基于可见-近红外光谱的植物叶绿素含量无损检测方法研究

叶绿素含量是植物营养胁迫、光合作用能力和生长状况的良好指示剂。实时、可靠的作物营养诊断是进行科学施肥管理的基础,也是实施精细农业的关键技术之一。文章提出了一种应用可见-近红外光谱技术检测植物叶绿素含量的方法。采用透反射测样方式获取了植物叶片的可见-近红外光谱,并对获得的500～900 nm光谱数据进行平滑、一阶微分以及小波变换等预处理,然后采用偏最小二乘法(PLS)建立了植物叶片叶绿素含量与叶片吸收光谱的定量分析模型,最后利用该模型对预测集样本进行预测。预测集中样本的预测值与标准值之间的相关系数为0.93,预测均方根误差为1.1 SPAD。实验结果表明,利用可见-近红外光谱检测叶片叶绿素含量是可行的,这对今后实现快速无损检测植物叶绿素含量具有重要的指导意义。     

基于近红外光谱技术的人体血糖浓度无创检测系统的研制

开发了一种小型化人体血糖浓度无创检测系统,该系统可实现人体血糖浓度的快速、实时、无创检测,主要由嵌入式系统、夹具、光源系统和微型光栅光谱仪四部分组成。提出了一种光源稳压驱动电路方案,可满足多种光谱采集条件对光源的要求。同时提出了一种一体化夹具设计方案,不仅简化了系统的光学结构,而且提高了测量条件的可重复性。分别用小波去噪和核偏最小二乘法对采集的光谱数据进行预处理和数学建模,并对系统进行性能评价,血糖浓度预测值与标准值的相关系数为0.95,预测均方根误差为0.6mmol.L-1,系统的重复性较好。     

基于 PROSPECT模型的蔬菜叶片叶绿素含量和SPAD值反演

叶绿素含量是衡量植物营养和病虫害发生情况的重要指标。传统的分光光度法对植物叶片破坏性较大且无法实时、快速、无损地获取叶绿素含量。新兴的利用叶绿素仪测量叶绿素相对含量（以下简称SPAD值）的方法不能定量获取实际含量。光学辐射传输模型PROSPECT从生物物理、化学的角度以及能量传输的过程出发,定量描述了叶片色素、水分、结构参数等对叶片反射光谱的影响。因此,提出利用PROSPECT模型同时反演蔬菜叶片叶绿素含量和SPAD值,实时、快速、无损、定量获取植物叶片叶绿素的含量。第一,多次测量三种蔬菜叶片的反射光谱,并用叶绿素仪测量SPAD值。然后,预处理光谱数据,获得平均反射率光谱。第二,以欧式距离为评价函数,利用PROSPECT模型对实测反射率光谱进行拟合。拟合过程中三种蔬菜欧式距离最大为0.008 9,最小为0.006 4,平均为0.007 5,表明该模型能够很好地拟合蔬菜叶片的反射率光谱。第三,根据拟合结果,反演叶绿素含量和透射率光谱,再根据透射率光谱获取叶片在940和650 nm波长处的光透过率,计算叶片的反演SPAD值。第四,建立反演叶绿素含量、反演SPAD值与实测SPAD值的关系模型。结果表明: (1)利用该模型反演得到的叶绿素含量值与实测SPAD值有较好的线性关系, 其关系模型为：y=1.463 3x+16.374 3,两者相关系数为0.927 1,模型的决定系数为0.862,均方根误差为2.11;(2)利用该模型反演得到的SPAD值与实测SPAD值之间线性关系较好,其关系模型为：y=0.986 9x-0.668 3,两者相关系数为0.845 1, 模型的决定系数为0.714 3,均方根误差为3.380 2。研究表明,通过测量植物叶片的反射率光谱,利用PROSPECT模型可以无损、定量地获取蔬菜叶片的叶绿素含量和SPAD值。该方法可推广至其他植物的叶绿素测量和实时监测,为变量施肥、精准种植提供可靠的数据支持。研究结果对蔬菜生长态势的无损监测具有重要的意义。     

基于反射光谱技术的植物叶片SPAD值预测建模方法研究

植物叶片SPAD值反映了植物叶绿素含量,对特定的植物也反映了氮含量。为了实现植物叶绿素含量的快速无损检测,利用光纤反射光谱技术对植物叶片SPAD值进行了预测建模研究。实验中选取70个样本作为建模集,50个样本作为校验集。通过叶片光谱比对,发现光谱红边段650～750 nm对SPAD预测建模有直接关系。实验确定了光强调节因子和叶片厚度影响因子。首先通过待定系数法构造出SPAD预测公式,然后用Visual Basic6.0设计的遗传算法进行参数寻优,最后确定最佳敏感波段为683.24～733.91 nm。分析表明,叶片厚度对SPAD反射光谱模型精度有显著影响。经过叶片厚度修正后的建模集拟合因子R2为0.865 8, 校验集拟合因子R2为0.916 1。结果表明, 利用反射光谱技术建立的SPAD预测模型是成功的, 从而可为仪器开发提供方法指导。     

尖椒叶片叶绿素含量的近红外检测分析实验研究

应用傅里叶漫反射近红外光谱技术探讨了尖椒叶片叶绿素含量的无损检测方法。利用偏最小二乘法和主成分回归法分别建立了尖椒叶片叶绿素含量与漫反射光谱间的数学模型,同时对不同光谱预处理方法和不同建模波段范围对模型的预测性能进行对比分析。结果表明,用傅里叶变换光谱仪采集的原始光谱经平滑和基线校正对结果的影响不是很明显;利用PLS建模获得的结果明显好于采用PCR方法建模;原始光谱经二阶微分获得的预测结果比一阶微分光谱和原始光谱的预测结果好;剔除异常样本后,在全波段范围内原始光谱经二次微分的预测相关系数达到0.975 37,校正均方根误差和预测均方根误差分别为2.33和5.49。本研究说明, 应用近红外漫反射光谱检测叶片叶绿素含量是可行的,可为今后快速无损检测叶片叶绿素含量提供理论依据。     

利用高光谱扫描技术检测小麦叶片叶绿素含量

利用高光谱扫描技术对小麦叶片进行无损检测试验,探索精确测定小麦叶绿素含量的方法,为农作物生长状况、植物病理诊断等提供科学依据。研究选取90个样本作为校正集,30个样本作为预测集,获取叶片的高光谱反射图像,同时用传统的分光光度计方法测定其叶绿素含量。选取波长491～887 nm范围光谱,用多元散射校正、一阶导数、二阶导数3种方法处理,利用偏最小二乘法和逐步线性回归法分别建立了小麦叶片叶绿素含量与光谱信号间的数学模型。研究发现多元散射校正(MSC)结合二阶导数光谱的多元线性回归(SMLR)模型的效果较优,模型校正集和预测集决定系数分别为0.82和0.79,校正均方根误差和预测均方根误差分别为0.69和0.71。研究结果表明可以利用高光谱扫描技术检测小麦叶片叶绿素含量。     

基于高光谱成像技术的脐橙叶片的叶绿素含量及其分布测量

为实现脐橙叶片叶绿素含量无损检测及其分布可视化表征,采用高光谱成像技术,结合自适应重加权算法(CARS)和连续投影算法(SPA),筛选特征光谱变量,进行脐橙叶片叶绿素含量及可视化分布研究。选取叶绿素测量位置的7×7矩形感兴趣区域,提取并计算脐橙叶片平均光谱。基于Kennard-ston方法,将148个脐橙叶片样品划分成建模集和预测集(111∶37)。采用CARS和SPA算法分别筛选出了32个和6个叶绿素特征光谱变量,用于建立偏最小二乘(PLS)回归模型。采用37个未参与建模的脐橙叶片样品评价模型的预测能力,经比较,CARS-PLS和SPA-PLS模型均优于变量筛选前的PLS模型,且CARS-PLS和SPA-PLS模型的预测能力几乎相同,其预测集相关系数分别为0.90和0.91,均方根误差分别为1.53和1.60。SPA-PLS模型计算脐橙叶片每个像素点的叶绿素含量,经伪彩色变换,绘制了脐橙叶片叶绿素含量可视化分布图。实验结果表明:变量筛选方法结合高光谱成像技术,能够实现脐橙叶片叶绿素含量无损检测及叶绿素分布可视化表达,并简化了数学模型。     

彩色视觉测量中的LED照明系统设计

设计并制作了一套基于发光二极管(LED)的具有多颜色特征的光源系统,分析了光源工作原理,进行了光学结构设计.应用MAX16807芯片和脉宽调制(PWM)技术设计专用驱动电路,实现了LED的恒流驱动和亮度数字调制.实验证明,该光源预热后的照度、主波长和色品坐标稳定,辐照均匀度达到90%以上,可以满足彩色视觉测量的需要并取...     

GWLS-SVR模型的红枣树叶片叶绿素含量估算

叶绿素含量是红枣树光合作用能力、生长状况、营养状况的指示剂,不同地理位置种植的红枣树受到自然、人为等因素的影响,叶绿素含量分布有所不同,该研究实地测定了若羌县枣树叶片高光谱反射率及表征叶绿素含量的枣树叶片SPAD(soil plant analysis development)值.为了高效无损地估算红枣树叶片SPAD值...     

转基因水稻及其亲本叶片的可见/近红外光谱分析

应用可见/近红外光谱技术实现了转基因水稻叶片的快速识别和叶绿素含量(SPAD)的快速检测。建立偏最小二乘-支持向量机(LS-SVM)鉴别模型,校正集的正确率为100%,同时应用连续投影算法(SPA)提取有效波长,建立SPA-LS-SVM鉴别模型,只用了全变量的0.3%进行建模,其预测集的正确率达到87.27%。在定量分析中,各模型的最优结果均来自经过正交信号校正(OSC)的光谱数据,经过SPA处理后的模型均优于最优的全波段PLS模型,说明SPA是一种有效的波长选择方法。最优SPAD值预测模型为SPA-LS-SVM,其相关系数(r)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.902 2和1.312 1,获得了满意的结果。这说明提出的SPA-LS-SVM方法能快速识别转基因水稻叶片并对SPAD值进行准确预测,为实现大田活体鉴别与连续监测提供了新方法。     

基于上位机控制的电焊机遥控操作系统的设计

针对目前采油厂普遍使用的直流电焊机在焊接过程中,需要根据金属质地的不同改变焊接电流大小,同时受空间限制,特殊工况下手工操作不便等问题,对基于上位机控制的电焊机遥控调整焊接电流外加装置进行了研究,提出了一种基于低功耗微处理器MSP430F149控制的无线射频遥控调流装置,该装置由电焊机控制端(下位机)和手持遥控端(上位机)两部分组成.手持遥控调流装置由微处理器MSP430F149,无线通信模块(nRF905),按键电路,显示模块,稳压电源及外围电路组成.电焊机控制装置由微处理器MSP430F149,直流电焊机,环境参数传感器,无线通信模块,稳压电源,有线无线转换开关及电流调节模块组成。实现了直流电焊机工作参数的远程调控,能够节约焊接施工的时间和人力成本,扩展焊机的使用场合。     

基于labview与容栅传感器的液位测控系统

根据容栅传感器的检测原理,设计了一套基于LabVIEW和容栅传感器的液位精密测控系统,精度达0.05ml。利用容栅传感器输出的电容信号经信号调理模块输入msp430单片机处理并精密控制液位,采用LabVIEW设计系统监控界面程序,实现系统数据的显示、存储、绘图以及人机控制测定仪工作等功能。可配装为数显测定仪和物体密度测量仪,人机界面良好,成本低,易推广。     

基于近红外光电技术的脑水肿无创监测方法

提出了基于近红外光电技术的脑水肿无创监测方法,对大鼠脑水肿的程度进行无创监测.阐述了监测设备的测量原理和系统组成,并对大鼠实验数据结果进行了分析.监测系统光源选用760 nm和程序850 nm的双波长发光二极管,通过恒流源电路驱动进行驱动.选用OPT101作为检测器,用锁相放大电路和滤波电路对所测信号进行处理.在LabVIEW环境下通过数据采集卡进行数据采集,并进行后期处理,该系统能够实时测量大鼠脑组织的血氧变化.利用该系统测量脑水肿模型的大鼠,分析了光强、血氧参量的变化与脑水肿变化的关系.研究结果表明近红外光电技术可应用于对大鼠脑水肿程度进行无损监测.     

适用于捷联惯导温度补偿的高精度测温系统

针对捷联惯导温度补偿的研究,设计了一种用铂电阻Pt1000作温度敏感器, ADS1148为信号调理和A/D转换的高精度双通道数字测温系统。采用高性能集成芯片、双恒流源式三线式配线法、比例输出结构和RC低通滤波器的设计,有效的简化了电路,增加了系统的抗干扰能力并减小了硬件误差;主控芯片采用MSP430单片机实现与ADS1148的通信和对上位机输出与温度数据相对应的16位数字量。试验结果表明该系统在捷联惯导温度补偿研究中所用的-40°C到60°C的温度范围内达到了0.002°C的分辨率。     

基于GSM和LabVIEW的温室大棚远程监控系统

为了实现智慧农业,设计了基于GSM和LabVIEW的温室大棚远程监控系统,系统以MSP430F149为处理器,通过放大电路及滤波电路对土壤湿度传感器、土壤PH值等微弱信号进行放大、滤波,实现对可移动天窗、遮阳系统、保温、喷滴灌系统进行实时自动调节、检测,创造植物生长的最佳环境指标,同时将测试结果利用GSM模块传到农户手机上,并通过串口实时远程传输给LabVIEW上位机显示。系统运行稳定,可靠性好、扩展性好,人机界面良好,具有广泛的市场应用前景。     

CCD多功能实验仪的设计与应用

介绍了CCD多功能实验仪的设计及其在大学物理实验中的应用．该实验仪主要由光路、硬件电路和软件3 部分组成．光路将待测物理量转化成相应的光信号,再经过硬件电路和软件的一系列处理转换成离散的电压信号,并在计算机上以图形方式显示结果．该测量系统可以完成多个与CCD光电技术相关的实验．     

声速测量实验仪的改进

针对原有声速测量仪中存在的不足,利用单片机、步进电机等器件构建控制电路,通过识别信号强度强弱变化来代替原有实验仪中手动操作,提高了实验精度.     

弹光调制光电转换放大电路设计

弹光调制干涉具调制的干涉光被探测器接收后输出高速变化的微弱电信号,能否将该电信号提取并放大输出对弹光调制-傅里叶变换光谱仪的研制至关重要。通过对调制干涉光进行理论分析,设计一种具有高信噪比和较高带宽的光电转换放大电路,主要由电源电路、光电转换电路、放大电路、理论通频带为100 kHz~3.5 MHz的带通滤波电路组成。实验结果表明:设计的电路能够将探测器输出的最大频率为1.6 MHz的信号放大至670 mV左右,实现了将探测器输出的微弱速变电信号从背景噪声中有效提取与放大,为后续傅里叶变换提供可靠数据。     

一种便携式漫反射LED均匀光源的设计与实现

为了满足光电探测仪器校准修正过程中对标准光源的要求,设计了一种采用积分球技术,通过纽扣电池供电的便携式漫反射LED均匀光源。给出了光源的装配图、主要零件3D图及电路图,并对其进行了详细说明。通过Matlab分析光源出光口CCD照片各像素的灰度值,得到出光口?14 mm范围内光强均匀度为95.1%;采用Ocean Optics USB 2000+型光谱仪分析光源出光口光强均匀性及漫反射性,得到沿出光口径方向2个位置光强与中心光强相比,分别下降了2.93%和6.30%的结果。光源出光口平面旋转10°,中心位置光强下降6.30%。测试分析表明:设计的光源具有较好的均匀度和漫反射性,在光电探测仪器校准方面具有一定的应用价值。     

InGaAs单光子探测器传感检测与淬灭方式

针对InGaAs单光子雪崩光电二极管(SPAD)的光电感应特性,研究了基于门控主动式淬灭的SPAD动态偏置控制和电路实现的策略.采用门控主动淬灭控制可降低淬灭时间,有效抑制暗计数和后脉冲效应.接口感应检测电路采用标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺进行制造,而SPAD则采用非标准CMOS工艺.利用铟柱互连混合封装工艺实现SPAD与感应接口电路的协同工作.在低温-30?C的条件下,实现了SPAD光触发雪崩电流信号的提取和快速淬灭.研究了感应电阻和临界检测电压对传感检测电性能的影响,并采用简单电路结构实现状态检测,实测得到的SPAD恢复时间、传输延时分别为575,563 ps,淬灭时间为1.88 ns,满足纳秒级精度传感检测应用的需要.