专利名称：一种叶绿素荧光探测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及农业遥感领域，特别是涉及一种叶绿素荧光探测仪。
背景技术：
光合作用是提供植物所有物质代谢和能量代谢的基础，它包括一系列光物理、光 化学和生物化学转变的复杂过程，在光合作用的原初反应，将吸收光能传递、转换为电能的 过程中，有一部分光能损耗以较长波长的荧光方式释放(通常不到1%的入射能量)。研究 和探测这种自然条件下光合作用的荧光特性有十分重要的科学意义和应用价值。首先，自 然条件下的叶绿素荧光和光合作用有着十分密切的关系。 一方面，当植物被暴露在过强的 光照条件下，荧光起着十分重要的保护作用，避免叶绿体吸收光能超过光合作用的消化能 力，将强光灼伤的损失降低到最小；另一方面，一般来说，自然条件下叶绿素荧光和光合速 率是相互负关联的，光合速率较高，则荧光较弱，反之亦然。所以通过探测叶绿素荧光，可以 间接了解植物的光合作用。其次，作为植物健康状况的"探针"，自然条件下光合作用荧光特 性与植物的营养和受胁迫程度密切相关。因此，通过植物光合作用的荧光特性探测可以了 解植物的生理、生长、病害及受胁迫状态。 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。 目前叶绿素荧光探测主要采用荧光光谱法，它利用调制叶绿素荧光仪、荧光分光 光度计等荧光测量仪器，测量单色光激发照明条件下的荧光波长的发射荧光，这种方法测 定的叶绿素激发荧光与自然条件光合作用的荧光的物理意义差别很大，并且，由于使用条 件的限制(激光激发、叶片接触式测量等)，难以推广到遥感应用。 自然光照条件下测定的植被反射的辐照度光谱既包括太阳光诱导荧光的发射光 谱，又包括叶片对入射光的反射光谱。由于荧光发射光谱和植被冠层反射光谱是混合在一 起的，所以研究如何从冠层光谱中提取荧光光谱有十分重要的应用价值。因此，目前本领域 技术人员迫切需要发展出一种自然光条件下的植被荧光强度探测仪器。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种自然光照条件下的叶绿素荧光探测仪，所述包括 能量探测单元，用于探测植被在自然光照条件下的入射能量和植被反射能量并将 所获能量的模拟量信号传输至信号处理单元； 信号处理单元，将接受到的能量的模拟量信号滤波、放大并转化为数字信号； 中央控制单元，控制信号处理单元进行模数转换并将得到的数字信号输入能量计 算模型，得到植被冠层的荧光强度。 其中，所述能量探测单元包括荧光波段入射能量探测器、参考波段入射能量探测
3器、植被在待测荧光波段的反射能量探测器以及植被在参考波段的反射能量探测器，均与 信号处理单元连接，分别用以测量荧光波段入射能量、参考波段入射能量、植被在待测荧光 波段的反射能量以及植被在参考波段的反射能量。 其中，所述能量探测器包括外壳以及依次封装在所述外壳中的滤光片、透镜和光 电探测器，入射光线依次经过所述滤光片、透镜后，待测波长的光线在光电探测器上成像。 其中，所述滤光片为窄带干涉滤光片。 其中，所述外壳为铝合金材质。 通过本实用新型提出一种自然光条件下探测植被荧光强度的装置。利用该装置进 行探测更加直观地反映自然条件下的光合作用的荧光信息，并且能够探测植被冠层荧光强 度。此外，本实用新型所提供的装置与传统的激光脉冲调制荧光仪相比，使用简便快捷，结 果真实可靠，更容易推广到航空或卫星平台，从而实现荧光探测从接触式的点测量到航空 或卫星遥感大面积监测的技术飞越。
图1是本实用新型实施例中叶绿素荧光探测仪的结构示意图； 图2是本实用新型叶绿素荧光探测仪的探测器结构示意图； 图3a-b是利用本实用新型叶绿素荧光探测仪进行探测的原理图。
其中，1、滤光片；2、透镜；3、外壳；4、探测器。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细描述。以下 实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。 如图1所示为本实用新型叶绿素荧光探测仪的结构示意图，所述叶绿素荧光探测 仪包括能量探测单元，用于探测植被在自然光照条件下的入射能量和植被反射能量并将 所获能量的模拟量信号传输至信号处理单元；信号处理单元，将接受到的能量的模拟量信 号滤波、放大并转化为数字信号；中央控制单元，控制信号处理单元进行模数转换并将得到 的数字信号输入能量计算模型，得到荧光的能量数据。所述能量探测单元包括荧光波段入 射能量探测器、参考波段入射能量探测器、植被在待测荧光波段的反射能量探测器以及植 被在参考波段的反射能量探测器，均与信号处理单元连接，分别用以测量荧光波段入射能 量、参考波段入射能量、植被在待测荧光波段的反射能量以及植被在参考波段的反射能量。 将荧光波段入射能量探测器和参考波段入射能量探测器垂直于作物冠层向上布置，用以测 量入射光能量；将植被在待测荧光波段的反射能量探测器和植被在参考波段的反射能量探 测器垂直于植被冠层向下布置，用以测量植被反射光能量。 如图2所示为上述四个能量探测器的结构示意图。所述能量探测器包括外壳3以 及依次封装在所述外壳3中的滤光片1、透镜2和光电探测器4。入射能量首先经过滤光片 1 ，只将所需要测量的波长的光的能量通过，然后光线经过透镜2后成像在光电探测器4上。 所述滤光片1优选窄带干涉滤光片，所述外壳3优选铝合金材质。 图3a、3b为利用本实用新型叶绿素荧光探测仪进行探测的原理图，其中a， b分别 表示测定的太阳辐照度光谱在夫琅和费暗线和相邻谱区的强度，c， d分别表示植被冠层反射的辐照度光谱在夫琅和费暗线和相邻谱区的强度，A。为夫琅和费暗线波长。若假定植被 在夫琅和费暗线和相邻谱区的冠层光谱反射率相等R，植被在夫琅和费暗线和相邻谱区的 荧光强度为f，则 c = RXa+f d = RXb+f 只要测定夫琅和费暗线和相邻谱区的太阳光谱辐射强度和植被反射的光谱辐射 强度a， b， c， d，就可以计算植被冠层的荧光绝对强度f。 f = c-R X a = (a X d_c X b) / (a_b) 考虑到R二 (c-d)/(a-b)冠层光谱反射率R与荧光无关，而f = c_RX a，这表明只 要能够测定夫琅和费暗线波段的光谱反射率、太阳辐照度、冠层反射辐照度，就可以测定叶 绿素荧光。基于图1中所述的原理，利用本实用新型所提供的植被荧光探测方法，利用植被 荧光探测的方法包括在自然光照条件下测量荧光波段入射能量、参考波段入射能量、植被 在待测荧光波段的反射能量以及植被在参考波段的反射能量；利用测量所得到的能量值获 取植被冠层的荧光绝对强度f。 利用f = (aXd-cXb)/(a-b)计算植被冠层的荧光绝对强度f ，其中a是荧光波段 入射能量，b是参考波段入射能量，c是植被在待测荧光波段的反射能量，d是植被在参考波 段的反射能量。 本实用新型的叶绿素荧光探测仪利用地物光谱仪测定的植被辐照度光谱数据，利 用其在地球大气中氧气吸收形成的"夫琅和费暗线"的光谱特征，成功探测了太阳光诱导的 光合作用荧光，验证了夫琅和费暗线探测叶绿素荧光的方法，提供了一种新的叶绿素荧光 的被动探测装置，可应用于机载或星载的植被被动荧光遥感监测。 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改 进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求一种叶绿素荧光探测仪，其特征在于，所述叶绿素荧光探测仪包括能量探测单元，用于探测植被在自然光照条件下的入射能量和植被反射能量并将所获能量的模拟量信号传输至信号处理单元；信号处理单元，将接受到的能量的模拟量信号滤波、放大并转化为数字信号；中央控制单元，控制信号处理单元进行模数转换并将得到的数字信号输入能量计算模型，得到植被冠层的荧光强度。
2. 如权利要求1所述的叶绿素荧光探测仪，其特征在于，所述能量探测单元包括荧光 波段入射能量探测器、参考波段入射能量探测器、植被在待测荧光波段的反射能量探测器 以及植被在参考波段的反射能量探测器，均与信号处理单元连接，分别用以测量荧光波段 入射能量、参考波段入射能量、植被在待测荧光波段的反射能量以及植被在参考波段的反 射能量。
3. 如权利要求2所述的叶绿素荧光探测仪，其特征在于，所述能量探测器包括外壳以 及依次封装在所述外壳中的滤光片、透镜和光电探测器，入射光线依次经过所述滤光片、透 镜后，待测波长的光线在光电探测器上成像。
4. 如权利要求3所述的叶绿素荧光探测仪，其特征在于，所述滤光片为窄带干涉滤光片。
5. 如权利要求3所述的叶绿素荧光探测仪，其特征在于，所述外壳为铝合金材质。
专利摘要本实用新型公开了一种叶绿素荧光探测仪，包括能量探测单元，用于探测植被在自然光照条件下的入射能量和植被反射能量并将所获能量的模拟量信号传输至信号处理单元；信号处理单元，将接受到的能量的模拟量信号滤波、放大并转化为数字信号；中央控制单元，控制信号处理单元进行模数转换并将得到的数字信号输入能量计算模型，得到植被冠层的荧光强度。本实用新型所提供的叶绿素荧光探测仪与传统的激光脉冲调制荧光仪相比，使用简便快捷、结果真实可靠，更容易推广到航空或卫星平台，实现荧光探测从接触式的点测量到航空或卫星遥感大面积监测的技术飞越。
文档编号G01N21/64GK201464366SQ20092010749
公开日2010年5月12日 申请日期2009年4月22日 优先权日2009年4月22日
发明者刘良云, 孙刚, 宋晓宇, 常红, 李伟国, 杨小冬, 杨贵军, 郑文刚, 马智宏, 黄文江 申请人:北京市农林科学院