农作物反射光谱微弱信号检测装置研究

摘要

以农学中植物生长态势和植物在546、710、810nm光谱波段点反射率的相关研究成果为基础,设计实用农作物反射光谱微弱信号检测系统,诊断植物生长态势。因为诊断有效光谱带宽仅为10nm,通过窄带滤光片分离特定波长段光谱后,光电检测传感模块获取的反射光谱能量很小,光电流信号仅为μA级。检测器近距离采集作物反射光谱还受到环境日照、土壤以及植株等因素的影响,非常容易被噪声淹没。
　　 针对光谱信号转换和光电检测的微弱电流,根据植物生长态势无损采集特征光谱信息,检测仪器现场的功能要求,研究完成光学系统的结构设计,研制了光电检测传感器集成。设计了低噪声低功耗的光电微弱信号放大电路,采取了相应设计选择合适的光电检测传感器,将Ⅰ-Ⅴ转换与积分电路相结合,增加滤波电路与调零电路,采用T型网络电阻作为反馈电阻,二级放大电路的设计改善了高值电阻引入的噪声干扰与大分布电容的缺陷,保证系统的带宽与增益。减小温度漂移。在电路板低噪声设计、电磁兼容、元器件布局、防漏电、接地与屏蔽等方面也采取相应措施。
　　 按照农作物光谱反射率机理,入射区域和反射区域的面积应该相等,但同等入射区域的光物理量难于检测,考虑仪器装置的现场使用实用性、低成本和易于调节等目标,设计电路采用美国Cropscan公司的MSR-16多波段光谱仪与照度计对检测结果进行标定,通过大量实际实验,由最小二乘拟合修正数据,并采用二维插值方法,标定全检测光谱范围,获取光谱反射率近似值。
　　 研究结果表明,本设计的微弱电流检测系统能够有效滤除干扰,测量微弱电流,有良好的稳定性,检测精度与系统线性度达标。据此诊断营养元素的缺失,能够达到定量反映农作物生长态势的功能。