专利名称：一种基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及农业设备技术领域，特别涉及一种基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器。
背景技术：
目前，对靶喷雾是实现高效、低污染农药喷施的一种重要方法。所谓对靶喷雾就是只对目标喷雾，对于非目标不喷雾或者尽量少喷雾。对靶喷雾器械中，靶标探测器是一个关键部分。光以电磁辐射的方式在空间传播，其投射到物体表面的辐射，一部分被物体表面反射，另一部分被物体吸收。反射或吸收辐射的比率因辐射波长、物体的光谱学特性而异， 因此在一定的波段或波长范围内，可利用物体的光谱特征来识别物体。光电探测技术就是利用光源在目标和背景上的反射或目标、背景本身辐射电磁波的差异来探测、识别目标，并对它们进行跟踪、瞄准或其他相应的处理实施。目前，植株靶标探测有光电探测技术、超声探测技术、微波探测技术及图像探测技术等。微波探测技术由于受到通讯控制技术复杂、经济性较差等限制，尚不适用于农业生产的推广。图像处理探测技术虽然能较好地探测出靶标的外形，确定喷施的覆盖范围和喷施量，但因其稳定性较差、复杂性和数据处理量较大、响应速度较慢和成本较高等问题，因此， 此技术大多还处于实验室阶段，实际应用于在线实时作业的较少。超声探测技术虽然不复杂，但其经济成本比光电探测技术的高很多。光电探测技术与其它探测技术相比，因其响应速度快、能实现非接触式探测、抗干扰性强、可靠性好、成本较低、结构简单、体积小、功耗低等优点，被广泛用于在线实时检测和探测中。如图1所示，为现有技术光电探测器探测信号效果示意图。该探测器包括2组，其具有光信号发射部件和接收部件，现有技术中时常发生 1组中的反射信号被2组中的接收部件探测到；而2组的反射信号容易被1组的探测部件接收到，从而形成干扰和误测，而且光路也会受到空气中红外光线的干扰。在农业应用方面，采用透反射测样方式可获取植物叶片的可见-近红外光谱，然后对采样得到的数据进行处理后建立植物叶片叶绿素含量与叶片吸收光谱的定量分析模型，最后利用该模型对预测集样本进行预测，即利用可见-近红外光谱技术无损检测叶片叶绿素含量等植物靶标的其他生物信息，根据这些生物信息即可得到植物靶标的特征，以决策执行器件的动作。但农业作业环境大多在室外自然光照条件下，环境温度、湿度以及外界光的干扰对探测�？榈母扇沤洗螅跋炝瞬饬烤龋绕涞毙枰康牟饬渴保鸵笙低潮匦刖哂薪锨康目垢扇拍芰徒细叩牧槊舳�。在现有的自动对靶喷雾靶标光谱探测器中，为了提高探测系统的抗干扰性能，其收发系统采用了数字式的编码调制方式，但其抗干扰能力还是较弱，而且由于属于方波调制，接收头调制频率较高、输出功率无法调节，使探测距离无法调节，且无法用于系统的定
量测量。
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基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，利用不同光谱波段处反射率的不同，并对不同波段的光谱信号用不同频率的正弦波进行调制，可有效消除不同探头之间的相互干扰，可精确计算出树木/农作物枝叶密度指数等被测植物的生物参数，进而实现树木/农作物植株枝叶密度生物信息的光谱探测。( 二 )技术方案为了解决上述问题，本发明提供一种基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，包括多组依次串联的光谱信号发射电路模块、光路�？�、光谱信号接收电路模块以及光谱信号分析�？椋凰龉馄仔藕欧⑸涞缏纺？橛糜谙虬斜攴⑸洳煌德实恼也ǎ⒔稣也ń蟹糯蟮髦拼恚凰龉饴纺？橛糜诠怂龉馄仔藕欧⑸涞缏纺？榉⑸涞恼也ǎ徊⑶遥溆糜谑顾龉馄仔藕欧⑸涞缏纺？榉⑸涞恼也ü庑藕藕凸馄仔藕沤邮盏缏纺？榻邮盏降恼也ü庑藕啪哂惺樟残裕凰龉馄仔藕沤邮盏缏纺？橛糜诮邮沾影斜攴瓷浠乩吹�、并经光路�？榇砗蟮恼也ü庑藕牛⒔邮盏恼也ü庑藕沤姓髀瞬ù恚凰龉馄仔藕欧治瞿？橛糜诟菟龉馄仔藕沤邮盏缏纺？榻邮盏降墓馄仔藕偶扑愠霰徊庵参锏纳锊问迪侄员徊庵参锷锊问墓馄滋讲�。进一步地，所述光谱信号发射电路�？榘ù拥恼也ㄕ竦吹缏�、加法器、 压控电流源电路和LED发光二极管；所述多组正弦波振荡电路发射的正弦波的频率不同。进一步地，所述光谱信号接收电路�？榘ㄓ攵嘧樗龉馄仔藕欧⑸涞缏纺？橄喽杂σ来未拥墓獾绯�、电流/电压转换电路、带通滤波器和整流滤波器。进一步地，所述光路�？榘ㄒ来瘟拥穆斯馄屯雇妇�。进一步地，所述光谱信号发射电路�？榘ㄖ绷髌茫凰鲋绷髌糜胨稣也ㄕ竦吹缏凡⒘笥爰臃ㄆ鞔＝徊降兀鲅箍氐缌髟吹缏酚煞糯笃骱推鸬嚼┝髯饔玫拇锪侄俟芰幼槌�。进一步地，所述带通滤波器与其频率相同的正弦波振荡电路进行匹配。进一步地，所述光谱信号分析模块包括依次连接的模数转化器、单片机、继电器和电磁阀。进一步地，所述正弦波振荡电路采用文氏桥振荡器。(三)有益效果本发明提供的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，具有以下优点(1)利用不同光谱波段处反射率的不同，并对不同波段的光谱信号用不同频率的正弦波进行调制，可有效消除不同探头之间的相互干扰，可精确计算出树木/农作物枝叶密度指数(LDI)等被测植物的生物参数，进而实现树木/农作物植株枝叶密度生物信息的光谱探测。(2)可实现近红外/可见光信号强度的定量测量，以实现探测植株靶标的生物信
4息，达到智能精量对靶施药的目的，使无靶喷施量减少到最小程度。(3)应用范围广泛。该光谱探测器除了应用在农田喷洒农药外，还可应用于如铁轨、道路两侧、机场和水路沿线等地方进行杂草清除作业等，具有广阔的应用前景。
图1为现有技术光电探测器探测信号效果示意图；图2为本发明实施例基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器结构示意图；图3为本发明实施例光谱信号发射电路模块结构示意图；图4为本发明实施例光谱信号发射电路�？榈缏吠迹煌�5为本发明实施例光谱信号接收电路模块结构示意图；图6为本发明实施例光谱信号接收电路�？榈缏吠迹煌�7为本发明实施例光谱信号接收电路�？橹泄獾绯氐墓馄紫煊η呤疽馔�。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如图2所示，本发明实施例基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器包括多组依次串联的光谱信号发射电路模块、光路模块和光谱信号接收电路�？橐约肮馄仔藕欧治瞿？�。该光谱信号发射电路模块用于向靶标发射不同频率的正弦波，并将该正弦波进行放大调制处理；该光路�？橛糜诠斯馄仔藕欧⑸涞缏纺？榉⑸涞恼也ǎ徊⑶遥溆糜谑构馄仔藕欧⑸涞缏纺？榉⑸涞恼也ü庑藕藕凸馄仔藕沤邮盏缏纺？榻邮盏降恼也ü庑藕啪哂惺樟残裕桓霉馄仔藕沤邮盏缏纺？橛糜诮邮沾影斜攴瓷浠乩吹�、并经光路�？榇砗蟮恼也ü庑藕牛⒔邮盏恼也ü庑藕沤姓髀瞬ù恚桓霉馄仔藕欧治瞿？榘Ｊ�、单片机、继电器和电磁阀，用于根据接收到的光谱信号信息精确计算出树木/农作物枝叶密度指数、叶绿素含量等被测植物的生物参数，实现对树木/农作物植株枝叶密度生物信息(例如叶面积指数、枝叶密度信息等)的光谱探测，达到智能精量对靶施药的目的，使无靶喷施量减少到最小程度。农业中，大多数光谱研究所用的光谱范围为可见区G00-700nm)和近红外区 (700-2500nm)，因为在此区域绿色植物与土壤的反射特征存在较大的差异。绿色植物吸收红光波段的入射光能，而反射近红外波段的入射光能。而农田背景(例如土壤、植物残体， 如麦茬等)的反射特性与之形成鲜明的反差，在可见红光与近红外波段的反射率特性完全不同。本实施例中采用的多组光谱信号发射电路�？榈氖浚筛菔导逝┨锱缡┌斜甑姆瓷湫藕诺拇笮。迪纸焱�/可见光信号强度的定量测量，以实现探测植株靶标的生物信息，达到智能精量对靶施药的目的，使无靶喷施量减少到最小程度。如图3-4所示，本实施例中光谱信号发射电路�？榘ù拥恼也ㄕ竦吹缏贰⒓臃ㄆ�、压控电流源电路和LED发光二极管。该多组正弦波振荡电路发射的正弦可见光波和红外光波的频率不同。该光谱信号发射电路�？榛拱ㄖ绷髌玫缏罚绷髌玫缏酚胝也ㄕ竦吹缏凡⒘笥爰臃ㄆ鞔�。例如，本实施例采用两组光谱信号发射电路�？椋也ㄕ竦吹缏凡捎谜也ㄕ竦雌鳎ü礁稣也ㄕ竦雌鞣直鸩�85HZ和135Hz两个不同频率的正弦波，由于LED 二极管只能工作在正向 导通状态，所以通过直流偏置作用后的正弦波通过加法器后进行放大处理，然后通过压控电流源产生正弦变化的电流来驱动大功率的LED，此时LED输出的两路光信号的光波频率分别为630HZ和850Hz，此两路光信号的调制载波信号是频率为85HZ和 135Hz的正弦波信号，因此，光强度也随正弦方式变化，达到调制的效果。正弦波振荡器采用文氏桥振荡器，其使用的元件只需电阻电容，而且波形比较纯真，容易得到频率较广且连续可调的振荡频率。该电路的起振条件为开始振荡时环路增益 Av = 1+R37/(R3B+RT9)略大于3，达到稳定平衡状态时Av = 3。为了进一步改善输出电压幅度的稳定性，一般在放大电路的负反馈回路中采用非线性元件来自动调整反馈的强弱以维持输出电压的恒定。因此，在电阻R37两边并联一个由稳压二极管作负载的硅整流电桥，由稳压二极管作负载的整流电桥是利用其非线性特性起自动稳定输出幅度的作用。调节电阻 RT9的值，当R37/(R36+RT9) = 2时，输出正弦信号稳定且波形失真小。压控电流源电路由图4中放大器U5D和达林顿管TIP142连接组成。其中，运放引入深度电流串联负反�。涫涑龅缌鱅。= Uin/R38，R38为5.1 Ω的功率接地电阻，达林顿管 ΤΙΡ142主要是起到扩流的作用。本装置选用的大功率LED发光二极管的正向工作电流If = 350mA，正向电压 3.0V-3.7V。其辐射强度与驱动电流只是在一段区间内呈线性关系，并且驱动电流太小。为保证LED发光二极管工作在安全的电流范围之内，本装置设计输出电流I。取100mA-400mA。 即输入电压Uin取0. 51V-2. 04V。加法器根据压控电流源的要求，由图4中放大器UlB构成反相求和电路和放大器 U5C构成反相放大电路。直流偏置由图3中电阻R27、R28和电位器RT7组成。为满足LED 工作在较好的线性范围，根据振荡器的输出电压的值，取R27 = 10K、R28 = 3. 7K、RT7 = IOK 使直流偏置在1. 3V-1. 8V之间变化。加法器的输出电压为=U0 = _{(R30/R29) XU直+ [R30/ (R32+RT8) JXUisI, R30 = R29 = 130K, R32 = 50K, RT8 = 100K 使得调节振荡输出幅值时直流偏置恒定不变。U5C主要是将加法器输出电压反相，使输出正电压。如图5-6所示，本实施例中的光谱信号接收电路�？榘ㄓ攵嘧楣馄仔藕欧⑸涞缏纺？橄喽杂σ来未拥墓獾绯�、电流/电压转换电路、带通滤波器和整流滤波器。该带通滤波器的频率与光谱信号发射电路模块中的正弦波振荡器所发射信号的频率相同。光谱信号接收电路�？橥ü饷粼韫獾绯丶觳饨邮盏降墓馇慷龋莞们慷韧ü馄仔藕欧治瞿？榉治霾⒕芳扑愠鍪髂�/农作物枝叶密度指数(LDI)等被测植物的生物参数(例如叶面积指数、枝叶密度信息等)，进而实现树木/农作物植株枝叶密度生物信息的光谱探测。 其中，U2是硅光电池BPW20，它是Vi shay生产的高灵敏硅光电池，具有较大的感光面积和较低的暗电流，其光谱响应曲线如图7所示。U3是高阻抗放大器CA3140，它的特点是极高的输入阻抗和极低的失调电流并且较高的电压转换速率。在本装置中硅光电池采用光导方式与CA3140组成电流/电压转换器，能够精确地将光电池输出的微弱电流信号转换为电压信号。运放UlA组成一个与振荡器同频率的带通滤波器，该带通滤波器的放大增益对于同相端而言小于3，对于反相端而言大于1。其选频原理为输入信号经电位器送至运算放大器的反相端，由运放输出后又经文氏电桥选频网络反馈回同相端。只有当输入信号中的某一频率与选频网络固有频率一致时，电路才被激发起振，并输出最大幅度的预选频率信号。得到的纯净的正弦信号由光谱信号发射电路�？榉⒊霾⒕锾宸瓷浠乩吹男藕�。 此信号经过Uib进一步放大后再通过由U1C、UlD组成的精密全波整流电路。该电路的优点是克服了二极管的导通管压降，特别适合用于小信号的整流；可在RTl上并联电容对信号做进一步的滤波处理。这样就可以在输出端得到与接收信号强弱成反比的直流电平。将此输出信号送至单片机处理单元完成相应的信号处理、判断和执行等后续过程。
其中，本实施例中的光路�？榘ǚ直鸢沧霸诜⒐舛躄ED前端的和光感器件前端的滤光片和凸透镜。为了增加光信号发射的指向性和接收的准确性，在发光二极管LED 的前端加装凸透镜，可使LED发射的发散的光信号变为平行光，使发射出的调制光信号具有较好的收敛性，提高光信号相对探测目标的辐射效果。在接收端光电池前加设凸透镜，以使反射光信号的能量更好地聚焦至感光器件上。该滤光片用于过滤光谱信号发射电路�？樗⑸涞�、和光谱信号接收电路�？樗邮盏恼也ü庑藕牛怪哂兴枰�、较窄波段的光信号。本发明提供的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，利用不同光谱波段处反射率的不同，可有效消除不同探头之间的相互干扰，可精确计算出树木/农作物枝叶密度指数等被测植物的生物参数，进而实现树木/农作物植株枝叶密度生物信息的光谱探测。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
1.一种基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，其特征在于，包括多组依次串联的光谱信号发射电路模块、光路�？椤⒐馄仔藕沤邮盏缏纺？橐约肮馄仔藕欧治瞿？椋凰龉馄仔藕欧⑸涞缏纺？橛糜谙虬斜攴⑸洳煌德实恼也ǎ⒔稣也ń蟹糯蟮髦拼恚凰龉饴纺？橛糜诠怂龉馄仔藕欧⑸涞缏纺？榉⑸涞恼也ǎ徊⑶遥溆糜谑顾龉馄仔藕欧⑸涞缏纺？榉⑸涞恼也ü庑藕藕凸馄仔藕沤邮盏缏纺？榻邮盏降恼也ü庑藕啪哂惺樟残裕凰龉馄仔藕沤邮盏缏纺？橛糜诮邮沾影斜攴瓷浠乩吹牟⒕饴纺？榇砗蟮恼也ü庑藕牛⒔邮盏恼也ü庑藕沤姓髀瞬ù恚凰龉馄仔藕欧治瞿？橛糜诟菟龉馄仔藕沤邮盏缏纺？榻邮盏降墓馄仔藕偶扑愠霰徊庵参锏纳锊问迪侄员徊庵参锷锊问墓馄滋讲�。
2.如权利要求1所述的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，其特征在于，所述光谱信号发射电路�？榘ù拥恼也ㄕ竦吹缏�、加法器、压控电流源电路和LED发光二极管；所述多组正弦波振荡电路发射的正弦波的频率不同。
3.如权利要求2所述的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，其特征在于，所述光谱信号接收电路�？榘ㄓ攵嘧樗龉馄仔藕欧⑸涞缏纺？橄喽杂σ来未拥墓獾绯�、电流/电压转换电路、带通滤波器和整流滤波器。
4.如权利要求1所述的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，其特征在于，所述光路�？榘ㄒ来瘟拥穆斯馄屯雇妇�。
5.如权利要求2所述的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，其特征在于，所述光谱信号发射电路�？榘ㄖ绷髌茫凰鲋绷髌糜胨稣也ㄕ竦吹缏凡⒘笥爰臃ㄆ鞔�。
6.如权利要求2所述的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，其特征在于，所述压控电流源电路由放大器和起到扩流作用的达林顿管连接组成。
7.如权利要求3所述的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，其特征在于，所述带通滤波器与其频率相同的正弦波振荡电路进行匹配。
8.如权利要求1所述的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，其特征在于，所述光谱信号分析�？榘ㄒ来瘟拥哪Ｊ鳌⒌テ�、继电器和电磁阀。
9.如权利要求2所述的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，其特征在于，所述正弦波振荡电路采用文氏桥振荡器。
全文摘要
本发明涉及农业设备技术领域，具体公开了一种基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器。该基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器包括多组依次串联的光谱信号发射电路�？�、光路�？�、光谱信号接收电路�？橐约肮馄仔藕欧治瞿？�。本发明提供的基于正弦波调制的自动对靶喷雾靶标光谱探测器，利用不同光谱波段处反射率的不同，并对不同波段的光谱信号用不同频率的正弦波进行调制，可有效消除不同探头之间的相互干扰，可精确计算出树木/农作物枝叶密度指数等被测植物的生物参数，进而实现树木/农作物植株枝叶密度生物信息的光谱探测。
文档编号G01N21/01GK102262057SQ20111010805
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月28日 优先权日2011年4月28日
发明者孟志军, 赵春江, 邓巍, 陈立平 申请人:北京农业信息技术研究中心
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
