害虫计数与种类识别装置

摘要

本发明公开一种害虫计数与种类识别装置，能够提高害虫数量和害虫种类测量的准确度。装置包括：光学传感探头和电子学模块；光学传感探头包括收集漏斗、圆筒、收集装置、第一光电二极管阵列、第二光电二极管阵列、第一红外光源、第二红外光源，收集漏斗与圆筒连通，且置于圆筒上，收集装置位于圆筒下，第一红外光源与第一光电二极管阵列，以及第二红外光源与第二光电二极管阵列形成双对射对称结构，电子学模块对第一光电二极管阵列和第二光电二极管阵列输出的信号进行处理，得到依次经收集漏斗、圆筒落入收集装置中的害虫的数量，以及表征害虫尺寸大小的数字量，并根据数字量确定出害虫的种类。

权利要求

1.一种害虫计数与种类识别装置，其特征在于，包括：

光学传感探头和电子学模块；其中，

所述光学传感探头包括收集漏斗、圆筒、收集装置、第一光电二极管阵列、第二光电二极管阵列、第一红外光源、第二红外光源，所述收集漏斗与所述圆筒连通，且置于所述圆筒上，所述收集装置位于所述圆筒下，以确保害虫依次经所述收集漏斗、圆筒落入所述收集装置中，所述第一红外光源与第一光电二极管阵列，以及所述第二红外光源与第二光电二极管阵列形成双对射对称结构，所述第一红外光源和第二红外光源发出的红外面光束位于所述圆筒和收集装置之间，所述第一红外光源和第二红外光源的上发光面的边缘均与所述圆筒的下端面的外环相切，第一光电二极管阵列仅接收所述第一红外光源发出的红外面光束，第二光电二极管阵列仅接收所述第二红外光源发出的红外面光束，所述红外面光束的厚度小于害虫的长度，所述电子学模块连接所述第一光电二极管阵列和第二光电二极管阵列，对所述第一光电二极管阵列和第二光电二极管阵列输出的信号进行处理，得到依次经所述收集漏斗、圆筒落入所述收集装置中的害虫的数量，以及表征害虫尺寸大小的数字量，并根据所述数字量确定出所述害虫的种类。

2.根据权利要求1所述的害虫计数与种类识别装置，其特征在于，所述电子学模块，包括：信号调理模块、模数转换器和微处理器；其中，

所述信号调理模块连接所述第一光电二极管阵列和第二光电二极管阵列，用于对所述第一光电二极管阵列和第二光电二极管阵列输出的信号进行调理，所述模数转换器连接所述信号调理模块，用于对所述信号调理模块输出的信号进行模数转换，所述微处理器连接所述模数转换器，用于对所述模数转换器输出的信号进行处理，得到所述数量和数字量，并根据所述数字量确定出所述害虫的种类。

3.根据权利要求2所述的害虫计数与种类识别装置，其特征在于，所述电子学模块，还包括：相关检测器和信号发生器；其中，

所述相关检测器的第一输入端连接所述信号发生器的输出端，第二输入端连接所述信号调理模块的输出端，输出端连接所述模数转换器的输入端，所述相关检测器，用于获取所述信号发生器输出的参考信号和所述信号调理模块输出的信号，利用所述参考信号对所述信号调理模块输出的信号进行相关检测，并将得到的信号输出给所述模数转换器，所述参考信号的频率与所述信号调理模块输出的信号的频率相同，所述参考信号的相位与所述信号调理模块输出的信号的相位相同。

4.根据权利要求3所述的害虫计数与种类识别装置，其特征在于，所述电子学模块，还包括：光源驱动模块；其中，

所述光源驱动模块连接所述信号发生器、第一红外光源和第二红外光源，用于获取所述信号发生器输出的交流信号，根据所述交流信号驱动所述第一红外光源和第二红外光源发光。

5.根据权利要求1所述的害虫计数与种类识别装置，其特征在于，所述第一红外光源和第二红外光源形成一个平面内双红外面光束垂直照射结构。

6.根据权利要求1所述的害虫计数与种类识别装置，其特征在于，所述收集漏斗为锥形收集漏斗。

7.根据权利要求1所述的害虫计数与种类识别装置，其特征在于，所述收集装置为圆筒。

8.根据权利要求1所述的害虫计数与种类识别装置，其特征在于，所述圆筒和收集装置之间的缝隙的厚度在2mm与5mm之间，所述第一光电二极管阵列和第二光电二极管阵列的长度不小于所述圆筒的内径，所述第一光电二极管阵列和第二光电二极管阵列的宽度不小于所述第一红外光源和第二红外光源的厚度。

说明书

害虫计数与种类识别装置

技术领域

[0001] 本发明涉及红外传感技术与害虫群落监测领域，具体涉及一种害虫计数与种类识别装置。

背景技术

[0002] 害虫强大的繁殖能力能够使其在较大范围及地域中进行蔓延，每年都会造成农作物巨大的损失。为确保农产品产量，往往滥用杀虫剂，不仅给环境和生态带来了严重的污染与危害，而且残留在农产品中的杀虫剂也引起了食品安全问题。成年害虫群落达到峰值后，便会产下虫卵并繁殖大量新生幼虫，这一阶段是能够通过喷洒杀虫剂控制害虫的唯一阶段。因此，要想适时适量喷洒杀虫剂，有效地控制虫害，关键在于准确监测害虫群落规模，获取虫害爆发的时间和规模。

[0003] 无论是传统上的目测法及基于胶粘剂陷阱的手工计数法，还是使用了遥感光谱、雷达、机器视觉等现代技术的害虫监测系统，都存在一些问题，没能成为给定区域内害虫群落估计最常用最有效的方法。目前给定区域内估计害虫群落最常用最有效的方法仍然是结合诱捕陷阱的红外面光束传感技术。这种方法利用害虫趋光性或性信息激素对田间害虫进行诱捕，进入诱捕陷阱的害虫通过红外面光束与光电二极管对射的结构时，通过检测害虫遮挡红外面光束引起的光电二极管上光能的变化量，实现害虫个数自动计数。基于红外技术的害虫监测系统中，无论害虫计数精度还是害虫种类识别的准确度都与光电二极管上光能变化量密切相关。因此，要想利用红外传感技术准确实现害虫计数及种类识别，必须准确的获取害虫通过红外面光束的不同阶段引起光电二极管上光能变化量，并且对引起光能变化量的因素进行分析。国外科研人员采用这一技术，已经实现了储藏谷物害虫及果园梨小食心虫群落的实时动态监测。甚至在不使用性诱激素及电击陷阱的情况，利用这一技术获取害虫翅膀震动频率，结合信号处理技术，实现了飞入害虫的自动计数及种类识别。虽然国内外科研人员使用红外传感技术形成了很多害虫群落监测系统，也起到了很多有益的效果，但都缺乏害虫经过红外面光束不同阶段下光电二极管上光能随时间变化的理论分析。由于缺乏理论分析，研究人员选用红外面光源时，多选用发光面较大的发光二极管或者激光二极管作为光源，造成感应区域内红外面光束截面强度的不均匀性。因此，在感应区域不同位置下落时，即便是相同害虫个体，由于红外面光束截面强度的不均匀性，导致了害虫数量与种类识别的测量误差。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于，提供一种害虫计数与种类识别装置，能够提高害虫数量和害虫种类测量的准确度。

[0005] 为此目的，本发明提出一种害虫计数与种类识别装置(应用在虫子被杀死之后的场合)，包括：

[0006] 光学传感探头和电子学模块；其中，

[0007] 所述光学传感探头包括收集漏斗、圆筒、收集装置、第一光电二极管阵列、第二光电二极管阵列、第一红外光源、第二红外光源，所述收集漏斗与所述圆筒连通，且置于所述圆筒上，所述收集装置位于所述圆筒下，以确保害虫依次经所述收集漏斗、圆筒落入所述收集装置中，

[0008] 所述第一红外光源与第一光电二极管阵列，以及所述第二红外光源与第二光电二极管阵列形成双对射对称结构，所述第一红外光源和第二红外光源发出的红外面光束位于所述圆筒和收集装置之间，所述第一红外光源和第二红外光源的上发光面的边缘均与所述圆筒的下端面的外环相切，第一光电二极管阵列仅接收所述第一红外光源发出的红外面光束，第二光电二极管阵列仅接收所述第二红外光源发出的红外面光束，所述红外面光束的厚度小于害虫的长度，

[0009] 所述电子学模块连接所述第一光电二极管阵列和第二光电二极管阵列，对所述第一光电二极管阵列和第二光电二极管阵列输出的信号进行处理，得到依次经所述收集漏斗、圆筒落入所述收集装置中的害虫的数量，以及表征害虫尺寸大小的数字量，并根据所述数字量确定出所述害虫的种类。

[0010] 本发明实施例所述的害虫计数与种类识别装置，采用双对射传感结构，通过采集的仅与害虫本身尺寸因素有关的光能变化引起的电压输出，计算得出害虫数量和表征害虫尺寸大小的数字量，从而实现基于尺寸大小的害虫种类识别与自动计数，相较于现有技术，本发明选用能够发出厚度小于害虫的长度的红外面光束的红外光源，能够避免测量害虫数量与尺寸大小时外部影响因素的影响，使害虫经过红外面光束时光电二极管阵列上光能变化量仅与害虫本身尺寸因素有关，因而测得的害虫数量和害虫种类更准确。

附图说明

[0011] 图1为本发明害虫计数与种类识别装置一实施例的结构示意图；

[0012] 图2为本发明害虫下落经过红外面光束时不同阶段的示意图；

[0013] 图3为图1中的光学传感探头的示意图；

[0014] 图4为图1中的第一光电二极管阵列、第二光电二极管阵列、第一红外光源和第二红外光源相对于圆筒位置的结构示意图。

具体实施方式

[0015] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0016] 如图1、图3和图4所示，本实施例公开一种害虫计数与种类识别装置，包括：

[0017] 光学传感探头4和电子学模块；其中，

[0018] 所述光学传感探头4包括收集漏斗5、圆筒6、收集装置7、第一光电二极管阵列10、第二光电二极管阵列11、第一红外光源8、第二红外光源9，所述收集漏斗5与所述圆筒6连通，且置于所述圆筒6上，所述收集装置7位于所述圆筒6下，以确保害虫依次经所述收集漏斗5、圆筒6落入所述收集装置7中，收集漏斗5与圆筒6的直径可以根据诱虫陷阱的结构进行合理选择，

[0019] 所述第一红外光源8与第一光电二极管阵列10，以及所述第二红外光源9与第二光电二极管阵列11形成双对射对称结构，所述第一红外光源8和第二红外光源9发出的红外面光束位于所述圆筒6和收集装置7之间，所述第一红外光源8和第二红外光源9的上发光面的边缘均与所述圆筒6的下端面的外环相切(能够消除害虫经过圆筒时的照射盲点)，第一光电二极管阵列10仅接收所述第一红外光源8发出的红外面光束，第二光电二极管阵列11仅接收所述第二红外光源9发出的红外面光束，所述红外面光束的厚度小于害虫的长度，[0020] 所述电子学模块连接所述第一光电二极管阵列10和第二光电二极管阵列11，对所述第一光电二极管阵列10和第二光电二极管阵列11输出的信号进行处理，得到依次经所述收集漏斗5、圆筒6落入所述收集装置7中的害虫的数量，以及表征害虫尺寸大小的数字量，并根据所述数字量确定出所述害虫的种类。

[0021] 参看图4，第二红外光源9、第一红外光源8与第一光电二极管阵列10、第二光电二极管阵列11的位置信息如下：

[0022] 其中，第二红外光源9发光面角度15及第一红外光源8发光面角度14、第二红外光源9及第一红外光源8与圆筒6的距离16是在保证第二红外光源9及第一红外光源8的发光面边缘与圆筒6的下端面的外环18相切的前提下进行确定，第一光电二极管阵列10及第二光电二极管阵列11与圆筒6的距离17是在保证第一光电二极管阵列10及第二光电二极管阵列11仅接受对射结构的红外面光束的前提下确定。

[0023] 参看图1和图3，电子学模块包括信号调理模块19、相关检测器20、模数转换器21、微处理器1、信号发生器2和光源驱动3，完成红外光源驱动、信号调理、相关检测、AD转换及采集计算输出等功能，各个结构之间的连接关系如图1中所示：光学传感探头4的第一光电二极管阵列10和第二光电二极管阵列11连接信号调理模块19，信号调理模块19的输出端连接相关检测器20的第一输入端，相关检测器20的输出端连接模数转换器21，模数转换器21连接微处理器1，信号发生器2的第一输出端连接相关检测器20的第二输入端，信号发生器2的第二输出端连接光源驱动3，光源驱动3连接光学传感探头4的第一红外光源8和第二红外光源9。

[0024] 假设害虫尺寸大于红外面光束厚度，害虫下落经过红外面光束期间，光电二极管上光能量的变化可以分为3个阶段，如图2所示：(1)害虫开始进入到完全进入红外面光束阶段；(2)害虫完全进入到开始离开红外面光束阶段；(3)害虫开始离开到完全离开红外面光束阶段。假设红外面光束厚度及长度分别为W1及L1，害虫宽度及长度分别为W和L，害虫宽度W小于红外面光束长度L，锥形收集口害虫下落初始速度为0，锥形收集口到红外面光束的高度为H，通过自由落体分析可得出三个阶段过程中光电二极管上的光能量I随时间的变化量ΔI，如公式(1)、(2)、(3)所示。

[0025]

[0026] 公式(1)、(2)、(3)表明光能量变化量不仅与害虫宽度W及长度L本身因素有关，而且与锥形收集口到红外面光束的距离H及红外面光束厚度W1外部因素有关，因此，不能笼统的使用害虫下落期间光电二极管上光能量变化量来衡量害虫体型的大小。在基于红外技术进行害虫计数及大小检测的现有文献中，由于缺少害虫下落过程中光电二极管上的光能量变化量的理论分析，红外光源多采用点光源，红外面光束厚度W1都很大，甚至比待测害虫尺寸大很多，不考虑外部因素，笼统的使用光电二极管上光能量变化引起的系统输出电压来表征害虫尺寸并不准确。公式(1)、(3)表明1、3阶段的时间间隔决定于红外面光束的厚度W1，公式(2)表明2阶段的时间间隔决定于害虫长度L与红外面光束厚度W1的差值，如果红外面光束厚度W1能够控制到很小，并且比待测害虫长度L小很多，则1、3阶段的时间间隔相比与2阶段的时间间隔，就可以忽略，即害虫下落过程中仅使用2阶段光电二极管上光能量的变化量来表征害虫的大小。公式(2)表明若红外面光束厚度W1固定为较小数值，光能量变化量仅与害虫宽度W有关，2阶段时间间隔内光能量变化导致系统输出电压变化，利用电压变化量累加值，不仅能够实现害虫自动计数，而且能够使用电压变化量累加值表征害虫大小。

[0027] 光源驱动3使用信号发生器2产生的交流信号，驱动光学传感探头4中的红外光源，光学传感探头4中的光电二极管阵列输出信号到信号调理模块19，信号调理模块19输出的信号通过相关检测器20与信号发生器2产生的交变信号进行相关检测，提取有用信号，相关检测器20输出的信号通过AD转换器(模数转换器)21进行转换，微处理器1采集计算AD转换器21转换输出的数字量，通过计算输出表征害虫尺寸大小的数字量与害虫个数，实现基于体型大小的害虫种类识别与自动计数。

[0028] 本发明实施例所述的害虫计数与种类识别装置，采用双对射传感结构，通过采集的仅与害虫本身尺寸因素有关的光能变化引起的电压输出，计算得出害虫数量和表征害虫尺寸大小的数字量，从而实现基于尺寸大小的害虫种类识别与自动计数，相较于现有技术，本发明选用能够发出厚度小于害虫的长度的红外面光束的红外光源，能够避免测量害虫数量与尺寸大小时外部影响因素的影响，使害虫经过红外面光束时光电二极管阵列上光能变化量仅与害虫本身尺寸因素有关，因而测得的害虫数量和害虫种类更准确。

[0029] 可选地，在本发明害虫计数与种类识别装置的另一实施例中，所述电子学模块，包括：

[0030] 信号调理模块、模数转换器和微处理器；其中，

[0031] 所述信号调理模块连接所述第一光电二极管阵列和第二光电二极管阵列，用于对所述第一光电二极管阵列和第二光电二极管阵列输出的信号进行调理，

[0032] 所述模数转换器连接所述信号调理模块，用于对所述信号调理模块输出的信号进行模数转换，

[0033] 所述微处理器连接所述模数转换器，用于对所述模数转换器输出的信号进行处理，得到所述数量和数字量，并根据所述数字量确定出所述害虫的种类。

[0034] 可选地，在本发明害虫计数与种类识别装置的另一实施例中，所述电子学模块，还包括：

[0035] 相关检测器和信号发生器；其中，

[0036] 所述相关检测器的第一输入端连接所述信号发生器的输出端，第二输入端连接所述信号调理模块的输出端，输出端连接所述模数转换器的输入端，所述相关检测器，用于获取所述信号发生器输出的参考信号和所述信号调理模块输出的信号，利用所述参考信号对所述信号调理模块输出的信号进行相关检测，并将得到的信号输出给所述模数转换器，所述参考信号的频率与所述信号调理模块输出的信号的频率相同，所述参考信号的相位与所述信号调理模块输出的信号的相位相同。

[0037] 在基于红外技术的害虫自动计数及种类识别测量装置中，除了完成害虫下落期间光电二极管上光能量随时间变化的分析，装置的精度及稳定性也较为关键。在结合图像分析技术或野外应用场合，装置往往裸露在照明光源或者外界环境光下，如果装置不能消除外界环境光影响，则会直接导致装置的误记及误判。考虑外界环境光变化频率，采用锁相放大技术对特定频率的交变信号进行相关检测，利用与被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频同相的噪声分量有响应，通过这一技术能够避免外界环境光的影响，大幅度改善装置信噪比。考虑到害虫下落速度较快，且下落时较小害虫引起装置输出电压的变化量比较微小，对装置采样频率及分辨率也有要求，因此装置设计时选择高速高精度模拟数字信号转换器，提高装置输出电压的分辨率。

[0038] 可选地，在本发明害虫计数与种类识别装置的另一实施例中，所述电子学模块，还包括：

[0039] 光源驱动模块；其中，

[0040] 所述光源驱动模块连接所述信号发生器、第一红外光源和第二红外光源，用于获取所述信号发生器输出的交流信号，根据所述交流信号驱动所述第一红外光源和第二红外光源发光。

[0041] 可选地，在本发明害虫计数与种类识别装置的另一实施例中，所述红外面光束的厚度小于2mm。

[0042] 可选地，在本发明害虫计数与种类识别装置的另一实施例中，所述第一红外光源和第二红外光源形成一个平面内双红外面光束垂直照射结构(该结构能够消除害虫下落的无规取向性的影响)。

[0043] 本发明的基本原理是通过建立害虫经过红外面光束不同阶段光电二极管阵列上光能随时间的变化的数学模型，，表明不同阶段害虫遮挡红外面光束导致的光能随时间变化量不仅与害虫本身因素有关，还与外部因素有关。分析结果表明通过选择合适厚度的红外面光束可以消除光能变化量与害虫本身因素无关的因素，结合锁相放大技术，能够更精确地获取能够表征害虫本身体型大小的光能变化量，实现害虫准确计数及高精度基于虫体大小的害虫种类识别。

[0044] 如图2所示，假设害虫的宽度和长度分别为W和L，红外面光束的厚度和长度分别为W1和L1，并且W1小于L。害虫经过红外面光束的3个阶段为：(1)害虫开始进入到完全进入红外面光束阶段；(2)害虫完全进入到开始淡出红外面光束阶段；(3)害虫开始淡出到完全淡出红外面光束阶段；通过建立3个阶段中害虫经过红外面光束时光电二极管阵列上光能随时间的变化量的数学模型，讨论分析利用这一原理测量害虫体型大小的影响因素。

[0045] 考虑到害虫下落无规取向及红外面光束截面均匀的特性，结合分析得出的结果，选用合适厚度的均匀红外面光束，避免此原理中测量害虫体型大小的外部影响因素的影响，害虫经过红外面光束时光电二极管阵列上光能变化量仅与害虫本身尺寸因素有关，采用双对射传感结构及锁相放大技术，通过采集处理完成的仅与害虫本身尺寸因素有关的光能变化量，计算得出害虫数量和表征害虫尺寸大小的数字量，从而实现基于体型大小的害虫种类识别与自动计数。

[0046] 本发明实施例中，可以选用定制透镜形成均匀红外面光束，消除害虫下落不同位置红外面光束截面不均匀性的影响。

[0047] 可选地，在本发明害虫计数与种类识别装置的另一实施例中，所述收集漏斗为锥形收集漏斗。

[0048] 可选地，在本发明害虫计数与种类识别装置的另一实施例中，所述收集装置为圆筒。

[0049] 可选地，在本发明害虫计数与种类识别装置的另一实施例中，所述第一红外光源和第二红外光源为厚度小于2mm的均匀平面光源，所述圆筒和收集装置之间的缝隙的厚度在2mm与5mm之间，所述第一光电二极管阵列和第二光电二极管阵列的长度不小于所述圆筒的内径，所述第一光电二极管阵列和第二光电二极管阵列的宽度不小于所述第一红外光源和第二红外光源的厚度。

[0050] 本发明提供的装置建立了基于红外技术的害虫监测系统中害虫经过红外面光束时光电二极管上光能随时间变化量的数学模型，并对其中的影响因子进行了分析讨论，利用得出结果选择合适红外面光束厚度，指导仪器方案及元器件的选择，从而提供基于害虫体型区分计数的装置，结合性诱捕获陷阱，不仅能够实现基于体型大小的害虫种类识别，而且能够消除同类害虫的种类误判。本发明提供的装置可以结合大田中布置的性信息激素诱捕陷阱，对进入陷阱落入装置的害虫进行计数及大小识别并归类，能够为大田害虫管理系统提供实时害虫群落信息，从而做出适时适量喷洒杀虫剂的决策，有效的控制大田病虫害，降低滥用杀虫剂引起的环境污染及食品安全问题。

[0051] 虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。