CN104684380A - 用于人工照射的光谱优化 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于对植物的人工照射的方法，其中植物的照射基于从植物反射的光的总量来控制。本发明还涉及对应的照射系统、照射系统和计算机程序产品的使用。

Description

用于人工照射的光谱优化

技术领域

本发明涉及一种用于在光合作用的环境中，优化由照射系统发射光的光谱的方法，例如，使用布置在温室中、步入式测试箱中和生长室等中的照射系统。该发明也涉及相应的照射系统、照射系统和计算机程序产品的使用。

发明背景

例如，在温室中的人工照明和补充照明通常涉及刺激植物生长的照射系统的使用，照射系统包括几个高功率光源。可以包括具有不同光谱并且提供对生长刺激的不同的影响的不同类型的光源，诸如基于金属卤化物(MH)的光源或基于含高压钠(HPS)的高强度放电(HID)的光源。使用基于金属卤化物的照明通常促进更矮的、茂密的生长；而相对而言，基于高压钠的照明通常趋向于产生较高的、伸展的植物。

近来，在提高发光二极管(LED)的亮度方面已经取得了很大的进步。因此，LED已变得足够明亮和便宜，从而还用于温室环境中的人工照明服务，此外，还提供具有可调节颜色(光谱)的发射光的可能性。通过混合不同颜色的LED，可产生任何数量的颜色。可调节颜色的照明系统通常包括一些主要的颜色，例如，三原色的红、黄、蓝。所产生的光的颜色由所使用的LED以及混合比例确定。通过使用LED，降低能量消耗是可能的，这是与当前环境趋势的路线一致的要求。此外，使用基于LED的照射系统最小化光源所产生的热量的量，这特别适合于期望温度控制的环境。

基于LED的照射系统的例子已在WO2008118080中公开，其包括通信耦合到处理器的光传感器，其中处理器实现用于通过调整由LED发出的光来调节和改善植物生长和属性的控制算法。

WO2008118080展示了关于在温室环境中的人工照明的有前途的方法，然而，仍然期望的是，进一步优化由照射系统所发出的人工光和/或补充光，以能够改善植物的生长过程。

发明概要

根据本发明的第一方面，上述问题通过植物的人工照射方法是至少部分缓解的，该方法包括以下步骤：控制照射植物的照射系统，发射光具有给定光子辐射度或辐射通量的光谱分布；确定从植物反射的光的光谱分布，所反射的光谱分布具有由此产生的辐射通量或光子辐射度；以及，调整发射光的光谱分布以对于至少一个植物照射的预定准则优化反射光的光谱分布或产生的辐射通量或光子通量中的至少一个。

通过本发明的方法，到达植物的发射光的组成是以这样的方式被调整，即，被植物反射的光对应于特定植物照射的至少一个预定准则。发射光的优化通常是(但不是必需的)针对给定的辐射通量或光子通量，即，向植物发出预定的但是通常固定的光的总量。

本发明基于到达植物的发射光可以被细分为不同的部分的理解，至少包括被植物吸收的用于刺激它生长的光、透过植物向下传输到土壤的光和由植物反射的光。本发明利用由植物反射的光作为植物生长指示，通常通过对被植物吸收的光的总量进行估计。

因此，本发明的优点包括考虑植物的现状自适应地调节植物的人工照射的可能性。具体的是，通过本发明的方法，可能确定精确的可重复生长结果，这是由于相比先前的生长，通过控制植物的照射以引起同等水平的边缘反射(marginal reflectance)，它允许由植物所感测的照射条件的精确重复，这在不同的温室或步入式测试箱或生长室中任意安装，同时考虑所观察到的植物条件，使用并考虑其他光源诸如自然采光，以及考虑照明系统性能的退化或改变。此外，根据本发明，控制植物的相关的精确加速生长和减缓生长也是可能的，通过保持每种植物类型的生长速率和植物所感测的生长阶段的不同等级的辐射通量的记录，并且该记录是由辐射通量等级的特定边缘反射所精确记录的，这关于在不同的温室或步入式测试箱或生长室中任意安装。这样的可能性允许例如，对于在特定的交付日期产生特定的生长结果的植物或植物生长的压力减少，从而提供用于刚刚及时的植物生产的方法。

作为基于反射光的量的优化发射光的例子，可能调整给定的辐射或光子通量下的发射光的光谱分布，以减少产生的辐射通量。根据这个实施例，以减少被植物反射的光为目的，调整朝向植物的发射光的组成。基于上述的讨论，即，关于朝向植物的发射光和被植物反射的光、吸收的光和透过植物传输的光，对于给定的发射光的辐射通量，根据本发明假设减少的反射光的量，是更多的光被植物吸收的结果。因此，通过应用减少反射光的光条件，更多的光被植物潜在地“使用”用于刺激它的生长。

此外，应该注意的是“照射植物”的表述应该被广义的解释，包括直接和/或间接(例如，使用相邻的对象诸如墙、屋顶或地板)。

根据另一个实施例，不仅通过减少反射光的量，而且还通过对于给定的发射光的辐射通量，最小化产生的辐射通量来达到对发射光的优化。因此，考虑上述讨论，被植物吸收的光的量是实质上最大化的。

在又一个实施例中，发射光的优化可以通过在给定的辐射通量下调整反射光的光谱来可代替的实现，使得反射光的光谱匹配用于植物的预定光谱分布图。预定光谱分布图可以对应于植物的“生长制度”，其中生长制度可以基于，例如，植物的不同生长策略，以及植物的不同的生长阶段和/或条件(在不同的时间点)而形成。

优选的是，发射光的给定辐射通量取决于(通过考虑以下因素调整)植物类型、植物的生长速率和植物生长阶段、植物附近的环境温度、湿度、环境光条件、水分、营养等中的至少一种。所调节的光谱分布被有利的用于控制由照射系统所发射的光。

应该注意的是，相对于所公开的照明系统，发明的构思适合在任何安装中作为集中在识别反射光的总量的发明，因此，允许对当植物生长到靠近光源时的情况的补偿。

根据本发明的第二方面，提供植物的人工照射的用途，照射系统包括第一光源和第二光源以及被配置为接收植物的反射光的至少一个传感器，其中，第一和第二光源中的每个被配置为分别发射在第一和第二预定波长的范围内的光，照射系统的用途包括控制第一和第二光源以分别以第一和第二预定基准等级的辐射通量照射植物，将微小变化引入到第一和第二基准等级的辐射通量中的至少一个，通过至少一个传感器，确定第一波长范围的反射光的第一等级和第二波长范围的反射光的第二等级，基于由植物反射的第一波长范围和第二波长范围的反射光的第一等级和第二等级确定边缘反射，并且调整由第一光源所发射的光的辐射通量，使得第一波长范围内的总边缘反射与第二波长范围内的总边缘反射维持预定的关系。

就本发明而言，表述“边缘反射”被定义为所测量的反射光强度关于光源所发射的光的导数。

通过本发明的这个方面，可能的是，甚至可以更精确地确定由照射系统所发射的光和被植物所反射的光之间的关系。发明的方法允许用于常规的植物和常规生长阶段的光谱的优化。通过将边缘反射重新定义为所导致的光变化相对于所应用的功率变化之间的比值，关于照射系统的电功率消耗来优化由照射系统发射的光也是可能的。

优选的是，为了确定由照射系统发射的光和被植物反射的光之间的关系，微小变化被引入到第一以及第二基准等级的辐射通量。然而，可代替的并且在本发明的范围内，微小变化可以只关于第一和第二基准等级的辐射通量中的一个引入。

在优选的实施例中，第一波长范围内的总边缘反射等于第二波长范围内的总边缘反射。然而，取决于所选定的优化方案，第一照明波长的总边缘反射可以被调整为基于预定尺度矩阵与第二照明波长的总边缘反射相关。关于上述的讨论，尺度矩阵可以对应对植物的特定生长制度并且取决于植物类型、植物生长条件、植物生长阶段或植物的生理状态中的至少一个。

在可能的实施例中，方法还包括控制由第一和第二光源发射的光的辐射通量，使得第一波长范围内的总边缘反射对应于第二波长范围内的总边缘反射的步骤。

应该注意的是，边缘反射能够从植物的一部分或从选定的植物的许多叶子或冠层中的所有平均分布、特定分布、热点、低点中测量。测量方法可以随时间和生长阶段而变化。通过使用结合信号/图像处理的相机，例如，聚焦补偿没有被植物所覆盖的区域，可以排除土地的影响。

根据本发明的第三方面，提供一种用于植物的人工照射的照射系统，该照射系统包括配置为发射可调整颜色的光的发光装置、被配置为接收来自植物的反射光的传感器，以及控制单元，该控制单元电耦合到传感器和发光装置，其中控制单元被配置为控制照射植物的发光装置，发射光具有给定辐射通量的光谱分布，通过传感器和控制单元，确定被植物所反射的光的光谱分布，反射光的光谱分布具有产生的辐射通量，调整发射光的光谱分布以关于用于植物的照射的至少一个预定准则优化反射光的光谱分布或所产生的辐射通量中的至少一个，并且控制发光装置以发射具有所调整的照射光谱的光。本发明的这个方面提供如上述所讨论的相对于本发明第一方面的相似的优点。

例如，发光装置可以由几个具有不同颜色的发射(例如，第一和第二)光源(例如，具有可见光谱内的不同峰值波长的光源)提供。然而，通过使用结合不同颜色的滤波器的一个或多个光源可以提供相同或相似的效应。其它的可能性在本发明的范围内当然是可能的。

优选的是，光源通常包括发光元件，包括例如不同类型的发光二极管(LED)。如上面所讨论，LED的使用通常提高照射系统的效率同时可能提高热管理。

根据本发明的第四方面，提供用于植物人工照射的照射系统，照射系统包括第一和第二光源、配置为接收来自植物的反射光的传感器、以及控制单元，控制单元被电耦合到传感器和第一和第二光源，其中控制单元被配置为控制第一和第二光源分别以第一和第二预定基准等级的辐射通量来照射植物，将微小变化引入到第一和第二基准等级的辐射通量的至少一个，通过至少一个传感器和控制单元，确定第一波长范围的反射光的第一等级和第二波长范围的反射光的第二等级，基于来自植物的第一和第二波长范围的反射光的第一和第二等级，确定边缘反射，并且调整由第一光源所发射的光的辐射通量，使得第一波长范围内的总边缘反射与第二波长范围内的总边缘反射维持预定的关系。本发明的这个方面提供如上面所讨论的相对于本发明的第二个方面的类似的优点。

根据本发明的第五方面，提供一种包括计算机可读介质的计算机程序产品，该计算机可读介质具有存储在其上的用于控制被配置成用于植物的人工照射的照射系统的计算机程序装置，其中计算机程序产品包括用于控制照射植物的照射系统的代码，发射光具有给定辐射通量的光谱分布；用于确定来自植物的反射光的光谱分布的代码，反射光的光谱分布具有所产生的辐射通量；以及用于调整发射光的光谱分布以关于植物的照射的至少一个预定准则优化反射光的光谱分布或产生的辐射通量中的至少一个的代码。本发明的这个方面提供如上面所讨论的相对于本发明的第一和第三方面的相似的优点。

控制单元优选的是微型处理器或任何其他类型的计算设备。类似地，计算机可读介质可以是任何类型的存储设备，包括可移动非易失性随机存取存储器、硬盘驱动器、软盘、CD-ROM、DVD-ROM、USB存储器、SD存储器卡或已知技术中的相似的计算机可读介质中的一种。

根据本发明的第六方面，提供一种包括计算机可读介质的计算机程序产品，该计算机可读介质具有存储在其上的用于控制被配置成用于植物的人工照射的照射系统的计算机程序装置，照射系统包括第一和第二光源和被配置为接收来自植物的反射光的至少一个传感器，其中第一和第二光源中的每个被配置为分别发射在第一和第二预定波长范围的光，其中计算机程序产品包括用于控制第一和第二光源分别以第一和第二预定基准等级的辐射通量照射植物的代码，用于将微小变化引入到第一和第二预定基准等级的辐射通量中的至少一个的代码，用于通过至少一个传感器确定第一波长范围的反射光的第一等级和第二波长范围的反射光的第二等级的代码，用于基于来自植物的第一和第二波长范围的反射光的第一和第二等级确定边缘反射的代码，以及用于调整由第一光源所发出的光的辐射通量、使得第一波长范围内的总边缘反射与第二波长范围内的边缘反射维持预定的关系的代码。本发明的这个方面提供如上面所讨论的与本发明的第二和第四方面有关的相似的优点。

当研究随附的权利要求和下面的描述时，本发明的另外的特征和优点将变得更明显。本领域的技术人员意识到，本发明的不同特征可以被合并以创造不同于下面所描述的实施例的其它实施例，而不违背本发明的范围。

附图说明

本发明的各个方面，包括它的特定特征和优点，根据下面的详细描述和附图将更容易理解，其中：

图1展示了根据本发明的目前的优选实施例的照射系统；以及

图2说明了由照射系统提供的光和当该光向植物发射时，发射光细分为不同部分之间的关系；

图3a和图3b说明了朝向植物的照射和来自植物的反射的示例性光谱；

图4提供了根据本发明的一个实施例的方法步骤的流程图；

图5展示了反馈光谱的最优控制器的示例性机构；以及

图6提供了具有重叠光谱范围的多个光源的示例性照射。

详细说明

在下文中将通过参考附图对本发明进行更充分的描述，在附图中展示了本发明目前的优选实施例。然而，本发明可以以不同的形式体现并且不应该被理解为限制本文所阐述的实施例；相反地，这些实施例为彻底性和完整性而提供，并且将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。类似参考字符指的是类似的贯穿本发明的元素。

现在参考附图，并且更具体的是，参考图1，图1是描述了根据本发明的可能的实施例的照射系统100。照射系统100包括至少一个光源。在示出的实施例中，提供8个基于不同颜色的LED光源102、104、106、108、110、112、114、116用于照射植物118。照射系统100还包括配置为接收由植物反射的光的传感器120和控制单元122，其中控制单元122被电耦合到传感器120和光源102-116。

优选的是，光源具有不同的颜色(光谱)和典型地重叠的光谱分布(即，波长范围彼此相互重叠并且具有不同的峰值波长)。光源102-116的不同颜色通常是从紫外线到远红外线的范围。尽管8个光源102-116在图1中示出，但是在本发明的范围内可以提供多于8个和少于8个的光源。类似地，相同颜色的更多光源可以被提供以达到在特定的波长范围内的期望的功率。例如，选定的用于接收反射光的传感器120可以是分光仪、波长调整光敏电阻(例如，配备彩色滤色器)、光电二级管、CCD传感器、或用于接收反射光的任何其他类型的传感器。关于光源，可以提供单个或多个传感器120。这样，例如，为每个光源102-116提供一个传感器，每个传感器具有对应于光源波长范围的波长响应。

控制单元122可以是模拟的或时间离散的，包括通用处理器、专用处理器、包含处理元件的电路、一组分布式处理组件、配置为用于处理的一组分布式计算机等。处理器可以是或包括任何数量的硬件组件，这些硬件组件用来传递数据或信号处理或用于执行存储在存储器中的计算机代码。存储器可以是一个或多个设备，该设备用于存储数据和/或存储用于完成或促进本说明书所描述的各种方法的计算机代码。存储器可以包括易失性存储器和非易失性存储器。存储器可以包括数据库组件、目标代码组件、脚本组件或用于支持本说明书中的各种活动的任何其他类型的信息结构。根据示例性实施例，任何分布式或本地存储设备都可以与该说明书的系统和方法一起使用。根据示例性的实施例，存储器以通信连接到处理器(例如，通过电路或任何其他有线、无线或网络连接)并且包括用于执行本文所描述的一个或多个过程的计算机代码。犹如数字控制单元所提供的相似的功能，当然可以通过使用模拟的和/或电子电路组合达到。

植物118可以是适合由配置为用于提供人工照射的照射系统100刺激生长的任何类型的植物。植物的类型可以包括草本植物、药用植物、观赏植物和农作物等。

进一步参考图2，提供由照射系统所提供的光和当发出的光200指向植物118时的，发出的光细分为不同部分之间的关系。如上所述，由照射系统100发出的指向植物118的光通常可以被细分为不同的部分，至少包括被植物118吸收用于刺激它的生长或性能的光202、透过植物118向下朝土地传输的光204、被植物116反射的光206。如从图2中可看到的，有关由植物118所产生的发荧光的光208的另一部分被额外提供。然而，发荧光的光208的量通常在百分之几的(光总量的)范围内并且可以被忽略或者补偿。由植物116所吸收的光202可以被进一步细分为刺激生长的部分和加热植物和它的环境的部分。

在照射系统的工作期间，进一步参考图3a、图3b和图4，在步骤S1，照射系统100的光源102-116由控制单元122控制，以照射植物118，发射光具有给定辐射通量的光谱分布302。通常，在步骤S2，传感器120接收来自植物116反射的光，并且与控制单元120配合以确定从植物116反射的光的光谱分布304、反射光的光谱分布304具有产生的辐射通量。在步骤S3，随着反射光的光谱分布304的确定，由照射系统100所发出的光的光谱分布302'被调整，以对应于植物照射的至少一个预定准则优化反射光的光谱分布304或所产生的辐射通量中的至少一个。

如上所讨论的，以给定辐射通量发出的光的光谱分布302可以被调整为302'以减少所产生的反射光的辐射通量。然而，发出的光的光谱分布302'的给定辐射通量也可以进行调整，以使产生的辐射通量最小，从而产生反射光的不同的光谱分布304'。

根据本发明的又一个实施例和上述讨论，可能甚至更精确地确定由照射系统发射的光和由植物所反射的光之间的关系。发明的方法考虑一般植物、一般生长阶段和所期望的植物性能的光谱优化。通过将边缘反射重新定义为感应的光变化相对于所应用的功率的变化之间的比，相对于发照射系统的电功率消耗，优化由照射系统所发出的光是可能的。

根据本发明，通过在不同的光源中将具有低幅度的激励(变化)添加到更缓慢变化的大于激励幅度的平均等级中，这可以被达到。这些激励对通过传感器调准的光的影响被分析以评估每个单独光源或每组光源的效率。基于这个，光通过反馈来调整，使得效率对所有光源是相同的，其中不包括当约束限制自由度的情况。该方法的非常重要的结果是，激励和信号处理装置可能几乎无关其他变化条件(例如，自然的阳光等)而单独提取关于植物如何吸收所施加的光的信息。因此，可能在调整为对植物最优的任意光谱时，改善节能。另外，沿着相同的思路，存在指示强的任意光线的可能，这些光线太强而抑制了植物。

如上面讨论的，由植物吸收的光的不同波长取决于光的强度。在低强度时，特定百分比(吸光率)的光被吸收。吸光率取决于波长，并且原则上这通常被称为吸收光谱。当强度增加超过某一水平时，将存在饱和状态，使得吸光率随着强度的增加而降低，因为植物完全不能像在低强度时有效地使用光。这种饱和度对于特定的波长何时和如何发生取决于，植物的历史、植物118的类型、温度和到达植物的所有其他波长的强度、以及其他原因。

作为说明性的例子并且关系到下面的讨论，可以假设只有两个具有不同的波长(λ₁和λ₂)的单色的光源在图1中所示的相关照射系统中提供。吸收光的功率I_A1和I_A2表现不同的饱和特性，但是为了简化，我们假设λ₁的特性不取决于λ₂的强度I₂，反之亦然。在说明性的例子中，可以假设，对于低强度，波长λ₁比波长λ₂更容易被吸收，而对于高强度，假设是相反的。此外，假设所期望的是对于给定的固定的总应用强度I＝I₁+I₂最大化总的吸收功率I_A1+I_A2，即，最大化下式：

V＝I_A1(I₁)+I_A2(I₂)

如果I＝I₁+I₂被使用，关于I₁对V取倒数，并且结果被设置为零以寻找最优解，结果将是：

$\frac{\mathrm{dV}}{{\mathrm{dI}}_1}=\frac{d}{d{I}_1}{I}_{A1}\left(I_1\right)+\frac{d}{{\mathrm{dI}}_1}{I}_{A2}(I-I_1)=0$

由于dI₂/dI₁＝-1，结果将被给出为：

$\frac{d{I}_{A1}}{{\mathrm{dI}}_1}=\frac{d{I}_{A2}}{d{I}_2}---\left(1\right)$

现在，优化吸收的两个波长λ₁和λ₂上的总的应用强度I的分布可被确定。如果优选的是对两个光源优化功率P₁和P₂，则求解方法将变得相同，即，最优的分布要求：

$\frac{{\mathrm{dI}}_{A1}}{d{P}_1}=\frac{d{I}_{A2}}{d{P}_2}---\left(2\right)$

上面的例子可以被归纳为任意多个波长。假设n个波长且P₁+P₂+…+P_n＝P_tot。写为以下形式：

$P_n=P_{\mathrm{tot}}-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i$

期望最大化下式：

$V=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ai}}\left(P_i\right)=\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ai}}\left(P_i\right)+I_{\mathrm{An}}(P_{\mathrm{tot}}-P_1-P_2...-P_{n-1}).$

在最优解处，V关于所有输入P_i的倒数必须都是零，即：

$\frac{\mathrm{dV}}{d{P}_i}=\frac{d{I}_{\mathrm{Ai}}}{d{P}_i}+\frac{d{I}_{\mathrm{An}}}{d{P}_n}\frac{d{P}_n}{d{P}_i}=0,i=1,...n-1$

这是由于对于所有i，都满足dP_n/dP_i＝-1，这意味着最优的分布要求所有偏导数对所有波长都相等。但是一般而言，不同波长λ_i的吸收曲线I_Ai是未知的，这意味着在实践中上面的条件不能以它们现在的形式使用。然而，使用一些简化，可能展示这些条件可以通过基于反射光的分析调整光源而满足。

由总强度I的入射光照射的植物的能量流在图2中展示。对于成熟的植物，透过所有植物朝向土地传输的光I_T通常较低，发荧光的光也是一样，大约是百分之几的量级。由于由一个传感器/多个传感器调准的特定波长的光源于相同波长的入射光，做出下式的简化假设是可能的：

I(λ)≈I_R(λ)+I_A(λ)        (3)

其中I_R表示反射光的强度。因此，对于给定的总应用强度I或总功率P最大化吸收的光，基本上对应于最小化反射光的强度。

假设波长λ_i处的吸收率和反射率只取决于该波长处的应用光I_i＝I(λ_i),结果将是：

$V=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ai}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i-I_{\mathrm{Ri}}$

其中，I_Ri≡I_R(λi)。对于固定的总应用强度

$I_{\mathrm{tot}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i$

它可能继续如以前处理，通过对V关于I_i求微分以获取最优的分布，只要满足下式：

$\frac{{\mathrm{dI}}_{R1}}{{\mathrm{dI}}_1}=\frac{{\mathrm{dI}}_{R2}}{{\mathrm{dI}}_2}=...=\frac{{\mathrm{dI}}_{\mathrm{Rn}}}{d{I}_n}.---\left(4\right)$

每个导数dI_Ri/dI_i都是来自光源i的多大部分的任何额外光被反射的测量，这意味着我们将把这个作为边缘反射。

在实际能够使用最优的条件之前，现在还有两个剩下的问题需要解决。第一，期望的是估计比率，然后可能需要处理当存在不同光源的光谱的重叠时的情况。为了这样做，可能有用的是引入围绕操作点(应用功率)的线性化反射。

因此，假设小变化的驱动△I_i，该变化将引起反射光中的小变化。由于在该等级的所有物理特性可以被假设为是连续的，则产生的变化成为：

$\mathrm{\Δ}{I}_R({\mathrm{\λ}}_i,t)\≈\left(\frac{d}{d{I}_i}{I}_R\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\right)\mathrm{\Δ}{I}_i\left(t\right)\≡K_i\mathrm{\Δ}{I}_i\left(t\right)$

通过持续叠加小的和快速的变化ΔI_i(t)，i＝1,…,n，在更慢变化的基准等级I_i上，对所有i可能估计K_i。如果我们让变化的振幅变为无限小，则该增量反射K_i收敛于等式(4)中的边缘反射。最优的条件(见等式4)则可以被表示为所有波长的增量反射都应该相等。

如前面提到的K_i，将随着其它光源、自然阳光、温度等的基准等级在时间上变化。如果由激励引起的变化的时间尺度不同(更快)于基准等级中的变化，例如，通过从反射光中测量的变化的递归参数估计，可能追踪K_i：

ΔI_Ri≡Δ_R(λ_i)＝I_R(λ_i)-LP(I_R(λ_i))

其中LP(I_R)表示低通滤波的I_R，例如，滑动平均等。

因此，让t表示在基准等级更长期变化时的时间，并且考虑将K_i(t)，I＝1,…,n替换为测量的输出。诸如在图5中所示出的反馈控制器则可以随后被实现以控制估计的增益K_i(t)，给定总应用强度P_tot，K_i(t)将对所有i尽可能的接近相等，因此旨在达到最优的条件(再次见等式4)。对于不同光源间的光谱不重叠的情况，该反馈控制可以是明确的。例如，对比所估计的K_i和所有K_i的均值，将决定是否提高或降低每个功率P_i。例如，很高的K_i意味着相比于最优值反射更强而吸收更弱，并且因此控制器应该降低P_i，并且反之亦然。

当使用不是单色而是具有重叠光谱的光源时，解决方案变得稍微有点复杂。假设m个光源和理解为n个不同波长处的光强度的传感器信号。同样期望的是，从观测作为已知输入的应用强度转换为定义作为实际功率P_i的输入，该实际功率P_i被提供给光源。

代替估计增量反射，我们因此将关于输入P_i使用线性化。基于连续性的假设，在功率中的小变化ΔP_i将导致：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{I}_{R1}\\ \mathrm{\Δ}{I}_{R2}\\ .\\ .\\ .\\ \mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{Rn}}\end{array}\right]\≈\left[\begin{array}{cccc}{K}_{11}& K_{12}& ...& K_{1m}\\ K_{21}& K_{22}& ...& K_{2m}\\ .& & & .\\ .& & & .\\ .& & & .\\ K_{n1}& K_{n2}& ...& K_{\mathrm{nm}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{P}_1\\ \mathrm{\Δ}{P}_2\\ .\\ .\\ .\\ \mathrm{\Δ}{P}_m\end{array}\right]---\left(5\right)$

即，ΔI_R(t)≈KΔP(t)，其中

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{I}_R\left(t\right)={\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{\Δ}{I}_{R1}\left(t\right)& \mathrm{\Δ}{I}_{R2}\left(t\right)& ...& \mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{Rn}}\left(t\right)\end{array}\right]}^T\\ =I_R\left(t\right)-{\stackrel{\‾}{I}}_R\end{array}$

$\begin{array}{c}\mathrm{\ΔP}\left(t\right)={\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{\Δ}{P}_1\left(t\right)& \mathrm{\Δ}{P}_2\left(t\right)& ...& \mathrm{\Δ}{P}_m\left(t\right)\end{array}\right]}^T\\ =P\left(t\right)-\stackrel{\‾}{P}\end{array}$

并且是对应于恒定应用功率的固定的反射强度。

让应用功率和强度之间的关系满足：

其中，是对应于的强度。

现在，期望最大化给定总功率的吸收光，即：

$\underset{\mathrm{\Σ\Δ}{P}_j=0}{\max }V\left(\mathrm{\ΔP}\right)$

其中，

$\begin{array}{c}V=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i-I_{\mathrm{Ri}}\\ =\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({\stackrel{\‾}{I}}_i+\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ij}}\mathrm{\Δ}{P}_j-{\stackrel{\‾}{I}}_{\mathrm{Ri}}-\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{\mathrm{ij}}\mathrm{\Δ}{P}_j)\end{array}$

由于功率ΔP_i中的所有变化的总和应为零的条件占用了一个自由度，那么优化问题具有m-1个自由度。例如，如果

$\mathrm{\Δ}{P}_m=-\underset{j=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{P}_j$

被代入V，我们得到：

$\begin{array}{c}V=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i-I_{\mathrm{Ri}}\\ =\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({\stackrel{\‾}{I}}_i-{\stackrel{\‾}{I}}_{\mathrm{Ri}}+\underset{j=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ij}}-K_{\mathrm{ij}})\mathrm{\Δ}{P}_j+({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{im}}-K_{\mathrm{im}})(-\mathrm{\Δ}{P}_1-...-\mathrm{\Δ}{P}_{m-1}))\end{array}$

通过微分得到

$\frac{\∂V}{\∂\mathrm{\Δ}{P}_j}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{im}})-(K_{\mathrm{ij}}-K_{\mathrm{im}}),\∀j$

在最优条件▽V(△P)＝0下，这给出：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{\mathrm{ij}}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{im}})=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{\mathrm{im}},\∀j---\left(6\right)$

因此，对所有j(光源)

$y_j=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{\mathrm{ij}}-k_j$

其中是恒量，应该是相等的。

由于是从P_j到所有强度的实际效率I_i，k_j可以看作是对可能不同的光源效率的补偿。如果所有光源具有相同的总效率，最优条件(见等式6)说明在K中的每列的所有元素的总和对于将是最优的功率分布是相等的。这个的物理解释是非常明确的，因此期望的是，所测量的来自每个功率的所有波长的总效率都是相等的。应该注意的是，先前示出的具有非重叠光谱和传感器信号与存在的光源一样多的情况，产生对角K矩阵，是一种特殊情况。最优条件则简化为所有对角线元素K_ii相等.。

K的确定可以根据情况通过不同的方式进行，所述情况为K被假设为常量或随时间变化，以及K是实时的在线估计还是离线估计。对于当K是常量的情况，使用最小二乘法，离线估计很容易被实施。例如，如果我们想在收集应用功率和反射光的N个采样之后，确定方程(5)中的K，我们可以求解下式：

$\hat{K}=\arg \underset{K}{\min }\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|\mathrm{\Δ}{I}_R\left(t\right)-\mathrm{K\ΔP}\left(t\right)\left|\right|}^2$

然而，为了充分地开拓包括反馈控制的现有创新的使用，我们主要感兴趣的是变化的K的在线估计。一个方式是使用带有遗忘因子λ的递推最小二乘法(RLS)，即，求解下列等式：

$\hat{K}\left(t\right)=\arg \underset{K}{\min }\frac{1}{2}\underset{\mathrm{\τ}=1}{\overset{t}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}^{t-\mathrm{\τ}}{\left|\right|\mathrm{\Δ}{I}_R\left(\mathrm{\τ}\right)-\mathrm{K\ΔP}\left(\mathrm{\τ}\right)\left|\right|}^2$

以上等式具有导致数值上高效的递推算法的求解方案。然而，存在许多其他的替代方法，诸如卡尔曼滤波、各种自适应滤波、BLU估计器、预测误差方法等，取决于测量结果和过程噪声特性及不能建模的现象，这些方法可能是更有效。对这些方法很重要的是，激励信号ΔP和△I被充分激励。但是，通过应用随机输入，匮乏的激励可以被避免。

估计K的不同方式是对每个单独的光源应用不同的频率。这样，从每个源到每个输出的贡献可以通过输出测量结果的带通滤波确定。这样的处理，以及幅度调制/解调技术可以在不需任何计算能力的条件下执行，因此，使用模拟和/或电子电路的组合的实施是可行的。驱使照射系统接近相等效率的反馈控制器可以以不同的方式制作。一种方式是直接进行K的每个列的求和(以补偿k_j)，这对应于来自每个光源的浪费功率(无效的)的测量值。被控制的照射系统则被可以看作是一个具有n个输入(应用到每个光源的功率P_i)和n个输出y_i＝∑_jK_ij(每个光源的无效性)的正方形的MIMO系统。MIMO控制器则可以被用来控制功率分布以通过均衡它们来最小化无效性。

在很多情况下，y_j可以被期望为主要取决于P_j，并且然后可能使用n个SISO控制器以调整相对于总功率的功率比例并且快速整合SISO控制器以调整总功率。

为了进行说明，进一步参考图6，考虑具有重叠光谱的三个光源(蓝、绿和红)和测量三个不同波长(λ_i，i＝1,2,3)的强度的三个传感器的系统。为了简化，当功率变化时，光源的归一化光谱并不改变。三个不同波长的入射强度则由下式给出：

为了简化说明，假设在一个波长的吸收不取决于所应用的其它波长的光。对每个波长λ_i,假设吸收饱和状态由下式描述：

$I_A\left({\mathrm{\λ}}_i\right)=\frac{{\mathrm{\γ}}_{i}I\left({\mathrm{\λ}}_i\right)}{C_i+I\left({\mathrm{\λ}}_i\right)},i=\mathrm{1,2,3}---\left(7\right)$

其中γ_i/C_i是最大吸光率并且C_i是确定在什么等级饱和状态开始限制吸光率的常量。由于可能从来不会吸收比所提供的光更多的光，则可得出的结论是，该模型表明，对于每个波长γ_i/C_i≤1。在该例子中，假设

γ＝[0.2 0.1 0.15]并且C＝[0.2 0.15 0.2]

使用等式(3)，可能得到近似值

$\begin{array}{c}{I}_R\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\≈I\left({\mathrm{\λ}}_i\right)-I_A\left({\mathrm{\λ}}_i\right)\\ =I\left({\mathrm{\λ}}_i\right)(1-\frac{{\mathrm{\γ}}_i}{C_i+I\left({\mathrm{\λ}}_i\right)})\end{array}$

这给出

$\begin{array}{c}\frac{d{I}_R\left({\mathrm{\λ}}_i\right)}{\mathrm{dI}\left({\mathrm{\λ}}_i\right)}=1-\frac{{\mathrm{\γ}}_i}{C_i+I\left({\mathrm{\λ}}_i\right)}+\frac{{\mathrm{\γ}}_{i}I\left({\mathrm{\λ}}_i\right)}{{(C_i+I\left({\mathrm{\λ}}_i\right))}^2}\\ =1-\frac{{\mathrm{\γ}}_i{C}_i}{{(C_i+I\left({\mathrm{\λ}}_i\right))}^2}\end{array}$

给定反射系数的解析表达式，增益K可被确定：

$K\≡\frac{{\mathrm{dI}}_R\left({\mathrm{\λ}}_i\right)}{d{P}_i}=\left[\begin{array}{ccc}1-\frac{{\mathrm{\γ}}_1{C}_1}{{(C_1+I\left({\mathrm{\λ}}_1\right))}^2}& 0& 0\\ 0& 1-\frac{{\mathrm{\γ}}_2{C}_2}{{(C_2+I\left({\mathrm{\λ}}_2\right))}^2}& 0\\ 0& 0& 1-\frac{{\mathrm{\γ}}_3{C}_3}{{(C_3+I\left({\mathrm{\λ}}_3\right))}^2}\end{array}\right]\mathrm{\Φ}$

在本文的系统描述中，已经假设进来的光和反射的光之间存在静态关系。实际上，这是在光源、植物和传感器中具有动态性的快速而动态的系统。简单的解决方案是使用分段恒定激励信号和采样，使得所使用的输出信号有些延迟，使得瞬变现象需要时间来稳定。另一种选择是实际估计动态模型中的参数并且随后使用更复杂的优化。

在所示出的例子和等式中，已经澄清了对于给定的照明器输出或所应用的电功率，反射光的量可以如何被最小化。所依据的是随后可达到最大化的植物吸收，并且最大化的吸收将对于植物是最优的，尽管这通常不是完全正确的。已构想的创新的方式也可能被误解为，似乎反射光总是在某些特定波长测量。因此，这两个问题还需要进一步讨论并且已经证明两者如何能以相同的方式被处理并被并入优化中。

光可以以不同的方式和在不同的单元中被测量。对于植物，它不能以我们想最大化的瓦特被吸收，由于它不是我们想优化的吸收光的实际生物学益处。假定吸收不受过量光的影响，更有可能的是，反射的光子通量应该被最小化。即使如此，不同波长的光子可以被不同地利用并且为了对其进行补偿，权重w_i可以被分配给每一个光测量结果，以产生修正的矩阵K来进行优化。如果我们使用新措施并且根据到ΔI'_R的输入优化K、或将我们先前的K与尺度矩阵W_R相乘、并随后优化K'＝W_RK，这在数学上没有什么区别。

如果我们将特定的生物学效率分配给每个光源，则只是在输入侧可做出对应的尺度调整，即K'＝KW_P，其中W_P是具有权重元素的对角尺度矩阵，其中权重元素对应于对角线上的每个光源。

现在，我们不仅对光如何在假定的峰值波长处被吸收感兴趣，也对特定光源的峰值波长也可能随温度变化、老化等漂移感兴趣。因此更鲁棒的措施是基于集成在一个波长范围内的反射光。这可以很容易地数字地实现，但它也可以是由传感器(诸如具有显著宽度的检测光谱的光电二极管)感应到的光的结果。在数字地处理的情况下，这些措施的w_i权重可由包含在集合(integration)中的波长相关的权重来代替，所述集合用于说明不同波长的光子如何优选。

对于植物的特定类型，可能的情况是优选的尺度在生长周期的不同阶段以及在不同环境条件下是不同的。通过允许权重随时间而改变，尺度然后可以看作是校正仪器。

总之，本发明涉及用于植物的人工照射的方法，该方法包括下列步骤：控制照射系统以照射植物，且发射光具有给定辐射通量的光谱分布；确定从植物反射的光的光谱分布，反射光的光谱分布具有产生的辐射通量；以及，调整发射光的光谱分布，以关于至少一个植物照射的预定准则优化反射光的光谱分布或产生的辐射通量中的至少一个。

通过本发明的方法，发射光的组成被以这样的方式调节，即由植物所反射的光对应于该特定植物的照射的至少一个预定准则。发射光的优化对于给定的辐射通量进行，即，向植物发出预定但通常固定的总光量。

本公开考虑了用于实现各种操作的方法、系统和在任何机器可读介质上的程序产品。本公开的实施例通过可使用现有计算机处理器或通过针对这个目的或其他目的所包含的适当系统的专用计算机处理器、或通过硬连线系统来实现。本公开的范围内的实施例包括程序产品，该程序产品包括用于携带或具有存储于其上的机器可执行指令或数据结构的机器可读介质。这样的机器可读介质可以是可由通用或专用计算机或其他具有处理器的机器访问的任何可用介质。通过举例的方式，这样的机器可读解释可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘储存器、磁盘储存器或其他磁储存器设备、或可以用于携带或存储机器执行指令或数据结构形式的期望的程序代码并且可以被通用计算机或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的任何其他介质。当信息通过网络或另一个通信连接(硬连线、无线、或硬连线或无线的组合)被传输或提供到机器时，机器适当地将该连接视为机器可读介质。因此，任何这样的连接被适当地称为机器可读介质。上述的组合也包括在机器可读介质的范围内。例如，机器可执行指令包括，指令和数据，其中该指令和数据引起通用计算机、专用计算机、或专用处理机器执行某一功能或某组功能。

尽管图可以展示方法步骤的特定顺序，但是这些步骤的顺序可以不同于所描绘的顺序。另外的两个或多于两个步骤也可以同时或者部分同时执行。这种变化将取决于所选择的软件和硬件系统以及设计者的选择。所有这样的变化都在本公开的范围之内。同样地，软件实现可以是与基于具有规则的标准的编程技术的逻辑和其他逻辑完成的以完成各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和决策步骤。此外，尽管本发明已经参考它的特定的示例性实施例来描述，但是许多不同的改变、修改等等将对于本领域技术人员变得显而易见。对于所公开的实施例的变化可以由本领域的技术人员在实践所要求保护的发明中，从对附图、公开、和所附权利要求的研究中理解和产生。此外，在权利要求中，词语“包括(comprising)”不排除其他的元素或步骤，并且不定冠词“一个(a)”或“一个(an)”不排除多个。

Claims (15)

1.一种用于对植物的人工照射的方法，所述方法包括以下步骤：

控制照射系统以照射植物，发射光具有给定辐射通量的光谱分布；

确定来自植物的反射光的光谱分布，所述反射光的光谱分布具有所产生的辐射通量；以及

调整所述发射光的光谱分布以关于用于植物照射的至少一个预定准则优化所述反射光的光谱分布或所产生的辐射通量中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，调整给定辐射通量的所述发射光的所述光谱分布以减少所产生的辐射通量。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，调整给定辐射通量的所述发射光的所述光谱分布以最小化所产生的辐射通量。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，调整给定辐射通量的所述发射光的所述光谱分布，使得所述反射光的所述光谱分布匹配植物的预定光谱分布图。

5.根据之前的任一项权利要求所述的方法，其中，所述发射光的给定辐射通量取决于植物类型、植物的生长周期、或植物附近的环境温度、湿度、环境光条件中的至少一个。

6.一种照射系统用于对植物的人工照射的用途，所述照射系统包括：第一光源和第二光源、以及至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为接收从植物反射的光，其中，所述第一光源和所述第二光源中的每一个被配置为分别发射在第一预定波长范围内和在第二预定波长范围内的光，所述照射系统的用途包括：

控制所述第一光源和所述第二光源分别以第一预定基准等级的辐射通量和第二预定基准等级的辐射通量来照射植物；

将微小变化引入到所述第一基准等级的辐射通量和所述第二基准等级的辐射通量中的至少一个；

通过所述至少一个传感器，确定所述第一波长范围的反射光的第一等级和所述第二波长范围的反射光的第二等级；

基于由植物反射的所述第一波长范围和所述第二波长范围的光的所述第一等级和所述第二等级确定边缘反射；以及

调整由所述第一光源发出的光的辐射通量，使得所述第一波长范围内的总边缘反射对于所述第二波长范围内的总边缘反射维持预定的关系。

7.根据权利要求6所述的用途，其中，所述第一波长范围内的总边缘反射等于所述第二波长范围内的总边缘反射。

8.根据权利要求7所述的用途，其中，第一照明波长的总边缘反射基于预定尺度矩阵关联于第二照明波长的总边缘反射。

9.根据权利要求6所述的用途，其中，所述微小变化被引入到所述第一基准等级的辐射通量和所述第二基准等级的辐射通量。

10.根据权利要求8所述的用途，其中所述尺度矩阵取决于植物类型、植物的生长周期、或植物附近的环境温度、湿度、环境光条件中的至少一个。

11.根据权利要求6所述的用途，还包括控制所述第一光源和所述第二光源发出的光的辐射通量的步骤，使得所述第一波长范围内的所述总边缘反射对应于所述第二波长范围内的所述总边缘反射。

12.一种用于对植物的人工照射的照射系统，所述照射系统包括：

发光装置，所述发光装置配置为发射可调整光谱的光；

传感器，所述传感器配置为接收从植物反射的光；以及

控制单元，所述控制单元被电耦合到所述发光装置和所述传感器，所述控制单元被配置为执行根据权利要求1所述的步骤，其中，所述控制单元还被配置为控制所述发光装置以发出具有可调整的照射光谱的光。

13.一种用于对植物的人工照射的照射系统，所述照射系统包括：

第一光源和第二光源；

传感器，所述传感器配置为接收从植物反射的光；以及

控制单元，所述控制单元电耦合到所述传感器、所述第一光源和所述第二光源，其中，所述控制单元被配置为：

控制所述第一光源和所述第二光源分别以第一预定基准等级的辐射通量和第二预定基准等级的辐射通量来照射植物；

将微小变化引入到所述第一基准等级的辐射通量和所述第二基准等级的辐射通量中的至少一个；

通过所述至少一个传感器和所述控制单元，确定第一波长范围的反射光的第一等级和第二波长范围的反射光的第二等级；

基于由植物反射的所述第一波长范围和所述第二波长范围的光的所述第一等级和所述第二等级确定边缘反射；以及

调整由所述第一光源发出的光的辐射通量，使得所述第一波长范围内的总边缘反射对于所述第二波长范围内的总边缘反射维持预定的关系。

14.一种计算机程序产品，其包括：将计算机程序装置存储在其上的计算机可读介质，所述计算机程序装置用于控制为植物的人工照射配置的照射系统，其中，所述计算机程序产品包括用于执行根据权利要求1所述的步骤的代码。

15.一种计算机程序产品，其包括：将计算机程序装置存储在其上的计算机可读介质，所述计算机程序装置用于控制为植物的人工照射配置的照射系统，所述照射系统包括：第一光源和第二光源、以及被配置为接收从植物反射的光的至少一个传感器，其中，所述第一光源和所述第二光源中的每个被配置为分别发射第一预定波长范围内和第二预定波长范围内的光，其中，所述计算机程序产品包括：

用于控制所述第一光源和所述第二光源分别以第一预定基准等级的辐射通量和第二预定基准等级的辐射通量来照射植物的代码；

用于将微小变化引入到所述第一基准等级的辐射通量和所述第二基准等级的辐射通量中的至少一个的代码；

用于通过所述至少一个传感器确定所述第一波长范围的反射光的第一等级和所述第二波长范围的反射光的第二等级的代码；

用于基于由植物反射的所述第一波长范围和所述第二波长范围的光的所述第一等级和所述第二等级确定边缘反射的代码；以及

用于调整由所述第一光源发出的光的辐射通量，使得所述第一波长范围内的总边缘反射对于所述第二波长范围内的总边缘反射维持预定的关系的代码。