一种叶片主被动叶绿素荧光长时间序列协同观测系统的制作方法
【专利摘要】一种叶片主被动叶绿素荧光长时间序列协同观测系统，该系统由同步观测架、光谱采集设备、主动荧光采集设备、光合有效辐射采集设备和主机五个部分组成；光谱采集设备、主动荧光采集设备、光合有效辐射采集设备安装在同步观测架上，光谱采集设备、主动荧光采集设备、光合有效辐射采集设备、同步观测架都通过数据传输线与主机连接起来，通过主机实现光谱、荧光动力学参数、光合有效辐射数据的采集以及同步观测架上的电机的控制。该叶片主被动叶绿素荧光长时间序列协同观测系统构思科学，结构简单，便于携带。它较好地保证了主被动荧光测量时测量对象和测量环境的一致性，系统具有较强的稳定性，能开展长时间序列的协同观测。
【专利说明】一种叶片主被动叶绿素荧光长时间序列协同观测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种叶片主被动叶绿素荧光长时间序列协同观测系统，它是地理学中研究植被光谱与植被生理关系的集成系统，可对叶片进行被动日光诱导叶绿素荧光(Solar-1nduced chlorophyll fluorescence, SIF)和主动突光动力学参数的长时间序列协同观测，用于建立起被动荧光与主动荧光动力学参数以及植被生理的关系，属于自然地理系统【技术领域】。
【背景技术】
[0002]光合作用是植被最为关键的生理过程，不仅影响着碳、水等物质循环，而且能够快速、直接地反映植物的生长状态和受胁迫状态。传统遥感手段通过植被反射、辐射和散射的电磁波信息反演植被的生物物理参数和生物化学参数，如叶面积指数、叶绿素含量等，但是目前还缺乏有效的探测植被光合作用信息和受胁迫状况的遥感手段。植被叶绿素荧光因为与植被光合作用密切相关，经研究被认为是植物生理状态的“探针”，与植被生长所处的外界环境息息相关，将叶绿素荧光应用于探测植被的胁迫状态具有很大的潜力。主动荧光测量是通过主动发射脉冲来获取植被叶片尺度的荧光动力学参数，对于植被的生理研究有很重要的参考意义。SIF通过算法从太阳入射光谱和目标表观反射光谱中提取荧光信息，可通过遥感方法获取，能实现大面积地表植被的生理状态观测。目前低空、全球的SIF均被研究，但从光谱中提取的SIF是否是植被真实发射荧光的正确表示，SIF能否正确地反映植被的生理状态，还需进一步进行验证和确定。另外SIF多种提取方法的精度和有效性也需要进行分析。故需要一种能同时测量主被动荧光的系统，该系统应确保主被动荧光测量的被测量目标与环境保持一致性，并能够方便、稳定地进行长时间的时序测量。我们这套叶片主被动叶绿素荧光长时间序列协同观测系统正是针对以上这些问题开发的轻型的、自动的同步观测系统。这套系统包括光谱采集设备、主动荧光采集设备、光合有效辐射采集设备、同步观测架及控制主机设备五部分构成，能稳定地对叶片目标进行长时间序列的主被动荧光同步观测，用以研究被动荧光与主动荧光动力学参数以及植被生理的关系。
【发明内容】
[0003](I)目的:
[0004]本发明的目的是提供一种叶片主被动叶绿素荧光长时间序列协同观测系统。它保证了主被动荧光获取的外界环境、叶片内部生理均一致，从而确保两者具有严格的对应关系。系统具有很好的稳定性和操作的便捷性，能实现主被动荧光数据的长时间序列同步观测。
[0005](2)技术方案
[0006]本发明是一种叶片主被动叶绿素荧光长时间序列协同观测系统(图1)。整个系统按实现功能由五个部分组成:同步观测架(图2)、光谱采集设备(图3)、主动荧光采集设备(图4)、光合有效辐射采集设备(图5)、主机。它们之间的位置连接关系是:光谱采集设备、主动荧光采集设备、光合有效辐射采集设备安装在同步观测架上，光谱采集设备、主动荧光采集设备、光合有效辐射采集设备、同步观测架都通过数据传输线与主机连接起来，通过主机实现光谱、荧光动力学参数、光合有效辐射数据的采集以及同步观测架上的电机的控制。以上设备的集成实现了主被动荧光长时间序列的协同观测。
[0007]所述同步观测架(图2)是由不锈钢组装而成，四根型钢组成十字型作为同步观测架底座，同步观测架主架由多根型钢拼接而成，之间安装有矩形板料状的置物平台，同步观测架主架上端连接观测部分，可以调整观测部分高度，观测部分包括电机、参考板托盘、HR4000和PAM2500光纤固定竖杆和矩形板料状的样本平台。HR4000光谱仪光纤探头在观测目标位置和漫反射参考板位置上方之间来回运动，实现了太阳入射光谱和目标表观反射光谱的采集(图6)且提供了光谱与荧光动力学参数同步采集(图7)的稳定环境。
[0008]所述光谱采集设备(图3)包括恒温箱及内置的HR4000光谱仪、漫反射参考板，能实现太阳入射光谱和目标表观反射光谱的测量，以提取SIF，恒温箱能确保HR4000光谱仪长时间的稳定工作。该恒温箱是箱式结构，其上设有HR4000数据线、1HR4000光谱仪光纤、恒温箱数据线接口、恒温箱光纤接口、恒温箱电源接口、恒温箱电源转换器和恒温箱电源线；该漫反射参考板是小圆板，其表面设有反射率为99%的朗伯体特殊涂层。
[0009]所述主动荧光采集设备(图4)为PAM2500荧光仪，能获取叶片目标的荧光动力学参数。其上设有PAM2500数据线、PAM2500光纤、PAM2500数据线接口、PAM2500光纤接口和PAM2500光纤探头。
[0010]所述光合有效辐射采集设备(图5)为PAR传感器和PAR主机，能获取当前光合有效辐射值。
[0011]所述主机为一台电脑，安装有HR4000控制软件、PAM2500控制软件、PAR传感器控制软件，已设置以上数据的采集方法和流程。
[0012]本发明的原理及工况简介如下:本发明将PAM2500荧光仪和HR4000光谱仪通过同步观测架进行集成，提供一种叶片主被动叶绿素荧光长时间序列协同观测系统。系统通过主机控制同步观测架上的电机的运行，使HR4000光谱仪光纤探头在观测目标和漫反射参考板之间进行切换，实现太阳入射光谱和观测目标表观反射光谱的采集，当光谱采集对象为叶片时，同时采集主动荧光参数和叶片表观反射光谱以及当前光合有效辐射值。通过主机设置光谱、荧光、光合有效辐射的自动采集以对相同观测目标进行长时间序列的主被动叶绿素荧光观测。
[0013]⑶优点，功效
[0014]该叶片主被动叶绿素荧光长时间序列协同观测系统构思科学，结构简单，便于携带。它较好地保证了主被动荧光测量时测量对象和测量环境的一致性，系统具有较强的稳定性，能开展长时间序列的协同观测。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1系统总体示意图
[0016]图2同步观测架示意图
[0017]图3光谱采集设备示意图
[0018]图4主动荧光采集设备示意图[0019]图5光和有效辐射采集设备示意图
[0020]图6同步观测架电机运行示意图
[0021]图7同步观测示意图
[0022]图中符号说明如下:
[0023]I同步观测架底座；2同步观测架主架；3置物平台；4样本平台；5参考板托盘；6HR4000光谱仪光纤固定竖杆；7PAM2500光纤固定竖杆；8电机；9电机电缆线；10电机主机；11电机供电电池；12电机电源线；13电机主机数据线；14恒温箱；15HR4000光谱仪；16HR4000数据线；17HR4000光谱仪光纤；18恒温箱数据线接口 ；19恒温箱光纤接口 ；20恒温箱电源接口 ；21恒温箱电源转换器；22恒温箱电源线；23漫反射参考板；24PAM2500荧光仪；25PAM2500数据线；26PAM2500光纤；27PAM2500数据线接口 ；28PAM2500光纤接口 ；29PAR主机；30PAR传感器；31PAR主机数据线；32主机；33HR4000光谱仪光纤探头；34PAM2500光纤探头；35观测目标。
【具体实施方式】
[0024]如图1一图7所示，本发明一种叶片主被动叶绿素荧光长时间序列协同观测系统由光谱采集设备、主动荧光采集设备、光合有效辐射采集设备、同步观测架、主机32五个部分组成。它们之间的位置连接关系是:光谱采集设备、主动荧光采集设备、光合有效辐射采集设备安装在同步观测架上，光谱采集设备、主动荧光采集设备、光合有效辐射采集设备、同步观测架都通过数据传输线与主机连接起来，通过主机32实现光谱、荧光动力学参数、PAR数据采集以及同步观测架上的电机的控制。以上设备的集成实现了主被动荧光长时间序列的协同观测。
[0025]所述光谱采集设备是HR4000光谱仪15及其附件，该光谱仪具有0.02nm光谱分辨率，光谱范围覆盖700-800nm，可以提取位于760nm处的荧光发射峰值。HR4000光谱仪15放置于恒温箱14中，通过恒温箱数据线接口 18和恒温箱光纤接口 19实现信号传递。恒温箱14使HR4000光谱仪15测量期间温度恒定在23°C，恒温箱14经恒温箱电源线22和恒温箱电源转换器21由外接电源供电。HR4000光谱仪光纤探头33固定于同步观测架上的HR4000光谱仪光纤固定竖杆6，漫反射参考板23固定于同步观测架参考板托盘5中。主机32通过电机主机数据线13控制同步观测架上电机8的运行，使HR4000光谱仪光纤探头33可以完成对观测目标35和漫反射参考板23的切换，分别获取观测目标的太阳入射光谱和反射光谱，通过已有算法计算出日光诱导叶绿素荧光。该恒温箱14是箱式结构，其上设有HR4000数据线16、HR4000光谱仪光纤17、恒温箱数据线接口 18、恒温箱光纤接口 19、恒温箱电源接口 20、恒温箱电源转换器21和恒温箱电源线22。
[0026]所述主动荧光采集设备是PAM2500荧光仪24及其附件，PAM2500荧光仪光纤探头34与观测目标35保持相对位置关系不变，PAM2500荧光仪光纤探头34获取观测目标35的主动荧光信号，信号经PAM2500数据线25传输到主机32，PAM2500荧光仪24其上设有PAM2500数据线25、PAM2500光纤26、PAM2500数据线接口 27和PAM2500光纤接口 28 ;其内置电源可以完成8小时的时序测量。
[0027]所述光合有效福射米集设备由PAR传感器30和PAR主机29组成，由五号电池组供电，获取的PAR数据存储在PAR主机29中，通过PAR主机数据线31可导入主机32。[0028]所述同步观测架由不锈钢材料组装而成，四根型钢组成十字型作为同步观测架底座1，同步观测架主架2由多根型钢拼接而成，同步观测架主架2中部安装有矩形板料状的置物平台3，可放置相关仪器和设备，同步观测架主架2上端连接观测部分，观测部分高度可以调节，观测部分包括电机8、参考板托盘5、HR4000光纤固定竖杆6、PAM2500光纤固定竖杆7以及矩形板料状的样本平台4，HR4000光纤固定竖杆6、PAM2500光纤固定竖杆7用于固定HR4000光谱仪光纤探头33、PAM2500荧光仪光纤探头34，样本平台4用来放置观测目标35，参考板托盘5内放置漫反射参考板23，PAR传感器30安装在同步观测架顶端水平位置。电机主机10通过电机电缆线9与电机8相连，可以对电机8运行控制，也可通过电机主机数据线13连接至主机32，对电机8的运行进行自动设定。电机8转动以使HR4000光谱仪光纤探头33观测对象在漫反射参考板23和观测目标35之间进行切换。电机8为步进电机，由电机供电电池11进行供电，可以实现电机8长时间工作。
[0029]所述主机32为一台安装有HR4000控制软件、PAM2500控制软件、PAR传感器控制软件以及电机控制软件的计算机，通过电机主机数据线13设置电机8的初始位置、运行方向、运行速度、目标位置和漫反射参考板23位置暂停时间以及运行周期，实现HR4000光纤固定竖杆6在目标位置和漫反射参考板23位置的自动切换(图6)。通过HR4000数据线16、PAM2500数据线25、PAR主机数据线31分别设置PAM2500荧光仪24和HR4000光谱仪15对观测目标35的同步观测周期，以及PAR传感器30的数据采集周期，实现光谱、主动荧光参数、PAR的协同观测。
【权利要求】
1.一种叶片主被动叶绿素荧光长时间序列协同观测系统，其特征在于:该系统由同步观测架、光谱采集设备、主动荧光采集设备、光合有效辐射采集设备和主机五个部分组成；光谱采集设备、主动荧光采集设备、光合有效辐射采集设备安装在同步观测架上，光谱采集设备、主动荧光采集设备、光合有效辐射采集设备、同步观测架都通过数据传输线与主机连接起来，通过主机实现光谱、荧光动力学参数、光合有效辐射数据的采集以及同步观测架上的电机的控制； 所述同步观测架是由不锈钢组装而成，四根型钢组成十字型作为同步观测架底座，同步观测架主架由多根型钢拼接而成，之间安装有矩形板料状的置物平台，同步观测架主架上端连接观测部分，其高度可以调整，观测部分包括电机、参考板托盘、光纤固定竖杆和矩形板料状的样本平台；光谱仪光纤探头在观测目标位置和漫反射参考板位置上方之间来回运动，实现了太阳入射光谱和目标表观反射光谱的采集，且提供了光谱与荧光动力学参数同步采集的稳定环境； 所述光谱采集设备包括恒温箱及内置的光谱仪、漫反射参考板，能实现太阳入射光谱和目标表观反射光谱的测量，以提取SIF，恒温箱能确保光谱仪长时间的稳定工作；该恒温箱是箱式结构，其上设有数据线、光谱仪光纤、恒温箱数据线接口、恒温箱光纤接口、恒温箱电源接口、恒温箱电源转换器和恒温箱电源线；该漫反射参考板是小圆板，其表面设有反射率为99%的朗伯体特殊涂层； 所述主动荧光采集设备是荧光仪，能获取叶片目标的荧光动力学参数，其上设有数据线、光纤、数据线接口、光纤接口和光纤探头； 所述光合有效辐射采集设备为PAR传感器和PAR主机，能获取当前光合有效辐射值；所述主机为一台电脑，安装有HR4000控制软件、PAM2500控制软件、PAR传感器控制软件，已设置以上数据的采集方法和流程。
【文档编号】G01N21/64GK104007094SQ201410220579
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】刘志刚, 陈绩, 杨沛琦, 王庆山, 张葳葳, 倪卓娅, 周西 申请人:北京师范大学