Система для измерения фотохимического индекса отражения PRI у растений Российский патент 2021 года по МПК G01N21/25 A01G9/26 

Настоящее изобретение относится к физическому оборудованию для исследования свойств растительных объектов с помощью анализа влияния растительного материала на свет двух различных длин волн с использованием двух различных детекторов, касается системы для измерения фотохимического индекса отражения PRI у растений, который может быть использован в растениеводстве, в частности, для мониторинга действия стрессовых факторов на растительные объекты при осуществлении их хозяйственного выращивания и фенотипирования.

Оценка стрессовых изменений фотосинтетических процессов может базироваться на дистанционном определении фотохимического индекса отражения (photochemical reflectance index, PRI). Определение PRI базируется на измерении интенсивностей отраженного от растительного материала света при двух длинах волн: измерительной длины волны, максимум которой соответствует 531 нм (R531), и опорной длины волны, максимум которой может лежать в диапазоне 550-570 нм (Rr). В качестве опорной длины часто используют длину волны с максимумом около 570 нм. Расчет PRI осуществляется согласно формуле PRI=(R531-Rr)/(R531+Rr). Дистанционное определение PRI играет ключевую роль в дистанционном мониторинге состояния сельскохозяйственных растений при их выращивании в условиях открытого и защищенного грунта (Zhang et al., Remote Sensing, 2016, 8:677).

Основные технические проблемы при измерении RPI связаны со сложностью измерения пространственного распределения фотохимического индекса отражения на средних расстояниях (от десятков см - до метра и более). Использование таких расстояний позволяет получить достаточную степень детализации распределения PRI по растению для детального анализа процесса действия на растение неблагоприятных факторов. Другая техническая проблема связана с существенным влиянием фонового освещения на результаты измерения PRI, что может быть преодолено с использованием импульсной желто-зеленой подсветки объекта. Последняя группа проблем обусловлена значительной технической сложностью и стоимостью систем для измерения PRI. Современные мульти- и гиперспектральные системы, а также системы для интегральных спектральных измерений с участка объекта не решают все совокупности заявленных проблем.

Например, известно, что системы мультиспектрального имиджинга, описанные в патентах WO 2018217770 A2, WO 2018217770 A3 и US 2020120293 A1 обеспечивают измерение пространственного распределения интенсивностей отраженного света в заданных спектральных областях.

Недостатком является высокая техническая сложность и значительная стоимость подобных систем, связанная с использованием значительного числа измеряемых спектральных полос. Использование в этих системах неконтролируемого по спектру фонового излучения для измерения PRI вносит измерительную ошибку по сравнению с системами, использующими активную подсветку. Необходимость специальной адаптации системы для измерения PRI.

Известно, что системы для дистанционного мониторинга, описанные в патентах BRPI 0912413 A2, CA 2723703 A1, EP 2294447 A1, EP 2294447 B1, WO 2009136210 A1 и US 2011101239 A1 реализуют возможность активной подсветки исследуемых растений лазерным освещением. Такие системы могут быть адаптированы для измерения PRI на значительных расстояниях до исследуемых объектов, позволяя измерить показатели фотохимического индекса отражения на уровне растительного покрова.

Недостатком является высокая техническая сложность и значительная стоимость подобных систем вследствие реализации активного освещения лазерным светом больших площадей с приемлемой для изображений плотностью мощности для устойчивой регистрации, что объясняет их неприменимость к измерению показателей отдельных растений или отдельных листьев. Необходимость специальной адаптации системы для измерения PRI.

Известно, что портативная система мультиспектрального имиджинга растений, описанная в патентах CN 105181594 A и CN 105181594 B, реализует возможность непрерывной активной подсветки белым светом и является технически относительно простой. Система может быть адаптирована для измерения PRI на средних расстояниях от растительного объекта.

Недостатком является использование одной цифровой камеры и турели светофильтров, что замедляет получение изображений в различных спектральных полосах и, соответственно, увеличивает погрешность расчета PRI. Невозможность устранить влияние фонового освещения на показатели PRI при использовании непрерывного освещения светом. Невозможность устранить влияние освещения белым светом на физиологическое состояние растения. Необходимость специальной адаптации системы для измерения PRI.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является специализированная некоммерческая система для PRI-имиджинга (Computers and Electronics in Agriculture, 2010, V. 71, P. 170-175, https://doi.org/10.1016/j.compag.2010.01.004), принятая за ближайший аналог (прототип).

Система по прототипу содержит одну монохромную цифровую камеру (Watec, WAT-120N, Япония), снабженную механизмом смены спектральных фильтров с максимами светопропускания на 530 нм (Asahi Spectra, MX0530, Япония) и на 570 нм (Asahi Spectra, MX0570, Япония); ширина полосы пропускания фильтров равняется 10 нм. Механизмом смены фильтров служит держатель (Surga, F53-100, Япония); переключение фильтров осуществляется вручную. Освещение растительного объекта осуществляется непрерывно с использованием белых светодиодов (Hayashi, HDR61W), которые размещаются в виде кольца.

Основными признаками, общими с предлагаемым изобретением, является: использование оптических узкополосных фильтров со спектрами пропускания при 530 и 570 нм для получения изображения в двух спектральных диапазонах и расчета фотохимического индекса отражения, использование одного оптического «входа» для получения изображения, что позволяет измерять PRI у растений на малых и средних расстояниях, использование активного освещения растения светодиодными источниками, относительная техническая простота и высокая специализация системы, которая направлена именно на измерение пространственного распределения PRI.

Главными недостатками прототипа является: высокая длительность переключения между режимами получения изображений на каждой длине волны (не менее нескольких секунд), нестабильность времени переключения и невозможность использования непрерывной подсветки для устранения влияния фонового освещения на измерение PRI.

В ближайшем аналоге использовалась только одна монохромная камера, для получения изображения на различных длинах волн использовалась ручное перемещение интерференционного фильтра перед камерой (длительность перемещения варьирует в каждом конкретном случае и составляет не менее нескольких секунд). Значительный и нестабильный временной интервал между измерениями отраженного света у ближайшего аналога увеличивает погрешность измерения PRI и исключает возможность измерения его быстрых изменений.

В ближайшем аналоге используется светодиодный источник постоянного белого освещения; т.е. измерения темновых значений PRI невозможны, так как постоянное освещение влияет на фотосинтетические процессы. Ещё одним недостатком подсветки белым светом является тот факт, что основная спектральная плотность мощности сосредоточена в диапазоне 500-600 нм, то есть там, где происходит регистрация отражения от листа растения. Кроме того, у источника белого источника света широкий спектр длин волн и, соответственно, через фильтры проходит большая доля «паразитного» света, то есть света вне регистрируемого спектрального диапазона, что приводит к большей погрешности измерения PRI. Также постоянное освещение не дает возможности устранить ошибку при наличии дополнительных источников света с другим спектром.

В задачу изобретения положено создание новой системы для измерения фотохимического индекса отражения PRI у растений.

Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является сокращение времени измерения, повышение чувствительности и точности измерений, удобства использования.

Поставленная задача достигается тем, что система для измерения фотохимического индекса отражения PRI у растений содержит корпус со смотровым окном, светодиодные осветители, закрепленные на корпусе с возможностью поворота, причем каждый светодиодный осветитель выполнен в виде пластины, на которой установлена группа последовательно соединенных желто-зеленых светодиодов, внутри корпуса установлены две бескорпусные монохромные пиксельные камеры, полосовой интерференционный фильтр с полосой пропускания при 567,5-582,5 нм, полосовой интерференционный фильтр с полосой пропускания при 524,5-535,5 нм, делительная пластина, плата управления, USB-концентратор с USB-разъемом, источник тока светодиодов, дополнительно система содержит блок питания и персональный компьютер, при этом одна из бескорпусных монохромных пиксельных камер установлена напротив смотрового окна, а вторая под углом 90° по отношению к первой, на объектив бескорпусной монохромной пиксельной камеры, установленной напротив смотрового окна, установлен полосовой интерференционный фильтр с полосой пропускания при 567,5-582,5 нм, а на объектив бескорпусной монохромной пиксельной камеры, установленной под углом 90° по отношению к первой бескорпусной монохромной пиксельной камере, установлен полосовой интерференционный фильтр с полосой пропускания при 524,5-535,5 нм, делительная пластина установлена между объективами бескорпусных монохромных пиксельных камер под углом 45° к смотровому окну, плата управления соединена с USB-концентратором, бескорпусные монохромные пиксельные камеры соединены с платой управления через USB-концентратор, светодиодные осветители параллельно соединены с источником тока светодиодов, плата управления и источник тока светодиодов соединены с блоком питания, персональный компьютер соединен через USB-разъем и через USB-концентратор с бескорпусными монохромными пиксельными камерами и с платой управления; корпус выполнен размером 20×18×8 см³ из композитного материала на основе пластика и металла; смотровое окно изготовлено из просветленного в широком диапазоне 425-700 нм стекла #43-973 марки Edmund Optics; в качестве светодиодов используются желто-зеленые светодиоды LXML-PX02-0000 марки Lumileds со спектром типа Lime, имеющих спектральный диапазон по полуширине интенсивности излучения 507-614 нм; на каждом светодиодном осветителе каждая группа светодиодов содержит пять желто-зеленых светодиодов; корпус установлен и закреплен на штативе; в качестве штатива используется стандартный штатив для фотокамер; в качестве бескорпусных монохромных пиксельных камер используются бескорпусные монохромные 1280x960 пиксельные камеры CGN-B013-U марки Mightex с ПЗС матрицей 1/3" Sony ICX445AL, с разрядностью АЦП камеры - 12 бит и внешней синхронизацией; в качестве полосовых интерференционных фильтров используются полосовые интерференционные фильтры FF01-530/11 и FF01-575/15 марки Semrock с шириной полос 11 и 15 нм; в качестве делительной пластины используется делительная пластина FF552-Di02 марки Semrock; в качестве платы управления используется плата управления ARDUINO UNO с программируемым контроллером и с 32-мя цифровыми выводами; USB-разъем выведен в технологическое отверстие, выполненное в корпусе; в качестве персонального компьютера используется, например, ноутбук Lenovo IdeaPad 330-15IKBR blue 15.6": FHD i5-8250U/8Gb/1Tb+256Gb, SSD/Mx150, 2Gb/W10; дополнительно внутри корпуса установлен вентилятор, соединенный с блоком питания, и конвертер, соединенный с USB-концентратором; в качестве конвертера используется DC/DC конвертер для преобразования входного питания 18 В на 5 В для питания USB устройств через USB-концентратор.

На фиг. 1 представлена схема макета системы для измерения фотохимического индекса отражения PRI у растений.

На фиг. 2 представлена блок-схема система для измерения фотохимического индекса отражения PRI у растений.

На фиг. 3 представлена схема, показывающая технический принцип работы системы для измерения фотохимического индекса отражения PRI у растений.

а - изображение с максимумом около 570 нм.

б - изображение с максимумом около 531 нм.

На фиг. 4 показан пример изображения с распределением PRI у гороха, полученного с использованием системы для измерения фотохимического индекса отражения PRI у растений.

На фиг. 5 показан пример динамики изменения PRI в трех листьях гороха (лист 1-лист 3) при включении и выключении оранжевого актиничного света (света, вызывающего активацию фотосинтеза) с интенсивностью 280 мкмоль м^-2 с^-1.

На фиг. 6 показана зависимость средних значений PRI от интенсивности актиничного света (света, вызывающего активацию фотосинтеза).

Конструктивно система для измерения фотохимического индекса отражения (PRI) у растений на фиг. 1-5 содержит:

1 - корпус,

2 - смотровое окно,

3 - светодиодные осветители,

4 - желто-зеленые светодиоды,

5 - штатив,

6, 7 - бескорпусные монохромные пиксельные камеры,

8 - полосовой интерференционный фильтр с полосой пропускания при 567,5-582,5 нм,

9 - полосовой интерференционный фильтр с полосой пропускания при 524,5-535,5 нм,

10 - делительная пластина,

11- плата управления,

12 - USB-концентратор,

13 - USB-разъем,

14 - источник тока светодиодов,

15 - блок питания,

16 - персональный компьютер.

Корпус 1 выполнен со смотровым окном 2 и с технологическим отверстием.

На корпусе 1 сверху и снизу закреплены кронштейны, на которых. в свою очередь, закреплены светодиодные осветители 3. При этом светодиодные осветители 3 закреплены на кронштейнах подвижно, с возможностью поворота вверх, вниз.

Каждый светодиодный осветитель 3 выполнен в виде алюминиевой пластины, на которой установлена группа последовательно соединенных желто-зеленых светодиодов 4.

Корпус 1 может быть установлен и закреплен на штативе 5.

Внутри корпуса 1 установлены две бескорпусные монохромные пиксельные камеры 6, 7, полосовые интерференционные фильтры 8, 9 делительная пластина 10, плата управления 11, USB-концентратор 12 с USB-разъемом 13, источник тока светодиодов 14.

При этом одна из камер 6 установлена напротив смотрового окна 2, а другая 7 - под углом 90° по отношению к первой 6.

На объективы бескорпусных монохромных пиксельных камер 6, 7 установлены полосовые интерференционные фильтры 8, 9. При этом на объектив камеры 6 установлен полосовой интерференционный фильтр 8 с полосой пропускания при 567,5-582,5 нм, а на объектив камеры 7 - полосовой интерференционный фильтр 9 с полосой пропускания при 524,5-535,5 нм.

Между объективами бескорпусных монохромных пиксельных камер 6, 7 под углом 45° к смотровому окну 2 установлена делительная пластина 10.

Плата управления 11 соединена с USB-концентратором 12.

USB-концентратор 12 имеет USB-разъем 13.

USB-разъем 13 выведен в технологическое отверстие на корпусе 1.

Бескорпусные монохромные пиксельные камеры 6, 7 соединены с платой управления 11 через USB-концентратор 12.

Светодиодные осветители 3 параллельно соединены с источником тока 14.

Плата управления 11 и с источником тока светодиодов 14 соединены с блоком питания 15.

Персональный компьютер 16 соединен через USB-разъем 13 и через USB-концентратор 12 с камерами 6, 7 и с платой управления 11.

Соединения между узлами: бескорпусные монохромные пиксельные камеры - USB-концентратор (6-12, 7-12), плата управления - USB-концентратор (11-12), персональный компьютер - USB-концентратор (16-12), необходимы для обмена данными по USB-протоколу.

Дополнительно внутри корпуса может быть установлен вентилятор, соединенный с блоком питания 15, и DC/DC конвертер, соединенный с USB-концентратором 12.

Корпус 1 выполнен, например, размером 20х18х8 см³ из композитного материала на основе пластика и металла.

Смотровое окно 2 изготовлено, например, из просветленного в широком диапазоне 425-700 нм стекла #43-973 (Edmund Optics, США).

В качестве желто-зеленых светодиодов 4 используются, например, желто-зеленые светодиоды LXML-PX02-0000 (Lumileds, Нидерланды) со спектром типа Lime, имеющих спектральный диапазон по полуширине интенсивности излучения 507-614 нм.

На каждом светодиодном осветителе 3 установлено, например, пять желто-зеленых светодиодов 4.

В качестве штатива 5 используется, например, стандартный штатив для фотокамер.

В качестве бескорпусных монохромных пиксельных камер 6, 7 используются, например, бескорпусные монохромные 1280x960 пиксельные камеры CGN-B013-U (Mightex, Канада) с ПЗС матрицей 1/3" Sony ICX445AL, с разрядностью АЦП камеры - 12 бит, имеющие внешнюю синхронизацию.

В качестве полосовых интерференционных фильтров 8, 9 используются, например, полосовые интерференционные фильтры FF01-530/11 и FF01-575/15 (Semrock, США) с шириной полос 11 и 15 нм.

В качестве делительной пластины 10 используется, например, делительная пластина FF552-Di02 (Semrock, США).

В качестве платы управления 11 используется, например, плата управления ARDUINO UNO с программируемым контроллером и с 32-мя цифровыми выводами.

В качестве персонального компьютера 16 используется, например, ноутбук Lenovo IdeaPad 330-15IKBR blue 15.6": FHD i5-8250U/8Gb/1Tb+256Gb, SSD/Mx150, 2Gb/W10.

В качестве конвертера используется, например, DC/DC конвертер для преобразования входного питания 18 В на 5 В для питания USB устройств (бескорпусных монохромных пиксельных камер и платы управления) через USB-концентратор 12.

Работа устройства осуществляется от блока питания 15 с выходным постоянным напряжением 18 В, работающего от сети переменного напряжения 220 В.

Предлагаемая система для измерения фотохимического индекса отражения (PRI) у растений работает следующим образом.

Корпус 1 помещают, например, на штативе 5 таким образом, чтобы смотровое окно 2 было направлено на исследуемый объект. Персональный компьютер 16 передает параметры режима измерения через USB-концентратор 12 на бескорпусные монохромные цифровые камеры 6, 7 и на плату управления 11. Питание системы осуществляется через блок питания 15.

Отраженный свет от объекта поступает через смотровое окно 2 на делительную пластину 10, которая делит его на два световых потока. Первый световой поток с длиной волны более 550 нм поступает на интерференционный фильтр 8 с полосой пропускания при 567,5-582,5 нм и, затем, на бескорпусную монохромную пиксельную камеру 6, установленную напротив смотрового окна 2, позволяя получить изображение с максимумом около 570 нм. Второй световой поток с длиной волны менее 550 нм идет на интерференционный фильтр 9 с полосой пропускания при 524,5-535,5 нм и, затем, на бескорпусную монохромную пиксельную камеру 7, установленную под углом 90° по отношению к бескорпусной монохромную пиксельной камере 6, позволяя получить изображение с максимумом около 531 нм.

Работа системы осуществляется автоматизировано с использованием специальной программы. Программа автоматизации системы была реализована на языке С++ в средах разработки Embarcadero® C++Builder 10.1 Berlin и ARDUINO Genuino. Программа состоит из двух исполняемых модулей, коммуникация между которыми осуществляется с использованием последовательного порта. Модуль ARDUINO-PRI - запускается в корпусе 1 устройства в момент его включения, MIGHTEX3 - исполняемый модуль запускается на персональном компьютере 16 пользователя для проведения экспериментов, либо для визуализации результатов уже проведенных экспериментов.

Модуль ARDUINO-PRI осуществляет непосредственное управление режимом освещения посредством управления питанием желто-зеленых светодиодов 4 через источник тока 14 и включением бескорпусных монохромных пиксельных камер 6, 7 через USB-концентратор 12. По умолчанию для каждого измерительного цикла в системе используется следующий режим:

- получение фонового кадра с максимумом на 570 нм камерой 6 в условиях отсутствия желто-зеленого измерительного света с экспозицией 10 мс;

- пауза 200 мс;

- получение фонового кадра с максимумом на 531 нм камерой 7 в условиях отсутствия желто-зеленого измерительного света с экспозицией 10 мс;

- пауза 200 мс;

- включение на 18 мс светодиодных осветителей 3;

- получение кадра с максимумом на 570 нм камерой 6 с 3 мс по 13 мс освещения;

- пауза 200 мс;

- включение на 18 мс светодиодных осветителей 3;

- получение кадра с максимумом на 531 нм камерой 7 с 3 мс по 13 мс освещения;

- пауза 200 мс.

Модуль MIGHTEX3 устанавливает соединение с платой управления 11 и с бескорпусными монохромными пиксельными камерами 6, 7 и осуществляет общее управление системой. Настройки модуля позволяют задавать время экспозиции бескорпусных монохромных пиксельных камер 6, 7, определять основные параметры измерения (задавать число циклов измерения и временной промежуток между ними), осуществлять калибровочную коррекцию при построении пространственного распределения PRI, управлять режимом работы архива с полученными изображениями. В ходе каждого цикла измерения модуль MIGHTEX3 получает 4 изображения: исходное изображение объекта на длине волны 570 нм с выключенными желто-зелеными светодиодами 4, исходное изображение объекта на длине волны 570 нм с включенными желто-зелеными светодиодами 4, исходное изображение объекта на длине волны 531 нм с выключенными желто-зелеными светодиодами 4 и исходное изображение объекта на длине волны 570 нм с включенными желто-зелеными светодиодами 4, а также команду на завершение цикла измерения. На основании полученных изображений модуль MIGHTEX3 рассчитывает пространственное распределение PRI у объекта. При этом сначала рассчитываются разности «светового» и «фонового» кадров для каждой из камер 6, 7, что позволяет устранить искажающее влияние фонового освещения. Затем для каждой пиксели рассчитывается PRI и строится его пространственное распределение.

Контроль работы и настройку устройства осуществляют на персональном компьютере 16. Передача информации между персональным компьютером 16 и USB-концентратором 12 через USB-разъем 13, а также между USB-концентратором 12 и бескорпусными монохромными пиксельными камерами 6, 7 осуществляется по протоколу USB 2.0.

Внешняя синхронизация начала получения кадра бескорпусными монохромными пиксельными камерами 6, 7 позволяет точно синхронизовать получаемые кадры с моментом включения светодиодного осветителя 3 с задержкой 3 мс, необходимой для стабилизации мощности свечения светодиодов.

Разделение отраженного света делительной пластиной 10 на два световых потока и независимое измерение каждого из потоков отдельной бескорпусной монохромной пиксельной камерой 6 или 7, снабженной соответственно интерференционным фильтром 8 или 9, позволяет значительно снизить временную задержку между получением изображений на каждой из двух длин волн (531 нм и 570 нм) по сравнению с использованием механической смены фильтров.

Использование коротких импульсов (18 мс) желто-зеленого измерительного света позволяет рассчитать отраженный свет для каждой длины волны как разность «светового» кадра (полученного при вспышке желто-зеленого света) и «фонового» кадра. При этом благодаря короткой длительности импульсов они не оказывают влияния на фотосинтетические процессы в растении. Подобный подход позволяет избежать искажающего влияния фонового освещения; при его использовании отсутствует необходимость одновременного применения калибровочного стандарта. Дополнительным преимуществом использования коротких импульсов желто-зеленого света является возможность измерения пространственного распределения PRI в условиях темноты (при отсутствии влияющего на фотосинтетические процессы освещения).

Простая возможность программирования Модуль ARDUINO-PRI, для обеспечения других режимов освещения желто-зеленым светом, в частности, может быть задана другая длительность освещения желто-зеленым светом перед измерением PRI, позволяет осуществить предварительную контролируемую активацию фотосинтетических процессов. Это может быть использовано для более детализированного анализа состояния растений в ходе PRI имиджинга. Подобная возможность отсутствует в ближайшем аналоге.

Ниже представлены примеры конкретного осуществления предлагаемого изобретения.

Пример 1.

Была исследована возможность использования предлагаемого изобретения для получения пространственного распределения PRI по растению.

Для этого были использованы четырехнедельные растения гороха, выращенные в вегетационных сосудах в почве при естественном освещении. Система была размещена таким образом, чтобы смотровое окно было направлено на побеги и листья растений. Расстояние от растений до смотрового окна 2 варьировало для разных растений и составляло в среднем 60 см. Далее у растений был проведен один измерительный цикл прибора, включающий получение исходного изображения растений на длине волны 570 нм с выключенными светодиодами, исходного изображения растений на длине волны 570 нм с включенными светодиодами, исходного изображения растений длине волны 531 нм с выключенными светодиодами и исходного изображения растений на длине волны 570 нм с включенными светодиодами. На основании исходных изображений было рассчитано пространственной распределение фотохимического индекса отражения (ФИГ.4). Общее время получения пространственного распределения PRI составило менее 1 с. Временной интервал между первой экспозицией и последней экспозицией каждой из двух камер в измерительном цикле составил около 600 мс и не менялся при различных измерительных циклах. Этот временной интервал имеет ключевое значение, так как определяет минимальное характерное время изменений PRI, которые могут быть корректно измерены системой. Предлагаемое изобретение позволило значительно сократить время получения пространственного распределения PRI по сравнению с ближайшим аналогом, в котором оно составляло от нескольких секунд, и устранить варьирование времени получения изображения, которое было обусловлено ручным переключением узкополосных светофильтров в ближайшем аналоге.

Пример 2.

Была исследована возможность использования предлагаемого изобретения для анализа быстрых изменений PRI у растений при включении актиничного светя (света, вызывающего активацию фотосинтеза) и его выключении.

Для этого были использованы двухнедельные растения гороха, выращенные на гидропонике. Листья трех растений были предварительно зафиксированы на черной подложке и адаптированы в течение часа. Система была размещена таким образом, чтобы смотровое окно было направлено на листья растений. Расстояние от растений до смотрового окна составляло около 60 см. Далее у растений была проведена серия измерительных циклов прибора, следующих каждые 5 с. Общая длительность анализа составила 10 мин. Каждый измерительный цикл прибора включал в себя получение исходного изображения растений на длине волны 570 нм с выключенными светодиодами, исходного изображения растений на длине волны 570 нм с включенными светодиодами, исходного изображения растений длине волны 531 нм с выключенными светодиодами и исходного изображения растений на длине волны 570 нм с включенными светодиодами. На основании исходных изображений для каждого измерительного цикла рассчитывалось пространственное распределение PRI. Измерение начиналось без актиничного света, через 2,5 минуты включали актиничный оранжевый свет? с интенсивностью 280 мкмоль м^-2 с^-1, через 5 минут после включения - актиничный свет выключали. В качестве источника актиничного света использовали стандартную систему РАМ-имиджинга Open FC 800-O/1010 (Photon System Instruments, Чехия). Было показано (ФИГ.5), что включение актиничного света вызывало быстрое снижение PRI, с характерным временем такого снижения - около 5 с. Выключение актиничного света вызывало возрастание PRI. При этом включение и выключение актиничного света не приводило к возникновению системной ошибки. Пример показывает, что предлагаемое изобретение позволило измерить быстрые изменения PRI на включение/выключение актиничного света и избежать ошибки, связанной с таким включением, что не могло быть реализовано в ближайшем аналоге.

Пример 3.

Была исследована возможность использования предлагаемого изобретения для получения величин PRI при различных интенсивностях актиничного светя (света, вызывающего активацию фотосинтеза).

Для этого были использованы двухнедельные растения гороха, выращенные на гидропонике. Листья четырех растений были предварительно зафиксированы на черной подложке и адаптированы в течение часа. Система была размещена таким образом, чтобы смотровое окно было направлено на листья растений. Расстояние от растений до смотрового окна составляло около 60 см. Далее у растений была проведена серия измерительных циклов прибора, следующих каждые 5 с. Общая длительность анализа составила 10 мин. Каждый измерительный цикл прибора включал в себя получение исходного изображения растений на длине волны 570 нм с выключенными светодиодами, исходного изображения растений на длине волны 570 нм с включенными светодиодами, исходного изображения растений длине волны 531 нм с выключенными светодиодами и исходного изображения растений на длине волны 570 нм с включенными светодиодами. На основании исходных изображений для каждого измерительного цикла рассчитывалось пространственное распределение PRI. Были использовано последовательно применено пять вариантов освещения, длительность каждого составляла 5 мин: без актиничного света, актиничный свет интенсивностью 70 мкмоль м^-2 с^-1, актиничный свет интенсивностью 140 мкмоль м^-2 с^-1, актиничный свет интенсивностью 210 мкмоль м^-2 с^-1, актиничный свет интенсивностью 280 мкмоль м^-2 с^-1. В качестве источника актичного света использовали стандартную систему РАМ-имиджинга Open FC 800-O/1010 (Photon System Instruments, Чехия). PRI определяли в конце каждого варианта освещения в листьях каждого из исследуемых растений. Эксперименты повторяли 4 раза. Полученные результаты (по 16 различным растениям) усредняли и рассчитывали стандартные отклонения среднего. Было показано (ФИГ.6), что увеличение интенсивности актиничного света приводило к снижению PRI. При этом отсутствовала системная ошибка, связанная с различными интенсивностями актиничного света. Возрастание интенсивности актиничного света также не приводило к увеличению стандартного отклонения среднего. Пример показывает, что предлагаемое изобретение позволило избежать ошибки, связанной с применением дополнительного актиничного света с различной интенсивностью, что не могло быть реализовано в ближайшем аналоге.

Примеры показывают достижение заявленного технического результата от использования предлагаемого изобретения.

Изобретение относится к области исследования свойств растительных объектов и касается системы для измерения фотохимического индекса отражения PRI у растений. Система содержит корпус со смотровым окном, светодиодные осветители, закрепленные на корпусе с возможностью поворота. Каждый светодиодный осветитель выполнен в виде пластины, на которой установлена группа последовательно соединенных желто-зеленых светодиодов. Внутри корпуса установлены две бескорпусные монохромные пиксельные камеры, полосовой интерференционный фильтр с полосой пропускания при 567,5-582,5 нм, полосовой интерференционный фильтр с полосой пропускания при 524,5-535,5 нм, делительная пластина, плата управления, USB-концентратор с USB-разъемом, источник тока светодиодов. Дополнительно система содержит блок питания и персональный компьютер. Технический результат заключается в сокращении времени измерения, повышении чувствительности и точности измерений. 14 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система для измерения фотохимического индекса отражения PRI у растений содержит корпус со смотровым окном, светодиодные осветители, закрепленные на корпусе с возможностью поворота, причем каждый светодиодный осветитель выполнен в виде пластины, на которой установлена группа последовательно соединенных желто-зеленых светодиодов, внутри корпуса установлены две бескорпусные монохромные пиксельные камеры, полосовой интерференционный фильтр с полосой пропускания при 567,5-582,5 нм, полосовой интерференционный фильтр с полосой пропускания при 524,5-535,5 нм, делительная пластина, плата управления, USB-концентратор с USB-разъемом, источник тока светодиодов, дополнительно система содержит блок питания и персональный компьютер, при этом одна из бескорпусных монохромных пиксельных камер установлена напротив смотрового окна, а вторая под углом 90° по отношению к первой, на объектив бескорпусной монохромной пиксельной камеры, установленной напротив смотрового окна, установлен полосовой интерференционный фильтр с полосой пропускания при 567,5-582,5 нм, а на объектив бескорпусной монохромной пиксельной камеры, установленной под углом 90° по отношению к первой бескорпусной монохромной пиксельной камере, установлен полосовой интерференционный фильтр с полосой пропускания при 524,5-535,5 нм, делительная пластина установлена между объективами бескорпусных монохромных пиксельных камер под углом 45° к смотровому окну, плата управления соединена с USB-концентратором, бескорпусные монохромные пиксельные камеры соединены с платой управления через USB-концентратор, светодиодные осветители параллельно соединены с источником тока светодиодов, плата управления и источник тока светодиодов соединены с блоком питания, персональный компьютер соединен через USB-разъем и через USB-концентратор с бескорпусными монохромными пиксельными камерами и с платой управления.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что корпус выполнен размером 20х18х8 см³ из композитного материала на основе пластика и металла.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что смотровое окно изготовлено из просветленного в широком диапазоне 425-700 нм стекла #43-973 марки Edmund Optics.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве светодиодов используются желто-зеленые светодиоды LXML-PX02-0000 марки Lumileds со спектром типа Lime, имеющих спектральный диапазон по полуширине интенсивности излучения 507-614 нм.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что на каждом светодиодном осветителе каждая группа светодиодов содержит пять желто-зеленых светодиодов.

6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что корпус установлен и закреплен на штативе.

7. Система по п. 6, отличающаяся тем, что в качестве штатива используется стандартный штатив для фотокамер.

8. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве бескорпусных монохромных пиксельных камер используются бескорпусные монохромные 1280x960 пиксельные камеры CGN-B013-U марки Mightex с ПЗС матрицей 1/3" Sony ICX445AL, с разрядностью АЦП камеры - 12 бит и внешней синхронизацией.

9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве полосовых интерференционных фильтров используются полосовые интерференционные фильтры FF01-530/11 (8) и FF01-575/15 марки Semrock с шириной полос 11 и 15 нм.

10. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве делительной пластины используется делительная пластина FF552-Di02 марки Semrock.

11. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве платы управления используется плата управления ARDUINO UNO с программируемым контроллером и с 32-мя цифровыми выводами.

12. Система по п. 1, отличающаяся тем, что USB-разъем выведен в технологическое отверстие, выполненное в корпусе.

13. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве персонального компьютера используется, например, ноутбук Lenovo IdeaPad 330-15IKBR blue 15.6": FHD i5-8250U/8Gb/1Tb+256Gb, SSD/Mx150, 2Gb/W10.

14. Система по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно внутри корпуса может быть установлен вентилятор, соединенный с блоком питания, и конвертер, соединенный с USB-концентратором.

15. Система по п. 14, отличающаяся тем, что в качестве конвертера используется DC/DC конвертер для преобразования входного питания 18 В на 5 В для питания USB устройств через USB-концентратор.