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《南京农业大学》 2016年
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主动式作物生长监测仪光学系统设计与仿真研究

吴如颂  
【摘要】:光学系统是作物生长光谱监测设备核心模块之一,直接决定了设备测量的精度和可靠性。本文基于作物生长光谱监测原理,提出了适用于稻麦冠层光谱监测的光学系统设计方案,设计了一种中功率、小角度LED作为发光光源,采用了扩散片光路系统作为发光光路,解决了发光光源功率小、发光系统准直后光斑均匀性低等关键难题。研究结果对于提高作物生长监测仪的整体性能,推进作物栽培智能化设备的应用,促进我国精确农业自主创新具有重要的意义。首先,本文基于作物生长光谱监测原理,利用课题组近年来关于稻麦生长信息敏感波段在730nm和810nm波长附近的研究成果,提出了光学系统设计方案:发光系统照射产生满足作物需求(面积不小于1000cm2,强度不小于1W/m2)的椭圆形均匀光斑,感光系统接收发光系统产生的光线经冠层反射之后的漫反射光。其次,对发光光学系统进行了设计和仿真:基于非成像光学理论,建立透镜及反光杯几何模型,并通过对比仿真得到的配光曲线,优化透镜参数(顶部球半径、圆柱体高度)及反光杯参数(底部半径、顶部半径),得到了功率为400mw、半值角为100的LED作为发光光源,满足了发光光源的功率要求,又提升了监测仪的便携性。发光光路的设计,两波段LED呈交叉分布,目的是使两波段的LED发出的光线在冠层基本重合,照射同一区域;基于光斑尺寸(长轴长30cm,短轴长10cm)的要求,对比不同规格的扩散片,选取100×300规格的扩散片光路系统,仿真结果表明光斑均匀性相对传统的柱面镜光路系统提升了 20%。另外,对感光光学系统进行了设计和仿真:基于几何光学原理,建立菲涅尔透镜几何模型,计算菲涅尔透镜参数(透镜倾角),得到了一款焦距为15mm的菲涅尔透镜作为感光光路核心部件,相比传统凸透镜,菲涅尔透镜具有质量轻、体积小的特点,提升了仪器的便携性。感光器件选择光敏二极管作为感光元件,验证结果表明光敏二极管工作在线性区域内,R2值达到0.99,保证了测量精度。最后,对本文设计的光学系统进行了性能仿真和实物测试。仿真测试首先通过近场光源分布测试系统得到LED的光学文件,再将其导入Tracepro光学仿真软件,建立系统模型,追迹光线,得到不同高度处光斑辐照度分布图,再通过公式计算出均匀性,与光源均匀性测试平台所测得的实物光斑均匀性进行比较,结果表明本文设计的光学系统光斑均匀性达到80%以上,能够满足测试需求。对标准反射率灰度板的测试表明,随着高度的变化,比值植被指数RVI值在60-80cm高度下变化的均方根误差(RMSE)为0.1081,而NDVI在60-80cm高度下变化的RMSE为0.0192。田间稻麦试验表明,主动式作物生长监测仪获取的NDVI和RVI值与ASD地物光谱仪具有良好的相关性,R2达到0.82以上。表明本文设计光学系统满足田间测试的需求。
【学位授予单位】:南京农业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:S237

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