲂藕挪杉按砟？榉⒊龆脸雒睿约敖邮账鍪荽砟？榉囱莸玫降乃鎏讲馇蚰诘奈露仁�。
6.一种大面积小麦冠层平均温度监测方法，其特征在于，该方法包括步骤51.将红外探测�？橹糜谔讲馇蚰诘脑ど栉恢茫�52.串行读取所述红外探测模块输出的电信号，对其进行处理并输出数字温度信号；53.采用实时标定的方法，对所述探测区域内部的黑体进行测定和定标，并根据所述数字温度信号以及小麦叶片的发射率，反演所述探测区域内的平均温度。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S2进一步包括S2. 1串行读出所述红外探测�？槭涑龅牡缧藕牛�52.2对所述电信号进行放大及滤波处理，对放大及滤波处理后的信号逐一进行模数转换，输出数字温度信号。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S3进一步包括53.1采用实时定标方式，对所述探测区域内部的黑体进行测定和标定；S3. 2根据所述数字温度信号以及小麦叶片的发射率，获得所述探测区域内小麦的表观温度；S3. 3根据步骤S3. 1的定标结果，对步骤S3. 2得到的所述表观温度进行辐射率修正，得到所述探测区域内小麦的真实温度，生成探测区域内的平均温度。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S3中，根据下式对所述探测区域内部的黑体进行标定以及计算小麦叶片的表观温度V = Ra ε σ T4 = KT4其中，V为所述数字温度信号，T为小麦叶片的绝对温度，R为红外探测器的灵敏度，a为与大气衰减距离有关的常数，ε为小麦叶片的发射率，标定时ε取1，σ为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。
全文摘要
本发明公开了一种大面积小麦冠层平均温度监测系统及方法，涉及在线温度监测技术领域。该系统包括红外探测�？椋糜谔讲庠ど杳婊奶讲馇蚰诘暮焱夥湫藕牛恍藕挪杉氪砟？椋胨龊焱馓讲饽？橄嗔糜诖卸脸鏊龊焱馓讲饽？槭涑龅牡缧藕牛⒍云浣写恚涑鍪治露刃藕牛皇荽砟？椋胨鲂藕挪杉氪砟？橄嗔糜诟菟鍪治露刃藕牛囱菟鎏讲馇蚰诘钠骄露取１痉⒚鞯南低臣胺椒ㄊ∈笔×�、可对大面积小麦冠层平均温度进行快速、准确的监测。
文档编号G01J5/10GK102564606SQ20111043158
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月21日 优先权日2011年12月21日
发明者张馨, 王明飞, 申长军, 董大明, 赵贤德, 郑文刚, 鲍锋 申请人:北京农业智能装备技术研究中心
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
