A Low-Power Optical Sensor With Dynamically Adjustable Field of View for Photosynthetically Active Radiation (PAR) Measurement

Einführung in PAR-Messung

  • Die Charakterisierung von Licht als photosynthetically active radiation (PAR) ist entscheidend für das Modellieren und Überwachen des Pflanzenstoffwechsels und der Entwicklung.

  • Bisherige PAR-Sensorlösungen erforderten durchschnittliche Messungen von mehreren Messpunkten, was menschliche Bedienung erforderte.

Neues Sensor-Konzept

  • Entwicklung eines neuartigen Sensors, der mit einer einzelnen Einheit Licht aus verschiedenen Bereichen des Baumdachs messen kann.

  • Der Sensor hat eine dynamisch einstellbare Sichtfeld (FOV) in Zenit- und Azimutrichtungen.

  • Wesentliche Komponenten des Sensors:

    • Imaging Lins: sammelt einfallendes Licht.

    • Programmierbares LCD: wirkt als optischer Verschluss.

    • Diffusor: lenkt das Licht zum Sensor.

    • AS7341 multispektraler Sensor: misst einfallendes Licht.

Sensor Kalibrierung und Charakterisierung

  • Der prototypische Sensor erreichte eine mittlere prozentuale Fehlerquote von 6.78% bei PAR-Messungen und eine normalisierte quadratische Abweichung von 4.82%.

  • Die räumliche Auflösung des Sensors beträgt 7° in der θ-Richtung und 15° in der φ-Richtung.

  • Der Sensor hat eine Leistungsaufnahme von 19.54 mW und könnte bei täglicher Nutzung über zwei Jahre hinweg betrieben werden.

Bedeutung des Sensors

  • Ermöglicht kontinuierliche Überwachung der PAR ohne menschliches Eingreifen.

  • Konnte mit bestehenden Sensoren konkurrieren und bietet eine kosteneffiziente Lösung.

  • Unterstützt präzisere Modellierungen des Pflanzenstoffwechsels durch ununterbrochene Messungen.

Technologische Überlegungen und Alternativen

  • Mechanische und optische Verschlüsse in Betracht gezogen, wobei die Verwendung des LCDs favorisiert wurde.

  • Mikro- und makromechanische Lösungen wurden evaluiert, wobei die LCD-Technologie als am kosteneffizientesten betrachtet wurde.

  • Heterogene Baumkronen können besser mit dem dynamisch einstellbaren FOV behandelt werden.

Sensor Komponente Überblick

Imaging Lins

  • Erfasst Licht und projiziert es in die FOV.

  • Beeinflusst durch Vignetting, insbesondere bei Weitwinkelobjektiven.

LCD

  • Regelt Lichtdurchlässigkeit und unterscheidet zwischen verschiedenen Lichtquellen.

  • Hohe Kontrastwerte sind wichtig für präzise Messungen.

Diffusor

  • Streut das Licht gleichmäßig zum Sensor.

  • Empfohlen für die Verwendung eines Bulk-Diffusors, um eine cosine response zu gewährleisten.

AS7341 Sensor

  • Multispektralsensor mit mehreren Photodioden, reagiert auf ein breites Spektrum.

  • Bietet mehr Informationen über die Zusammensetzung des einfallenden Lichts.

PAR Messmodell

  • Messung des PAR erfolgt in Bezug auf die Lichtabsorption von Pflanzen und variiert je nach Wellenlänge.

  • Zwei Ansätze zur Messung von PAR:

    • Yield Photon Flux (YPF) berücksichtigt das Aktionsspektrum.

    • Photosynthetic Photon Flux (PPF) ignoriert das Spektrum und summiert einfallendes Licht.

Fazit

  • Der entwickelte Sensor bietet eine neuartige Lösung zur kontinuierlichen Überwachung von PAR mit wichtigen Anwendungsmöglichkeiten in der Umwelt- und Landwirtschaft.

  • Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Validierung des Sensors unter realen Bedingungen konzentrieren.