CN111721231A - 一种基于光频梳的植物生态监测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光频梳的植物生态监测***，包括光频梳光源模块、光学监测模块、探测器模块、数据采集与处理模块以及时钟同步模块，光频梳光源模块输出具有重频差的监测光和参考光，监测光经光学监测模块调节功率、波长以及光束后作用于监测对象，探测器模块接收经由监测对象反射的监测光，探测器模块对回返的监测光和参考光进行拍频，数据采集与处理模块采集探测器模块发出的拍频信号后进行分析并实时还原监测对象的吸收光谱以及形貌特征。本发明的优点是：该植物生态监测***测量速度极快、精度高，可以精确实时反映植物的生长形态与生理状态，为农业生产、植物学研究等相关领域的相关即时决策提供足够的、及时的、准确的信息模型。

Description

一种基于光频梳的植物生态监测***

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种基于光频梳的植物生态监测***。

背景技术

伴随植物的生长，其整体的形貌状态（枝、叶、茎、杆、花朵、果实）会发生缓慢的变化，同时，受到生长环境的影响，如温度、气候、土壤养分的变化，植物生长过程中产生的气体成分会发生微弱的改变。对植物生长过程进行高精度形貌测量，并对其在环境交互中产生的气体成分进行高精度分析，是精准监测植物动态生长过程、生理变化、体征状态的必要手段。现阶段，对形貌监测的手段主要依赖于激光雷达的点阵扫描或面阵CCD成像技术，对气体成分的分析则主要依赖于传统光谱分析仪器。

传统测量植物生态的技术手段，不能实现同时测量植物形貌与分析光谱成分，分别测量则会带来***复杂、测量不同步、测量时间长等一系列问题。此外，激光雷达的点阵扫描类测量受限于扫描机械臂的扫描时间，需要一定的测量时间，无法实现实时还原分析。面阵CCD成像技术的缺点是传感器阵列复杂、精度受限。传统光谱分析仪器，通常使用光谱分离的手段进行分别测量还原，缺点是测量效率低、测量精度受限。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于光频梳的植物生态监测***，该基于光频梳的植物生态监测***利用具有确定重频差的飞秒光频梳作为监测光源，当监测光采集到监测对象的光学信号后，与参考光进行拍频下，将光频信息转换为到射频信息进行探测，并进行高速采集与计算还原，从射频信息中反演光频的吸收谱可以得到监测目标的光谱信息，反演光频的相位信息可以反演监测目标的空间相对位置并实现三维成像。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于光频梳的植物生态监测***，其特征在于所述植物生态监测***包括光频梳光源模块、光学监测模块、探测器模块、数据采集与处理模块以及时钟同步模块，所述光谱梳光源模块上的两个输出端分别连接所述光学监测模块和所述探测器模块的输入端，所述光学监测模块的输出端连接所述探测器模块的输入端，所述探测器模块的输出端连接所述数据采集与处理模块的输入端，所述时钟同步模块的两个输出端分别连接所述光频梳光源模块的输入端和所述数据采集与处理模块的输入端；

所述光频梳光源模块输出具有重频差的监测光和参考光，所述监测光经所述光学监测模块调节功率、波长以及光束后作用于监测对象，所述探测器模块接收经由所述监测对象反射的所述监测光，所述探测器模块对回返的所述监测光和所述参考光进行拍频，所述数据采集与处理模块采集所述探测器模块发出的拍频信号后进行分析并实时还原所述监测对象的吸收光谱以及形貌特征。

所述光频梳光源模块包括两台具有重频差的飞秒光频梳以及实现所述重频差的锁定模块，所述重频差的锁定方式为光频参考锁定、载波包络零频锁定、重频锁定中的一种或多种的组合。

所述重频差的锁定方式的反馈激励为压电陶瓷、电流、温度、电光调制晶体、可饱和吸收体、碳纳米管、石墨烯调制器中的一种或多种的组合。

两台所述光频梳的波长范围在极紫外、紫外、可见光、近红外、中红外、远红外的波长范围内。

所述光学监测模块由虚拟成像相位阵列、光栅、望远镜***组成，所述虚拟成像相位阵列和所述光栅对光源信号进行面阵排列，所述望远镜***调整入射到所述监测对象上的光斑大小。

所述光学监测模块包括依次设置的二分之一波片、第一偏振分束器、四分之一波片、虚拟成像相位阵列、光栅、第一共焦透镜、第二共焦透镜。

所述探测器模块包括依次设置的二分之一波片、第二偏振分束器、二分之一波片、第三偏振分束器、探测器。

所述探测器为光电二极管探测器、单光子探测器、光学平衡探测器中的一种或多种组合。

所述时钟同步模块为原子钟、光钟、信号发生器中的一种。

本发明的优点是：（1）该植物生态监测***基于光频梳拍频探测的原理，通过两台具有确定重频差的飞秒激光器，将经过监测对象反射的监测光与参考光拍频下转换到射频波段，使用光电类探测器直接探测下转换信号，可以精确反演光频信息,其刷新时间由重频差决定，刷新时间达到亚ms量级，测量速度极快，可实现即时测量。（2）该植物生态监测***通过探测到的射频信息，反演还原光频的相位，从而解析监测对象的三维结构，解析深度的精度可以达到nm量级，实现高精度测量。（3）该植物生态监测***采用全光纤结构的光频梳***，可以实现探测***的集成化、简易化、小型化，安装简单，操作简便。（4）该植物生态监测***通过探测拍频信号的时域信号，反演监测对象的光频信号，在解析吸收光谱信息的同时，通过相位法解析监测对象的三维形貌，只需一个探测器即可实现三维形貌与光谱信号的同时测量，快速的高精度测量还原可以精确实时反映植物的生长形态与生理状态，满足精准即时信息获取，为农业生产、植物学研究等相关领域的相关即时决策提供足够的、及时的、准确的信息模型。

附图说明

图1为本发明中基于光频梳的植物生态监测***的模块示意图；

图2为本发明的基于光频梳的植物生态监测***的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-2所示，图中各标记分别为：光频梳光源模块1、光学监测模块2、探测器模块3、数据采集与处理模块4、时钟同步模块5、监测对象6、第一光频梳11、第二光频梳12、锁定模块13、二分之一波片A 21、第一偏振分束器22、四分之一波片23、虚拟成像相位阵列24、光栅25、第一共焦透镜26、第二共焦透镜27、二分之一波片B 31、第二偏振分束器32、二分之一波片C 33、第三偏振分束器34、光学平衡探测器35、数据采集卡41、计算***42。

实施例：如图1、2所示，本实施例具体涉及一种基于光频梳的植物生态监测***，该植物生态监测***包括光频梳光源模块1、光学监测模块2、探测器模块3、数据采集与处理模块4以及时钟同步模块5，光频梳光源模块1的两个输出端分别同光学监测模块2的输入端以及探测器模块3的输入端相连，光学监测模块2的输出端同探测器模块3的输入端相连，探测器模块3的输出端则同数据采集与处理模块4相连，而时钟同步模块5的两个输出端分别同光频梳光源模块1的输入端以及数据采集与处理模块4的输入端相连。

如图1、2所示，光频梳光源模块1，输出用于监测的监测光以及用于拍频探测的参考光，包括两台重频差为1kHz的光频梳以及锁定模块13，两台光频梳产生的激光脉冲中心波长均为1560nm，两台光频梳分别记为第一光频梳11和第二光频梳12，锁定模块13由两台窄线宽激光器组成，重频差的锁定方式包括但不限于光频参考锁定（即与窄线宽连续激光器拍频锁定）、载波包络零频锁定（即锁定光频梳的载波包络零频）、重频锁定（即锁定光频梳的重复频率），本实施例中的锁定模块13采用光频参考锁定，即窄线宽连续激光器拍频锁定。需要说明的是，光频梳锁定方式的反馈激励包括但不限于：压电陶瓷、电流、温度、电光调制晶体、可饱和吸收体、碳纳米管、石墨烯调制器；第一光频梳11和第二光频梳12的波长包括但不限于：极紫外、紫外、可见光、近红外、中红外、远红外。

如图1、2所示，光学监测模块2，用于对光频梳光源模块1的监测光进行功率、波长以及光束等特性的调节，并将其作用于监测对象6，由虚拟成像相位阵列24、光栅25、望远镜***组成，具体包括依次设置的二分之一波片A 21、第一偏振分束器22、四分之一波片23、虚拟成像相位阵列24、光栅25、第一共焦透镜26、第二共焦透镜27，其中，虚拟成像相位阵列24和光栅25将光源信号按光频大小进行面阵排列，望远镜***调整入射到监测对象6上的光斑大小。

如图1、2所示，探测器模块3，其直接接收经由监测对象6反射的监测光，并连接光频梳光源模块1的参考光，实现回返监测光与参考光的拍频探测；探测器模块3包括依次设置的二分之一波片B 31、第二偏振分束器32、二分之一波片C 33、第三偏振分束器34、光学平衡探测器35，其中，光学平衡探测器35还可以采用光电二极管探测器、单光子探测器。

如图1、2所示，数据采集与处理模块4，负责高速采集与处理探测到的拍频信号，实时还原监测对象6的三维形貌信息和光谱信息，包括数据采集卡41和计算***42。

如图1、2所示，时钟同步模块5，其与光频梳光源模块1和数据采集与处理模块4连接，同步触发时域相关模块以减小监测误差，实现高精度的形貌成像和光谱分析，时钟同步模块5为原子钟、光钟、信号发生器中的一种。

如图2所示，本实施例中基于光频梳的植物生态监测***的工作方法为：

（1）第一光频梳11和第二光频梳12同时产生激光脉冲，锁定模块13中的两台波长分别为1540nm和1580nm的窄线宽激光器分别锁定第一光频梳11的梳齿和第二光频梳12的梳齿，实现1kHz的精确重频差；

（2）第一光频梳1输入监测光到光学监测模块2中，监测光在依次经过二分之一波片A21、第一偏振分束器22、四分之一波片23调整偏振态后，由虚拟成像相位阵列24和光栅25将不同光频成分按空间位置展开，再经过由第一共焦透镜26和第二共焦透镜27组成的望远镜***，将光束扩大以覆盖监测对象6，监测对象6发射的光通过第二偏振分束器32反射由原路返回，在四分之一波片23的作用下实现偏振态变换，进入探测器模块3；

（3）同时，第二光频梳12输出参考光，参考光经过二分之一波片B31并透过第二偏振分束器32与监测光合束，合束后的光再经过二分之一波片C33调整偏振态，使监测光和探测光能同时被第三偏振分束器34等分，等分的两路光输入光学平衡探测器35中，进行光电探测；

（4）探测器模块3输出的电学信号被数据采集与处理模块4接收，由数据采集卡41采集数据，计算***42处理数据并还原监测对象的形貌信息和光谱信息，整个植物生态监测***由同步时钟模块5内的铷原子钟的信号同步。

本实施例中，光频梳光源模块1的两台光频梳受到两台窄线宽激光器的同时锁定，梳齿位置相对固定，重频差保持在1kHz，光学平衡探测器35探测到周期为1ms的拍频时域信号，数据采集卡41采样率为100MHz，将1ms内的时域信号进行傅里叶变换，可以得到光谱信息，从而判断植物当下环境中的气体组分，同样，通过解析不同光频成分的相位信息，可以计算出植物空间上各点的相对位置，从而还原植物的三维形貌状态，实现光谱与形貌的同时测量。

Claims (9)

1.一种基于光频梳的植物生态监测***，其特征在于所述植物生态监测***包括光频梳光源模块、光学监测模块、探测器模块、数据采集与处理模块以及时钟同步模块，所述光谱梳光源模块上的两个输出端分别连接所述光学监测模块和所述探测器模块的输入端，所述光学监测模块的输出端连接所述探测器模块的输入端，所述探测器模块的输出端连接所述数据采集与处理模块的输入端，所述时钟同步模块的两个输出端分别连接所述光频梳光源模块的输入端和所述数据采集与处理模块的输入端；

所述光频梳光源模块输出具有重频差的监测光和参考光，所述监测光经所述光学监测模块调节功率、波长以及光束后作用于监测对象，所述探测器模块接收经由所述监测对象反射的所述监测光，所述探测器模块对回返的所述监测光和所述参考光进行拍频，所述数据采集与处理模块采集所述探测器模块发出的拍频信号后进行分析并实时还原所述监测对象的吸收光谱以及形貌特征。

2.根据权利要求1所述的一种基于光频梳的植物生态监测***，其特征在于所述光频梳光源模块包括两台具有重频差的飞秒光频梳以及实现所述重频差的锁定模块，所述重频差的锁定方式为光频参考锁定、载波包络零频锁定、重频锁定中的一种或多种的组合。

3.根据权利要求2所述的一种基于光频梳的植物生态监测***，其特征在于所述重频差的锁定方式的反馈激励为压电陶瓷、电流、温度、电光调制晶体、可饱和吸收体、碳纳米管、石墨烯调制器中的一种或多种的组合。

4.根据权利要求2所述的一种基于光频梳的植物生态监测***，其特征在于两台所述光频梳的波长范围在极紫外、紫外、可见光、近红外、中红外、远红外的波长范围内。

5.根据权利要求1所述的一种基于光频梳的植物生态监测***，其特征在于所述光学监测模块由虚拟成像相位阵列、光栅、望远镜***组成，所述虚拟成像相位阵列和所述光栅对光源信号进行面阵排列，所述望远镜***调整入射到所述监测对象上的光斑大小。

6.根据权利要求1所述的一种基于光频梳的植物生态监测***，其特征在于所述光学监测模块包括依次设置的二分之一波片、第一偏振分束器、四分之一波片、虚拟成像相位阵列、光栅、第一共焦透镜、第二共焦透镜。

7.根据权利要求1所述的一种基于光频梳的植物生态监测***，其特征在于所述探测器模块包括依次设置的二分之一波片、第二偏振分束器、二分之一波片、第三偏振分束器、探测器。

8.根据权利要求7所述的一种基于光频梳的植物生态监测***，其特征在于所述探测器为光电二极管探测器、单光子探测器、光学平衡探测器中的一种或多种组合。

9.根据权利要求1所述的一种基于光频梳的植物生态监测***，其特征在于所述时钟同步模块为原子钟、光钟、信号发生器中的一种。

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