用于农作物组分信息检测的便携式LVF光谱仪的开发

发布时间：2017-10-08 02:09

  本文关键词：用于农作物组分信息检测的便携式LVF光谱仪的开发

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【摘要】：随着计算机技术和遥感技术的飞速发展,近红外光谱仪被广泛应用于农作物组分信息研究领域。目前,应用在农业中的光谱仪大多以学术研究为目的,虽然具有精度高、检测范围广等优点,但若用于田间检测,则存在操作复杂、体积较大、不方便携带、检测周期长、不能在线检测等问题,对操作者的专业素养要求很高,不易普及应用。针对农业上作物营养成分检测的快速化、小型化和低成本的需求,在863课题(2012AA10A503)、北京市自然科学基金(4142019)、农业部公益性行业(农业)科研专项(201003008-07)等项目共同资助下,研制了用于农作物组分信息检测的便携式光谱仪。论文主要包括以下研究内容:1.阐述了作物组分信息快速检测在精细农业上的重要性;分析了光谱仪在国内外的研究现状;分析了光谱仪在农作物、蔬菜和水果检测上的应用需求;结合实际对本仪器进行需求分析;根据仪器需求进行技术分析;最后,提出仪器的总体设计方案。2.本仪器的硬件系统主要包括光学和电子硬件两部分。光学模块中分别采用光纤和线性可调谐滤光片(LVF)完成入射光传输和分光的功能。电子硬件系统中采用CMOS光电探测器和C9001驱动电路完成光电转换的功能;采用数据采集板卡完成对电信号的处理和分析;采用GPRS无线传输模块将仪器分析的数据无线传输到服务器。经过分析,本研究选择了效果好、集成度高、体积小的元器件。最后,完成整个硬件系统的搭建,对仪器进行封装。3.本系统软件设计上采用的Win CE 6.0操作系统,VS2008的编程环境。本仪器实现的功能主要包括光谱数据采集并以波形的形式显示、暗电流标定、白板标定、光谱数据的保存、积分时间设置、扫描次数设置、实时分析和显示农作物组分信息、将组分信息通过GPRS模块无线传输到服务器等。为了便于操作,本研究设计了简洁的操作界面。4.仪器设计完成后,本研究采用可调谐激光器进行波长的定标,从而校正加工和装配造成的光谱分布偏离设计位置所产生的误差。标准波长与定标前的波长最大偏差是11.506,最小偏差是0.947;标准波长与定标后的波长最大偏差是4.577,最小偏差是0.481。结果表明:对光谱仪进行波长的校准很有必要且有一定的效果。5.通过实验验证本光谱仪在小麦、蔬菜和苹果组分信息检测的可行性。(1)在室外自然光照的条件下,对冬小麦5个主要生理期的冠层叶片进行反射光谱采集,用偏最小二乘法对光谱值与叶绿素和水分含量建立预测模型,相关系数分别为0.893和0.918。说明了本仪器在冬小麦组分信息检测上具有可行性。(2)在室内卤钨灯光照条件下,对小白菜、油菜、菠菜和生菜叶片进行实验,获取600nm-1100nm的光谱值,采用多元回归方法与SPAD建立预测模型,相关系数分别为0.854、0.93、0.73和0.696。说明了本仪器在蔬菜组分信息检测上具有可行性。(3)在室内卤钨灯光照条件下,对苹果进行试验,获取光谱反射率。用偏最小二乘法对获取光谱值与苹果糖度建立预测模型,相关系数为0.89。说明了本仪器在苹果糖度检测上具有可行性。本文将最终研制的用于农作物组分信息检测的光谱仪样机命名为便携式LVF光谱仪。本仪器不仅解决了普通光谱仪操作复杂、不易携带等问题,还具有其他光谱仪不具备的分析结果实时显示的功能。仪器内嵌检测物组分信息的反演模型,可实时输出组分信息,如叶绿素、水分含量等,让操作者更直观的获取所需数据。
【关键词】：农作物 组分信息 便携式 光谱仪 线性可调谐滤光片(LVF)
【学位授予单位】：河北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH744.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-15
• 1.1 研究背景及意义10
• 1.2 组分信息快速检测的重要性10-11
• 1.3 光谱检测在我国的应用前景11-12
• 1.4 光谱仪的研究现状12-13
• 1.5 本文主要研究内容13
• 1.6 本文的组成结构13-15
• 2 系统方案设计15-20
• 2.1 系统功能需求分析15
• 2.2 技术分析15-18
• 2.2.1 常用的分光系统15-17
• 2.2.2 软件界面设计和功能分析17-18
• 2.3 系统总体设计方案18-19
• 2.4 本章小结19-20
• 3 硬件系统设计20-30
• 3.1 光学系统部分20-22
• 3.1.1 光学系统总体设计20
• 3.1.2 线性可调谐滤光片20-21
• 3.1.3 光纤选型21-22
• 3.2 电子硬件系统部分22-28
• 3.2.1 电子硬件系统总体设计22-23
• 3.2.2 光电探测器选型23-24
• 3.2.3 光电探测器驱动电路选型24-25
• 3.2.4 数据采集器选型25-26
• 3.2.5 嵌入式主板选型26
• 3.2.6 GPRS无线传输模块选型26-27
• 3.2.7 电子硬件系统的连接实物图27-28
• 3.3 光谱仪的封装28-29
• 3.4 本章小结29-30
• 4 软件系统设计30-51
• 4.1 软件开发环境30-31
• 4.1.1 WinCE嵌入式操作系统30
• 4.1.2 面向对象的程序编程30-31
• 4.2 软件总体功能框架31-32
• 4.3 功能的具体实现32-45
• 4.3.1 基于MFC的用户界面基本框架设计32-34
• 4.3.2 二维坐标轴模块34-35
• 4.3.3 数据采集模块35-36
• 4.3.4 绘制和显示光谱曲线36-37
• 4.3.5 积分时间设置37-38
• 4.3.6 扫描次数设置38-39
• 4.3.7 文件保存设置39-40
• 4.3.8 保存成功提示及时间设置40-41
• 4.3.9 光谱计算模块41-42
• 4.3.10 数据发送模块42-45
• 4.4 便携式LVF光谱仪样机操作方法45-50
• 4.5 本章小结50-51
• 5 仪器的校准51-56
• 5.1 可调谐激光器简介51-52
• 5.2 波长定标方法52-53
• 5.3 波长定标结果53-55
• 5.4 本章小结55-56
• 6 便携式LVF光谱仪可行性实验验证56-67
• 6.1 实验仪器介绍56-58
• 6.1.1 卤钨灯简介56-57
• 6.1.2 叶绿素测定仪简介57
• 6.1.3 阿贝折光仪简介57-58
• 6.2 冬小麦组分信息检测实验58-61
• 6.2.1 实验方案58-59
• 6.2.2 实验结果59-61
• 6.3 蔬菜新鲜度检测实验61-64
• 6.3.1 实验方案61
• 6.3.2 实验结果61-64
• 6.4 苹果糖度检测实验64-66
• 6.4.1 实验方案64-65
• 6.4.2 实验结果65-66
• 6.5 本章小结66-67
• 7 总结与展望67-69
• 参考文献69-71
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果71-72
• 作者简介72-73
• 致谢73-74

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本文编号：991373