LED植物照明发展关键因素及测量技术分析

近年来，随着设施农业的快速发展，对植物照明的研究越来越多，LED光源以其特有的优势，使其在植物照明领域被广泛应用。由于植物生长对光环境的光学参数有一定的要求，因此需要有相应的测量技术及仪器来精确测量光环境的光学参数是否符合相应植物的生长需求，以此选择出合适的光源，确定光源的数量及排布，根据植物对光的合理需求为光源研制应用提供适宜的方案。

LED照明产品在用于植物栽培照明时，不仅要考量其基本的光度、辐射度性能，还需根据植物的光合作用特性，在光量子系统和植物光度系统中考量植物受照面的光量子密度以及植物光度学参数，从而综合评价植物照明光源的性能。

植物照明的关键因素及对照明产品的要求

首先，光质。植物一般依靠叶片中的叶绿素吸收照射光，其吸收波段一般处于蓝光和红光区域，如图1所示。吸收光在植物体内经光合作用转换为有机能量，用以生长繁殖。因此，对于植物照明产品，首先应考量其吸收波段的辐照度，一般为400nm~500nm蓝光和600nm~700nm红光波段的辐照度，以及需要确定所选组合植物照明的光谱组成、范围、峰值波长和色温等。

其次，光密度。植物接受光密度不同，将直接影响植物的生长发育和结构特征。如光密度减弱时，会出现同作物减少，花芽分化推迟、子房发育不良等现象。由于，植物与人眼对光谱的响应特性不同，人眼对光的感知量一般在光度系统中实现测量，而植物的光合作用则一般在光量子系统和植物光度系统中实现测量评价，评价参数为光量子通量密度(PPFD)。Mc.Cree通过大量的研究表明在400-700nm之间，用光量子通量密度评价光合作用的有效辐射能取得与实际光生物效应符合较好的效果。

再次，光均匀性。由于LED发光具有较强的方向性，且可能存在空间光色分布均匀性，因此，在大面积种植场合，还应考察植物受照面上辐射照度均匀性，以获得高质量的均匀照明环境。

最后，昼长。不同植物对光谱的需求不同，不同生长阶段对光谱的需求也不同，设施农业中的人工补光必须遵循植物的光生理特性，才能达到最佳的补光效果。因此，不仅需要准确测量LED光源的光谱组成，还要能够知悉照度随时间变化的情况。

植物生长用LED照明产品的测量

以往在植物照明领域，常使用光量子计来进行测量，但光谱的匹配实际很难做到完美匹配，甚至失匹配会相对严重，对测量精度影响较大。随着光谱测量技术的发展，基于光谱法的测量技术和设备也日趋成熟，并逐步应用至植物照明检测领域。

植物光合作用的光谱相应曲线与人眼的光谱光视效率曲线不同，因此在评价各种光源的照射效果时，需按照植物的光谱响应曲线评价照射效果。而光谱法不仅不存在任何失匹配问题，而且可以在全光谱范围内对照明产品的光质、光密度、光照均匀度各方面性能进行评价。但一般的光谱测量存在线性较差和杂散光影响等问题，从另一方面限制了测试精度，也对测量设备提出了新的要求。远方手持式SPIC-200 光谱彩色照度计即可解决上述问题。

SPIC-200照度计解决了传统照度计及色度计的光谱失配困扰，实现零失配，采用具有国际专利的SBCT(分光-积分相结合)技术，大幅拓宽了光度测量范围和提高精度，该方法将积分法和光谱法相结合，通过对光谱测量绝对值的精确修正来提升光谱测量的线性，以获得LED植物照明产品准确的性能参数，是世界公认的光度/辐射度测量的最高精度的方法。其照度精度保证在4%以内，其实际照度测量范围更是扩展为0.1lx～200klx，最低可测量0.1lx， f1’≈0，是当今世界同类仪器最高水平。

此外，采用专利的复变矩阵杂散光校正技术，使光谱测量中的杂散光控制能力提高1~2个数量级，杂散光的影响做到了≤0.3%。

主要技术指标

波长范围：380nm～760nm

波长准确度：±0.5nm

照度测量范围：0.1lx～200klx

照度准确度：±4%(读数+1个字)

杂散光：≤0.3%

色品坐标准确度：±0.001(相对于溯源至NIM的稳定度优于±0.0001的标准光源)

通过具有空间余弦相应的接收头和智能分析软件，可以方便实现多个系统之间的换算，准确获得相对光谱功率分布、光合辐照度、光量子密度、色品坐标、光照均匀性、峰值波长、主波长、各波段辐射照度比、色温、显色指数等参数。

可测量一般参数

1) 相对光谱功率分布P(λ)

2) 光谱辐照度E(λ)

3) 色品坐标：(x，y)、(u，v)、(u’，v’)

4) 相关色温Tc

5) 显色指数Ra，Ri (i=1～15)

6) 色容差SDCM(麦克亚当椭圆、矩形框以及CIE u’v’圆)

7) 峰值波长、半宽度

8) 色纯度，主波长

9) 红色比

10) 光照度E、辐射照度Ee

11) 更多测量功能可定制

可测量植物照明参数：

对于精度要求较高的现场测量，需要体积小巧、测量速度快的测量仪器，以便于随身携带、随时对地读取数据。SPIC-200拥有4.2 寸触控屏、设计精巧，极具手机握感，一键操作，一步完成实地测量与分析，真正称得上是数据实时读取，毫秒级精准测量。内置大容量SD 移动存储卡、智能操作系统等现代科技，通过高速WIFI传输，可借由智能手机APP在手机上以及电脑上显示各个参数，并且数据可以通过excel，jpg等多种格式输出。

也就是说，与光量子测量仪相比，SPIC-200波长测量范围更宽、测量精度更高，植物测量的适用性更广，可广泛应用于植物工厂、无土栽培、温室等植物生长中光辐射的现场监控。

小结

LED植物照明产品的性能评价涉及多个计量系统，评价参数较多，且其光谱较窄，无论是对测试硬件还是软件，都有较高要求，如光辐射探测器的匹配问题以及光谱测量的精度等。

LED植物照明厂商以及相关科研机构应根据自身或标准要求，以光照对植物的影响为依据，选择合适的测量方案，全面而客观地评价LED植物照明产品的各项性能，进而设计植物生长照明系统或补光方案，做到绿色照明、高效照明。