一種葉片主被動(dòng)葉綠素?zé)晒忾L(zhǎng)時(shí)間序列協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種葉片主被動(dòng)葉綠素?zé)晒忾L(zhǎng)時(shí)間序列協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由同步觀測(cè)架、光譜采集設(shè)備、主動(dòng)熒光采集設(shè)備、光合有效輻射采集設(shè)備和主機(jī)五個(gè)部分組成；光譜采集設(shè)備、主動(dòng)熒光采集設(shè)備、光合有效輻射采集設(shè)備安裝在同步觀測(cè)架上，光譜采集設(shè)備、主動(dòng)熒光采集設(shè)備、光合有效輻射采集設(shè)備、同步觀測(cè)架都通過數(shù)據(jù)傳輸線與主機(jī)連接起來，通過主機(jī)實(shí)現(xiàn)光譜、熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)、光合有效輻射數(shù)據(jù)的采集以及同步觀測(cè)架上的電機(jī)的控制。該葉片主被動(dòng)葉綠素?zé)晒忾L(zhǎng)時(shí)間序列協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)構(gòu)思科學(xué)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于攜帶。它較好地保證了主被動(dòng)熒光測(cè)量時(shí)測(cè)量對(duì)象和測(cè)量環(huán)境的一致性，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，能開展長(zhǎng)時(shí)間序列的協(xié)同觀測(cè)。
【專利說明】一種葉片主被動(dòng)葉綠素?zé)晒忾L(zhǎng)時(shí)間序列協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種葉片主被動(dòng)葉綠素?zé)晒忾L(zhǎng)時(shí)間序列協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)，它是地理學(xué)中研究植被光譜與植被生理關(guān)系的集成系統(tǒng)，可對(duì)葉片進(jìn)行被動(dòng)日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?Solar-1nduced chlorophyll fluorescence, SIF)和主動(dòng)突光動(dòng)力學(xué)參數(shù)的長(zhǎng)時(shí)間序列協(xié)同觀測(cè)，用于建立起被動(dòng)熒光與主動(dòng)熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及植被生理的關(guān)系，屬于自然地理系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]光合作用是植被最為關(guān)鍵的生理過程，不僅影響著碳、水等物質(zhì)循環(huán)，而且能夠快速、直接地反映植物的生長(zhǎng)狀態(tài)和受脅迫狀態(tài)。傳統(tǒng)遙感手段通過植被反射、輻射和散射的電磁波信息反演植被的生物物理參數(shù)和生物化學(xué)參數(shù)，如葉面積指數(shù)、葉綠素含量等，但是目前還缺乏有效的探測(cè)植被光合作用信息和受脅迫狀況的遙感手段。植被葉綠素?zé)晒庖驗(yàn)榕c植被光合作用密切相關(guān)，經(jīng)研究被認(rèn)為是植物生理狀態(tài)的“探針”，與植被生長(zhǎng)所處的外界環(huán)境息息相關(guān)，將葉綠素?zé)晒鈶?yīng)用于探測(cè)植被的脅迫狀態(tài)具有很大的潛力。主動(dòng)熒光測(cè)量是通過主動(dòng)發(fā)射脈沖來獲取植被葉片尺度的熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)，對(duì)于植被的生理研究有很重要的參考意義。SIF通過算法從太陽(yáng)入射光譜和目標(biāo)表觀反射光譜中提取熒光信息，可通過遙感方法獲取，能實(shí)現(xiàn)大面積地表植被的生理狀態(tài)觀測(cè)。目前低空、全球的SIF均被研究，但從光譜中提取的SIF是否是植被真實(shí)發(fā)射熒光的正確表示，SIF能否正確地反映植被的生理狀態(tài)，還需進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證和確定。另外SIF多種提取方法的精度和有效性也需要進(jìn)行分析。故需要一種能同時(shí)測(cè)量主被動(dòng)熒光的系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)確保主被動(dòng)熒光測(cè)量的被測(cè)量目標(biāo)與環(huán)境保持一致性，并能夠方便、穩(wěn)定地進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的時(shí)序測(cè)量。我們這套葉片主被動(dòng)葉綠素?zé)晒忾L(zhǎng)時(shí)間序列協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)正是針對(duì)以上這些問題開發(fā)的輕型的、自動(dòng)的同步觀測(cè)系統(tǒng)。這套系統(tǒng)包括光譜采集設(shè)備、主動(dòng)熒光采集設(shè)備、光合有效輻射采集設(shè)備、同步觀測(cè)架及控制主機(jī)設(shè)備五部分構(gòu)成，能穩(wěn)定地對(duì)葉片目標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的主被動(dòng)熒光同步觀測(cè)，用以研究被動(dòng)熒光與主動(dòng)熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及植被生理的關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003](I)目的:
[0004]本發(fā)明的目的是提供一種葉片主被動(dòng)葉綠素?zé)晒忾L(zhǎng)時(shí)間序列協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)。它保證了主被動(dòng)熒光獲取的外界環(huán)境、葉片內(nèi)部生理均一致，從而確保兩者具有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和操作的便捷性，能實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)熒光數(shù)據(jù)的長(zhǎng)時(shí)間序列同步觀測(cè)。
[0005](2)技術(shù)方案
[0006]本發(fā)明是一種葉片主被動(dòng)葉綠素?zé)晒忾L(zhǎng)時(shí)間序列協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)(圖1)。整個(gè)系統(tǒng)按實(shí)現(xiàn)功能由五個(gè)部分組成:同步觀測(cè)架(圖2)、光譜采集設(shè)備(圖3)、主動(dòng)熒光采集設(shè)備(圖4)、光合有效輻射采集設(shè)備(圖5)、主機(jī)。它們之間的位置連接關(guān)系是:光譜采集設(shè)備、主動(dòng)熒光采集設(shè)備、光合有效輻射采集設(shè)備安裝在同步觀測(cè)架上，光譜采集設(shè)備、主動(dòng)熒光采集設(shè)備、光合有效輻射采集設(shè)備、同步觀測(cè)架都通過數(shù)據(jù)傳輸線與主機(jī)連接起來，通過主機(jī)實(shí)現(xiàn)光譜、熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)、光合有效輻射數(shù)據(jù)的采集以及同步觀測(cè)架上的電機(jī)的控制。以上設(shè)備的集成實(shí)現(xiàn)了主被動(dòng)熒光長(zhǎng)時(shí)間序列的協(xié)同觀測(cè)。
[0007]所述同步觀測(cè)架(圖2)是由不銹鋼組裝而成，四根型鋼組成十字型作為同步觀測(cè)架底座，同步觀測(cè)架主架由多根型鋼拼接而成，之間安裝有矩形板料狀的置物平臺(tái)，同步觀測(cè)架主架上端連接觀測(cè)部分，可以調(diào)整觀測(cè)部分高度，觀測(cè)部分包括電機(jī)、參考板托盤、HR4000和PAM2500光纖固定豎桿和矩形板料狀的樣本平臺(tái)。HR4000光譜儀光纖探頭在觀測(cè)目標(biāo)位置和漫反射參考板位置上方之間來回運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)入射光譜和目標(biāo)表觀反射光譜的采集(圖6)且提供了光譜與熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)同步采集(圖7)的穩(wěn)定環(huán)境。
[0008]所述光譜采集設(shè)備(圖3)包括恒溫箱及內(nèi)置的HR4000光譜儀、漫反射參考板，能實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)入射光譜和目標(biāo)表觀反射光譜的測(cè)量，以提取SIF，恒溫箱能確保HR4000光譜儀長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定工作。該恒溫箱是箱式結(jié)構(gòu)，其上設(shè)有HR4000數(shù)據(jù)線、1HR4000光譜儀光纖、恒溫箱數(shù)據(jù)線接口、恒溫箱光纖接口、恒溫箱電源接口、恒溫箱電源轉(zhuǎn)換器和恒溫箱電源線；該漫反射參考板是小圓板，其表面設(shè)有反射率為99%的朗伯體特殊涂層。
[0009]所述主動(dòng)熒光采集設(shè)備(圖4)為PAM2500熒光儀，能獲取葉片目標(biāo)的熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)。其上設(shè)有PAM2500數(shù)據(jù)線、PAM2500光纖、PAM2500數(shù)據(jù)線接口、PAM2500光纖接口和PAM2500光纖探頭。
[0010]所述光合有效輻射采集設(shè)備(圖5)為PAR傳感器和PAR主機(jī)，能獲取當(dāng)前光合有效輻射值。
[0011]所述主機(jī)為一臺(tái)電腦，安裝有HR4000控制軟件、PAM2500控制軟件、PAR傳感器控制軟件，已設(shè)置以上數(shù)據(jù)的采集方法和流程。
[0012]本發(fā)明的原理及工況簡(jiǎn)介如下:本發(fā)明將PAM2500熒光儀和HR4000光譜儀通過同步觀測(cè)架進(jìn)行集成，提供一種葉片主被動(dòng)葉綠素?zé)晒忾L(zhǎng)時(shí)間序列協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過主機(jī)控制同步觀測(cè)架上的電機(jī)的運(yùn)行，使HR4000光譜儀光纖探頭在觀測(cè)目標(biāo)和漫反射參考板之間進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)入射光譜和觀測(cè)目標(biāo)表觀反射光譜的采集，當(dāng)光譜采集對(duì)象為葉片時(shí)，同時(shí)采集主動(dòng)熒光參數(shù)和葉片表觀反射光譜以及當(dāng)前光合有效輻射值。通過主機(jī)設(shè)置光譜、熒光、光合有效輻射的自動(dòng)采集以對(duì)相同觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的主被動(dòng)葉綠素?zé)晒庥^測(cè)。
[0013]⑶優(yōu)點(diǎn)，功效
[0014]該葉片主被動(dòng)葉綠素?zé)晒忾L(zhǎng)時(shí)間序列協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)構(gòu)思科學(xué)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于攜帶。它較好地保證了主被動(dòng)熒光測(cè)量時(shí)測(cè)量對(duì)象和測(cè)量環(huán)境的一致性，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，能開展長(zhǎng)時(shí)間序列的協(xié)同觀測(cè)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1系統(tǒng)總體示意圖
[0016]圖2同步觀測(cè)架示意圖
[0017]圖3光譜采集設(shè)備示意圖
[0018]圖4主動(dòng)熒光采集設(shè)備示意圖[0019]圖5光和有效輻射采集設(shè)備示意圖
[0020]圖6同步觀測(cè)架電機(jī)運(yùn)行示意圖
[0021]圖7同步觀測(cè)示意圖
[0022]圖中符號(hào)說明如下:
[0023]I同步觀測(cè)架底座；2同步觀測(cè)架主架；3置物平臺(tái)；4樣本平臺(tái)；5參考板托盤；6HR4000光譜儀光纖固定豎桿；7PAM2500光纖固定豎桿；8電機(jī)；9電機(jī)電纜線；10電機(jī)主機(jī)；11電機(jī)供電電池；12電機(jī)電源線；13電機(jī)主機(jī)數(shù)據(jù)線；14恒溫箱；15HR4000光譜儀；16HR4000數(shù)據(jù)線；17HR4000光譜儀光纖；18恒溫箱數(shù)據(jù)線接口 ；19恒溫箱光纖接口 ；20恒溫箱電源接口 ；21恒溫箱電源轉(zhuǎn)換器；22恒溫箱電源線；23漫反射參考板；24PAM2500熒光儀；25PAM2500數(shù)據(jù)線；26PAM2500光纖；27PAM2500數(shù)據(jù)線接口 ；28PAM2500光纖接口 ；29PAR主機(jī)；30PAR傳感器；31PAR主機(jī)數(shù)據(jù)線；32主機(jī)；33HR4000光譜儀光纖探頭；34PAM2500光纖探頭；35觀測(cè)目標(biāo)。
【具體實(shí)施方式】
[0024]如圖1一圖7所示，本發(fā)明一種葉片主被動(dòng)葉綠素?zé)晒忾L(zhǎng)時(shí)間序列協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)由光譜采集設(shè)備、主動(dòng)熒光采集設(shè)備、光合有效輻射采集設(shè)備、同步觀測(cè)架、主機(jī)32五個(gè)部分組成。它們之間的位置連接關(guān)系是:光譜采集設(shè)備、主動(dòng)熒光采集設(shè)備、光合有效輻射采集設(shè)備安裝在同步觀測(cè)架上，光譜采集設(shè)備、主動(dòng)熒光采集設(shè)備、光合有效輻射采集設(shè)備、同步觀測(cè)架都通過數(shù)據(jù)傳輸線與主機(jī)連接起來，通過主機(jī)32實(shí)現(xiàn)光譜、熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)、PAR數(shù)據(jù)采集以及同步觀測(cè)架上的電機(jī)的控制。以上設(shè)備的集成實(shí)現(xiàn)了主被動(dòng)熒光長(zhǎng)時(shí)間序列的協(xié)同觀測(cè)。
[0025]所述光譜采集設(shè)備是HR4000光譜儀15及其附件，該光譜儀具有0.02nm光譜分辨率，光譜范圍覆蓋700-800nm，可以提取位于760nm處的熒光發(fā)射峰值。HR4000光譜儀15放置于恒溫箱14中，通過恒溫箱數(shù)據(jù)線接口 18和恒溫箱光纖接口 19實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞。恒溫箱14使HR4000光譜儀15測(cè)量期間溫度恒定在23°C，恒溫箱14經(jīng)恒溫箱電源線22和恒溫箱電源轉(zhuǎn)換器21由外接電源供電。HR4000光譜儀光纖探頭33固定于同步觀測(cè)架上的HR4000光譜儀光纖固定豎桿6，漫反射參考板23固定于同步觀測(cè)架參考板托盤5中。主機(jī)32通過電機(jī)主機(jī)數(shù)據(jù)線13控制同步觀測(cè)架上電機(jī)8的運(yùn)行，使HR4000光譜儀光纖探頭33可以完成對(duì)觀測(cè)目標(biāo)35和漫反射參考板23的切換，分別獲取觀測(cè)目標(biāo)的太陽(yáng)入射光譜和反射光譜，通過已有算法計(jì)算出日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?。該恒溫?4是箱式結(jié)構(gòu)，其上設(shè)有HR4000數(shù)據(jù)線16、HR4000光譜儀光纖17、恒溫箱數(shù)據(jù)線接口 18、恒溫箱光纖接口 19、恒溫箱電源接口 20、恒溫箱電源轉(zhuǎn)換器21和恒溫箱電源線22。
[0026]所述主動(dòng)熒光采集設(shè)備是PAM2500熒光儀24及其附件，PAM2500熒光儀光纖探頭34與觀測(cè)目標(biāo)35保持相對(duì)位置關(guān)系不變，PAM2500熒光儀光纖探頭34獲取觀測(cè)目標(biāo)35的主動(dòng)熒光信號(hào)，信號(hào)經(jīng)PAM2500數(shù)據(jù)線25傳輸?shù)街鳈C(jī)32，PAM2500熒光儀24其上設(shè)有PAM2500數(shù)據(jù)線25、PAM2500光纖26、PAM2500數(shù)據(jù)線接口 27和PAM2500光纖接口 28 ;其內(nèi)置電源可以完成8小時(shí)的時(shí)序測(cè)量。
[0027]所述光合有效福射米集設(shè)備由PAR傳感器30和PAR主機(jī)29組成，由五號(hào)電池組供電，獲取的PAR數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在PAR主機(jī)29中，通過PAR主機(jī)數(shù)據(jù)線31可導(dǎo)入主機(jī)32。[0028]所述同步觀測(cè)架由不銹鋼材料組裝而成，四根型鋼組成十字型作為同步觀測(cè)架底座1，同步觀測(cè)架主架2由多根型鋼拼接而成，同步觀測(cè)架主架2中部安裝有矩形板料狀的置物平臺(tái)3，可放置相關(guān)儀器和設(shè)備，同步觀測(cè)架主架2上端連接觀測(cè)部分，觀測(cè)部分高度可以調(diào)節(jié)，觀測(cè)部分包括電機(jī)8、參考板托盤5、HR4000光纖固定豎桿6、PAM2500光纖固定豎桿7以及矩形板料狀的樣本平臺(tái)4，HR4000光纖固定豎桿6、PAM2500光纖固定豎桿7用于固定HR4000光譜儀光纖探頭33、PAM2500熒光儀光纖探頭34，樣本平臺(tái)4用來放置觀測(cè)目標(biāo)35，參考板托盤5內(nèi)放置漫反射參考板23，PAR傳感器30安裝在同步觀測(cè)架頂端水平位置。電機(jī)主機(jī)10通過電機(jī)電纜線9與電機(jī)8相連，可以對(duì)電機(jī)8運(yùn)行控制，也可通過電機(jī)主機(jī)數(shù)據(jù)線13連接至主機(jī)32，對(duì)電機(jī)8的運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定。電機(jī)8轉(zhuǎn)動(dòng)以使HR4000光譜儀光纖探頭33觀測(cè)對(duì)象在漫反射參考板23和觀測(cè)目標(biāo)35之間進(jìn)行切換。電機(jī)8為步進(jìn)電機(jī)，由電機(jī)供電電池11進(jìn)行供電，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)8長(zhǎng)時(shí)間工作。
[0029]所述主機(jī)32為一臺(tái)安裝有HR4000控制軟件、PAM2500控制軟件、PAR傳感器控制軟件以及電機(jī)控制軟件的計(jì)算機(jī)，通過電機(jī)主機(jī)數(shù)據(jù)線13設(shè)置電機(jī)8的初始位置、運(yùn)行方向、運(yùn)行速度、目標(biāo)位置和漫反射參考板23位置暫停時(shí)間以及運(yùn)行周期，實(shí)現(xiàn)HR4000光纖固定豎桿6在目標(biāo)位置和漫反射參考板23位置的自動(dòng)切換(圖6)。通過HR4000數(shù)據(jù)線16、PAM2500數(shù)據(jù)線25、PAR主機(jī)數(shù)據(jù)線31分別設(shè)置PAM2500熒光儀24和HR4000光譜儀15對(duì)觀測(cè)目標(biāo)35的同步觀測(cè)周期，以及PAR傳感器30的數(shù)據(jù)采集周期，實(shí)現(xiàn)光譜、主動(dòng)熒光參數(shù)、PAR的協(xié)同觀測(cè)。
【權(quán)利要求】
1.一種葉片主被動(dòng)葉綠素?zé)晒忾L(zhǎng)時(shí)間序列協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)由同步觀測(cè)架、光譜采集設(shè)備、主動(dòng)熒光采集設(shè)備、光合有效輻射采集設(shè)備和主機(jī)五個(gè)部分組成；光譜采集設(shè)備、主動(dòng)熒光采集設(shè)備、光合有效輻射采集設(shè)備安裝在同步觀測(cè)架上，光譜采集設(shè)備、主動(dòng)熒光采集設(shè)備、光合有效輻射采集設(shè)備、同步觀測(cè)架都通過數(shù)據(jù)傳輸線與主機(jī)連接起來，通過主機(jī)實(shí)現(xiàn)光譜、熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)、光合有效輻射數(shù)據(jù)的采集以及同步觀測(cè)架上的電機(jī)的控制； 所述同步觀測(cè)架是由不銹鋼組裝而成，四根型鋼組成十字型作為同步觀測(cè)架底座，同步觀測(cè)架主架由多根型鋼拼接而成，之間安裝有矩形板料狀的置物平臺(tái)，同步觀測(cè)架主架上端連接觀測(cè)部分，其高度可以調(diào)整，觀測(cè)部分包括電機(jī)、參考板托盤、光纖固定豎桿和矩形板料狀的樣本平臺(tái)；光譜儀光纖探頭在觀測(cè)目標(biāo)位置和漫反射參考板位置上方之間來回運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)入射光譜和目標(biāo)表觀反射光譜的采集，且提供了光譜與熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)同步采集的穩(wěn)定環(huán)境； 所述光譜采集設(shè)備包括恒溫箱及內(nèi)置的光譜儀、漫反射參考板，能實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)入射光譜和目標(biāo)表觀反射光譜的測(cè)量，以提取SIF，恒溫箱能確保光譜儀長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定工作；該恒溫箱是箱式結(jié)構(gòu)，其上設(shè)有數(shù)據(jù)線、光譜儀光纖、恒溫箱數(shù)據(jù)線接口、恒溫箱光纖接口、恒溫箱電源接口、恒溫箱電源轉(zhuǎn)換器和恒溫箱電源線；該漫反射參考板是小圓板，其表面設(shè)有反射率為99%的朗伯體特殊涂層； 所述主動(dòng)熒光采集設(shè)備是熒光儀，能獲取葉片目標(biāo)的熒光動(dòng)力學(xué)參數(shù)，其上設(shè)有數(shù)據(jù)線、光纖、數(shù)據(jù)線接口、光纖接口和光纖探頭； 所述光合有效輻射采集設(shè)備為PAR傳感器和PAR主機(jī)，能獲取當(dāng)前光合有效輻射值；所述主機(jī)為一臺(tái)電腦，安裝有HR4000控制軟件、PAM2500控制軟件、PAR傳感器控制軟件，已設(shè)置以上數(shù)據(jù)的采集方法和流程。
【文檔編號(hào)】G01N21/64GK104007094SQ201410220579
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月23日
【發(fā)明者】劉志剛, 陳績(jī), 楊沛琦, 王慶山, 張葳葳, 倪卓婭, 周西 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)