光學系統(tǒng)是作物生長光譜監(jiān)測設備核心模塊之一,直接決定了設備測量的精度和可靠性。本文基于作物生長光譜監(jiān)測原理,提出了適用于稻麥冠層光譜監(jiān)測的光學系統(tǒng)設計方案,設計了一種中功率、小角度LED作為發(fā)光光源,采用了擴散片光路系統(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)準直后光斑均勻性低等關鍵難題。研究結(jié)果對于提高作物生長監(jiān)測儀的整體性能,推進作物栽培智能化設備的應用,促進我國精確農(nóng)業(yè)自主創(chuàng)新具有重要的意義。首先,本文基于作物生長光譜監(jiān)測原理,利用課題組近年來關于稻麥生長信息敏感波段在730nm和810nm波長附近的研究成果,提出了光學系統(tǒng)設計方案: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,對發(fā)光光學系統(tǒng)進行了設計和仿真:基于非成像光學理論,建立透鏡及反光杯幾何模型,并通過對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)測儀的便攜性。發(fā)光光路的設計,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(長軸長30cm,短軸長10cm)的要求,對比不同規(guī)格的擴散片,選取100×300規(guī)格的擴散片光路系統(tǒng),仿真結(jié)果表明光斑均勻性相對傳統(tǒng)的柱面鏡光路系統(tǒng)提升了 20%。另外,對感光光學系統(tǒng)進行了設計和仿真:基于幾何光學原理,建立菲涅爾透鏡幾何模型,計算菲涅爾透鏡參數(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,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,驗證結(jié)果表明光敏二極管工作在線性區(qū)域內(nèi),R2值達到0.99,保證了測量精度。最后,對本文設計的光學系統(tǒng)進行了性能仿真和實物測試。仿真測試首先通過近場光源分布測試系統(tǒng)得到LED的光學文件,再將其導入Tracepro光學仿真軟件,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,再通過公式計算出均勻性,與光源均勻性測試平臺所測得的實物光斑均勻性進行比較,結(jié)果表明本文設計的光學系統(tǒng)光斑均勻性達到80%以上,能夠滿足測試需求。對標準反射率灰度板的測試表明,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。田間稻麥試驗表明,主動式作物生長監(jiān)測儀獲取的NDVI和RVI值與ASD地物光譜儀具有良好的相關性,R2達到0.82以上。表明本文設計光學系統(tǒng)滿足田間測試的需求。
【學位單位】：南京農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2016
【中圖分類】：S237
【部分圖文】：

圖２－１光學系統(tǒng)結(jié)構示意圖逡逑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為準直逡逑７逡逑

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逑本系統(tǒng)要求的設計目標為在高度６０Ｃｍ－１００ｃｍ時，形成一個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艄忮義險丈淶降孛嬪系母Ｕ斬確植紀跡艄庠冢罰常埃睿硨停福保埃睿碭澆母Ｕ斬任歟祝恚�，辶x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�。辶x希保靛澹蟈義希懾澹А鰣危蓿苠義希

本文編號：2827342