1 江南大学物联网工程学院轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏 无锡 214122
2 绿视芯科技（无锡）有限公司，江苏 无锡 214000
叶绿素荧光检测技术作为一种无损检测技术应用十分广泛。传统叶绿素荧光检测技术激发信号时使用的阶跃或调制脉冲（PAM）频带窄，而光合系统是一个高阶的宽带系统，难以激发出光合系统所有的动态特性，使叶绿素荧光信号含有的信息丰富度受限。目前市面上的叶绿素荧光仪均不具备宽带激励功能，限制了新兴的人工智能算法能够处理复杂信号、挖掘丰富信息的能力。针对该问题，基于伪随机二进制序列（PRBS）信号，设计开发了一套具有宽带激励功能的叶绿素荧光仪。该仪器同时能测量传统的叶绿素荧光诱导动力学曲线（OJIP）与PAM曲线，对5种不同植物在3种激发光下的叶绿素荧光的信息熵进行对比，结果表明，PRBS激发的叶绿素荧光具有最高的信息熵。该仪器能够提供信息更丰富的叶绿素荧光信号，有望为植物生理及环境胁迫检测提供新型的科学仪器。
叶绿素荧光 宽带激励 叶绿素荧光仪 信息熵 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0815002
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 合肥师范学院化学与制药工程学院，安徽 合肥 230601
植被日光诱导叶绿素荧光是一种可以表征植被光合生产力的重要衡量指标。为了实现对植被日光诱导叶绿素荧光的广域精准探测，设计并研制了一种叶绿素荧光高光谱成像探测仪。该成像探测仪使用了基于棱镜-体相位全息透射光栅的全透射式光学系统，在高数值孔径（0.25）的基础上实现了高光学性能：可在20°视场和670~780 nm（可扩展至650~800 nm）工作波段实现1 mrad的空间角分辨率、0.3 nm的光谱分辨率和优于100的信噪比。由系统设计结果、样机测试结果和应用数据分析结果可知，样机完全满足设计要求。本仪器可为农林监测和碳循环观测提供重要的科学数据，并可作为陆地植被光合作用中有效的新型观测手段。
植被观测 日光诱导叶绿素荧光 高光谱成像 体相位全息透射光栅 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211016
1 陕西理工大学 机械工程学院, 陕西 汉中 723000
2 陕西省工业自动化重点实验室, 陕西 汉中 723000
为了探究干旱胁迫对茶树幼苗叶绿素荧光参数的影响, 选取龙井茶树幼苗进行干旱胁迫实验。利用叶绿素荧光成像技术提出斜率荧光指数SFI评估茶树幼苗干旱胁迫状况, 计算1~8天内同一时刻灰度均值的极差R, 以R的相对误差δ＜5%确定极差稳定的时间范围, 建立该区间内曲线上各点斜率变化与胁迫天数的相关模型。分析比较了斜率荧光指数SFI、动态荧光指数DFI、光合功能指数PFI、荧光衰减比率Rfd与胁迫天数之间的相关性。结果表明: Rfd和PFI与胁迫天数之间没有明显的相关性, SFI和DFI与胁迫天数之间有相关性。感兴趣区域ROI为50×50pixel时, SFI与干旱胁迫的天数之间的相关性(决定系数R2=0.94)明显高于DFI与胁迫天数之间的相关性(R2=0.60)。利用SFI评估茶树幼苗受干旱胁迫状况具有更高的准确率, 为现代农业中监测植物生长状况提供了参考。
叶绿素荧光成像 斜率荧光指数 荧光衰减比率 光合功能指数 动态荧光指数 chlorophyll fluorescence imaging technology slope fluorescence index fluorescence attenuation ratio dynamic fluorescence index photosynthetic function index
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031
2 安徽大学物质科学与信息技术研究院信息材料与智能感知安徽省实验室, 安徽 合肥 230039
3 合肥学院生物食品与环境学院, 安徽 合肥 230601
浮游藻类作为单细胞生物，其光合活性外界胁迫作用响应灵敏，是水质综合毒性检测的良好受试生物，因此认识受试藻种光合活性状态对温度和光照等主要环境因子的响应规律，掌握有效控制受试藻种光合活性状态和浓度的培养条件，对水质综合毒性检测至关重要。以模式受试生物蛋白核小球藻为研究对象，研究了不同温度梯度和光照强度下蛋白核小球藻光合活性变化规律。研究结果显示：蛋白核小球藻在不同梯度光照下，藻种光合活性和藻种浓度的变化非常明显。低光照下 (75 μE、125 μE) 藻种平均光合活性在0.60左右但藻种浓度基本不增加；中光照下 (175、225、300、375 μE) 藻种平均光合活性在0.57左右且此时藻种浓度有明显增加，其中，实验最佳光照为375 μE；高光照下 (475 μE和600 μE) 藻种平均光合活性低于0.56 (初始活性)，会对藻种的生长状态产生胁迫。不同梯度温度下藻种光合活性和藻种浓度也有明显变化，中低温下 (5、15、25 ℃) 藻种平均光合活性在0.59左右且藻种浓度随着温度的升高而增加，最佳温度为25℃；高温下 (30、35、40 ℃) 藻种光合活性迅速下降直至失活。研究结果表明可以通过控制光照和温度来控制浮游藻类的光合活性和生长速度，为在线水质综合毒性测量仪提供标准的受试藻样培养方式，从而给便携式水质综合毒性测量仪的研发奠定基础。
浮游藻类 光合活性 叶绿素荧光 环境因子 planktonic algae photosynthetic activity chlorophyll fluorescence environmental factors 大气与环境光学学报
2023, 18(2): 133
葡萄霜霉病对葡萄生产构成严重威胁, 尽早防治是治理霜霉病的关键。 为了对该病进行早期检测, 以PCR检测获取的霜霉病相对生物量作为霜霉病侵染的依据, 从暗适应-光适应-暗弛豫3个光合生理状态连续变化过程中, 采集80个人工接种霜霉菌叶片和80个健康对照叶片连续6 d的叶绿素荧光图像。 对比健康和接种叶片叶绿素荧光动力学曲线、 参数图像和参数值的差异, 使用单因素方差分析评估叶绿素荧光参数对霜霉病侵染的敏感性, 筛选叶绿素荧光参数最优特征子集, 使用机器学习分类器构建霜霉病早期检测模型。 结果表明, 随着接种后天数(day post inoculation, DPI)的增加, 霜霉病侵染程度不断加深, 健康和接种叶片叶绿素荧光动力学曲线、 参数图像和参数值从2DPI开始有显著差异(p<0.05), 霜霉病侵染导致叶片光化学猝灭速率减小(Rfd变小), 光合效率降低(Fv/Fm变小), 叶片活力和光保护能力衰退(NPQ和qN变小), 叶片吸收的光能更多以荧光的形式释放出来(Ft和Fm变大)。 基于序列前向浮动算法优选的叶绿素荧光参数特征子集(qN-L3, Rfd-L2, NPQ-L1和Fv/Fm-D1)和BP神经网络分类器的SFFS-BP模型对3DPI健康和接种叶片识别准确率为83.75%, 全实验周期连续6 d平均准确率达到85.94%。 可为葡萄霜霉病光合表型分析和早期检测提供一种快速、 准确的手段。
叶绿素荧光成像 葡萄霜霉病 病害检测 特征选择 Chlorophyll fluorescence imaging Plasmopara Viticola infection Disease detection Feature selection 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1028
1 西安科技大学测绘科学与技术学院, 陕西 西安 710054
2 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100094
3 上海海事大学文理学院, 上海 201306
日光诱导叶绿素荧光(SIF)能够敏感反映作物病害胁迫信息, 然而冠层几何结构等因素严重影响了SIF对植被光合功能变化及其受胁迫状况的捕捉能力。 为此, 将能够敏感反映作物群体生物量的归一化差值植被指数(NDVI)和MERIS陆地叶绿素指数(MTCI)与SIFP相融合(SIFP-NDVI, SIFP-MTCI, SIFP-NDVI*MTCI), 对比分析融合前后SIF对小麦条锈病的遥感监测精度。 结果表明: (1)融合反射率光谱指数的SIFP-NDVI, SIFP-MTCI和SIFP-NDVI*MTCI较融合前的SIFP与病情指数(DI)相关性均有不同程度的提高, 其中O2-B波段提高最为明显, 分别提高了23.48%, 33.61%和36.49%, O2-A波段提高量最小, 分别提高了2.39%, 2.14%和1.51%; (2)以SIFP-NDVI和SIFP-MTCI为自变量, 基于随机森林回归(RFR)算法构建的小麦条锈病遥感监测模型预测DI值和实测DI值间的R2较SIFP分别平均提高了1.15%和4.02%, RMSE分别平均降低了2.7%和14.41%; (3)综合利用NDVI和MTCI处理后的SIFP-NDVI*MTCI为自变量构建的小麦条锈病遥感监测模型精度最优, 其预测DI值和实测DI值间的R2较SIFP平均提高了5.74%, RMSE平均降低了22.52%。 研究结果对提高小麦条锈病遥感监测精度具有重要意义, 同时亦对其他作物的病害监测具有一定的参考价值。
小麦条锈病 日光诱导叶绿素荧光 融合 反射率光谱指数 随机森林回归 Wheat stripe rust Solar-induced chlorophyll fluorescence Integration Reflectance spectral index Random forest regression 红外与激光工程
2021, 50(10): 20210311
1 陕西理工大学 机械工程学院, 陕西 汉中 723000
2 陕西省工业自动化重点实验室, 陕西 汉中 723000
为了获得高均匀性的叶绿素荧光主动诱导激发光源, 获得更有对比性的叶绿素荧光参数, 针对不同高度、不同距离下样品区域的辐照度分布,提出以样本范围内辐照度最小值与辐照度平均值之比做激发光均匀性指标。通过对不同个数组成的三种基础LED阵列A0,A1,A2进行空间模拟仿真,结果表明, 辐照度均匀性与LED阵列高度和LED间距呈正相关, 辐照均匀度随LED数目的增加而增加。在0.04m2的研究区域内LED间距0.04m、阵列高度0.5m时,A2阵列辐照度均匀度最大, 约为0.920。利用手持式照度计验证了LED阵列激发光分布均匀性, 实验结果与仿真结果一致。通过CCD相机采集荧光图像, 分析了不同激发阵列排布下叶片荧光分布, 为今后高均匀性激发光下叶片区域发射荧光差异分析提供了思路。
LED激发阵列 模拟分析 主动诱导叶绿素荧光 数字图像处理 LED excitation arrays simulation analysis active induction of chlorophyll fluorescence digital image processing
中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
大气CO2卫星遥感监测的关键在于高精度, 而植物叶绿素荧光存在与大气散射相似的光谱特征, 干扰大气散射相关参数的反演结果, 从而影响CO2的反演精度。 因植物叶绿素荧光强度微弱且影响特征与大气散射高度相关而难以准确校正。 鉴于现有大气CO2卫星遥感精度不足, 以及植物叶绿素荧光对大气CO2反演存在不可忽视的影响程度和复杂性, 设计了O2-A、 1.6和2.06 μm CO2三个光谱带协同的参数化校正方法。 首先通过对大气散射采取基于光子路径长度概率密度函数(PPDF)的参数化建模, 降低叶绿素荧光与大气散射参数的光谱相关性; 其次, 针对叶绿素荧光强度弱, 难以准确反演的问题, 基于轨道碳观测器(OCO-2)的叶绿素荧光产品构建了5km分辨率的全球叶绿素荧光先验信息库, 增强CO2与叶绿素荧光同步反演中对叶绿素荧光的先验约束, 提高叶绿素荧光的反演精度。 通过O2-A、 1.6和2.06 μm CO2三个光谱带的协同同时反演大气散射、 叶绿素荧光和大气CO2, 并结合叶绿素荧光丰富的先验信息, 能够较准确剥离大气散射和叶绿素荧光而提高大气CO2的反演精度。 选择叶绿素荧光强度明显较高的柱总碳观测网络(TCCON)中的Park Falls(45.945°N, 90.273°W)站点开展验证, 对该站点近4年每年8月份的温室气体观测卫星(GOSAT)数据进行反演, 发现植被叶绿素荧光导致GOSAT XCO2反演结果系统偏低2×10-6(ppm)左右, 通过本文的方法进行校正, 反演结果的低估程度有明显改善, 最大低估由2.58 ppm降低到1.49 ppm, 且离散程度也有一定程度的改善, 明显控制了CO2反演中叶绿素荧光的影响, 对于实现1%(~4 ppm)的CO2反演精度来说, 提供了有力支撑。
植物叶绿素荧光 校正 先验信息库 Carbon dioxide Plant chlorophyll fluorescence Correction Prior information database PPDF CO2 PPDF
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 安徽大学物质科学与信息技术研究院 安徽 合肥 230601
叶绿素荧光动力学过程与藻类光合作用过程密切相关,叶绿素荧光动力学法是探测活体藻类细胞的天然工具。与常用的压载水荧光素染色-显微镜检活体藻细胞计数相比,叶绿素荧光动力学法具有测量快速、灵敏度高、无需前处理等特点。海洋船舶压载水中存在大量死亡藻细胞和有色溶解有机物(CDOM),荧光背景复杂,因此,获得不受荧光背景影响且能够准确表征活体藻细胞数的光合荧光参数,是叶绿素荧光动力学法直接测量压载水活体藻细胞数的关键。本文以死细胞和CDOM溶液模拟压载水的复杂荧光背景,以二氯苯基二甲脲(DCMU)胁迫条件模拟实际应用,研究了不同荧光背景下Fm、F0、[RCII]和Fv等多个光合荧光参数与活体藻细胞数之间的关系。结果表明:Fm、F0、[RCII]对活体藻细胞数的表征都不同程度地受死细胞数和CDOM浓度的影响,仅有Fv不受荧光背景的影响,相对标准偏差小于5%;在不同稀释液稀释活体藻细胞溶液实验中,Fv与活体藻细胞数均具有良好的线性相关性,相关系数R2可达0.98以上;在DCMU胁迫作用下,有且仅有Fv与活体藻细胞数呈良好的正相关性,相关系数为0.986。本研究结果证明了光合荧光参数Fv不受荧光背景干扰,是表征压载水中活体藻细胞数的最佳光合荧光参数。
生物光学 压载水 活体藻细胞数 光合荧光参数 Fv 叶绿素荧光动力学
