用于農(nóng)作物組分信息檢測的便攜式LVF光譜儀的開發(fā).pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，近紅外光譜儀被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物組分信息研究領(lǐng)域。目前，應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中的光譜儀大多以學(xué)術(shù)研究為目的，雖然具有精度高、檢測范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但若用于田間檢測，則存在操作復(fù)雜、體積較大、不方便攜帶、檢測周期長、不能在線檢測等問題，對操作者的專業(yè)素養(yǎng)要求很高，不易普及應(yīng)用。針對農(nóng)業(yè)上作物營養(yǎng)成分檢測的快速化、小型化和低成本的需求，在863課題(2012AA10A503)、北京市自然科學(xué)基金(4142019)、農(nóng)業(yè)部

2、公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)(201003008-07)等項(xiàng)目共同資助下，研制了用于農(nóng)作物組分信息檢測的便攜式光譜儀。
　　論文主要包括以下研究內(nèi)容:
　　1.闡述了作物組分信息快速檢測在精細(xì)農(nóng)業(yè)上的重要性;分析了光譜儀在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀;分析了光譜儀在農(nóng)作物、蔬菜和水果檢測上的應(yīng)用需求;結(jié)合實(shí)際對本儀器進(jìn)行需求分析;根據(jù)儀器需求進(jìn)行技術(shù)分析;最后，提出儀器的總體設(shè)計(jì)方案。
　　2.本儀器的硬件系統(tǒng)主要包括光學(xué)和電子硬件

3、兩部分。光學(xué)模塊中分別采用光纖和線性可調(diào)諧濾光片(LVF)完成入射光傳輸和分光的功能。電子硬件系統(tǒng)中采用CMOS光電探測器和C9001驅(qū)動電路完成光電轉(zhuǎn)換的功能;采用數(shù)據(jù)采集板卡完成對電信號的處理和分析;采用GPRS無線傳輸模塊將儀器分析的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)椒?wù)器。經(jīng)過分析，本研究選擇了效果好、集成度高、體積小的元器件。最后，完成整個(gè)硬件系統(tǒng)的搭建，對儀器進(jìn)行封裝。
　　3.本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上采用的WinCE6.0操作系統(tǒng)，VS2008

4、的編程環(huán)境。本儀器實(shí)現(xiàn)的功能主要包括光譜數(shù)據(jù)采集并以波形的形式顯示、暗電流標(biāo)定、白板標(biāo)定、光譜數(shù)據(jù)的保存、積分時(shí)間設(shè)置、掃描次數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)分析和顯示農(nóng)作物組分信息、將組分信息通過GPRS模塊無線傳輸?shù)椒?wù)器等。為了便于操作，本研究設(shè)計(jì)了簡潔的操作界面。
　　4.儀器設(shè)計(jì)完成后，本研究采用可調(diào)諧激光器進(jìn)行波長的定標(biāo)，從而校正加工和裝配造成的光譜分布偏離設(shè)計(jì)位置所產(chǎn)生的誤差。標(biāo)準(zhǔn)波長與定標(biāo)前的波長最大偏差是11.506，最小偏差是0.

5、947;標(biāo)準(zhǔn)波長與定標(biāo)后的波長最大偏差是4.577，最小偏差是0.481。結(jié)果表明:對光譜儀進(jìn)行波長的校準(zhǔn)很有必要且有一定的效果。
　　5.通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本光譜儀在小麥、蔬菜和蘋果組分信息檢測的可行性。(1)在室外自然光照的條件下，對冬小麥5個(gè)主要生理期的冠層葉片進(jìn)行反射光譜采集，用偏最小二乘法對光譜值與葉綠素和水分含量建立預(yù)測模型，相關(guān)系數(shù)分別為0.893和0.918。說明了本儀器在冬小麥組分信息檢測上具有可行性。(2)在室內(nèi)鹵鎢

6、燈光照條件下，對小白菜、油菜、菠菜和生菜葉片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲取600nm-1100nm的光譜值，采用多元回歸方法與SPAD建立預(yù)測模型，相關(guān)系數(shù)分別為0.854、0.93、0.73和0.696。說明了本儀器在蔬菜組分信息檢測上具有可行性。(3)在室內(nèi)鹵鎢燈光照條件下，對蘋果進(jìn)行試驗(yàn)，獲取光譜反射率。用偏最小二乘法對獲取光譜值與蘋果糖度建立預(yù)測模型，相關(guān)系數(shù)為0.89。說明了本儀器在蘋果糖度檢測上具有可行性。
　　本文將最終研制的用于農(nóng)