KR20170127406A - 식물의 생장 상태를 측정하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

식물의 생장 상태를 측정하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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안나-마리아 카르스텐센
토르스텐 뷕
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헬리오스펙트라 악티볼라그 (피유비엘)
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Abstract

이 발명은 엽록소를 포함하는 식물의 생장 상태의 결정 방법에 관련된 것으로서, 상기 방법은 광 강도 변조 성분 (205, 206, 207, 208)을 포함하는 입력광으로 식물 (102)에 광을 조사(照射)하는 단계, 식물로부터 방출된 광을 검출하는 단계, 상기 입력광의 정적 성분인 식물 주변의 편차광 강도 (204)를 결정하는 단계 (S702), 상기 입력광과 검출광 간의 위상 및 이득을 결정하는 단계 (S718), 상기 입력광과 검출광 간의 소정의 관계와 위상 및 이득에 기반하여 식물의 생장 상태를 결정하는 단계 (S720)를 포함한다. 이 발명은 대응하는 시스템 및 컴퓨터 프로그램 제품에도 역시 관련된다.

Description

식물의 생장 상태를 측정하기 위한 방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR GROWTH STATUS DETERMINATION OF A PLANT}
이 발명은 엽록소를 함유하는 식물의 생장 상태를 측정하기 위한 방법과 시스템에 관한 것이다.
예컨대, 온실에서의 인공 조명과 보조 조명은 전형적으로 식물의 생장을 자극하기 위한 조명 시스템의 사용을 포함하는데, 상기 조명 시스템은 다수의 고출력 광원을 포함한다. 금속 할라이드 (MH) 또는 고압 나트륨 (HPS)을 포함하는 고강도 방전 (HID)에 기반한 광원 등의 광 스펙트럼이 상이하며 생장 자극에 상이한 효과를 제공하는 상이한 유형의 광원이 포함될 수 있다. 금속 할라이드에 기반한 광을 사용하면, 일반적으로 더 짧고 무성한 생장을 촉진하는 반면에, 이에 비하여 고압 나트륨에 기반한 광은 일반적으로 더 키가 크고 쭉 뻗은 식물을 생산하기 쉽다. 따라서, 상이한 유형의 광원들은 식물의 상이한 최종 생장 결과에 이르게 하는 수가 있는데, 이는 인공광으로 식물의 생장을 정확하게 제어하는 데에 도전을 반영하는 것이다.
최근에, 발광 다이오드 (LED)의 밝기를 증가시키는 데에 상당한 발전이 이루어졌다. 그 결과, 또한 조정 가능한 광 스펙트럼과 강도 편차가 있는 광을 방출시킬 가능성을 추가로 제공하는 LED는 조명에 사용하기 위해 충분히 밝고 저렴하여 예컨대 온실 환경에서 인공광 역할을 하게 되었다. 상이한 색상의 LED들을 섞어서 그들 각각의 강도를 조정함으로써, 소망하는 광 스펙트럼을 얻을 수 있다. 조정 가능한 조명 시스템은 일반적으로 다수의 원색, 예컨대 삼원색인 적색, 녹색 및 청색을 포함한다. 상기 생성된 광의 광 스펙트럼은 상이한 색상의 LED들로부터 나온 광의 강도의 혼합비뿐만 아니라 사용된 LED의 색상에 의하여 측정된다. 따라서, LED 기반 조명 시스템의 각 LED는 방출광 전체의 광 스펙트럼이 편리하게 조정될 수 있도록 개별적으로 제어될 수 있다. 그 밖에, LED는 파형과 신호가 뚜렷한 광을 생성하는 가능성을 제공하는 고속 및 광대역으로 점등 및 소등할 수 있다. 더욱이, LED를 사용함으로써, 현재의 환경 추세와 잘 부합하는 요건인 에너지 소비량 저감을 가능하게 한다. 또한, LED를 기반 조명 시스템을 사용하면, 온도 제어를 소망하는 환경에 특히 적합한 열을 발생하는 광원의 양이 최저로 된다. LED를 기반으로 하는 조명 시스템의 일례는 프로세서와 통신 가능하게 연결된 광 센서를 포함하는 WO 2008118080에 개시되어 있는데, 상기 프로세서는 상기 조명 시스템에서 방출된 광 스펙트럼을 조정하여 식물의 생장과 속성을 변조하고 개선하기 위한 제어 알고리즘을 시행한다.
문헌 WO2008118080은 온실 환경에서의 인공 조명과 관련하여 유망한 접근 방법을 보여주고 있다. 그러나, 여전히 식물의 생장 과정을 개선할 수 있도록 하기 위하여, 특히 식물의 진단 및 온실 환경에 배치된 식물들의 생장 상태의 측정의 정확도를 개선하는 인공 조명 시스템을 더 최적화하는 것이 여전히 바람직할 것이다. 예를 들면, 식물로부터 방출된 검출된 광의 절대 수준의 중요성, 예컨대 식물 생장 상태를 측정하기 위한 형광 신호를 저감시키는 것이 바람직할 것이다. 예컨대, 이는 식물로부터 센서까지의 거리의 영향 또는 그 측정에 잎 면적이 미치는 영향을 줄일 수 있을 것이다.
공지된 기술의 다른 예로서는 FLIDAR, t-LIDAT 및 JIP 시험법이 있다. 이들 기술은 상기 결점들의 적어도 일부에 의한 곤란을 겪는다. 나아가, 이들 기술은 일반적으로 포장(圃場) 시험에 대한 평가를 오히려 복잡하게 만들고 온실 환경에 적용하는 데에 부적합한 암소(暗所) 순응 상태에서 시작한 식물의 과도 반응 평가에 의존한다. 이러한 기술의 일례는 스트랏서 (STRASSER) 등의 광합성과 호흡의 발전의 '엽록소 분석 형광 과도',2004, Vol. 19, 321-362, ISSN 1572-0233에 개시되어 있다. 그러나 이에 따르면, 생장 상태 평가를 더 개선하는 것, 특히 평가가 수행되는 환경의 영향을 감소시키는 것이 바람직할 것이다.
[발명의 요약]
이 발명의 제1의 관점에 따르면, 전술한 결점은,
광의 강도 변조 성분을 포함하는 입력광으로 식물에 광을 조사(照射)하는 단계와,
식물로부터 방출된 광을 검출하는 단계와,
상기 입력광의 정적(靜的) 성분인 식물 주변의 편차광 [offset light]의 강도를 측정하는 단계와,
상기 입력광과 상기 검출광 간의 위상과 이득을 측정하는 단계와,
상기 입력광과 상기 검출광 간의 소정의 관계 및 상기 위상과 상기 이득에 기반하여 상기 식물의 생장 상태를 측정하는 단계
를 포함하는 엽록소를 포함하는 식물의 생장 상태를 측정하는 방법에 의해 적어도 부분적으로 완화된다.
이 발명은 유도된 형광의 동력학이 식물의 생장 상태 정보를 제공할 수 있다는 인식에 기반한다. 더욱이, 상기 동력학은 입출력 기능성과 관련하여 검토될 수 있다. 또한, 형광성에 관련한 식물에서의 상기 동력학은 매우 비선형적이지만 특정의 환경 도중에 특히 입력광이 편차광의 강도에 관련하여 변조되는 경우에 선형 모델에 의해 설명될 수 있다는 것도 역시 알게 된다.
식물로부터의 형광성의 동력학은 식물의 상이한 부분의 광합성 과정에 화합물을 저장하는 다수의 버퍼 (buffer)를 포함하는 버퍼계라고 설명될 수 있다는 것을 알게 된다. 식물이 조사되면, 버퍼는 채워지기 시작할 것이나, 그와 동시에 광합성에 의하여 에너지가 사용됨에 따라, 버퍼는 고갈되게 된다. 더욱이, 그러한 버퍼는 상호 연결되어 고도의 비선형계를 형성하는 것으로 추측될 수 있다. 입력을 변화시키면, 즉 입력광을 변화시키면, 버퍼계내로 들어오는 입력 에너지에 변화가 있다. 만약, 버퍼가 충만되어 있지 않거나 입력에 변화가 있으면, 버퍼는 이들이 안정되기 전에 과도 반응을 받게 된다. 그러나, 버퍼가 충만되어 있거나 비어 있고 입력에 변화가 있으면, 그 동력학들은 서로 상이하고, 과도 반응은 적어도 부분적으로 억제될 것이다. 편차광의 강도는 기본적으로 그 버퍼내의 에너지 수준을 결정할 것이다. 상기 버퍼계의 동력학 (즉, 시간 상수)은 일반적으로 편차광 강도가 높으면 더 빠르고, 편차광 강도가 낮으면 더 느리다. 그러나 버퍼가 충만되어 있으면, 버퍼의 용량은 감소하거나 없으므로, 버퍼계의 동력학은 변형된 입력광 (에너지)을 받으면, 크게 감소된다. 따라서, 1개 이상의 버퍼가 충만되어 있으면, 상기 버퍼계는 동적 상태를 상실하므로, 그 계의 복잡성이 감소된다. 상기 버퍼계의 유형은 원칙적으로는 필터 순서를 가지는 필터라고 설명될 수 있다.
따라서, 식물에 도달하는 입력광은 편차광 강도의 형태 (좋기로는 영이 아닌)의 정적 성분과 강도가 변조된 형태의 변조 성분을 포함할 수 있다. 영이 아닌 편차광 강도는 적어도 식물의 광합성 활동을 유도하기에 충분한 고도의 강도 수준이다. 따라서, 상기 편차광 강도는 식물이 정규의 광 조건에서 생장할 수 있는 강도이다. 편차광 강도가 식물에서 광합성 활성을 유도하지 않는다면, 이는 강도가 영일 것으로 간주된다. 식물에서 광합성 활동을 유도하지 않는 그러한 편차광 강도는 식물에 따라 상이할 수 있으나, 예컨데 1 μE, 20 μE, 30 μE, 40 μE 또는 50 μE일 수 있다.
정적 성분 및 변조 성분은 양자 모두 동일한 광원으로부터 유래하거나, 또는 상기 정적 성분은 주변광 및 인공광의 조합일 수 있다. 따라서, 상기 측정된 편차광 강도는 식물을 둘러싸는 임의의 광 (인공광으로부터의 임의의 편차광과 조합한 주변광)일 수 있다. 더구나, 식물을 주변의 편차광 강도의 측정은 개별 주파수 범위 (따라서, 광도 대 주파수)에서의 편차광 강도, 또는 전체의 편차광 강도를 측정하는 것을 포함할 수 있다.
편차광 강도와 변조된 강도는 양쪽 모두 분광 분포를 가질 수 있다. 상기 편차광 강도는 스펙트럼에 걸쳐 고르게 분포될 수 있거나, 상기 편차광 강도는 스펙트럼의 상이한 파장에서 상이한 강도를 가질 수 있다. 예를 들면, 제1 파장에서의 편차광 강도는 제2 파장에서의 편차광 강도와 상이한 강도를 가질 수 있다. 더욱이, 입력광의 광강도 변조는 스펙트럼에 대해 유사하게 고르게 분포할 수 있거나, 상이한 파장에서 상이한 진폭을 가질 수 있다. 또한, 변조된 광강도의 스펙트럼은, 예컨대 가시 스펙트럼의 청색 광, 적색 광 또는 다른 하위 범위를 아우를 수 있다. 이 명세서에서 "스펙트럼"은 광강도 대 파장으로 이해하여야 한다.
식물에서 방출된 검출광은 식물로부터 나오는 형광광을 포함하거나, 또는 별법으로서는 식물로부터 나오는 형광광만을 포함한다.
구체적인 일례에 따르면, 상기 편차광 광도를 측정하는 단계는, 편차광 강도를 측정하는 단계와, 발광 장치로부터 방출된 인공광을 제어함으로써 편차광 강도를 제어하는 단계와, 식물의 생장 상태를 측정하고 그 측정된 생장 상태를 소정의 편차광 강도와 연관시키는 단계 중 한 가지 이상의 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 편차광 강도는 식물 주변의 광을 측정하거나 식물 근처의 광을 소망하는 편차광 강도까지 제어함으로써 측정될 수 있다. 또한, 편차광 강도는 먼저 식물의 생장 상태를 측정하고, 측정된 생장 상태를 이 측정된 생장 상태에 상응하는 소정의 편차광 강도와 연관시킴으로써 측정될 수 있다.
광강도 변조 성분은 반복 주파수를 가지는 순환 변조 신호일 수 있다. 바꾸어 말하자면, 강도 변조는 기지의 비율로 반복될 수 있다. 광강도 변조를 반복 주파수로 반복함으로써, 과도 거동보다는 고정 거동 측정값이 측정될 수 있다. 예를 들면, 편차광 강도를 새로운 수준으로 변화시키면, 식물은 새로운 편차광 강도에 적응하는 과정에 있을 수 있으며, 식물이 변조된 광강도를 반복적으로 받게 하여 식물의 반응을 측정함으로써, 그 식물은 결국 정적 상태에 도달할 수 있을 것이므로, 과도 거동보다는 오히려 정적 상태에서의 생장 상태가 측정될 수 있다.
광강도 변조 성분의 분광 분포는 편차광 강도의 분광 분포에 기반하여 선택될 수 있다. 따라서, 소망하는 조절광의 분광 분포를 얻으려면, 편차광 성분의 분광 분포가 고려되고 이에 의하여 보상받을 수 있다. 더욱이, 변조 성분의 분광 분포 및/또는 정적 성분의 분광 분포는 식물의 형광 파장을 배제할 수 있다. 이러한 방식으로, 검출된 형광광 중의 입력광으로부터의 소음[노이즈]을 줄일 수 있다.
구체적인 예에 따르면, 상기 소정의 관계는, 다중 변조 주파수가 있는 광강도 변조 성분을 가진 입력광으로 식물을 조사하는 단계와, 식물로부터 방출된 광을 검출하는 단계와, 계통 식별법 (system identification method)을 이용하여 1조(組)의 전달 함수 파라미터를 측정하는 단계에 의하여 측정되는 1조의 전달 함수 파라미터를 포함하는 전달 함수이다. 식물 동력학의 비선형성의 결과로서, 전술한 입력광의 특성에 따라 전달 함수 파라미터는 상이할 수 있다는 사실이 인정된다. 예를 들면, 편차광 강도와 그것의 분광 분포에 따라, 또는 광강도 변조의 동일한 특성 (강도 및 이의 분광 분포)에 따라, 상이한 전달 함수 파라미터가 발견될 수 있다. 또 다른 예로서, 편차광 강도가 상기 스펙트럼에 걸쳐 그리고 제1 강도 편차에서 균일하게 분포되면, 1조의 전달 함수 파라미터가 측정될 수 있다. 편차광 강도가 상기 광 스펙트럼에 걸쳐 그리고 제2 강도 편자에서 균일하게 분포되면 상기 1조의 파라미터와 상이한 2조의 전달 함수 파라미터가 측정될 수 있다. 더구나, 상기 편차광 강도가 스펙트럼의 상이한 파장에서 상이한 강도를 가지는 가의 여부에 따라 전달 함수 파라미터는 역시 상이할 수 있다.
상기 버퍼계의 상태는 입력광과 검출광 간의 전달 함수에 관한 종전의 지식을 가짐으로써 탐지될 수도 있다는 것이 인식된다. 상기 전달 함수는 식물 상태와 관련된 버퍼계의 1가지 이상의 상태를 설명하는 선형 모델에 기반할 수 있다. 전달 함수는 예를 들어 식물의 기지의 생장 상태에 대한 특정의 편차광 강도 설정값으로부터 확정될 수 있다. 식물이 입력광 강도 변조에 의하여 후에 탐지된 경우, 변조된 주파수에 대한 반응은 광강도 변조에 대한 기지의 전달 함수 및 기지의 편차광 강도와 비교될 수 있다. 이 평가는 식물의 생장 상태에 대한 정보를 제공해준다. 따라서, 식물 생장 상태의 평가 전에 1조의 전달 함수를 측정할 수 있다. 상기 1조의 전달 함수는 상이한 광 설정 값 (스펙트럼, 강도, 변조, 적응)의 매핑 (mapping)과 상이한 생장 상태의 식물로부터의 반응을 제공할 수 있다. 이러한 종전 지식에 의하여, 식물 생장 상태는 단일 주파수 변조에서부터 광대역 변조에 이르는 몇가지 유형의 입력광으로부터 측정될 수 있다.
입력광의 광강도 변조가 식물로부터 측정 가능한 반응을 유도하기에는 충분히 크지만, 식물이 선형 모델에 의하여 모델링하는 것이 가능하지 않도록 충분히 작아야 한다는 것을 유의하여야 한다.
나아가, 광강도 변조 성분은 다중 변조 주파수를 가지고, 상기 방법은 전달 함수를 포함하는 입력광과 검출광 간의 검출된 전달 함수를 측정하는 단계를 더 포함하며, 여기서 위상 및 이득은 검출된 전달 함수로부터 측정된다. 다중 주파수 신호는 예를 들면 단계 펄스, PRBS (유사 랜덤 이진 시퀀스) 신호 및 방형파(方形波)중의 하나일 수 있다. 그러나 입력광은 특정 범위의 주파수 성분을 가지는 임의의 파형을 포함할 수 있고, 또 특정 위상을 가질 수도 있다. 광강도 변조 성분은 0.001~100 rad/s의 범위 또는 1000 rad/s 정도로 더 높은 주파수 성분을 가지는 변조 신호일 수 있다. 일례로서, 입력광이 방형파로 변조되면, 입력광 강도 (광강도 변조와 결합한 편차광)는 광강도의 두 가지 주요 수준 사이에서 변한다. 이러한 유형의 변조은 단계 함수의 형태로 반복되는 입력광을 야기하고, 따라서 반복적으로 식물로부터 단계 반응을 유도하여 동력학 형광 과도의 분석을 가능하게 한다.
입력광 변조의 변조 신호의 유형과 관련하여, 변조 신호의 형태에 따라, 즉 변조의 유형에 따라 전달 함수 파라미터가 달라질 수 있다. 예를 들면, 점진적으로 증가되는 변조 신호가 측정된 전달 함수 파라미터는 점진적으로 감소되는 변조 신호가 측정된 전달 함수 파라미터와 상이할 수 있다. 따라서, 방형파 (상승 연부 또는 하강 연부)의 어느 쪽에서 전달 함수 파라미터가 측정되는지에 따라, 전달 함수 파라미터는 상이할 수 있다. 또한, 측정된 전달 함수 파라미터는 변조 신호의 변조의 주파수 성분 (예컨대, 변조의 대역폭)에 따라 상이할 수도 있다. 전술한 바와 같이, 전달 함수 파라미터는 변조되는 입력광의 스펙트럼에 따라 역시 상이해질 수도 있다. 상이한 전달 함수를 야기하는 상이한 입력광의 거동에 따른 상기 거동은 식물 형광 반응을 나타낼 수 있는 기본적인 비선형계의 또 한 가지 표시이다.
광강도 변조 성분의 변조 신호는 1종 이상의 변조 주파수를 가지는 사인 신호를 포함할 수 있다. 변조 신호는 예를 들어 수 개의 주파수의 컨볼루션 (convolution), 주파수 쓸기 또는 단일 주파수일 수 있다.
입력광은 정적 편차광 강도 및 광강도 변조를 포함할 수 있다. 편차광 강도는 상기 방법의 실행 이전에 유리하게 잘 정립되어 있고 알려져 있다는 점을 유의해야 한다. 광강도 변조는 전체 입력광이 중심이 되도록 변조되거나 편차광 강도 수준에 부가되도록 변조된다. 예를 들면, 편차광 수준 강도가 X이고 광강도 조절의 진폭이 Y라면, 전체 광강도는 변조 특성 (예컨대, 주파수, 듀티 주기 (duty cycle) 등)으로 시간경과에 따라 X로부터 X+Y로 변한다. 편차광 강도는 입력광을 방출하는 발광 장치에 적용된 DC 전류 성분에 의해 발생되는 것으로 간주될 수 있다. 또한, 식물 주변의 주변광이 편차광에 기여할 수도 있다. 상기 방법은 이 점을 유리하게 고려할 수 있고 주변광을 깜깜하게 만들 필요도 없다.
이 발명의 한 가지 구체적인 예에 따르면, 상기 생장 상태를 측정하는 단계는 소정의 전달 함수의 파라미터 값과 비교한 파라미터 값의 변화를 측정하는 단계를 포함하는데, 여기서 상기 변화는 식물의 스트레스 수준을 나타낸다.
따라서, 식물의 상태는 생장 상태에 대한 파라미터 값의 변화와 관련시킴으로써 검토될 수 있다. 파라미터를 측정하는 것과 마찬가지로, 전달 함수의 영점 및 극점이 검토될 수 있다. 따라서, 검출된 소정의 전달 함수는 각각 1개 이상의 극점과 1개 이상의 영점을 포함한다.
일반적으로, 함수의 극점 및/또는 영점은 함수의 동력학과 관련된 정보를 제공할 수 있다. 이 경우, 극점 및/또는 영점의 수는 예를 들어 식물의 생장 상태를 나타낼 수 있다. 극점 및/또는 영점을 찾으려면, 모델 전달 함수를 가정한 다음, 전달 함수 출력 데이터를 측정 데이터에 맞춘다. 상이한 전달 함수는 상이한 광조건하에서 생장한 식물에 적합할 수 있다.
일례로서, 극점 및/또는 영점의 위치를 측정하는 단계가 사용될 수 있는데, 여기서 위치의 변화는 식물의 스트레스 수준을 나타낸다. 또한, 영점의 위치와 극점의 위치 사이의 상대적인 차이가 측정될 수 있다. 예를 들어, 위치의 변화가 위치의 제1 변화이면, 상기 방법은 극점 및/또는 영점의 제2 측정으로부터 극점 및/또는 영점의 제2 변화를 측정하는 단계와, 위치의 상기 제1 변화와 위치의 상기 제2 변화 간의 상대적인 차이를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
입력광의 변화된 광강도로 상기 극점 및/또는 영점의 위치 변화를 측정하는 것이 더 유리할 수 있는데, 여기서 상기 위치 변화는 식물의 광적응의 수준을 나타내는 것이다.
그 밖에, 상기 방법은 입력광의 광 스펙트럼을 변화시키는 단계와, 입력광의 변화된 광 스펙트럼에 기인하는 극점 및/또는 영점 위치의 변화를 측정하는 단계를 포함할 수 있는데, 여기서 상기 위치 변화는 식물에 대해 개선된 광 스펙트럼을 나타낸다.
전달 함수는 주파수 영역내에서 평가될 수 있다. 주파수 영역내에서의 전달 함수를 검토하는 이점은 모델 순서의 영향이 감소하여 본 발명 방법의 정확도를 더 개선한다는 점이다. 주파수 영역내에서, 형광 동력학은 용이하게 한 방식으로 검토될 수 있다.
식물의 스트레스 수준은 주파수 영역내에서의 전달 함수의 이동으로부터 정해질 수 있는데, 여기서 초기 주파수보다 더 높은 주파수로의 이동은 스트레스 수준의 증가를 의미한다. 따라서, 증가한 스트레스 수준은 주파수 영역내에서의 전달 함수의 변화를 검토함으로써 용이하게 한 방식으로 측정될 수 있다. 전달 함수의 이동은 주파수 영역에서의 전달 함수의 크기 및/또는 위상을 검토함으로써 측정될 수 있다.
식물의 측정된 생장 상태 및 소망하는 생장 상태에 기반하여, 식물의 생장을 소망하는 생장 상태로 변조하기 위하여 입력광의 특성을 제어할 수 있다.
편차광 강도는 입력광과 검출광 간의 측정된 위상 및/또는 이득에 따라 증가 또는 감소할 수 있다. 편차광 강도는 위상 또는 이득이 변조되도록 변조될 수 있다. 위상 또는 이득의 특성은, 예컨대 식물이 스트레스를 받는지 여부와 같은 식물의 생장 상태와 관련된 정보를 제공할 수 있다. 상기 특성은 예를 들어 주파수 영역에서 위상 또는 이득 (예컨대, 위상 또는 이득의 주파수 함수)이 더 높은 주파수로 이동하는 것과 관련될 수 있고, 더 높은 주파수는 주파수 영역의 위상 또는 이득이 낮은 주파수에 있는 경우에 비하여 식물이 스트레스를 더 받는다는 것을 나타낼 수 있다.
편차광 강도가 증가 또는 감소하는 것으로 결정되는지 여부는 역시 식물과 관련한 종전의 데이터 (예컨대, 소정의 관계)에 의존한다. 예를 들면, 특정의 편차광 강도에서 특정 식물에 대하여, 특정의 주파수에서 증가한 위상은 편차광 강도가 감소하여야 한다는 것을 의미할 수 있다. 특정의 편차광 강도에서 또 다른 유형의 식물에 대하여, 주파수 영역내에서 어떤 방향 (더 높은 주파수)으로의 위상의 이동이나, 또는 특정 주파수에서의 증가한 위상은 편차광 강도가 식물의 스트레스를 줄이기 위하여 증가 또는 감소시켜야 한다는 표시일 수 있다. 또 다른 예로서는, 상기 위상이 특정 주파수에서 감소하거나 더 낮은 주파수로 이동하는 경우, 식물의 생장을 변조하기 위하여 편차광 강도를 감소/증가시키도록 결정될 수 있다. 위상이 특정 주파수에서 소정의 위상 값보다 더 높은 것으로 측정되면, 스트레스를 줄이기 위하여 편차광 강도를 감소시키도록 결정될 수 있다.
더욱이, 이득의 변화는 편차광 강도를 변화시켜야 하는지의 여부를 결정하는데 사용될 수도 있다. 예를 들면, 이득의 증가는 편차광 강도를 증가/감소시켜야 하는지의 표시일 수도 있고, 또는 이득의 감소는 편차광 강도를 증가/감소시켜야 하는지의 표시일 수도 있다.
입력광의 파장 범위는 식물의 엽록소 형광 파장 범위와 다를 수 있다.
검출광은 식물의 엽록소 형광광일 수 있다. 입력광은 식물 중의 엽록소 형광을 유도하는 여기광 및 식물의 생장 변조 광을 더 포함할 수 있다.
이 발명의 구체적인 예에 따르면, 상기 방법은 생장 상태 및 입력광 설정을 매핑하기 위한 1조의 전달 함수를 결정하는 초기 단계를 더 포함할 수 있다. 따라서, 식물의 생장 상태를 결정하기 전에, 기지의 생장 상태와 편차광의 스펙트럼 및 강도등의 광 설정값과, 광강도 및 변조 신호의 특성 등에 대한 1조의 전달 함수들이 매핑되어 있다.
"생장 상태" (예컨대, 소망하는 생장 상태 또는 현재의 생장 상태)는 식물 상태를 표시하는 한 가지 이상의 검출 가능한 특성의 특성값이라고 정의할 수 있다. 그러한 특성으로서는, 식물의 높이/너비, 줄기 크기, 생장 속도, 스트레스, 광반사율 특성, 형광 특성, 무게, CO2, 물 또는 영양 소모, 식물 색상, 잎 크기, 꽃 크기, 잎, 꽃, 열매 또는 종자의 갯수, 꽃이 곤충 수분에 노출된 경우, 현재 생장 상태의 시간 등을 들 수 있다. 광반사율은 발광 장치에 의하여 방출되고 식물에 의하여 반사되는 광의 특성이다. 더욱이, 형광 특성은 엽록소 형광광 등의 식물의 형광광의 특성이다.
식물은 제어된 환경에 배치될 수 있다. "제어된 환경"이라는 표현은, 예컨대 온실, 생장 캐비닛 또는 식물이 최소한으로 자연광 조명에 노출될 수 있는 유사한 제어된 환경을 비롯하여 광범위하게 해석되어야 한다. 따라서, 제어된 환경은 일반적으로 투명한 창문 또는 식물이 자연광 (예컨대, 태양)을 받을 수 있도록 하는 유사한 환경을 비롯한 "실내 환경"이다. "제어된" 환경은 완전히 통제되지 않을 수 있다는 점에 주목하는 것이 중요하다. 먼저, 자연광 및 외부 온도에 의한 기여도가 달라질 수 있다. 또한, "제어된" 상기 과정들은 종자 품질, 질병, 인간의 실수 등을 비롯한 사용자의 제어를 벗어난 인자들을 필연적으로 포함할 수 있다. 그러나, 이 발명은 예컨대 태양광과 같은 주변광에 실질적으로 노출되는 환경에서 자란 식물에 동일하게 적용 가능하다. 따라서, 편차광 강도는 주변광과 인공 조명으로부터의 광, 예컨대 입력광 또는 임의의 기타 인공 광원의 편차광 성분을 포함할 수 있다. 그밖에, 이 발명은 전체의 편차광이 주변광으로부터 유래하고 인공광만이 광 강도 변조인 경우에도 적용될 수 있다.
이 발명의 제2의 관점에 따르면,
식물을 향해 광을 방출하도록 배치된 1개 이상의 발광 장치와,
상기 식물로부터 방출광을 검출하기 위한 1개 이상의 광 센서와, 상기 식물 주변의 인공광 및 임의의 주변광을 포함하는 편차광 강도를 측정하기 위한 수단과,
상기 1개 이상의 발광 장치를 제어하고, 상기 1개 이상의 광 센서로부터 검출된 빛에 관련된 정보를 수신하기 위하여 배치한 제어 유닛을 포함하고, 이 제어 유닛은
상기 편차광 강도와 함께 입력광을 형성하는 광강도 변조 성분을 방출하도록 상기 1개 이상의 발광 장치를 제어하고,
상기 입력광과 상기 검출광 간의 위상 및 이득을 측정하고,
입력광과 검출광 간의 소정의 관계 및 상기 위상 및 상기 이득에 기초하여 식물의 생장 상태를 결정하도록 구성된 것인
식물 생장 상태 결정 시스템이 제공된다.
이 발명의 구체적인 예에 따르면, 상기 제어 유닛은 측정된 생장 상태 및 식물의 소망하는 생장 상태에 기초하여, 소망하는 생장 상태로 식물의 생장을 변조하는 특성이 있는 광을 방출하도록 1개 이상의 발광 장치를 제어하도록 더 구성되어 있다.
이 발명의 상기 제2 관점의 추가적인 효과 및 특징은 이 발명의 제1 관점과 관련하여 전술한 바와 상당히 유사하다.
이 발명의 제3의 관점에 따르면, 다수의 발광 장치, 식물의 생장을 촉진하도록 온실내에 배치된 식물을 향해 광을 방출하도록 배치된 발광 장치, 전술한 관점에 따른 시스템을 포함하는 온실 시스템이 제공된다.
이 발명의 제3 관점의 추가적인 효과 및 특징은 이 발명의 전술한 관점들과 관련하여 설명한 바와 상당히 유사하다.
이 발명의 추가의 특징들 및 이점들은 첨부된 특허 청구항들 및 후술하는 기재를 검토함에 따라 명백해질 것이다. 숙련된 기술자들은 이 발명의 범위를 벗어나는 일이 없이 이 발명의 상이한 특징들을 조합하여 이하의 실시예들 이외의 다른 실시예들을 창안할 수 있다는 것을 알게 된다.
이 발명의 특징들 및 이점들을 비롯한 이 발명의 다양한 관점들은 이하의 상세한 설명 및 첨부된 도면들로부터 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 이 발명의 구체적인 실시예의 적용예를 나타내고 있다.
도 2a는 이 발명의 구체적인 실시예의 개략도이다.
도 2b는 이 발명의 구체적인 실시예에 따른 강도 변조례의 개략도이다.
도 2c는 이 발명의 구체적인 실시예에 따른 강도 변조례의 개략도이다.
도 3a~b 및 4는 이 발명의 구체적인 실시예에 따른 예시적인 주파수 함수를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3c는 식물의 단계 반응의 예시도이다.
도 5는 이 발명의 구체적인 실시예의 개략도이다.
도 6은 이 발명의 구체적인 실시예의 개략도이다.
도 7은 이 발명의 구체적인 실시예의 공정 단계들의 흐름도이다.
도 8은 편차광 강도와 함께 매핑된 전달 함수 표의 예시도이다.
[상세한 설명]
이하, 이 발명의 구체적인 실시예들을 나타낸 첨부 도면들을 참조하여 이 발명을 더 충분히 설명하겠다. 그러나, 이 발명은 다수의 상이한 형식으로 구현될 수 있고, 이 명세서에서 설명된 구체적인 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 아니되고, 오히려, 이들 구체적인 실시예는 철저하고 완전하게 제공되며, 당업자에게 이 발명의 범위를 완전하게 전달한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 요소를 가르킨다.
이제, 특히 도 1을 참조하면, 이 발명의 가능한 구체적인 예에 따른 시스템 (100)이 도시되어 있다. 도 1은 온실 (105)의 내부로 태양의 자연광이 들어올 수 있도록 하는, 예컨대 유리 및/또는 일부 적합한 플라스틱 재료와 같은 투명한 물질로 지어진 벽과 천장이 있는 전형적인 온실 형태 (105)인 적어도 부분적으로 제어된 환경에 배치된 다수의 식물 (102)등을 나타내고 있다. 물론, 상기 식물들은 예컨대 허브, 약용 식물, 관상용 및 일반적인 작물들을 비롯한 임의의 식물종일 수 있다. 또한, 제어된 환경은 물론 이 발명의 개념의 구현 유형에 따라 워크인 챔버 또는 생장 캐비닛 중 하나일 수 있다. 온실 (105)에는 제어 유닛 (108)에 전기적으로 연결된 인공광 설비 (106)가 있다. 인공광 설비 (106)는 예컨대 발광 다이오드 (LED) (104)와 같은 적절한 인공 광원을 포함하고, 발광 장치 (104)에서 방출된 광이 식물 (102)에 도달하도록 배치된다. 다수의 발광 장치 (104)는 파장이 상이한 광을 방출하도록 구성되고, 개별적으로 제어된다. 파장 범위는 한 가지 이상의 범위내에서 자외선으로부터 적외선에 이르는 범위일 수 있다. 예를 들어, 범위는 이하에서 설명되는 센서에 대하여 유사한 범위일 수 있다.
생장을 효율적으로 제어하려면, 다수의 센서 (110)를 온실 (105) 주변에 배치한다. 이들 센서는 예를 들어 식물 (102)에 대한, 한 가지 또는 여러 가지 조건들을 결정할 뿐만 아니라, 식물의 검출 가능한 특성의 현재 값을 측정하여 식물의 현재 생장 상태를 측정하도록 구성될 수 있다. 상기 센서들은 예를 들어 공기/토지 온도, 습기, 습도, 이산화탄소, 공기압, 비료량을 측정하는 센서 및/또는 식물 (102)의 생장 상태를 측정하기 위해 사용되는 이미지 캡춰 장치 (예컨대, 카메라)를 포함할 수 있다. 센서 (110)에 대한 대안 또는 보완으로서, 다양한 특성 값의 수동 입력을 할 수 있는 한 가지 또는 여러 개의 수동 인터페이스를 제공할 수도 있다. 센서 (110)는 추가로 식물 (102)로부터 방출된 형광광을 검출하는 광 센서 (110)일 수도 있다.
그 밖에, 온실 (105)은 제어 가능한 가열 소자 (도시되지 않음)뿐만 아니라 온실 (104)내의 온도를 제어하기 위한 제어 유닛 (108)에 접속되고, 역시 생장 주기 도중에 식물 (102)에 대하여 소망하는 온도 변동에 의존하는 창문 (및 유사한 제어 가능한 환기 장치)(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 센서 (110)의 위치는 단지 예시적인 목적을 위한 것이고 반드시 정확할 필요는 없다. 따라서, 센서 (110)는 센서의 종류에 따라 가장 적절한 곳에 배치될 수 있다.
한 가지 구체적인 예에 있어서, 발광 장치 (104)가 식물에 광을 조사한다. 방출광의 적어도 일부는 식물(102)에 의하여 반사되고, 1개 이상의 광 센서 (예컨대, 센서 (110))에 의해 검출된다. 상기 광 센서 (110)는 엽록소 형광광과 같은 식물 (102)로부터의 형광광을 더 검출한다. 입력광을 받는 식물의 반응은 이득과 위상이라는 관점에서 평가될 수 있다. 예를 들어, 입력광이 단일 주파수에서 사인 곡선의 강도 변조을 가지면, 입력광에 대하여 검출된 광의 위상 및 이득이 동일한 주파수에서 검출될 수 있다. 또한, 일부의 광 센서 (110)는 온실 (105)에서 편차광 강도 및/또는 스펙트럼을 측정할 수 있다. 편차광 강도는 인공광 및 주변광의 조합일 수 있다. 광 센서 (110)은 예컨대 400 nm~630 nm, 630 nm~700 nm, 700 nm~740 nm, 750 nm~850 nm, 850 nm~1400 nm 또는 400 nm~700 nm와 같이 상이한 파장 범위에서 광강도를 측정하도록 구성될 수 있다.
상기 프로세서는 식물에 조사되는 입력광과 검출광 간의 전달 함수를 결정할 수 있다. 상기 전달 함수는 식물 (102)의 생장 상태를 결정하기 위하여 분석될 수 있는 1조의 전달 함수 파라미터를 포함한다. 광 센서 (110)에 의해 검출된 광은 하나 이상의 생장 특성을 결정하기 위한 프로세서에 의해 분석될 수 있다. 상기 프로세서는 전달 함수의 특성에 따라, 예컨대 식물 (102)의 생장을 변조하거나 개선하기 위해, 방출광의 강도 또는 분광 성분을 조정함으로써, 발광 다이오드에서 방출된 광을 변조하도록 결정할 수 있다. 또한, 상기 전달 함수는 제어 유닛 (108)에 의해 미리 결정되어 나중에 사용될 수 있다. 예를 들어, 특정의 편차광 강도/스펙트럼에 대한 전달 함수가 알려져 있는 경우, 변조 신호에 따라 편차광에 첨가된 광강도 변조은 생장 상태의 측정에 사용될 수 있다. 따라서, 기지의 광강도 변조, 기지의 편차광, 변조 신호 및 광강도 변조, 편차광 및 변조 신호에 대한 소정의 전달 함수로부터 검출된 광을 생장 상태 및 소정의 전달 함수와 관련하여 예상된 검출광과 비교할 수 있다. 검출된 광과 예상광이 일치하면, 광의 생장 상태가 결정된다. 생장 상태 결정에 대하여는 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하겠다.
각 식물은 검출 가능한 일련의 특성에 대한 특성 값들을 포함하는 생장 상태에 따라 설명된다. 그러한 특성은 식물의 높이/너비, 줄기 크기, 생장 속도, 스트레스, 광 반사율 특성, 형광 특성, 무게, CO2, 물 또는 영양 소모, 식물 색상, 잎 크기, 꽃 크기, 잎, 꽃, 열매 또는 종자의 갯수, 꽃이 곤충 수분에 노출된 경우, 현재 생장 상태의 시간 등을 포함할 수 있다.
도 2a는 도 1과 유사한 시스템을 도시하고 있다. 도 2a에서, 식물 (102)에는 발광 설비 (106)에 배치된 발광 장치 (104)에 의한 광이 조사된다. 예컨대 식물 (102)에 조사되는 태양광과 같은 주변광이 더 있을 수 있다. 따라서, 식물 (102)에 조사되는 광 u(t)는 발광 장치 (104)에서 방출된 주변광과 인공광 양쪽의 기여도를 포함할 수 있다. 발광 설비(106)가 개별적으로 제어될 수 있는 다수의 발광 장치 (예컨대, 발광 다이오드)를 포함할 수 있음에 유의하여야 한다. 파장이 자외선 (예컨대, 10 nm~400 nm)으로부터 적외선 (최소 700nm, 예컨대 700 nm~1500 nm) 범위의 광을 방출하는 발광 다이오드가 있을 수 있다. 식물로부터 방출된 광 y(t)는 광 센서 (110)에 의해 검출된다. 도 2b는 식물 (102)에 조사되는 입력광의 강도 변화를 나타낸다. 상기 식물 (102)에 조사되는 광은 편차광 강도 (204)와 이 편차광 강도 (204)에 첨가된 광강도 변조(205)를 포함한다. 편차광 강도는 예를 들어 태양으로부터의 광 또는 발광 장치 (104)로부터의 인공광 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 따라서, 편차광 강도 (204)는 광 스펙트럼을 가지는 주변광과 인공광을 포함할 수 있고, 또한 편차광 강도 (204)에 첨가된 광강도 변조 (205)가 있다. 특정 스펙트럼을 가지는 특정의 편차광 강도가 시스템 (100)에 의해 생성될 수 있음에 주목해야 한다. 예를 들어, 광 센서 (110)은 편차광을 검출할 수 있고, 발광 장치 (104)는 제어 유닛에 의해 계산된 광을 방출하여 소망하는 편차광 강도 및 스펙트럼을 얻는다.
식물의 비선형 거동 때문에, 편차광의 편차 강도와 스펙트럼, 변조광의 진폭 및 변조광의 스펙트럼, 및 위상, 진폭 및 변조 신호를 아는 것이 적절할 수 있다. 편차광의 스펙트럼은 스펙트럼에 걸친 광의 강도와 관련된다. 특히 상기 광 설정 중 어느것인지에 대한 지식을 갖기 위해, 선형 모델은 유효하다. 따라서, 이 발명은 상기 상이한 광 설정 (편차광 강도/스펙트럼, 광강도 변조 진폭/스펙트럼 및 진폭/스펙트럼과 같은 변조 신호의 성질, 신호 유형 및 신호 유형의 검출된 위상)에 대한 1조의 전달 함수를 결정하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 식물은 특정 광강도에 노출되고 적응될 수 있고, 전달 함수는 각 광강도에 대해 결정될 수 있다. 또는, 또 다른 예로서, 전달 함수는 상이한 편차광 스펙트럼에 대하여 결정될 수 있다. 따라서, 전달 함수는 상이한 생장 상태, 광 설정 및/또는 생장 단계에 대하여 결정될 수 있다. 따라서, 1조의 전달 함수는 상이한 광 설정 및 생장 주기의 상이한 생장 단계에서의 생장 상태를 매핑하는데 사용될 수 있다. 생장 상태는 예컨대 식물이 일정 크기로 자랄 수 있는 "묘목 상태", "자라는 상태", 일정 품질의 꽃이 피는 "개화 상태", 예컨대 과일이 숙성되는 "성숙 상태", 소망하는 제품의 완성을 나타내는 "마무리 상태", 스트레스 받은 식물이 회복되는 "회복 상태" 및 회복되지 않을 수 있고, 또는 경제적으로 유리하지 않은 식물의 생장 주기가 종결되는 "종결 상태"가 있을 수 있다. 또한, 광 센서 (110)는 변조된 광강도를 이용한 생장 상태 측정 전에 식물이 노출된 광강도 및 스펙트럼에 대한 정보를 가지기 위해 지속적으로 식물이 받는 광강도를 검출할 수 있다. 이렇게 하면, 식물 생장 상태에 대한 심층적인 분석을 통하여 더 정확한 측정이 이루어질 수 있다.
또한, 상기 시스템은 예컨대 주변광의 변화에 기반한 발광 장치 (104)로부터 방출된 광을 수용하도록 구성된다. 따라서, 상기 방법 및 시스템은 주변광에서 작동하고 측정을 위해 식물의 위치를 깜깜하게 만들 필요가 없다. 그러나 상기 시스템은 온실의 커튼 또는 주변광을 막는 유사수단을 제어하여 식물에 도달하는 주변광 (예컨대, 태양으로부터의 광)의 양을 제어하는데 사용될 수 있다. 도 2b에 나타난 바와 같이, 편차광 강도 (204)에 대한 상기 광강도 변조는 방형파 변조과 같은 주기성 변조일 수 있다. 따라서, 방형파 (203)의 각 주기에서, 식물로부터의 단계 반응이 유도되고 전달 함수를 결정하는데 사용될 수 있다. 그러나 신호의 소음[노이즈]을 개선하기 위해서는 단일 단계 반응이 사용될 수도 있지만, 방형파가 유리할 것이다.
도 2b에 나타난 바와 같이, 식물 (102)을 비추는 광은 기지의 강도 (예컨대, 측정으로부터의 강도)를 가지는 편차광 강도 (204), 방형파 (203) 광강도 변조 신호의 일부일 수 있는 점진적 증가 (207) 또는 점진적 감소 (208) 형태의 중첩된 광강도 변조를 가진다. 점진적 증가 (207) 또는 점진적 감소 (208)의 광강도 변조 진폭은 알려져 있다. 점진적 증가 (207) 또는 점진적 감소 (208)에 의한 편차 강도로부터 광강도의 변화는 예컨대 편차광 강도 (204)의 약 5% 내지 30% 정도일 수 있다. 별법으로서 또는 부가적으로는, 광강도 변조, 점진적 증가 (207) 또는 점진적 감소 (208)에 의해 야기된 편차 강도로부터의 강도의 변화는 일부 편차광 강도를 초과하지 않는 것일 수 있고, 예컨대 편차광 강도가 500 μE, 700 μE, 1000 μE, 1200 μE 또는 1500 μE 을 초과하지 않는 것일 수 있다. 광강도 조절의 단계 크기 (즉, 진폭)는 식물로부터 측정 가능한 반응을 얻는 것과 반응을 선형 모델로 모델링 할 수 있고 식물 동력학이 동일 전달 함수 내에서 유지되도록 하는 것을 확실하게 하는 것 사이의 균형이다. 단계 함수 (예컨대, 상승 (207) 또는 하강 (208))에 의해, 단계 함수의 주파수 성분이 알려져있다.
별법으로서는, 도 2c에 도시된 바와 같이, 정적 광강도(204)에 대한 광강도 변조의 변조 신호는 변조 주파수를 가지는 사인파 변조일 수 있다. 더욱이, 변조 신호는 PRBS (유사 랜덤 이진 시퀀스) 신호 또는 랜덤 광대역 신호 (예컨대, "소음[노이즈]")일 수 있다.
식물로부터의 단계 반응의 경우, 예를 들어 방형파 광강도 변조된 입력광 u(t)를 사용하면, 단계 반응은 상승 연단 (207) 또는 하강 연단 (208) 중 하나에 대한 블랙박스 모델의 관점에서 분석될 수 있다. 전달 함수는 모델링된 시스템이 비선형임을 나타내는 어떤 연부가 선택되는지에 따라 상이할 수 있다. 블랙박스 모델을 사용하면, 광합성 과정은 식물 내부의 과정을 고려하지 않고 입력 u(t), 출력 y(t) 및 전달 함수에 의해 모델링 된다. 블랙박스 모델은
Figure pct00001
로 설명될 수 있고, 여기서 G(q)는 전달 함수이고 이동 연산자 q로 표현되고, e(t)는 소음[노이즈] 항이다. 전달 함수는 다수의 파라미터를 포함한다. 예시적인 전달 함수는
Figure pct00002
로 주어질 수 있다.
예시적인 전달 함수는 전달 함수 파라미터 b1, b2, b3, b4, a1, a2 및 a3를 갖는다. 또한, 이 전달 함수는 영점 4개 (지정자 순서대로)와 극점 3개 (명명자 순서대로)를 가진다. 일련의 단계 반응에서 각 단계 반응에 대해, 이러한 종류의 전달 함수는 모델로서 사용될 수 있다.
한 가지 구체적인 예에 따르면, 파라미터 (예컨대, 상기 전달 함수의 파라미터는 b1, b2, b3, b4, a1, a2 및 a3임) 값들은 식물의 생장 상태를 측정하는데 사용될 수 있다. 특히, 파라미터 값들의 변화는 식물의 생장 상태를 나타낸다. 예를 들어, 파라미터 값들의 변화는 식물의 스트레스 수준을 나타낼 수 있다. 다항식의 파라미터가 알려져있다면, 다항식의 영점 또한 알 수 있음에 유의해야 한다. 전술된 전달 함수의 경우, 파라미터 b1, b2, b3, b4, a1, a2 및 a3가 알려져있다면, 전달 함수의 영점 및 극점도 알려져있거나, 적어도 쉽게 접근할 수 있다.
따라서, 다른 구체적인 예에 있어서, 전달 함수 극점의 위치 변화는 식물의 생장 상태를 결정하는데 사용될 수 있다. 당연히, 영점과 극점은 전달 함수의 파라미터 값을 따른다. 예를 들어, 전달 함수 영점의 위치 변화는 식물의 생장 상태를 결정하는데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 스트레스 수준이 전달 함수의 영점 및/또는 극점 위치 변화로부터 결정될 수 있다. 더욱이, 극점 및/또는 영점 위치의 상대적인 변화는 생장 상태의 지표로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 극점 및/또는 영점이 서로로부터 더 멀리 이동된다면, 두 측정값 (극점 및/또는 영점 위치의 결정) 사이는 식물의 증가한 스트레스 수준을 나타낼 수 있다.
또한, 또 다른 구체적인 예에서, 전달 함수는 식물의 생장 상태를 결정하기 위해서 주파수 영역에서 검토된다. 주파수 영역은 먼저 전달 함수의 인수 q를 i가 허수단위이고 w가 각 주파수 (rad/s)인 지수함수 e iw 로 대체함으로써 평가될 수 있다. 주파수 영역에서, 동력학은 예를 들어 주파수 영역에서 전달 함수의 이동을 결정함으로써 검토될 수 있다. 예를 들어, 일부 광강도 편차에서 식물의 적응이 평가될 수 있다. 도 3a~b는 각각 80 μE (302) 및 500 μE (304)에 적응된 두 식물로부터의 단계 반응으로 결정된 전달 함수의 주파수 영역에서의 크기와 위상을 보인다. 각각 80 μE (302`) 및 500 μE (304`)에 적응된 식물의 시간 영역에서의 단계 반응은 도 3c에서 도시한다. 두 식물 모두 각각 순응 광강도 (즉, 80 μE 및 500 μE)로부터 80 μE 단계 증가한다. 낮은 광강도 (80 μE)에 적응된 식물은 따라서 높은 광강도 (500 μE)에 적응된 식물에 비해 더 빠른 동력학을 나타낸다. 따라서, 이 발명 적용에 있어 전술된 바와 같이, 더 낮은 광강도 (302)에서 적응된 식물의 버퍼는 더 작고, 따라서 더 큰 버퍼를 형성하는 높은 광강도 (304)에서 적응된 식물의 전달 함수 동력학에 비해 더 빠른 동력학이 전달 함수에서 발견된다.
도 4는 I: 110 μE (402), II: 530 μE (404), III: 1750 μE (406) 및 IV: 110 μE (408)의 네 가지 상이한 광강도에서 500 μE에 적응된 식물의 주파수 함수 (즉, 주파수 영역의 전달 함수)의 이득을 나타낸다. 상이한 광강도는 동일한 분광 분포를 가지는 일련의 편차광 강도 설정이다. 강도 시퀀스 전반에 걸쳐, 상기 식물은 광강도 변조 및 광강도에서 반복되는 단계 증가인 변조 신호에 노출되었고, 상기 단계 반응은 각 광강도에서 전달 함수를 식별하기 위해 측정되었다. 상기 전달 함수는 이 경우 주파수 영역에서 결정된다. 알 수 있는 바와 같이, 주파수 함수 (즉, 주파수 영역에서 전달 함수 이득 및 위상)는 증가한 편차광 강도를 가지는 더 높은 주파수로 이동된다. 예를 들어, 110 μE에서 설정된 함수 (402)에서 시작하여, 530 μE에서 결정된 함수 (404)는 더 빠른 동력학을 나타내는 더 높은 주파수로 명확하게 이동된다. 또한, 1750 μE에서 결정된 함수 (406)는 보다 더 높은 주파수로 이동된다. 530 μE (404) 및 1750 μE (406)에 대한 평탄한 곡선은 일반적으로 "가득찬" 또는 "비어있는" 버퍼를 나타내는 상태 손실로 인해 발생하는 더 작은 동력학을 나타낸다. 110 μE 편차광 강도에서 식물의 회복시 결정된 전달 함수 (408)는 초기 주파수 함수 (402)에 접근한다.
광강도 변조의 단계 함수에 노출된 후 관찰된 식물의 거동은 버퍼로 구성된 계에서 대표적이다. 따라서, (적응에 따라) 에너지를 이용하는 수용력에 대한 에너지 (광강도)의 흐름은 시스템이 입력 신호 (입력 단계 함수)에 얼마나 빠르게 반응하는지를 결정한다. 이러한 시스템에서, 시스템을 통하는 흐름이 증가하면 입력 신호에 대해 반응은 더 빨라진다. 또한, 반응은 더 작은 부피를 가지는 버퍼계, 즉 더 큰 수용력을 가지는 계에 비해 더 낮은 수용력을 가지는 계에서 더 빠르다. 또한, 계의 하나 이상의 버퍼 수용력에 도달하면, 상기 계는 상태를 잃는다. 이러한 상실은 복잡성 및 시스템 순서의 손실에 상응한다. 이는 예컨대 광강도가 식물 수용력보다 더 높을 때 일어나는 극점 영점 손실로 나타날 수 있다. 버퍼계에 피드백을 도입함으로써, 공명 피크가 주파수 함수에서 나타날 수 있다. 따라서, 식물의 반응 뒤의 메커니즘은 피드백을 가지는 버퍼계로 설명될 수 있다.
식물 (102)의 생장 상태를 결정하기 위해, 전달 함수는 매번 또는 한 번만 결정될 수 있다. 예를 들어, 소정의 전달 함수를 사용하여, 상이한 편차광 강도 또는 스펙트럼으로 다른 전달 함수가 결정되거나, 상이한 광강도 변조 또는 편차에 대해 상이한 변조 신호, 및 이전의 전달 함수와 비교하여 동력학이 변화했는지 여부, 즉 생장 상태를 조사하였다. 별법으로서는, 전달 함수가 소정의 전달 함수로서 제1 시간에만 결정되면, 단일 주파수 또는 가능하게는 소수의 주파수만이 입력광으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 2c에 나타난 바와 같이, 단일 주파수로, 입력광 강도가 기지의 편차광 강도 (204)에 대한 사인 신호 (206)로 변조된다. 입력광에서 오로지 단일 변조 주파수로, 전체 전달 함수 (즉, 입력 주파수보다 더 많은 주파수에 대한)는 결정되지 않을 수 있으나, 단일 변조 주파수에서 형광의 동력학이 대신 사용될 수 있다. 이러한 상황에서, 신호 주파수에서 검출된 광으로부터 결정된 이득 및 위상은 변조 주파수에서의 소정의 전달 함수의 이득 및 위상과 비교될 수 있다. 별법으로서 또는 부가적으로서, 단일 주파수는 위상 및 이득의 두 가지 결정에 사용될 수 있고, 두 이득 및/또는 위상은 식물의 상태를 결정하기 위해 서로 비교된다.
도 5는 이 발명의 구체적인 예에 따르는 예시적인 시스템 (500)을 나타낸다. 도 5에서, 발광 장치 (104)는 식물 (102)을 조사하도록 배치된다. 광 센서 (110)는 식물에서 방출되는 광을 검출하도록 배치된다. 식물을 조사하는 광 u(t)는 발광 장치 (104)에서 방출되지만 또한 주변광을 포함할 수 있다. 입력광 u(t)는 편차광 성분 및 편차광을 덮어씌운 시간에 따라 변하는 광 성분을 포함할 수 있다. 또한, 검출된 편차광은 주변광을 포함할 수 있다. 또한, 다른 구체적인 예에서, 방출광은 편차광을 포함하지 않을 수 있고, 따라서 검출된 편차광은 주변광만을 포함할 수 있다. 검출된 광은 y(t)로 표시된다. 검출된 광은 식물의 형광을 포함하고, 형광 스펙트럼 밖의 광은 걸러질 수 있다. 광강도 변조은 형광 파장에서만 떨어진 광 파장을 포함할 수 있고, 이에 의해 반사광의 파장이 형광광의 파장으로부터 멀어지므로 형광광의 검출을 용이하게 한다. 또한, 제어 유닛 (108)은 센서 (110)의 신호를 수신하도록 배치되고, 신호 y(t)는 검출된 광의 정보 (분광 성분, 강도 등)를 포함한다. 제어 유닛 (108)은 또한 식물로부터 방출된 출력광 u(t)를 제어하도록 배치된다. 예를 들어, 제어 유닛은 조명 설비(106)의 발광 장치(104)를 제어하거나, 제어 유닛은 태양빛과 같은 주변광을 차단하기 위한 차단 수단을 제어할 수 있다. 시스템은 제어 유닛 (108)에 대해 입력 (504)을 가지는 피드백 시스템으로서 배열된다. 입력 (504)은 사용자가 요청할 수 있는 식물의 소망하는 생장 상태와 관련될 수 있다. 예를 들어, 주어진 시간에 특정 성질, 예컨대 배송 시간에 맞춘 완성된 생장 주기 또는 식물의 특정 줄기 크기 또는 전술한 특성 중 임의의 것을 가지는 식물을 자라게 하는 것이 바람직할 수 있다. 제어 유닛 (108)은 검출광에 상응하는 신호 y(t)를 수신하고, 입력광 u(t)의 정보에 기초하여, 제어 유닛이 전달 함수 (예컨대, 전달 함수 G)를 결정한다. 전달 함수로부터, 전달 함수의 파라미터, 전달 함수의 극점 및/또는 영점 또는 주파수 영역에서 전달 함수의 주파수 및/또는 위상을 분석함으로써 식물의 생장 상태가 결정된다. 제어 유닛 (108)은 결정된 생장 상태를 소망하는 입력 (504) 생장 상태와 비교한다. 제어 유닛 (108)은 편차광 강도/스펙트럼, 광강도 변조 진폭/스펙트럼 및 진폭/스펙트럼, 신호 유형 및 신호 유형의 검출된 위상과 같은 변조 신호의 특성을 추적한다. 소망하는 생장 상태와 결정된 생장 상태 간의 상응 또는 차이에 따라, 제어 유닛은 식물 (102)의 생장을 변조하도록 입력광 u(t)의 특성을 제어할 수 있다. 예를 들어, 식물 (102)이 스트레스를 받는다고 결정되면, 식물을 생장시키기 위해 식물을 향해 조사되던 광이 변조되어야 한다. 예를 들어, 식물 (102)이 식물에 현재 방출되는 것과 상이한 광강도에 적응하는 것이 발생할 수 있다. 또한, 예컨대 식물(102) 주변의 불리한 온도 또는 급수 또는 C02 수준 편차의 결과로써, 식물이 일반적으로 스트레스를 받는지 여부를 결정할 수 있다. 또한, 분광 성분, 진폭 또는 광의 변조 주파수는 최적의 생장을 위해 조정될 수 있다. 부가적으로 또는 별법으로서는, 제어 유닛은 식물의 생장 상태를 추적할 수 있다. 생장 상태를 알면 생장 상태를 결정하는 더욱 정확한 방법이 가능하다.
따라서, 생장 주기 도중에 생장 상태를 조정할 수 있다. 특히, 소망하는 생장 상태는 소망하는 생장 주기 종료일과 관련하여 조정될 수 있다. 예를 들어, 더 짧은 (또는 더 긴) 시간 (예컨대, 변경된 수요에 의해)에 생장 주기를 완료하라는 요청이 있는 경우, 식물을 재배하는 상이한 요법이 시행될 수 있고, 이에 따라서 식물은 더 빠른 (또는 더 느린) 방식으로 생장할 수 있다. 이 경우, 납기일을 맞추기 위해서 먼저 목표 납기일을 정하고 그 다음 추정되는 필요 생산 속도를 정할 수 있다. 다음으로, 식물의 적응에 따라, 예컨대 도 3a~b를 참조하여 설명된 과정을 이용하는 것이 식물을 재배하는데 사용될 수 있는 최대 PAR (광합성 활성 방사선) 강도를 결정하는데 사용될 수 있다. 결과적으로, 가장 가능한 빠른 납기를 결정하기 위해 가능한 CO2 농도와 함께 상기 최대 PAR은 사용될 수 있다. 도 6은, 예컨대 온실에서의 CO2 농도 대 PAR 강도 그래프를 도시하고 있다. y축 상에서, CO2 농도의 가능한 범위 (602)가 표시되고, x축 상에는 식물 (102)에 대한 최대 허용 PAR (603)이 표시되어 있다. 상기 가능한 CO2 농도 범위는 온실의 특성 또는 다른 기술적 한계 또는 식물의 생장으로 인해 제한될 수 있다. 아이소커브 (604~607)는 각각의 납기시간에 도달하기 위한 생산 속도 곡선을 나타낸다. 예를 들어, 아이소커브 (604)는 14일 안의 납기를 나타낼 수 있고, 아이소커브 (605)는 12일 안의 납기를 나타낼 수 있고, 아이소커브 (606)은 10일 안의 납기를 나타낼 수 있고, 아이소커브 (607)은 8일 안의 납기를 나타낼 수 있다. 예컨대, 알려진 목표 납기일이 설정되면, 그 다음으로 요구되는 생산 속도에 상응하는 아이소커브를 찾을 수 있다. 결정된 최대 PAR 강도로부터, 납기일이 맞춰진다면, 또는 납기를 맞추기 위해 필요한 CO2의 농도가 어느 정도인지를 평가할 수 있다. 도시된 예시적 그래프에서, 8일 납기 아이소커브는 가능한 CO2의 범위 밖이고, 식물 (102)에 대한 최대 허용 PAR을 넘어서기 때문에, 8일 납기는 충족될 수 없다. 그러나 12일 납기는 부분적으로 가능한 CO2의 범위 안에 있고, 최대 허용 PAR (603) 내에 있으므로, 12일 내 납기는 충족될 수 있다.
도 7은 이 발명의 예시적 구체적인 예에 따른 방법 단계들의 흐름도를 제공한다. 상기 흐름도는 예컨대 전달 함수의 파라미터, 전달 함수의 이득 또는 위상의 결정을 통해 식물 (102)의 생장 상태를 결정하는 단계를 설명한다. 제1 단계(S702)에서, 식물을 향하는 들어오는 광의 특성이 결정된다. 예컨대, 상기 특성들은 편차광 강도 및/또는 편차광 스펙트럼일 수 있다. 선택적으로 S704에서, 상기 식물이 현재 생장 상태를 결정하기 전에 받게 되는 광 특성이 결정된다. 단계 S702에서 결정된 현재의 특성과 함께 이전의 광 특성이 생장 상태를 결정하기에 충분하다면, 이제 S706으로 평가될 수 있다. 예를 들어, 편차광 강도가 너무 높아서 (또는 너무 낮아서) 현재시간에 식물에 스트레스가 가해질 수 있다. 이러한 상황에서, 편차광 강도는 낮아질 수 있고, 생장 상태는 식물이 적응할 수 있어 광에 대해 (그러나 가능하면 예컨대 영양, 급수 등에 대해) 스트레스 받지 않는 보통의 편차광 강도에서 결정될 수 있다. 또 다른 예에서, 주변광이 충분히 안정하지 못하면, 식물 생장 상태에 대해 유용한 평가를 얻는 것이 불가능할 수 있고, 따라서 편차광 강도는 안정될 필요가 있다. 더욱이, 편차광 강도가 장시간 (예컨대, 수일) 안정하다면, 식물이 그러한 편차광 강도에 적응됨을 아는 것이 가능할 수 있다. 생장 상태가 현재 특성들과 함께 이전의 광 특성들로부터 결정될 수 있다면, 필요하다면 생장을 변조하기 위해 편차광은 개질될 수 있고(S708)(예컨대, 스팩트럼의 강도 개질), 방법은 단계 S702로 되돌아간다. 더욱이, 상기 방법은 식물이 어떤 생장 상태에 있는지에 따라 단계 S702로 돌아가거나 후속 단계로 진행할 것을 결정할 수 있다. 예컨대, 식물이 "종결 상태"에 있으면, 생장 상태를 결정하는 것이 유용하지 않을 수 있는 반면, 식물이 "개화 상태"에 있는 경우 식물 (102)의 생장을 최적화하기 위해 관련성이 높을 수 있다. 단계 S706 후에, 추가 평가가 필요하다면, 이 발명의 방법이 다음 단계를 수행하는데 사용될 수 있다. 먼저, 광강도 변조은 광강도 변조의 진폭 및/또는 스펙트럼을 포함하는 S709로 선택된다. 이어서, 변조 신호가 선택되고, 예컨대 식물은 점진적 증가 (207) 또는 점진적 감소 (208) (즉, 광대역 신호)의 형태인 광강도 변조로 광을 받을 수 있다 (S710). 별법으로서는, 다중 변조 주파수 (S712)(예컨대, 스위핑의 컨볼루션) 또는 단일 주파수 변조을 가지는 사인 변조 신호가 사용된다 (S714). 이어서, 식물 (102)로부터 방출된 광이 검출된다 (S716). 검출 단계 (S716)에서, 변조 신호의 위상이 고려된다. 예를 들어, 변조 신호가 방형파인 경우, 전달 함수를 비교할 수 있도록 동일한 연부 (하강 또는 상승)에서 측정하거나 변조 신호가 사인 신호인 경우, 매번 같은 위상에서 검출이 수행된다. 광은 입력광에 대한 식물의 반응을 포함한다. 예컨대, 검출된 광은 식물 (102)로부터의 형광을 포함한다. 검출된 광 및 특정 광 특성이 있는 특정 광 설정 (예컨대, 편차광 강도/스펙트럼, 광강도 변조 진폭/스펙트럼 및 진폭/스펙트럼, 신호 형태 같은 변조 신호의 특성 및 신호 유형의 검출된 위상)에서의 식물의 전달 함수에 대한 지식을 기반으로, 파라미터 또는 위상 및 이득이 결정된다 (S718). 전달 함수 파라미터 또는 위상 및 이득으로부터, 생장 상태는 이전에 결정된 전달 함수 또는 기지의 생장 상태 및 광 특성에서 결정된 위상 및 이득을 비교함으로써 결정된다 (S720). 상기 방법은 이제 다른 광 설정 또는 환경 조건 (예컨대, CO2 농도, 급수 등)이 평가되면 단계 (S702)로 돌아갈 수 있다. 상기 방법은 광이 생장을 변조하기 위해 개질될 필요가 있는 경우 단계 (S708)로 더 진행할 수 있고, 이어서 상기 방법은 단계 (S702)로 돌아간다.
도 8은 x 축 상의 광 적응 수준 (또는 스트레스 수준) 및 y 축 상의 편차광 강도에 의존하는 전달 함수의 표를 보인다. 광 적응 정도를 각 상자 (각각의 전달 함수 (G1, G2, G3, G4, G5, G6))에 대응하여 낮음 (L, 낮은 적응 수준), 중간 (M, 중간 적응) 및 높음 (H, 높은 적응)으로 나누었다. 상기 상자는 광 적응 범위 (L, M, H)와 편차광 강도 범위 내의 각각의 전달 함수 (G1, G2, G3, G4, G5, G6)가 유효함을 나타낸다. 예컨대, 결정된 전달 함수가 G4인 경우, 식물은 "중간" 광 적응 (또는 상응하는 스트레스 수준)이라고 결론지을 수 있다. 별법으로 또는 추가적으로는, 결정된 전달 함수가 G5이면, 식물이 "중간" 광 적응 수준에 있고, 편차광 강도가 범위 (802) 내에 있다고 결론지을 수 있다. 또 다른 예로서, 전달 함수 G1은 광 적응의 "낮은" 수준에 상승할 수 있고, 예컨대 80 μE (804)에서 250 μE (804)인 (804)에서 (805)의 범위 내에서, 전달 함수의 상향 편차광 강도 수준 (806)은 예를 들어 500 μE(806)일 수 있다. 도 8에서 보이는 것과 같은 유사한 표는 전달 함수에 상응하는 수분 수준, 영양 수준, CO2 수준 등과 같은 다른 생장 특성에 대해 얻어질 수 있다.
아래 표는 전달 함수 및 그의 파라미터에 영향을 주는 요소를 간략하게 요약한다. 예컨대, 스펙트럼 또는 편차광의 전체 강도 중 하나의 변화가 전달 함수의 파라미터에 영향을 준다. 입력광의 변조 유형은 전달 함수뿐만 아니라 강도 (즉, 변조의 전체 진폭 또는 편차 강도 및 변조 진폭의 조합) 및 변조된 입력광의 스펙트럼에 영향을 미친다. 변조 유형은 단계 펄스, PRBS (유사 랜덤 이진 시퀀스) 및 방형파 같은 광대역 신호일 수 있다. 그러나 입력광이 특정 범위의 주파수 성분을 가지는 임의의 파형을 포함할 수 있고, 특정 위상을 가질 수도 있다. 광대역 신호는 0.001 ~ 100 rad/s 또는 1000 rad/s와 같이 더 높은 범위의 주파수 성분을 포함할 수 있다.
전달 함수
편차광 광강도 변조
강도 스펙트럼 변조 신호 강도 스펙트럼
제어 유닛(108)은 아날로그 또는 시간 이산적일 수 있으며, 범용 프로세서, 애플리케이션 특정 프로세서, 처리 컴포넌트를 포함하는 회로, 분산 처리 컴포넌트 그룹, 처리를 위해 구성된 분산 컴퓨터 그룹 등을 포함할 수 있다. 상기 프로세서는 데이터 또는 신호 처리를 수행하거나 메모리에 저장된 컴퓨터 코드를 실행하기 위한 임의의 수의 하드웨어 성분일 수 있거나 그를 포함할 수 있다. 상기 메모리는 이 명세서에서 설명된 다양한 방법을 완료하거나 용이하게 하기 위해 데이터 및/또는 컴퓨터 코드를 저장하기 위한 하나 이상의 장치일 수 있다. 상기 메모리는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 상기 메모리는 데이터베이스 성분, 오브젝트 코드 성분, 스크립트 성분 또는 이 명세서의 다양한 활동을 지원하기 위한 임의의 다른 유형의 정보 구조를 포함할 수 있다.
또한, 광강도 변조 성분을 포함하는 입력광으로 식물에 광을 조사하는 단계, 식물로부터 방출된 광을 검출하는 단계, 식물 주변의 입력광의 정적 성분인 편차광 강도를 검출하는 단계, 입력광과 검출광 간의 위상 및 이득을 결정하는 단계, 입력광과 검출광 간의 소정의 관계 및 위상 및 이득에 기반하여 생장 상태를 결정하는 단계를 시행하기 위해 제어 유닛을 제어하기 위한 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다.
이 개시는 다양한 작동을 수행하기 위한 임의의 기계 판독 가능 매체상의 방법, 시스템 및 프로그램 제품을 고려한다. 이 개시의 구체적인 예는 기존의 컴퓨터 프로세서를 사용하여 또는 이 목적 또는 다른 목적을 위해 통합된 적절한 시스템을 위한 특수 목적 컴퓨터 프로세서에 의해 또는 하드와이어 시스템에 의해 구현될 수 있다. 이 개시의 범위 내의 구체적인 예는 그 위에 저장된 기계 실행가능 명령 또는 데이터 구조를 운반하거나 가지기 위한 기계 판독 가능한 매체를 포함하는 프로그램 제품을 포함한다. 이러한 기계 판독 가능 매체는 범용 또는 특수 목적 컴퓨터 또는 프로세서를 갖는 다른 기계에 의해 접근할 수 있는 임의의 이용 가능한 매체일 수 있다. 예를 들어, 이러한 기계 판독 가능 매체는 RAM, ROM, EPROM, EEPROM, CD-ROM 또는 다른 광디스크 저장, 자기 디스크 저장 장치 또는 다른 자기 저장 장치 또는 기계 실행가능 명령어 또는 데이터 구조의 형태로 원하는 프로그램 코드를 운반 또는 저장하는데 사용될 수 있고, 범용 또는 특수 목적 컴퓨터 또는 프로세서를 가지는 다른 기계에 의해 접근할 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 정보가 네트워크 또는 다른 통신 연결 (하드와이어, 무선 또는 하드와이어 또는 무선의 조합)을 기계로 전달되거나 제공되면, 기계는 기계 판독 가능 매체로서 상기 연결을 적절하게 보인다. 따라서, 이러한 연결은 기계 판독 가능 매체라고 적절히 지칭된다. 상기의 조합은 또한 기계 판독 가능한 매체의 범위 내에 포함된다. 기계 실행 가능 지시는 예컨대, 범용 컴퓨터, 특수 목적 컴퓨터 또는 특수 목적 처리 기계가 특정 기능 또는 기능 그룹을 수행하게 하는 명령 및 데이터를 포함한다.
제어 유닛은 마이크로 프로세서 또는 임의의 다른 유형의 컴퓨팅 장치인 것이 바람직하다. 유사하게, 컴퓨터 판독 가능 매체는 제거 가능한 비휘발성/휘발성 랜덤 엑세스 메모리, 하드 디스크 드라이브, 플로피 디스크, CD-ROM, DVD-ROM, USB 메모리, SD 메모리 카드 또는 당업계에 공지된 유사한 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하는 임의 유형의 저장 장치일 수 있다.
도면은 방법 단계의 특정 순서를 나타낼 수 있지만, 단계의 순서는 묘사된 것과 다를 수 있다. 또한, 두 개 이상의 단계가 동시에 또는 부분 일치로 수행될 수 있다. 이러한 변형은 선택된 소프트웨어 및 하드웨어 시스템 및 디자이너 선택에 의존한다. 이러한 모든 변형은 이 개시의 범위 내에 있다. 마찬가지로, 소프트웨어 실행은 다양한 연결 단계, 프로세싱 단계, 비교 단계 및 결정 단계를 달성하기 위한 규칙 기반 로직 및 다른 로직을 가지는 표준 프로그래밍 기술로 달성될 수 있다.
또한, 비록 이 발명이 특정 예시적인 구체적인 예들을 참조하여 설명되지만, 많은 다른 변경들, 수정들 및 유사한 것이 당업자에게 명백해 질 것이다. 개시된 구체적인 예에 대한 변형은 청구될 발명을 실시함에 있어 도면, 개시 및 첨부된 청구범위의 검토로부터 숙련된 기술자에게 이해되고 영향받을 수 있다. 또한, 청구범위에서, "포함하는"이라는 용어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 부정 관사 "a" 또는 "an"은 복수를 배제하지 않는다.

Claims (17)

  1. 식물 (102)에 광강도 변조 성분(205, 206, 207, 208)을 포함하는 입력광을 조사(照射)하는 단계와,
    상기 식물로부터 방출된 광을 검출하는 단계와,
    상기 식물을 둘러싸는 상기 입력광의 정적 성분인 편차광 강도(204)를 측정하는 단계 (S702)와,
    상기 입력광과 상기 검출광 간의 위상 및 이득을 측정하는 단계 (S718)와,
    상기 입력광과 상기 검출광 간의 소정의 관계 및 상기 위상과 상기 이득에 기반한 상기 식물의 생장 상태를 측정하는 단계 (S720)
    를 포함하는, 엽록소를 포함하는 식물 생장 상태의 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 식물로부터 방출된 상기 광은 형광광인 것인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 편차광 강도는 (204) 영이 아닌 것인 방법.
  4. 선행 청구항들 중의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 편차광 강도를 결정하는 상기 단계는,
    상기 편차광 강도를 측정하는 단계와,
    발광 장치(104)로부터 방출된 인공광을 제어함으로써 상기 편차광 강도를 제어하는 단계와,
    상기 식물의 생장 상태를 측정하는 단계로, 상기 결정된 생장 상태를 소정의 편차광 강도와 관련시키는 단계
    중의 하나 이상을 포함하는 것인 방법.
  5. 선행 청구항들 중의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 광강도 변조 성분은 반복 주파수를 가지는 주기적 변조 신호인 것인 방법.
  6. 선행 청구항들 중의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 편차광 강도의 분광 분포에 기반하여 상기 광 강도 변조 성분에 대한 분광 분포를 선택하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  7. 선행 청구항들 중의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 변조 성분의 분광 분포 및/또는 상기 정적 성분의 분광 분포는 상기 식물의 형광 파장을 제외하는 것인 방법.
  8. 선행 청구항들 중의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 소정의 관계는
    상기 식물에 다중 변조 주파수를 가진 광강도 변조 성분이 있는 입력광을 조사하는 단계,
    상기 식물로부터 방출된 광을 검출하는 단계,
    계통 식별법을 이용하여 1조의 전달 함수 파라미터를 결정하는 단계로 결정된 1조의 전달 함수 파라미터를 포함하는 전달 함수인 것인 방법.
  9. 제8항에 있어서, 생장 상태와 입력광을 매핑하기 위해 소정의 1조의 전달 함수를 결정하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  10. 제8항 또는 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전달 함수는 기지의 편차광 강도 및 기지의 광강도 변조에 대하여 결정되는 것인 방법.
  11. 선행 청구항들 중의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 광강도 변조 성분은 다중 변조 주파수를 가지고, 상기 방법은 전달 함수 파라미터를 포함하는 상기 입력광과 상기 검출광 간의 검출된 전달 함수를 결정하는 단계를 더 포함하고, 상기 위상 및 상기 이득은 상기 검출된 전달 함수로부터 결정되는 것인 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 생장 상태를 결정하는 상기 단계는 상기 소정의 전달 함수의 파라미터 값과 비교하여 상기 파라미터 값의 변화를 결정하는 단계를 더 포함하고, 여기서 상기 변화는 상기 식물의 스트레스 수준을 나타내는 것인 방법.
  13. 선행 청구항들 중의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 광강도 변조 성분은 0.001~100 rad/s 범위의 주파수 성분을 가지는 변조 신호인 것인 방법.
  14. 선행 청구항들 중의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 광강도 변조 성분은 PRBS (유사 랜덤 이진 시퀀스) 신호 및 랜덤 광대역 신호로부터 선택되는 것인 방법.
  15. 선행 청구항들 중의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 입력광과 상기 검출광 간의 결정된 위상 또는 이득에 따라, 상기 편차광 강도를 제어하여 상기 위상 또는 상기 이득의 특성을 변조하는 것인 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 하나의 항의 단계들 및 상기 결정된 생장 상태 및 식물의 소망하는 생장 상태에 기반하여, 상기 소망하는 생장 상태로 식물의 생장을 변조하기 위하여 상기 입력광의 특성을 제어하는 단계를 포함하는 식물 생장 제어 방법.
  17. 식물을 향해 광을 방출하도록 배치된 1개 이상의 발광 장치 (104)와,
    상기 식물로부터 방출된 광을 검출하기 위한 1개 이상의 광 센서 (110)와,
    상기 식물 주변의 인공광과 임의의 주변광을 포함하는 편차광 강도를 측정하기 위한 수단과,
    상기 1개 이상의 발광 장치를 제어하고, 상기 1개 이상의 광 센서로부터 검출된 광에 관련된 정보를 수신하기 위하여 배치한 제어 유닛 (108)을 포함하고, 이 제어 유닛은
    상기 편차광 강도와 함께 입력광을 형성하는 광강도 변조 성분을 방출하도록 상기 1개 이상의 발광 장치를 제어하고,
    상기 입력광과 상기 검출광 간의 위상 및 이득을 결정하며,
    입력광과 검출광 간의 소정의 관계 및 상기 위상 및 상기 이득에 기초하여 식물의 생장 상태를 결정하도록 구성된 것인 식물의 생장 상태 결정 시스템 (100, 500).
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