专利名称：绿色植物光谱探测器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光谱探测技术领域，特别是涉及一种绿色植物光谱探测器。
背景技术：
光是一种具有一定波长范围的电磁波，以电磁辐射的方式在空间传播。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)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。光谱识别方法的优点是反应迅速、结构简单、成本低、易形成商业化。利用光谱特性识别杂草的方法在实时性方面具有明显的优势。因此，不论从实时性角度还是从经济性要求来看，深入研究杂草的光谱特征及识别方法很有必要，具有良好的应用前景。[0003] 红外线探测技术就是一种光谱探测技术，其原理是利用红外发光管发射出红外光线照射到被探测的物体上，经反射回来的红外线若被接收装置接收到，即可确定目标位置，并将接收到的光信号转换成开关控制信号，控制相应的执行元件动作，如控制相应的电磁阀动作，使喷嘴喷施药液。对于红外线光谱探测技术，在探测到任何靶标时都会动作，但在实际田间喷施农药时会遇到一些非喷施对象的障碍物，如枯树、电线杆、栅栏、麦茬等，给这些靶标喷施农药会造成浪费和环境污染。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种通过光谱识别技术识别绿色植物与其他物体、从而对绿色植物进行自动点喷施药的绿色植物光谱探测器。 为达到上述目的，提供一种依照本实用新型实施方式的绿色植物光谱探测器，所述绿色植物光谱探测器包括 传感单元，用于探测待测物体在不同波段的反射信号，并将所述信号转化为数字信号； 处理单元，与所述传感单元连接，用于利用所述数字信号计算绿色植物判别指数，并将其与绿色植物判别指数阈值进行比较，得出比较结果； 控制执行单元，与所述处理单元相连，用于根据处理单元得到的比较结果打开或关闭电磁阀以开始或停止对待测物体施药。[0009] 优选地，所述传感单元包括 感光子单元，用于感知待测物体在不同波段的反射光能并产生反射信号；[0011] 信号放大子单元，与所述感光子单元连接，对所述反射信号进行放大处理；[0012] 多路选择子单元，与所述信号放大子单元连接，用于分时将多路放大处理过的光电反射信号传给模数转换子单元；以及 模数转换子单元，与所述多路选择子单元连接，用于将所述光电反射信号转换成数字信号。 优选地，所述传感单元还包括电压跟随子单元，与所述信号放大子单元连接，用于阻抗匹配和电压保护。
优选地，利用下式计算所述绿色植物判别指数[0016] GPDI = RNIK/Rred 其中GPDI为绿色植物判别指数，R，为待测物体在近红外某波段的反射率，R^为
待测物体在可见红光某波段的反射率。
优选地，所述控制执行单元包括 继电器，用于根据处理单元得到的比较结果开启或者关闭电磁阀；[0020] 电磁阀，在所述继电器的控制下打开或关闭，以开始或停止对待测物体施药。[0021] 优选地，所述绿色植物光谱探测器还包括输入单元，用于输入用户控制信息。[0022] 优选地，所述输入单元是键盘。 优选地，所述绿色植物光谱探测器还包括显示单元，用于显示探测结果以及用户控制信息。 优选地，所述显示单元为LCD显示屏。 该技术方案具有以下优点通过光谱探测技术对绿色植物和其周围的物体进行识别，之后针对绿色植物进行点片施药，同传统的全田大面积施药法相比，减少了无靶喷施，节省了药量，降低了成本；针对性地点片施药有利于避免药害、降低土壤残留。该技术方案可正确识别绿色植物和背景，实现精确的对靶喷施，具有广阔的应用前景。
图1是土壤和绿色植物的典型反射率光谱曲线； 图2是本实用新型的绿色植物光谱探测器的结构示意图； 图3是本实用新型的绿色植物光谱探测器的工作流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。 在可见光波段内，有生命的绿色植物叶片中所含的叶绿素吸收红色光波段的入射光能，使绿色植物对红光波段入射光能的反射率较低，而土壤、岩石和无生命的植物残余物对红色光波段入射光能的反射率较高。在近红外光波段内，绿色植物对入射光能的反射能力很强，土壤背景及无生命植物对入射光能的反射率明显低于植物的反射率。[0031] 土壤和绿色植物的典型反射率光谱曲线如图1所示。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。背景(土壤、植物残体，如麦茬)的反射特性与之形成了鲜明的对比，在可见红光与近红外波段的反射率特性完全不同，如图1中"红边"(即可见光波段与近红外波段之间的分隔线)两侧的反射率。 本实用新型利用"红边"两侧绿色植物与土壤反射率的较大差异，设定差异阈值，采取光谱识别方法，识别绿色植物与土壤背景。利用R，代表某一物质在"红边"右侧，即近红外区域某波长处的反射率；R^代表某一物质在"红边"左侧，即可见红光区域某波长处的反射率；定义GPDI = RNIK/Rred为绿色植物判别指数(Green PlantDiscriminant Index,GPDI)，它等于某一被测物质在近红外某波长的反射率与在可见红光某波长的反射率的比值。由于绿色植物吸收红光波段的入射光能，反射近红外波段的入射光能，而背景(土壤、 植物残体，如麦茬)对近红外波段入射光的反射率较低，因此可用GPDI的大小反映被测物 质是否是绿色植物。对于某一被测物质，当GPDI大于某一阀值GPDI^时，可认为是植物，当 GPDI小于阀值GPDITH时，可认为是背景。 以下介绍阀值GPDITH的选择。测量并选择提取"红边"左侧650nm处和"红边"右 侧850nm波长处的反射率，分别定义为和RNIK，利用下述公式，计算绿色植物判别指数 GPDI = RNIK/Rred 对于某一田间的具体状况和所要求的探测精度，根据采样的被测物质绿色植物判 别指数GPDI的计算结果，分析、选择并调节区分绿色植物与背景的阈值，即作为绿色植物 判别指数阈值GPDI『 如图2所示，本实用新型实施例提供了一种绿色植物光谱探测器，包括传感单 元，用于探测待测物体在不同波段的反射信号，并将所述信号转化为数字信号；处理单元， 与所述传感单元连接，用于利用所述数字信号计算绿色植物判别指数，并将其与绿色植物 判别指数阈值进行比较，得出比较结果，即该待测物体是否为绿色植物；控制执行单元，与 所述处理单元相连，用于根据处理单元得到的比较结果打开或关闭电磁阀，以开始或停止 对待测物体施药。 优选地，所述传感单元包括感光子单元，用于感知待测物体在某波段处的反射信 号；信号放大子单元，与所述感光子单元连接，对所述反射信号进行放大处理；多路选择子 单元，与所述信号放大子单元连接，用于分时将多路放大处理过的光电反射信号传给模数 转换子单元；以及模数转换子单元，与所述多路选择子单元连接，用于将所述模拟信号转换 成所述数字信号。优选地，所述传感单元还包括电压跟随子单元，与所述信号放大子单元连 接，用于阻抗匹配和电压保护。其中，所述感光子单元为感光器件，信号放大子单元为信号 放大器，多路选择子单元为多路选择器，模数转换子单元为模数转换器，电压跟随子单元为 电压跟随器。所述处理单元选择单片机AT89S51。所述绿色植物光谱探测器还包括输入单 元，用于输入用户控制信息。所述输入单元可以是键盘。所述绿色植物光谱探测器还包括 显示单元，用于显示探测结果以及用户控制信息。所述显示单元为LCD显示屏。 如图3所示，该实施例优选两个感光器件感知待测物体在650nm和850nm波段 处的反射信号，由信号放大器对所述反射信号进行放大处理，由多路选择器分时将两路放 大处理过的光电反射信号传给模数转换器，由模数转换器将所述模拟信号转换成所述数 字信号。之后，由核心处理器读入数字信号，计算绿色植物判别指数(GPDI)，与GPDI阈值 (GPDITH)相比较，做出判断，发出控制信号，控制执行单元作出相应的动作。当GPDI > GPDITH 时，则判别被测对象为绿色植物，发出控制信号，打开电磁阀，喷洒农药；当GPDI < GPDITH 时，则判别被测对象为背景，发出控制信号，关闭电磁阀，不喷洒农药。其中，利用下式计算 所述绿色植物判别指数 GPDI = RNIK/Rred 其中GPDI为绿色植物判别指数，RNIK为待测物体在近红外850nm波长处的反射率， Rred为待测物体在可见红光650nm处的反射率。 由以上实施例可以看出，本实用新型实施例通过光谱探测技术对绿色植物和其周 围的物体进行识别，之后针对绿色植物进行点片施药，同传统的全田大面积施药法相比，减少了无靶喷施，节省了药量，降低了成本；针对性地点片施药有利于避免药害、降低土壤残 留。该技术方案可正确识别绿色植物和背景，实现精确的对靶喷施，具有广阔的应用前景。 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改 进和变型也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求一种绿色植物光谱探测器，其特征在于，所述绿色植物光谱探测器包括传感单元，用于探测待测物体在不同波段的反射信号，并将所述反射信号转化为数字信号；处理单元，与所述传感单元连接，用于利用所述数字信号计算绿色植物判别指数，并将其与绿色植物判别指数阈值进行比较，得出比较结果；控制执行单元，与所述处理单元相连，用于根据处理单元得到的比较结果打开或关闭电磁阀以开始或停止对待测物体施药。
2. 如权利要求1所述的绿色植物光谱探测器，其特征在于，所述传感单元包括感光子单元，用于感知待测物体在不同波段的反射光能，并产生光电反射信号；信号放大子单元，与所述感光子单元连接，对所述反射信号进行放大处理；多路选择子单元，与所述信号放大子单元连接，用于分时将多路放大处理过的光电反射信号传给数模转换子单元；以及模数转换子单元，与所述多路选择子单元连接，用于将所述光电反射信号转换成所述数字信号。
3. 如权利要求2所述的绿色植物光谱探测器，其特征在于，所述传感单元还包括电压跟随子单元，与所述信号放大子单元连接，用于阻抗匹配和电压保护。
4. 如权利要求1所述的绿色植物光谱探测器，其特征在于，利用下式计算所述绿色植物判别指数GPDI = RNIK/Rred其中GPDI为绿色植物判别指数，R^为待测物体在近红外某波段的反射率，R^为待测物体在红光某波段的反射率。
5. 如权利要求1所述的绿色植物光谱探测器，其特征在于，所述控制执行单元包括继电器，用于根据处理单元得到的比较结果控制电磁阀的开启或者关闭；电磁阀，在所述继电器的控制下打开或关闭以开始或停止对待测物体施药。
6. 如权利要求1所述的绿色植物光谱探测器，其特征在于，所述绿色植物光谱探测器还包括输入单元，用于输入用户控制信息。
7. 如权利要求6所述的绿色植物光谱探测器，其特征在于，所述输入单元是键盘。
8. 如权利要求1所述的绿色植物光谱探测器，其特征在于，所述绿色植物光谱探测器还包括显示单元，用于显示探测结果以及用户控制信息。
9. 如权利要求8所述的绿色植物光谱探测器，其特征在于，所述显示单元为LCD显示屏。
专利摘要本实用新型公开了一种绿色植物光谱探测器，包括传感单元，用于探测待测物体在不同波段的反射信号，并将所述反射信号转化为数字信号；处理单元，与所述传感单元连接，用于利用所述数字信号计算绿色植物判别指数，并将其与绿色植物判别指数阈值进行比较，得出比较结果；控制执行单元，与所述处理单元相连，用于根据处理单元得到的比较结果打开或关闭电磁阀以开始或停止对待测物体施药。该技术方案可正确识别绿色植物和背景，实现精确的对靶喷施，具有广阔的应用前景。
文档编号G01V8/10GK201464662SQ200920110499
公开日2010年5月12日 申请日期2009年8月13日 优先权日2009年8月13日
发明者翟长远, 赵春江, 邓巍, 陈立平 申请人:北京市农林科学院