CN102012266A - 一种光合辐射照度计及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光合辐射照度计及其测量方法，照度计包括一个光谱仪，一个宽波段辐射探头，二者都与微电子处理单元电连接，宽波段辐射探头的光谱灵敏度与某一光辐射系统的响应曲线相匹配。光谱仪和宽波段辐射探头同时测量被测光，使用光谱修正系数校正宽波段辐射探头的测量值，大幅降低由探头的光谱失匹配带来的误差；根据光合辐射照度和光谱可计算出被测光的绝对光谱功率，可进一步通过计算得到其它系统下的光合辐射照度量值。本发明的光合辐射照度计对光谱仪和宽波段辐射探头的精度要求不高，易于实现，且使用方便，能够同时实现多个系统下的光合辐射照度测量，测量精度较高。

Description

一种光合辐射照度计及其测量方法

【技术领域】

本发明属于光辐射测量领域，具体涉及一种光合辐射照度计及其测量方法。

【背景技术】

光辐射是植物光合作用的能源，影响着光合作用过程中形成的产量和产品的质量，此外光作为一种起调节作用的能源，还对植物形态的发展、叶子的形状及大小以及从营养生长到生殖生长的转变速度都起着重要的作用，因此光合有效辐射量的测量是植物光照，植物生长，以及环境保护(温室效应等)的一个重要技术内容。

由于在不同波长的光辐射下，植物的光合作用效果不同，因此光合辐射照度为光辐射光谱照度与一定函数曲线加权的结果。根据加权函数的不同，表示光合辐射照度的系统也不相同，目前这些系统主要有：光量子系统和植物辐射度系统，此外光度系统和辐射度系统有时也用来表示光合辐射照度，光度系统的加权曲线为CIE规定的明视觉光视效率函数V(λ)，辐射度系统无光谱选择性。光量子系统是目前表述光合辐射照度的常用系统，单位为mol·m^-2·s^-1。理想光量子响应函数曲线是在400nm-700nm间与波长成正比的曲线，如图1所示的细线记为理想光量子响应曲线。虽然光量子系统得到了广泛应用，但它的加权函数与实际光合作用的有效辐射效率相差加大，不能对有效辐射的表述不够直观。近年来Gilberto J.C.da Costa等人有提出了基于RQE曲线的植物辐射度学，量子效率(RQE)由McCree在1972根据多种植物试验结果提出，随后得到了其它学者的验证和认同，该RQE曲线如图2所示，其波长范围为3250nm-780nm。植物辐射度系统克服了光量子系统的一些缺陷，将会得到农业等领域得到大规模应用。

然而，目前还没有实现多个系统下的光合辐射照度测量的仪器。即便是实现单个系统测量的设备也存在较多缺陷。在光量子系统中，具有光量子探头的光量子计是测量光合辐射照度的主要设备，光量子探头的光谱灵敏度与理想光量子响应函数的匹配程度是影响测量精度最重要的因素，但精确匹配却是十分困难的，如图1所示，现有光量子探头往往存在较大的光谱失匹配误差。在植物辐射度学中，对应地使用具有光谱灵敏曲线与RQE曲线相匹配的宽波段辐射探头来实现光合辐射照度测量，它同样存在这光谱失匹配问题。探测器的光谱失匹配会导致所测量的光合辐射照度存在较大误差，特别当被测光的光谱功率分布与定标该光辐射照度计的标准光源的光谱功率分布存在较大差异时，测量误差将十分可观，因此在不同光源照射下测量光合辐射照度时，其测量结果的横向可比性较差。光谱仪也是一种测量光合辐射照度的仪器，但受光电转换器件的影响，光谱仪的线性动态范围较窄，且其它因素，如杂散光、暗噪声也会影响测量结果，该方法测量精度也达不到很高。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种光合辐射照度计，能够实现光量子系统和植物辐射度学系统等多个系统下的光合辐射照度测量，且较高的测量精度，使测量结果具有较高的横向可比性。

本发明的另一个目的是提供一种光合辐射照度的测量方法。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种光合辐射照度计，其特征在于：包括一个用于测量光谱功率分布的光谱仪，一个宽波段辐射探头，所述光谱仪与微电子处理单元电连接，所述宽波段辐射探头通过一个将模拟信号转换为数字信号的转换电路与所述微电子处理单元电连接。

其对应的测量方法包括以下步骤：

a)测量被测光的相对光谱功率分布P_t(λ)，用宽波段辐射探头测量被测光的光合辐射照度G；

b)由P_t(λ)，已知宽波段辐射探头的相对光谱灵敏度s_rel(λ)以及宽波段辐射探头所匹配的理想响应函数，计算出光谱修正系数K，并将K乘以G得到更为精确的光合辐射照度G_c。

本发明中通过被测光的光谱功率分布，为宽波段辐射探头的测量结果提供光谱修正因子，用以校正宽波段辐射探头的光谱失匹配误差，从而实现较高的光合有效辐射测量精度。

本发明的光合辐射照度计将光谱仪和宽波段辐射探头有机结合起来，可实现同时测量同一光源并进行自校准的功能，光谱仪和宽波段辐射探头二者本身的测量精度都无须很高，经过结合就能够得到很高的测量精度且使用方便。

上述宽波段辐射探头的相对光谱灵敏度可以与光量子理想响应函数Q(λ)相匹配，或者也可以与光合作用相对量子效率(RQE)所对应的理想响应函数R(λ)相匹配的，或者与CIE规定的明视觉光视效率函数V(λ)相匹配，或者宽波段辐射探头的相对光谱灵敏度无光谱选择性，即其光谱灵敏度为以平坦的直线。根据宽波段辐射探头所匹配的理想响应函数不同，光谱修正系数K的计算也有所区别，但其公式都可以表达为：

$K=\frac{\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}{P}_t\left(\mathrm{\λ}\right)F\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}{P}_s\left(\mathrm{\λ}\right)s_{\mathrm{rel}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}{P}_t\left(\mathrm{\λ}\right)s_{\mathrm{rel}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}{P}_s\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}},$

其中P_t(λ)为被测光的相对光谱功率分布，

s_rel(λ)为所述宽波段辐射探头的相对光谱灵敏度，

P_s(λ)为用于定标所述宽波段辐射探头的标准光源的已知光谱功率分布，

F(λ)为宽波段辐射探头所匹配的理想响应函数，

λ₁和λ₂分别为F(λ)函数波长范围的最小值和最大值。

当宽波段辐射探头与光量子理想响应函数Q(λ)相匹配时，F(λ)即为Q(λ)，λ₁和λ₂分别为400和700。而当宽波段辐射探头与光合作用相对量子效率(RQE)所对应的理想响应函数R(λ)相匹配时，F(λ)即为R(λ)，λ₁和λ₂分别为320和780。

宽波段辐射探头与其中任一系统的理想响应函数曲线相拟合，通过光谱修正系数K，都可以得到对应系统下，较为精确的光合辐射照度。在其它系统下的光合辐射照度可以通过被测光的绝对光谱辐射功率与其理想光谱响应函数加权积分而计算得到。被测光的绝对光谱辐射功率可以通过光谱仪的测量直接得到，但精度较低，在本发明中，根据已得到的光合辐射照度G_c和被测光的相对光谱功率分布P_t(λ)，计算得到被测光的绝对光谱功率：其中，F(λ)为宽波段辐射探头所匹配的理想响应函数，λ₁和λ₂分别为F(λ)函数波长范围的最小值和最大值。

上述的光谱仪是由入射狭缝、光栅和阵列探测器组成快速光谱仪。在快速光谱仪中，阵列探测器的各个象元同时接收一定波长的色散光，能够在极短的时间(如毫秒级)内实现对全光谱的测量。

上述快速光谱仪的光栅可以为平面光栅，此时，该光谱仪内，入射狭缝和光栅之间的光路上设置准直镜，在光栅与阵列探测器之间还设置有会聚镜。上述的快速光谱仪的光栅也可以为平场凹面光栅，平场凹面光栅具有会聚功能，能将色散光会聚到阵列探测器上。

上述光谱仪是由单色仪和单通道光电传感器组成的机械扫描式光谱仪。上述的单通道光电传感器件通过一个信号处理电路与所述微电子处理单元连接。机械扫描式光谱仪测量速度相对较慢，一般在十几秒到几分钟之间。

上述的宽波段辐射探头前设置有余弦修正器，由于照度具有余弦分布，因此在宽波段辐射探头前设置余弦修正器能够更为准确地测量照度值。

综上所述，本发明的光合辐射照度计及其测量方法能够同时实现光量子系统和植物辐射度系统中的光合辐射照度测量以及光度和辐射度测量，使用方便，且通过光谱校正，测量具有较高的精度。

【附图说明】

附图1为理想光量子响应曲线和典型光量子探头的光谱灵敏度曲线；

附图2为光合作用相对量子效率(RQE)所对应的理想响应曲线；

附图3为本发明的一种光合辐射照度计结构示意图。

【具体实施方式】

如图3为本发明的光合辐射照度计的一个实施例示意图，包括一个光谱仪1，一个宽波段辐射探头2和微电子处理单元3。宽波段辐射探头2的光谱响应灵敏度曲线与附图2所示的光合作用相对量子效率R(λ)相匹配，宽波段辐射探头2通过一个用于将模拟信号转换为数字信号的转换电路与所述微电子处理单元3电连接。本实施例中的光谱仪1是由阵列探测器1-5作为光电转换单元的快速光谱仪1。被测光从该快速光谱仪1的入射狭缝1-1进入，入射到准直镜1-2上，经准直后入射到平面光栅1-3，平面光栅1-3将入射光色散并反射到会聚镜1-4上，会聚镜1-4将色散光反射到阵列探测器1-5上，阵列探测器1-5上的每一个象元接收一定波长的光辐射进行，可以快速测量出被测光的光谱功率分布。

在使用本发明的光合辐射照度计时，宽波段辐射探头2和光谱仪1同时进行测量，并把测量结果输入到微电子处理单元3，经计算得到精确的植物辐射度学系统下的光合辐射照度。具体步骤和计算方法如下：

1)用光谱仪1测量被测光的相对光谱功率分布P_t(λ)，用所述宽波段辐射探头2测量植物辐射度学系统下被测光的光合辐射照度G^P；

2)由测得的P_t(λ)，光合作用相对量子效率R(λ)以及所述宽波段辐射探头2的已知相对光谱灵敏度s_rel(λ)，计算出光谱修正系数K并乘以所测的植物辐射度学系统下的光合辐射照度G^P得到修正的光合辐射照度

光谱修正系数K的计算公式为：

$K=\frac{\underset{320}{\overset{780}{\∫}}{P}_t\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\underset{320}{\overset{780}{\∫}}{P}_s\left(\mathrm{\λ}\right)s_{\mathrm{rel}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\underset{320}{\overset{780}{\∫}}{P}_t\left(\mathrm{\λ}\right)s_{\mathrm{rel}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\underset{320}{\overset{780}{\∫}}{P}_s\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}},$

其中P_t(λ)为所述光谱仪测得的相对光谱功率分布，

s_rel(λ)为所述宽波段辐射探头的相对光谱灵敏度，

P_s(λ)为用于定标所述光量子宽波段辐射探头的标准光源的已知光谱功率分布，

R(λ)光合作用相对量子效率(RQE)所对应的理想响应函数。

根据上述修正的植物辐射度学系统下的光合辐射照度

和被测光的相对光谱功率分布P_t(λ)，计算得到被测光的绝对光谱功率：

使用绝对光谱辐射功率计算光量子系统下的光合辐射照度：

其中Q(λ)为光量子理想响应函数。

使用绝对光谱辐射功率计算光度系统下的照度：

使用绝对光谱辐射功率计算辐射度系统下的辐照度：

Claims (9)

1.一种光合辐射照度计，其特征在于：包括一个用于测量光谱功率分布的光谱仪(1)，一个宽波段辐射探头(2)，所述光谱仪(1)与微电子处理单元(3)电连接，所述宽波段辐射探头(2)与所述微电子处理单元(3)电连接。

2.根据权利要求1所述的光合辐射照度计，其特征在于：宽波段辐射探头(2)的相对光谱灵敏度与光量子理想响应函数Q(λ)相匹配，或者宽波段辐射探头(2)的相对光谱灵敏度与光合作用相对量子效率(RQE)所对应的理想响应函数R(λ)相匹配。

3.根据权利要求1所述的光合辐射照度计，其特征在于：宽波段辐射探头(2)的相对光谱灵敏度与CIE规定的明视觉光视效率函数V(λ)相匹配，或者宽波段辐射探头(2)的相对光谱灵敏度无选择性。

4.根据权利要求1或2所述的光合辐射照度计，其特征在于：光谱仪(1)是快速光谱仪，包含有入射狭缝(1-1)、光栅(1-3)和阵列探测器(1-5)。

5.根据权利要求1或2所述的光合辐射照度计，其特征在于：光谱仪(1)是机械扫描式光谱仪，包含有单色仪和单通道光电探测器。

6.根据权利要求1或2所述的光合辐射照度计，其特征在于：宽波段辐射探头(2)前具有余弦校正器(2-1)。

7.一种光合辐射照度测量方法，其特征在于包括以下步骤：

a)用光谱仪(1)测量被测光的相对光谱功率分布P_t(λ)，用宽波段辐射探头(2)测量被测光的光合辐射照度G；

b)由相对光谱功率分布P_t(λ)，已知宽波段辐射探头(2)的相对光谱灵敏度s_rel(λ)以及宽波段辐射探头(2)所匹配的理想响应函数，计算出光谱修正系数K，并将K乘以G得到更为精确的光合辐射照度G_c。

8.根据权利要求7所述的光合辐射照度测量方法，其特征在于：所述光谱修正系数K的计算公式为：

$K=\frac{\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}{P}_t\left(\mathrm{\λ}\right)F\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}{P}_s\left(\mathrm{\λ}\right)s_{\mathrm{rel}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}{P}_t\left(\mathrm{\λ}\right)s_{\mathrm{rel}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}\underset{{\mathrm{\λ}}_1}{\overset{{\mathrm{\λ}}_2}{\∫}}{P}_s\left(\mathrm{\λ}\right)R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}},$

其中P_t(λ)为被测光的相对光谱功率分布，

s_rel(λ)为所述宽波段辐射探头(2)的相对光谱灵敏度，

P_s(λ)为定标所述宽波段辐射探头(2)的标准光源的已知光谱功率分布，

F(λ)为宽波段辐射探头(2)所匹配的响应函数，

λ₁和λ₂分别为F(λ)函数波长范围的最小值和最大值。

9.根据权利要求7所述的光合辐射照度测量方法，其特征在于：根据光合辐射照度G_c和被测光的相对光谱功率分布P_t(λ)，计算得到被测光的绝对光谱功率：

其中，F(λ)为宽波段辐射探头(2)所匹配的理想响应函数，λ₁和λ₂分别为F(λ)函数波长范围的最小值和最大值，将绝对光谱功率与除F(λ)之外的其它理想响应函数加权积分，求得在其它系统中的光合辐射照度。

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