[發明專利]一種基于激光探測分析技術的車載農作物氮素檢測裝置及其檢測方法

有效

• 申請號: 202010553759.8
• 申請日: 2020-06-17
• 公開（公告）號: CN111678872B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發明（設計）人: 汪六三;王儒敬;黃子良;劉源;黃河
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01N21/27
• 分類號: G01N21/27;H01S5/068;H01S5/0683;G05B19/042
• 代理公司: 合肥國和專利代理事務所(普通合伙) 34131
• 代理人: 張祥騫

1.一種基于激光探測分析技術的車載農作物氮素檢測裝置，包括農機車體，所述的農機車體駕駛室頂部安裝有激光探頭組件，所述的激光探頭組件的輸出端通過CAN總線與工業顯示屏的輸入端相連，其特征在于：

所述的激光探頭組件包括激光發射模塊和光接收模塊，所述的激光發射模塊包括第一激光二極管和第二激光二極管，第一激光二極管與第二激光二極管的位置相平行且其發射端口的延長線均與農機車體駕駛室頂部水平面呈45度夾角；

所述的光接收模塊包括第一平透鏡、第二平透鏡、第一窄帶濾光片、第二窄帶濾光片、第一光電二極管、第二光電二極管、第一前置放大器、第二前置放大器，第一平透鏡和第二平透鏡收集作物漫反射光分別聚焦于對應的第一激光二極管與第二激光二極管；

所述的激光發射模塊還包括第一激光驅動器、第二激光驅動器、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第一溫度控制器、第二溫度控制器、第一分束器、第二分束器、第一光電二極管、第一放大電路、第一反饋電路、第二光電二極管、第二放大電路、第二反饋電路；第一前置放大器、第二前置放大器分別放大對應的光電二極管信號，第一前置放大器、第二前置放大器放大倍率自動調節，數字鎖相放大器連接光接收模塊，數字鎖相放大器為雙通道，數字鎖相放大器內部集成有信號發生模塊，輸出第一方波和第二方波分別調制第一激光二極管、第二激光二極管，兩方波頻率相同，第二方波經過了反相電路，相位與第一方波相差180°，數字鎖相放大器解調來自光接收模塊的信號，數字鎖相放大器信號輸出端連接模數轉換模塊，微處理器控制溫度控制器、數字鎖相放大器、模數轉換模塊，并進行歸一化植被指數NDVI計算，微處理器為ARM或DSP，溫度控制器、數字鎖相放大器、模數轉換模塊、溫度傳感器均與微處理器相連，CAN總線接口用于與上位機通訊，電源模塊給整個裝置供電。

2.根據權利要求1所述的一種基于激光探測分析技術的車載農作物氮素檢測裝置，其特征在于：所述的第一激光二極管的波長為730nm、第二激光二極管的波長為808nm，第一激光二極管和第二激光二極管功率均為1瓦。

3.根據權利要求1所述的一種基于激光探測分析技術的車載農作物氮素檢測裝置，其特征在于：所述第一窄帶濾光片和第二窄帶濾光片的波長分別為730nm、808nm，帶寬均為10nm；第一平透鏡、第二平透鏡的焦距均為30mm。

4.根據權利要求1所述的一種基于激光探測分析技術的車載農作物氮素檢測裝置的檢測方法，其特征在于，包括以下步驟：

41)激光器輸出功率穩定控制：溫度反饋和功率反饋雙控制策略，通過第一、第二溫度傳感器測量兩激光器溫度，第一、第二溫度控制器根據溫度傳感器的測量結果調節，以達到二激光器溫度穩定，從而二激光器輸出功率穩定；通過第一、第二分束器分束激光器輸出的部分光束，第一、第二光電二極管、第一、第二放大電路對部分光束探測并放大，第一、第二反饋電路將放大信號與設定的值進行比較，調節二激光器驅動電路，以達到激光器輸出功率穩定；

42)激光探測信號的發出：激光探測信號高頻調制輸出，數字鎖相放大器兩通道分別輸出方波，兩通道的方波頻率相同，分別調制第一激光二極管、第二激光二極管；調制第二激光二極管的方波經過了反相電路，使其與第一方波相位相差180°，第一激光二極管就和第二激光二極管周期性交換觸發，激光以一定傾斜角度發射；

43)激光探測反饋信號的接收：激光反饋信號雙光路探測，發射的激光照射于作物上產生漫反射光，漫反射光由光接收模塊中的第一光接受模塊、第二光接受模塊收集；

44)激光信號的預處理：激光反饋信號數字鎖相解調，收集的信號經過第一前置放大電路、第二前置放大電路信號放大處理，再通過雙通道獨立數字鎖相放大器解調，第一前置放大電路、第二前置放大電路根據接收到的信號大小自動調節放大倍率；

45)歸一化植被指數的計算：微處理器進行計算處理，計算出歸一化植被指數NDVI，歸一化植被指數NDVI公式如下：

其中R₈₀₈、R₇₃₀分別為808nm激光二極管、730nm激光二極管漫反射光反射率；

46)作物氮素反演模型構建：利用實時測量的作物歸一化植被指數NDVI及其對應作物實驗室方法測量的作物氮素數據通過偏最小二乘法構建作物氮素反演模型；

47)未知樣本作物氮素檢測：利用作物氮素反演模型對未檢測作物的氮素進行檢測。