[發明專利]一種基于光頻梳的植物生態監測系統

有效

• 申請號: 202010494022.3
• 申請日: 2020-06-03
• 公開（公告）號: CN111721231B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 朱志偉;劉洋;李文雪;羅大平;顧澄琳
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01N21/39
• 代理公司: 上海申蒙商標專利代理有限公司 31214
• 代理人: 黃明凱

本發明公開了一種基于光頻梳的植物生態監測系統，包括光頻梳光源模塊、光學監測模塊、探測器模塊、數據采集與處理模塊以及時鐘同步模塊，光頻梳光源模塊輸出具有重頻差的監測光和參考光，監測光經光學監測模塊調節功率、波長以及光束后作用于監測對象，探測器模塊接收經由監測對象反射的監測光，探測器模塊對回返的監測光和參考光進行拍頻，數據采集與處理模塊采集探測器模塊發出的拍頻信號后進行分析并實時還原監測對象的吸收光譜以及形貌特征。本發明的優點是：該植物生態監測系統測量速度極快、精度高，可以精確實時反映植物的生長形態與生理狀態，為農業生產、植物學研究等相關領域的相關即時決策提供足夠的、及時的、準確的信息模型。

技術領域

本發明屬于光學技術領域，具體涉及一種基于光頻梳的植物生態監測系統。

背景技術

伴隨植物的生長，其整體的形貌狀態（枝、葉、莖、桿、花朵、果實）會發生緩慢的變化，同時，受到生長環境的影響，如溫度、氣候、土壤養分的變化，植物生長過程中產生的氣體成分會發生微弱的改變。對植物生長過程進行高精度形貌測量，并對其在環境交互中產生的氣體成分進行高精度分析，是精準監測植物動態生長過程、生理變化、體征狀態的必要手段。現階段，對形貌監測的手段主要依賴于激光雷達的點陣掃描或面陣CCD成像技術，對氣體成分的分析則主要依賴于傳統光譜分析儀器。

傳統測量植物生態的技術手段，不能實現同時測量植物形貌與分析光譜成分，分別測量則會帶來系統復雜、測量不同步、測量時間長等一系列問題。此外，激光雷達的點陣掃描類測量受限于掃描機械臂的掃描時間，需要一定的測量時間，無法實現實時還原分析。面陣CCD成像技術的缺點是傳感器陣列復雜、精度受限。傳統光譜分析儀器，通常使用光譜分離的手段進行分別測量還原，缺點是測量效率低、測量精度受限。

發明內容

本發明的目的是根據上述現有技術的不足之處，提供一種基于光頻梳的植物生態監測系統，該基于光頻梳的植物生態監測系統利用具有確定重頻差的飛秒光頻梳作為監測光源，當監測光采集到監測對象的光學信號后，與參考光進行拍頻下，將光頻信息轉換為到射頻信息進行探測，并進行高速采集與計算還原，從射頻信息中反演光頻的吸收譜可以得到監測目標的光譜信息，反演光頻的相位信息可以反演監測目標的空間相對位置并實現三維成像。

本發明目的實現由以下技術方案完成：

一種基于光頻梳的植物生態監測系統，其特征在于所述植物生態監測系統包括光頻梳光源模塊、光學監測模塊、探測器模塊、數據采集與處理模塊以及時鐘同步模塊，所述光譜梳光源模塊上的兩個輸出端分別連接所述光學監測模塊和所述探測器模塊的輸入端，所述光學監測模塊的輸出端連接所述探測器模塊的輸入端，所述探測器模塊的輸出端連接所述數據采集與處理模塊的輸入端，所述時鐘同步模塊的兩個輸出端分別連接所述光頻梳光源模塊的輸入端和所述數據采集與處理模塊的輸入端；

所述光頻梳光源模塊輸出具有重頻差的監測光和參考光，所述監測光經所述光學監測模塊調節功率、波長以及光束后作用于監測對象，所述探測器模塊接收經由所述監測對象反射的所述監測光，所述探測器模塊對回返的所述監測光和所述參考光進行拍頻，所述數據采集與處理模塊采集所述探測器模塊發出的拍頻信號后進行分析并實時還原所述監測對象的吸收光譜以及形貌特征。

所述光頻梳光源模塊包括兩臺具有重頻差的飛秒光頻梳以及實現所述重頻差的鎖定模塊，所述重頻差的鎖定方式為光頻參考鎖定、載波包絡零頻鎖定、重頻鎖定中的一種或多種的組合。

所述重頻差的鎖定方式的反饋激勵為壓電陶瓷、電流、溫度、電光調制晶體、可飽和吸收體、碳納米管、石墨烯調制器中的一種或多種的組合。

兩臺所述光頻梳的波長范圍在極紫外、紫外、可見光、近紅外、中紅外、遠紅外的波長范圍內。

所述光學監測模塊由虛擬成像相位陣列、光柵、望遠鏡系統組成，所述虛擬成像相位陣列和所述光柵對光源信號進行面陣排列，所述望遠鏡系統調整入射到所述監測對象上的光斑大小。