CN101644395B - 用于植物培养的特定光谱模拟照明装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于植物培养的特定光谱模拟照明装置及模拟方法，本发明突破了单光源设计思路，设计基于LED组合的六边形可扩展光源阵列，通过单片机控制和采用电感式开关稳流电源实现受控供电，采用单色标定方法确定光源构型参数，利用最小二乘非线性曲线拟合实现了对特定光谱的模拟。装置具有“模拟特定光谱、轻小可靠高效、便于扩展、通用性强”的优点。仿真试验结果表明本发明可以针对性地灵活模拟特定生物的可见光吸收光谱，解决了生物培养中的如何高效灵活给光的技术难题，为生物科学研究、特殊环境生物培养和保鲜等提供了新的技术手段。

Description

用于植物培养的特定光谱模拟照明装置及模拟方法

技术领域

本发明涉及照明光源技术和光生态研究领域，具体指一种用于植物培养的特定光谱模拟照明装置及模拟方法，它广泛应用于实验室植物培养研究和太空、地下等特殊环境的植物培养及保鲜等诸多方面。

背景技术

阳光为地球上的植物提供了充足的能源，满足了万千植物的生长需要。光合作用是绝大多数植物生长的的基础，不但生长中的植物需要进行光合作用，甚至采摘下来的蔬菜和水果仍然是有生命的也会进行光合作用，良好恰当的光照会促进植物的生命代谢，增加蔬菜水果的营养。光不仅作为一种能源控制着植物的光合作用，还作为一种触发信号影响着植物生长发育的所有方面，从种子发芽和脱黄化作用到对营养形态学(茎的生长和叶的伸展)、二十四小时节律的开始、基因表达、向地性和向光性等。因此对植物的给光技术无疑是控制植物生长，影像其营养合成的关键因素。

但是，植物对光的需求不是简单的来者不拒，不同种类的植物对于光谱各个谱段的需求不一致，一般地，促进植物光合作用的作用光谱与其吸收光谱基本一致，即七彩阳光照射植物后，有用的颜色的光被吸收促进植物生长，无用的被反射。

因此，研究植物所需的光源特点，按需给光才是有效促进植物生长和避免能源浪费的关键技术。

国内目前尚未有采用组合LED阵列光源模拟特定光谱进行植物培养的设备。2000年，NASA采用LED阵列作为空间植物培养光源，用于在空间进行甜菜的种植研究。根据甜菜生长需要选择了几个固定光谱波段。试验结果表明：这种方法培养的甜菜与在地面自然光下培养的甜菜在营养价值上相差无几。该光源装置虽然考虑了植物生长的特殊光谱，但培养光源为固定光谱，不具备光谱组分调节功能。

我国在“神舟二号”空间生物培养箱中采用白炽灯作为生物培养光源，在“育种卫星”中，将采用白色高亮度LED作为生物培养光源，为生物培养进行光照来满足光合作用的需要，但都存在光谱成分不合理、效率损失的缺点，特别是白炽灯功耗大，热辐射较大，使用寿命短。

在国内容声公司的发明专利“七彩光合养鲜”技术应用于冰箱内植物保鲜。冰箱通过电脑编程将红、蓝、黄三基色光源进行不同的搭配，产生交替变化的七彩光，对果蔬进行照射，以期果蔬能继续进行光合作用从而延长保鲜期。但容声公司该项发明不具备稳定模拟预定植物吸收光谱的功能，其光谱的针对性和精确程度远远不够。

在空间站、地下等无法直接利用阳光的特殊环境中进行植物培养是解决未来特殊环境中人类长期生存问题的关键技术之一，中国科学院上海技术物理研究所对该课题进行了相关研究和试验。其中重点技术之一就是设计可以模拟特定光谱能量分布的光源系统对植物进行光照，这既是目前植物培养研究中的一种先进的技术，同时开展对不同植物所需光谱能量分布的仿真模拟可以细化对植物的给光技术，为植物在光化学反应效应相关研究方面提供更加细化的实验手段。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于设计植物培养过程中长寿命高效可靠的给光系统，并使其光谱组分可调和稳定输出，模拟植物的吸收光谱照明，进而针对性地、高效地促进植物生长。

由于LED光源较传统光源具有波段窄的特点和光效率高、可靠性好的优点。本发明以不同中心光谱的LED作为基本单元，设计了基于LED组合阵列的受控给光装置，在此基础上采用最小二乘拟合方法设计了光谱模拟方法，通过调节不同类型LED单元的辐射通量来模拟合成特定的光谱能量分布。

光谱模拟照明装置由多种颜色的LED组成光源阵列、系统电路和系统控制器三部分组成。

1)系统控制器主要完成光源的光谱能量的模拟计算，对整个光源系统进行管理。

2)系统电路中的控制模块主要提供电压控制信号，来控制驱动模块的输出量以及提供关断控制。系统电路中的驱动模块主要完成向LED负载输出稳定的正向电流。以此达到控制LED负载光输出的功能。

3)通过控制负载LED光源阵列中不同颜色LED的电流进而控制不同光谱的能量强度，达到组合模拟预期光谱的目的。

给光系统的主要工作流程如下：

1)首先，给出试验中植物样品所需光照的光谱能量分布曲线，计算机读入为数组形式。

2)然后在PC机或其它控制设备上进行光能量模拟分析，首先通过同类LED光谱标定得到其光谱功率分布函数，再将多个LED的光谱函数进行加权和最小二乘拟合，计算光源系统中给定的各波段LED所需的电流参数；

3)通过数据接口送入控制模块，由控制模块和驱动模块控制LED阵列的输入电流；

4)LED的光能量输出一般和它的正向电流成近似线性关系，对它的光能量输出进行电参数控制，这样就可以实现不同光谱光能量输出的可调节性，即光谱组份和光能量输出的可调节功能。

本发明一方面设计了该LED阵列光源系统的方案，另一方面设计了该系统控制部分中的光谱能量分布模拟方法，主要内容包括：LED光源光谱能量分布参数σ的确定、光源系统构形参数β的确定、光谱模拟电流控制系数组I的确定三个部分。

LED光源阵的光谱能量模型及相关参数形式(分布参数σ、构形参数β和电流控制系数I)由以下系统工作原理分析决定。

(一)单个LED光谱辐射强度模型

通常光源发出的光是由各种波长组成的，每种波长具有不同的辐射通量。光源总的辐射通量是各个波长辐射通量之和。

LED的光谱能量(功率)分布表示在LED的光辐射波长范围内，各个波长的辐射通量分布情况，LED的光辐射的谱分布与通常所用的光源不同，典型的LED的光输出是一个窄带光谱，其带宽是在20nm到50nm之间，峰值波长位于紫外～可见光～近红外区域，附图2显示了一些常见LED的光谱能量分布。

由于不同材料的禁带宽度不同，所以由不同材料制成的发光二极管可发出不同波长的光。发光二极管的波长范围可以覆盖可见光，一些紫外和红外波段。

根据LED光源的物理特性可知，单个LED产品在其光轴方向上单位立体角内的辐射功率随光谱的分布模型，即光谱辐射强度J_λ0为近似正态分布函数，并且辐射强度的大小与LED的正向输入电流成近似正比关系，具体关系式如下

J_λ0＝J_R·S(λ)    (1)

其中

J_R＝αI—— LED光轴上峰值波长处的辐射强度；

$S\left(\mathrm{\λ}\right)=e^{\frac{-1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_p)}^2}$ ——相对光谱能量分布函数；

J_λ0——单个LED在光轴方向上的光谱辐射强度；

α——电流与LED辐射功率的转换系数，对于固定类型的LED为常数；

I——正向输入电流；

λ_p——LED辐射强度光谱分布的峰值波长，对于固定类型的LED为常数；

σ——LED辐射强度光谱分布的正态参数，对于固定类型的LED为常数，通过LED产品特性指标可以确定；

对于不在LED光轴上的点，LED的光谱辐射强度与其空间光强分布有关。一般情况下，LED的空间辐射强度是相对光轴对称的，因此辐射强度是与光轴方向夹角γ的函数。对空间某位置处的辐射强度J_λγ表达式为J_λγ＝g(γ)·J_λ0

其中g(γ)是夹角γ的函数，对于一个确定的LED，当γ角确定时，g(γ)为常数。

(二)单个LED对空间固定位置的光谱辐照度

将LED作为点光源，对空间某固定位置单位面积上的光谱辐照度H_λ不但与距离l有关，还与该单位面积的法线方向有关。但是当光源与受照位置均固定时，该位置的光谱辐照度H_λ是LED在该方向辐射强度的线性函数。

(三)同类型LED组成光源阵列

当多个同类型LED组成阵列时，该阵列光源(单色光源)对空间固定位置的光谱照度将是每个LED在该点产生的光谱辐照度的叠加，即

$H\left(\mathrm{\λ}\right)=H_{\mathrm{\λ}1}+H_{\mathrm{\λ}2}+...+H_{\mathrm{\λk}}=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{\λi}}---\left(2\right)$

由于同类型的LED物理特性相同，当光源与受照位置均固定时，设第i个LED光轴与受照面发线夹角为θ_i，则令常数 $\mathrm{\β}=\mathrm{\α}\·\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_i}{l_i^2}g\left({\mathrm{\γ}}_i\right),$ 有

$H\left(\mathrm{\λ}\right)=\mathrm{\β}\·I\·e^{\frac{-1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_p)}^2}---\left(3\right)$

可见，对于同类型LED阵列光源，对空间某位置的光谱辐照度仍然是服从正态概率密度分布的，其辐照度高低与控制电流I和LED阵列布局构形参数β有关。当光源与受照位置均固定时，β与电流只与LED辐射功率的转换系数α有关。

采用宽波段光功率计可以对LED光源阵中每种波段的LED组进行标定，进而确定布局构形参数β。

(四)多类型LED阵列对空间固定位置的光谱辐照度

根据上节的分析，可以将同种类型的LED(单色光源)作为基本单元，将多种类型的LED组成LED阵列(复色光源)，利用控制电流的配比可以调节出不同形式的光谱辐照度分布。

即假设有n种类型的LED，令 ${\mathrm{\β}}_i{e}^{\frac{-1}{{2\mathrm{\σ}}_i^2}{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{pi}})}^2}=H_i(\mathrm{\λ},{\mathrm{\σ}}_i,{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{pi}},{\mathrm{\β}}_i),$ 当σ_i，λ_pi，β_i均确定后，光谱辐照度为LED光源阵的电流控制系数组I的函数。

$H(\mathrm{\λ},I_1,I_2...,I_n)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\·H_i\left(\mathrm{\λ}\right)---\left(4\right)$

I₁，I₂...，I_n为不同类型的LED的控制电流。

本发明的关键技术之一就是确定装置的相关参数后，通过模拟算法控制电流I₁，I₂...，I_n，实现LED光源阵的光谱辐照度模拟。

本发明与国内外现有技术比较有如下积极效果：

附图6～附图8示意了利用本发明内容模拟的各种光谱的仿真效果。包括对3300K黑体光谱辐射通量分布的模拟和叶绿素、藻类等光合色素的吸收光谱的模拟。可以清楚地看到，利用LED混合阵列配合本发明的光谱模拟方法，可以比较准确地模拟特定波段的植物吸收光谱、物体的辐射光谱等。因此本发明提出的用于植物培养的光谱模拟照明方法具有很强新颖性。

对于空间植物培养方面，由于航天器能源的宝贵，对于长时间工作的光源来说，节能是首要考虑的因素。而本发明采用的基于LED的光源是一种低功耗、高光效的冷光源，整个光源系统具备功耗低、发热量小、重量轻、长寿命的明显优势。

其次，植物的多样化，要求光源具备通用性，能够广泛适应不同种类生物生长的。本发明的光源系统具有光谱组份和光强度大小能够调节的功能，当培养植物更换后，只需要软件重新设置控制电流系数组即可完成对新类型植物特定吸收光谱的模拟照明，仿真结果表明本发明提供的算法在理论上可以实现对植物所需要的任意光谱的模拟。

此外本发明的光源光谱具有较高的精度，也可以满足生物学研究对光照能量与特定光谱的需求。

本发明具有广泛的应用价值、推广意义：

本发明对于我国在空间受控生态生命支持系统(Controlled Ecological LifeSupport System，CELSS)研究中的植物培养给光技术方面具有非常重要的意义。它针对植物的吸收光谱提供了针对性的植物培养给光，并在很大程度上降低了以往植物培养给光的功耗问题。而且，针对空间生物试验样品的种类不同要求不同的光谱组份和不同的光照强度及光照周期，本发明可以灵活地更换光谱曲线和照明强度。因此，本发明在空间生物培养方面具有非常广阔的应用前景，为解决将来人类长期定居太空的粮食问题提供了技术基础。

另外，在植物培养试验的地面研究中，往往需要研究特定波段的光照对植物的影响，基于LED组合阵列光源和光谱拟合控制方法细化了植物的给光技术，为地面生物学中植物的培养研究方面提供先进的技术手段。

此外，本发明中的光谱模拟照明方法在特定食品保鲜、光谱试验、医疗等方面都有重要的借鉴意义，积极推进我国精确受控照明技术的发展。

附图说明

图1为基于LED组合阵列的受控给光系统方案示意图。

图2为不同材料的LED发光光谱。

图3为LED光源阵列设计图。

图4为系统电路工作原理框图。

图5为系统开关型稳流电源原理图。

图6为模拟3300K黑体光谱辐射通量分布效果图。

图7为模拟叶绿素吸收光谱效果图。

图8为模拟某藻类吸收光谱效果图。

图9构形参数β的确定方法示意图。

具体实施方式

本发明的主要技术实施方式包括照明装置的设计实施过程和特定光谱曲线的模拟实施方式。

首先说明装置的设计实施过程。

(一)LED光源阵列设计

为实现可见光波段较精确的光谱模拟，本发明采用了Luxeon公司的7组单色LED，产品型号和中心波长、光通量等参数如下。

序号	产品型号	颜色	中心波长	光通量(Lumens)
					1	LXHL-LB3C	蓝色	470nm	23
2	LXHL-LD3C	红色	627nm	140
					3	LXHL-LE3C	青色	505nm	64
4	LXHL-LH3C	橙红	617nm	190
					5	L HL-LL3C	琥珀色	590nm	110
6	LXHL-LM3C	绿色	530nm	64
					7	LXHL-LR3C	品蓝	455nm	340mW

LED阵列的其它指标参数如下。

1)LED连接方式：由于需要有比较精细的调光控制，本发明对同一种类(波段相同)的LED每组采用5～7个，采用串行连接，在基板上均匀分布，既节能又能达到光的均匀性调节；

2)阵列尺寸和构型：阵列外接圆直径约100mm～150mm，阵列外形为六角型以便于扩展为更大尺寸的蜂窝型照明阵列，阵列基板向内微凹便于边缘的LED照向中心；

3)照明距离：由于LED光束发散角较小，约30°，为保证各个波段LED对受光生物的均匀照明，光源阵列距离受光生物的距离为350mm～1000mm，具体尺寸可以根据试验样品布置和光源的强度进行灵活调节；

4)基板材料：采用利于LED散热的材料，如铝或铝合金等，注意LED电极引脚间的绝缘。

(二)系统电路设计

系统电路设计部分由驱动模块设计和控制模块设计组成。其工作原理框图参见附图4。

为保证在长时间的工作场合得到比较稳定的LED光功率输出，本发明的电路设计采用如下方法：

1)由于开关电源的转化效率较高，本发明采用电感式开关稳流电源作为LED负载的电源驱动器，电路原理图参见图5；

2)选用美信公司的一款高效节能型升压式电流调节器芯片MAX1561作为光源驱动芯片。

3)控制模块采用单片机ADUC812芯片提供模拟电压作为控制信号，对LED驱动器的电流进行输出控制。

4)通过串口接收系统控制器端的电流模拟控制信号，根据恒流源的设计参数进行电流与电压的转换运算，将转换成的控制电压经过DAC送入恒流源参考电压端。

(三)系统控制器设计

系统控制器可以利用普通PC机实现，也可以利用带有高速计算能力DSP的各种嵌入式控制器实现，通过RS232串口与系统电路实现通信和控制。控制器中主要运行对预期光谱的仿真模拟计算和对整个光源系统的控制管理。目标光谱的仿真模拟是对LED的光能量分布与电流之间建立数学运算模型，采用最小二乘残差算法使不同类型的LED的光谱组合逼近特定的目标光谱。下面说明本发明模拟特定光谱曲线的实施方式，包括三个步骤：

(一)通过选购的LED产品已知参数确定正态分布参数σ

LED产品的已知参数包括峰值波长λ_p、半波宽Δλ和额定正向电流下的额定辐射功率φ。通过这些已知的参数就可以求出特定LED的相对光谱能量分布参数σ。

半波宽Δλ表征了LED光频辐射功率大于等于峰值波长处辐射功率一半时的波长间隔。根据定义有

$\frac{1}{2}S\left({\mathrm{\λ}}_P\right)=S({\mathrm{\λ}}_P\±\mathrm{\Δ\λ})---\left(5\right)$

即 $\frac{1}{2}{e}^{\frac{-1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{({\mathrm{\λ}}_p-{\mathrm{\λ}}_p)}^2}=e^{\frac{-1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{({\mathrm{\λ}}_p+\mathrm{\Δ\λ}-{\mathrm{\λ}}_p)}^2}---\left(6\right)$

可以解出

$\mathrm{\σ}=\mathrm{\Δ\λ}\·\sqrt{\frac{1}{2\ln 2}}---\left(7\right)$

LED的相对光谱能量分布函数 $S\left(\mathrm{\λ}\right)=e^{\frac{-1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_p)}^2}$ 就可以得到。

(二)装置构型确定后利用光功率计确定构形参数β

用LED阵列组成复色光源，则在空间某固定位置处的光谱辐照度为单色光LED阵列对同一固定位置的光谱辐照度的线性叠加。在单色光LED阵列中，构型参数β与转换系数α和LED阵列布局相关。

本发明方法采用宽波段光功率计对LED光源进行单色光的标定。如附图9所示，依次点亮一种类型的单色LED阵列光源，用光功率计测得样品台固定面积S上的光功率为φ，求得辐照度为

根据公式 $H\left(\mathrm{\λ}\right)=\mathrm{\β}\·I\·e^{\frac{-1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_p)}^2}$ 有：

$\frac{\mathrm{\φ}}{S}={\∫}_0^{\∞}H\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}={\∫}_0^{\∞}\mathrm{\β}\·I\·e^{\frac{-1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_p)}^2}\mathrm{d\λ}=\mathrm{\β}\·I\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}{\∫}_0^{\∞}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}{e}^{\frac{-1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_p)}^2}\mathrm{d\λ}=\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ\β}\·I---\left(8\right)$

可见，辐照度与电流I是一个正比例关系。

在不同的电流I下测得相应的

得到一组曲线，可以求出拟合直线的斜率，即为在已知正态分布参数σ的前提下，就可求出该单色光LED阵列的构型参数β。

类似的方法求得其他单色光LED阵列的构型参数。

(三)根据预期模拟光谱生成电流控制系数组I

该算法在系统控制器中生成。根据植物培养需要，使用多种类型的LED组成阵列光源，使其对受照试样位置处的光谱辐射照度与预期光谱能量分布Φ₀(x)接近。接近的准则取最小二乘约束，则该仿真模拟可以归结为如下线性回归分析中的控制问题：

已知预期光谱能量分布函数Φ₀(λ)和LED光源的光谱辐照度函数系列

求使函数 $\mathrm{\Ψ}(\mathrm{\λ},I_i)={\left|\right|{\mathrm{\Φ}}_0\left(\mathrm{\λ}\right)-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\·H_i\left(\mathrm{\λ}\right)\left|\right|}^2$ 取最小值的I_i序列，即二乘残差函数 $\mathrm{\Ψ}(\mathrm{\λ},I_i)={\left|\right|{\mathrm{\Φ}}_0\left(\mathrm{\λ}\right)-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\·H_i\left(\mathrm{\λ}\right)\left|\right|}^2$ 的最优化求解。

具体数学解算步骤为：

被估参数采用式a_min≈a₀+δa更新，在此

$\mathrm{\δa}=-H^{-1}\·{\▿}_a\left({\mathrm{\χ}}^2\right)---\left(9\right)$

Hessian矩阵近似表达和迭代计算为：

$H_{\mathrm{ij}}=2\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{\mathrm{\Δ}{y}_m^2}\left[\frac{\∂f(a,x_m)}{\∂a_i}\frac{\∂f(a,x_m)}{\∂a_j}\right],H\⇒H\·I(1+k)---\left(10\right)$

这里，I(1+k)是元素为(1+k)的对角阵。远离最小值点时，k取大；反之取小。此外，为了提高运算速度，考虑现有LED类型并不多，对于待估参数较少的情况，也可以将二乘残差函数Ψ(λ，I_i)视为变量为I_i的多变量目标函数，通过给定的变量初始值(I₁₀，I₂₀，...，I_n0)，估计使Ψ(λ，I_i)取函数最小值时的变量值。需要注意的是，直接将电流I作为系数进行估计可能会得出负值，为保证电流的取信为正，可以取I＝e^c，对参数c进行估计即可。

Claims (2)

1.一种用于植物培养的特定光谱模拟照明装置，它由LED组成的光源阵列、系统电路和系统控制器三部分组成，其特征在于：所述的LED组成光源阵列采用蓝色、红色、青色、橙红、琥珀色、绿色、品蓝7组单色LED器件，每组采用5～7个单色LED器件，LED器件之间采用串行连接方式连接在一起，在六角形的基板上均匀分布；所述的系统电路由驱动模块和控制模块组成，驱动模块采用电感式开关稳流电源，控制模块采用单片机芯片提供模拟电压作为控制信号；所述的系统控制器采用普通PC机，或带有高速计算能力DSP的各种嵌入式控制器，通过RS232串口与系统电路实现通信和控制，控制器对预期光谱进行仿真模拟计算以及整个光源系统的控制管理。

2.一种基于权利要求1所述装置的植物培养特定光谱的模拟方法，其特征在于包括以下步骤：

1)首先，给出试验中植物样品所需光照的光谱能量分布曲线，计算机读入为数组形式；

2)然后在PC机或带有高速计算能力DSP的各种嵌入式控制器上进行光能量模拟分析，将多个LED的已知光谱功率分布函数进行加权和最小二乘拟合，计算光源系统中给定的各波段LED所需的电流参数；

3)通过数据接口送入控制模块，由控制模块和驱动模块控制LED阵列的输入电流；

4)LED的光能量输出和它的正向电流成近似线性关系，对它的光能量输出进行电参数控制，这样就可以实现不同光谱光能量输出的可调节性，即光谱组份和光能量输出的可调节功能。

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