作物叶片叶绿素含量的测定在农情监测、产量估计等方面有重要的意义,因此快速实时地获取作物叶绿素含量对农业的精细化管理尤为重要。目前传统的检测方法主要有分光光度法、光谱检测法和透射式SPAD仪检测法,前二种方法所用的仪器体积较大,一般仅限于实验室使用,第三种方法虽可以在田间使用,但仪器所采用的夹持式透射法不具备实时监测的应用前景。为实现田间作物信息的实时获取,部分学者采用叶绿素的敏感波长研制专用的反射式信息感知装备,但目前国内尚处于研发阶段,尚未有成熟的商用产品。为了推进国内自研仪器的商用,本文以田间环境下的应用为背景,全方位地剖析了仪器在设计和使用过程中可能会出现的影响检测精度的相关因素,并针对这些因素给出了详细的解决方案,并以此为基础设计了一款基于主动光源的反射式叶片叶绿素含量检测仪,以期提升仪器的实用性。主要研究内容和结论如下:(1)探究了反射式叶片叶绿素含量的检测机理和方法,论证了归一化植被指数(NDVI)、绿色归一化植被指数(GNDVI)、比值植被指数(RVI)、绿度植被指数(GVI)、红色特征参数(RCP)和绿色特征参数(GCP)的值与检测距离之间的无关性,从而使设计的仪器能够适应检测距离的变化。分析了仪器在设计和使用过程中可能会出现的影响检测精度的相关因素,为后续的解决方案提供了明确的线索。(2)以菠菜、青菜和油麦菜为对象,分析了这三种叶片的叶绿素含量与光谱反射率之间的相关性,确定了550nm、710nm和850nm为叶绿素含量的最佳检测波长。探讨了各种光学器件的优劣,选取了最适宜的器件。(3)对仪器的各部分结构进行了设计。主要设计了多波长检测光路,让仪器在不同波长下的检测区相同,避免了检测值出现偏差。采用了模块化的设计思想设计了电路框架,既方便了后期根据不同的需求修改检测波长,又提升了二次开发的效率。(4)对仪器的软硬件进行了设计。设计了恒流源驱动电路,确保了检测光源的稳定性。采用了光源调制和同步检波的设计方案,抑制了环境光和暗电流的影响,使仪器能够适应田间复杂的光照环境。分析了PCB设计对电路性能的影响,使检测光强与电压之间的线性相关性尽量不受PCB干扰。最后,完成了焊板调试和嵌入式软件的开发。(5)对开发的检测仪进行了测试与试验。在不同光照条件下,仪器输出电压的最大波动率为0.95%,在不同的检测距离下,仪器输出特征参数的最大波动率为1.13%,表明仪器能够适应环境光和检测距离的变化。以菠菜、青菜和油麦菜为试验对象,采用最小偏二乘算法建立了仪器输出特征参数与叶绿素含量之间的检测模型,结果表明,所有特征参数与叶绿素含量之间均有良好的线性度,其相关系数均大于0.8304,但不同叶片的叶绿素含量与特征参数之间的相关性存在一定的差异。为了获取每种叶片的最佳检测模型,采用枚举法评估了各种组合特征参数所构成的检测模型对叶绿素含量的检测效果,筛选出了每种叶片的最佳检测模型。通过实验表明,三种叶片的最佳检测模型的均方根误差分别为0.1108mg/g、0.0919mg/g和0.0587mg/g。本文设计的仪器有较好的实用性,能够适应环境光和检测距离的变化,又能输出丰富的特征参数,可为田间作物的差异化分析提供途径。