CN105548122B - 一种叶绿素荧光分时监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种叶绿素荧光分时监测系统，包括传感单元、光谱采集装置和控制单元。其中，所述传感单元用于收集太阳光辐射和植被反射辐射；所述控制单元用于在不同的时间段内控制所述光谱采集装置以不同的预设积分时间将所述太阳光辐射转换为第一光谱数据以及将所述植被反射辐射转换为第二光谱数据，并根据所述第一光谱数据和第二光谱数据计算叶绿素荧光数据。
Description
技术领域
本发明涉及叶绿素荧光技术领域，具体涉及一种叶绿素荧光分时监测系统。
背景技术
叶绿素荧光作为光合作用研究的探针，得到了广泛的研究和应用。叶绿素荧光不仅能反映光能吸收、激发能传递和光化学反应等光合作用的原初反应过程，而且与电子传递、质子梯度的建立及ATP合成和CO2固定等过程有关。几乎所有光合作用过程的变化均可通过叶绿素荧光反映出来，而荧光测定技术不需破碎细胞，不伤害生物体，因此通过研究叶绿素荧光来间接研究光合作用的变化是一种简便、快捷、可靠的方法。目前，叶绿素荧光在光合作用、植物胁迫生理学、水生生物学、海洋学和遥感等方面得到了广泛的应用。
叶绿素吸收的能量大部分用于光合作用，但是有一部分以长波形式混杂在反射能量中，即为叶绿素荧光。叶绿素荧光释放量通常占近红外反射能量的2％-5％，虽然能量较小，但是可以作为植被生理状态监测的重要指针，特别是在碳同化估计和胁迫早期监测方面相比传统光学指标具有明显优势。叶绿素荧光在650nm-800nm都有分布，690nm和760nm是两个能量释放高峰位置，所以，一般将这两个波段作为荧光监测的重要波段。
监测叶绿素荧光需要借助光谱仪，光谱仪根据预定的积分时间采集光谱数据。由于在自然环境下，光照强度会发生变化，因此光谱仪采集光谱时可能出现光饱和现象，因此会降低光谱数据的可靠性，进而降低叶绿素荧光数据的准确性。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中计算叶绿素荧光数据的准确性低的缺陷。
有鉴于此，本发明提供一种叶绿素荧光分时监测系统，包括传感单元、光谱采集装置和控制单元。其中，所述传感单元用于收集太阳光辐射和植被反射辐射；所述控制单元用于在不同的时间段内控制所述光谱采集装置以不同的预设积分时间将所述太阳光辐射转换为第一光谱数据以及将所述植被反射辐射转换为第二光谱数据，并根据所述第一光谱数据和第二光谱数据计算叶绿素荧光数据。
优选地，所述控制单元判断当前时间是否在预设时间范围内，如果当前时间在所述预设时间范围内，则控制所述光谱采集装置以第一积分时间将所述传感单元收集到的太阳光辐射转换为第一光谱数据，并控制所述光谱采集装置以第一积分时间将所述传感单元收集到的植被反射辐射转换为第二光谱数据；如果当前时间未在所述预设时间范围内，则控制所述光谱采集装置以第二积分时间将所述传感单元收集到的太阳光辐射转换为第一光谱数据，并控制所述光谱采集装置以第二积分时间将所述传感单元收集到的植被反射辐射转换为第二光谱数据。
优选地，所述光谱采集装置包括光谱采集器和校准光源，所述校准光源用于在正式采集光谱数据之前对所述光谱采集器的光路系统进行辐射能量校正。
优选地，所述传感单元包括余弦校正器和准直镜，所述余弦校正器通过第一光纤与所述光谱采集装置连接，所述准直镜通过第二光纤与所述光谱采集装置连接；其中，所述余弦校正器垂直向上收集太阳光辐射，所述准直镜垂直向下收集植被反射辐射。
优选地，所述系统还包括电子开关，所述光谱采集装置通过所述电子开关与所述第一光纤和第二光纤连接，所述电子开关用于切换所述光谱采集装置与所述第一光纤和第二光纤的连接状态。
优选地，所述控制单元还用于控制所述电子开关，根据预设切换时间交替切换所述光谱采集装置与所述第一光纤和第二光纤的连接状态。
优选地，所述系统还包括恒温箱，所述光谱采集装置及所述电子开关设置在所述恒温箱中。
本发明技术方案，具有如下优点：
本系统通过控制单元控制光谱采集装置在不同的时间段内利用不同的积分时间采集光谱数据，以适应不同的光照条件，由此可避免出现光饱和现象，提高数据采集的可靠性，进而提高叶绿素荧光计算的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为叶绿素荧光分时监测系统结构示意图；
图2为叶绿素荧光分时监测系统具体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本实施例提供一种叶绿素荧光分时监测系统，该系统的结构示意图如图1所示，包括传感单元01、光谱采集装置02和控制单元03。
传感单元01可以采用现有技术中能够进行辐射能量收集的设备，传感单元01可包括多个光纤光谱探头，实际测量时，可将传感单元01置于被测植被所在区域的上方，各种探头均可用于收集太阳光辐射和植被反射辐射。
控制单元03根据预设的控制策略，例如系统的工作周期、光谱采集装置02的采集时间、积分时间等各种参数，控制光谱采集装置02进行光谱采集工作。控制单元03中可以保存多个预设积分时间，积分时间可以根据日照条件预先设置，控制单元03可根据当前时间选择使用不同的积分时间。例如，在白天的某个日照强度较高的时段内，可以选择较小的积分时间，以避免出现光饱和现象。
由此，该系统可以采集到多个第一光谱数据和第二光谱数据，并根据所述第一光谱数据和第二光谱数据计算叶绿素荧光数据。
叶绿素荧光数据的计算可以分为依据辐射和反射数据两种情况。利用辐射数据进行叶绿素荧光数据的计算方法可以采用多光谱和高光谱方法，多光谱方法有FLD、3FLD和cFLD，高光谱方法可以实现更高精度的提取效果。
该系统通过控制单元03控制光谱采集装置02在不同的时间段内利用不同的积分时间采集光谱数据，以适应不同的光照条件，由此可避免出现光饱和现象，提高数据采集的可靠性，进而提高叶绿素荧光计算的准确性。
作为一个优选的实施方案，该系统还可以设有驱动单元，所述驱动单元用于驱动传感单元01在多个采集点之间往复运动。通过控制单元03对所述驱动单元的动作进行控制，可以使传感单元01按照一定的轨迹进行移动，还可以使其进行升降运动或者旋转和升降同时进行的各种能够采集多个点位的运动，采集点的位置可以是预先设定的，应确保采集点位置下方有植被存在。上述优选方案通过控制单元03控制所述驱动单元对一个传感单元01进行移动，实现使用一个传感单元01对不同点位下的不同生长环境的植被生理的自动化监测，最终利用多个点位采集到的光谱数据计算被测植被的叶绿素荧光。该系统具有灵活稳定的监测效果，且成本较低。
作为一个优选的实施方案，该系统的具体结构示意图如图2所示。
传感单元01包括余弦校正器11和准直镜12。所述驱动单元包括电动旋转台41、旋转臂42和步进电机43。控制单元03包括控制终端31、运动控制卡32和驱动器33。控制单元03通过控制终端31、运动控制卡32和驱动器33控制步进电机43驱动电动旋转台41带动旋转臂42进行转动。控制终端31和运动控制卡32连接，运动控制卡32和驱动器33连接。控制终端31给运动控制卡32发送指令，运动控制卡32把指令传送给驱动器33，驱动器33驱动步进电机43使电动旋转台41旋转，进而实现旋转臂42旋转。传感单元01设置在旋转臂42上，旋转臂42的转动使传感单元01沿圆形轨迹在多个采集点之间进行移动，所述多个采集点均位于所述圆形轨迹上。由于圆形轨迹的转动对硬件要求不高，只需步进电机43和电动旋转台41即可实现多点位的循环采集，避免了采用多个监测探头导致的高成本。
优选地，旋转臂42包括相互连接的竖杆44和横杆45，即竖杆44和横杆45组成L形旋转臂。竖杆44垂直于地面，电动旋转台41设置在竖杆44下方，控制竖杆44转动。横杆45平行于地面。传感单元01设置在横杆45上。观测面积可通过调节竖杆44和横杆45的实际长度进行调整，从而实现不同范围的监测。
优选地，所述驱动单元还包括防雨罩46，设置在电动旋转台41的上方，以适应户外各种环境及天气，防止设备损坏，增加耐用度。
优选地，控制单元03根据预设运动时间控制所述驱动单元进行运动，使传感单元01在各个采集点上的停留时间相同。控制单元03建立驱动器工作状态文件，将旋转臂42所在的点位信息保存在文件中，以便为光谱采集提供点位信息。控制单元03首先设定运动控制卡和驱动器，并设置工作参数，主要包括每天自行工作的起始时间T′START、结束时间T′END、在每个点位的停留时间TW和在点位与点位之间的运行时间TINTERVAL,从而实现了各个采集点位上的停留时间相同。并设置驱动器自启动功能，以实现自动化监测工作。控制单元只需预先设定时间参数，即可实现自动监测，易于实现，并且提高了数据的准确性。
优选地，控制单元03判断传感单元01是否停留在采集点处，当传感单元01停留在采集点处时，控制光谱采集装置02采集所述第一光谱数据和第二光谱数据。控制单元03根据驱动器工作状态文件中的点位信息，控制光谱采集装置02进行不同点位的光谱数据采集和存储。由于光谱采集是某一时间段内的光谱数据的积分结果的平均值，而旋转过程中无法固定采集对象，实时光谱存在较大差异，积分结果不能准确反应监测地物的光谱，所以旋转臂42在旋转过程中停止光谱数据采集。
优选地，控制单元03判断当前时间是否在预设时间范围内，如果当前时间在所述预设时间范围内，则控制光谱采集装置02以第一积分时间将传感单元01收集到的太阳光辐射转换为第一光谱数据，并控制光谱采集装置02以第一积分时间将传感单元01收集到的植被反射辐射转换为第二光谱数据；如果当前时间未在所述预设时间范围内，则控制光谱采集装置02以第二积分时间将传感单元01收集到的太阳光辐射转换为第一光谱数据，并控制光谱采集装置02以第二积分时间将传感单元01收集到的植被反射辐射转换为第二光谱数据。
具体地，可以设置自动采集的起始日期DTSTART、终止日期DTEND；每天自动采集的起始时间TSTART、终止时间TEND；等待时间TW，即所述驱动单元驱动传感单元01在不同点位的停留时间；采集时间TC，即在每个点位进行光谱采集的时间，要求TW-TC≥1min。积分时间，即光谱采集装置每次进行光谱数据采集所用的时间。根据采集太阳辐射和植被反射辐射能量的不同设置不同的积分时间。光谱数据采集需要一定的积分时间(相当于拍照曝光时间)，在这个积分时间内获取的光谱数据即一次光谱采集的数据，而TC时间内只记录一对光谱数据，太阳辐射光谱数据和植被反射辐射光谱数据，即第一光谱数据和第二光谱数据。太阳辐射光谱数据是在TC的前20s采集的，(TC-20)s的时间用于采集植被反射辐射光谱数据。设定采集太阳辐射的积分时间为t1，采集植被反射辐射的积分时间为t2，则最终获取的太阳辐射光谱数据是n1个光谱数据的平均结果，植被反射辐射光谱数据是n2个光谱数据的平均结果，其中，n1＝20/积分时间t1；n2＝(TC-20)/积分时间t2。
由于光谱采集装置02在不同积分时间下获取辐射能量大小不同，高光照条件下过长的积分时间会引起光饱和现象。所以，可根据光照条件自行预设时间范围。具体地，在同种辐射采集类型下，高光照条件时，例如采集时间处于8:00至15:00时，采用日光辐射长积分时间Tmax和植被反射辐射长积分时间tmax，即第一积分时间；低光照条件时，即采集时间处于8:00至15:00之外的预设时间段时，采用日光辐射短积分时间Tmin和植被反射辐射短积分时间tmin，即第二积分时间。光谱采集装置在预设时间内将自行采集所述第一光谱数据和第二光谱数据。
优选地，光谱采集装置02包括光谱采集器和校准光源，所述校准光源用于在正式采集光谱数据之前对所述光谱采集器的光路系统进行辐射能量校正。获取测量光路的辐射校正文件，便于后期的数据处理，当辐射校正完成后即可进行叶绿素荧光自动化监测。
优选地，传感单元01包括余弦校正器11和准直镜12。余弦校正器11通过第一光纤5与光谱采集装置02连接，余弦校正器11的收光立体角度为2π，用于收集太阳光辐射；准直镜12通过第二光纤6与光谱采集装置02连接，准直镜12的采集角度为45°，用于收集较多的植被反射辐射。其中，余弦校正器11垂直向上收集太阳光辐射，准直镜12垂直向下收集植被反射辐射。
优选地，所述系统还包括电子开关7。光谱采集装置02通过电子开关7与第一光纤5和第二光纤6连接，电子开关7用于切换光谱采集装置02与第一光纤5和第二光纤6的连接状态。所述系统采用近似同步采集的太阳光辐射光谱数据和植被反射辐射光谱数据来计算叶绿素荧光数据，近似同步主要通过电子开关的转换来实现。在较短时间内，通过切换光谱采集装置02与第一光纤5和第二光纤6的连接状态，从而实现近似同步采集太阳辐射和植被反射辐射。在TC采集时间内的前20s，电子开关7使第一光纤5处于通路状态，光谱采集装置02采集太阳辐射光谱数据，之后的(TC-20)s的时间使第二光纤6处于通路状态，光谱采集装置02采集植被反射辐射光谱数据。
优选地，控制单元03还用于控制电子开关7，根据预设切换时间交替切换光谱采集装置02与第一光纤5和第二光纤6的连接状态。
作为一个优选的实施方式，为了给光谱数据的采集提供一个稳定的工作环境，可将光谱采集装置02及电子开关7放置于恒温箱8中，以使所述光谱采集器在工作状态时维持较为恒定的室内温度，更好的保证光谱数据采集的稳定性和准确性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种叶绿素荧光分时监测系统，其特征在于，包括：传感单元、光谱采集装置和控制单元，
其中，所述传感单元用于收集太阳光辐射和植被反射辐射；所述控制单元用于在不同的时间段内控制所述光谱采集装置以不同的预设积分时间将所述太阳光辐射转换为第一光谱数据以及将所述植被反射辐射转换为第二光谱数据，并根据所述第一光谱数据和第二光谱数据计算叶绿素荧光数据；
所述控制单元判断当前时间是否在预设时间范围内，如果当前时间在所述预设时间范围内，则控制所述光谱采集装置以第一积分时间将所述传感单元收集到的太阳光辐射转换为第一光谱数据，并控制所述光谱采集装置以第一积分时间将所述传感单元收集到的植被反射辐射转换为第二光谱数据；如果当前时间未在所述预设时间范围内，则控制所述光谱采集装置以第二积分时间将所述传感单元收集到的太阳光辐射转换为第一光谱数据，并控制所述光谱采集装置以第二积分时间将所述传感单元收集到的植被反射辐射转换为第二光谱数据；
所述叶绿素荧光分时监测系统还包括：驱动单元，所述控制单元控制所述驱动单元以驱动所述传感单元在多个采集点之间往复运动；所述驱动单元包括电动旋转台、旋转臂和步进电机，传感单元设置在旋转臂上；
所述传感单元包括余弦校正器和准直镜，所述余弦校正器通过第一光纤与所述光谱采集装置连接，所述准直镜通过第二光纤与所述光谱采集装置连接；其中，所述余弦校正器垂直向上收集太阳光辐射，所述准直镜垂直向下收集植被反射辐射；
所述系统还包括电子开关，所述光谱采集装置通过所述电子开关与所述第一光纤和第二光纤连接，所述电子开关用于切换所述光谱采集装置与所述第一光纤和第二光纤的连接状态。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光谱采集装置包括光谱采集器和校准光源，所述校准光源用于在正式采集光谱数据之前对所述光谱采集器的光路系统进行辐射能量校正。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制单元还用于控制所述电子开关，根据预设切换时间交替切换所述光谱采集装置与所述第一光纤和第二光纤的连接状态。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括恒温箱，所述光谱采集装置及所述电子开关设置在所述恒温箱中。
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