一种叶绿素荧光自动化监测系统的制作方法
【技术领域】
[0001]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自动化监测系统。
【背景技术】
[0002]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C02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。
[0003]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。
[0004]由于在不同位置下生长的植被所处的生长环境不同，所以对植被的叶绿素荧光特性进行研究时，通常需要进行多点观测。为了实现对多个点位下的植被进行观测，目前可采用以下两种方式，第一种是在每个观测点依次进行单点手动观测，这种方式难以在短时间内完成，且需要耗费大量人力，采集效率较差。第二种是利用多个采集装置组成一个采集系统，将各个采集装置分别设置在各个观测点，同步地进行采集，该系统硬件成本较高。
【发明内容】
[0005]因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中叶绿素荧光监测系统硬件成本较高的缺陷。
[0006]有鉴于此，本发明提供一种叶绿素荧光自动化监测系统，包括传感单元、驱动单元、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；所述控制单元用于控制所述驱动单元驱动所述传感单元在多个采集点之间进行移动，所述控制单元还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。
[0007]优选地，所述驱动单元包括电动旋转台和旋转臂，所述控制单元控制所述电动旋转台驱动所述旋转臂进行转动，所述传感单元设置在所述旋转臂上，所述旋转臂的转动使所述传感单元沿圆形轨迹进行移动，所述多个采集点均位于所述圆形轨迹上。
[0008]优选地，所述旋转臂包括相互连接的竖杆和横杆，所述竖杆垂直于地面，所述电动旋转台设置在所述竖杆下方控制所述竖杆转动，所述横杆平行于地面，所述传感单元设置在所述横杆上。
[0009]优选地，所述驱动单元还包括防雨罩，设置在所述电动旋转台上方。
[0010]优选地，所述控制单元根据预设运动时间控制所述驱动单元进行运动，使所述传感单元在各个采集点上的停留时间相同。
[0011]优选地，所述控制单元判断所述传感单元是否停留在采集点处，当所述传感单元停留在采集点处时，控制所述光谱采集装置采集所述第一光谱数据和第二光谱数据。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]本发明技术方案，具有如下优点:
[0017]本系统通过控制单元控制驱动单元对一个传感单元进行移动，实现使用一个传感单元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，同时该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】
[0018]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。
[0019]图1为叶绿素荧光自动化监测系统结构示意图；
[0020]图2为叶绿素荧光自动化监测系统具体结构示意图。
【具体实施方式】
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]本实施例提供一种叶绿素荧光自动化监测系统，该系统的结构示意图如图1所示，包括传感单元01、驱动单元02、光谱采集装置03和控制单元04。
[0026]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。
[0027]驱动单元02用于驱动传感单元01在多个采集点之间往复运动。通过驱动单元02，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。
[0028]控制单元04根据预设的控制策略，例如系统的工作周期、驱动单元02的移动时间、停滞时间以及光谱采集装置03的采集时间、积分时间等各种参数，控制驱动单元02和光谱采集装置03进行光谱采集工作。控制单元04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04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。
[0029]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。
[0030]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。
[0031 ] 该系统通过控制单元04控制驱动单元02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，同时该系统通过控制单元04控制光谱采集装置03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。
[0032]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。
[0033]传感单元01包括余弦校正器11和准直镜12。驱动单元02包括电动旋转台21、旋转臂22和步进电机23。控制单元04包括控制终端41、运动控制卡42和驱动器43。控制单元04通过控制终端41、运动控制卡42和驱动器43控制步进电机23驱动电动旋转台21带动旋转臂22进行转动。控制终端41和运动控制卡42连接，运动控制卡42和驱动器43连接。控制终端41给运动控制卡42发送指令，运动控制卡42把指令传送给驱动器43，驱动器43驱动步进电机23使电动旋转台21旋转，进而实现旋转臂22旋转。传感单元01设置在旋转臂22上，旋转臂22的转动使传感单元01沿圆形轨迹在多个采集点之间进行