为了探究红、 蓝光在番茄果实着色过程中的作用关系, 在人工光型植物工厂中采用岩棉种植微型番茄, 以各发育阶段番茄果实在不同LED红蓝光模式下的反射光谱为切入点, 通过对纯红光、 红蓝组合光以及不同间隔的交替光照射下番茄果实色相指标和反射光谱的分析, 研究了不同的红蓝光照射模式对番茄果实光谱特性及着色的影响。 结果表明: (1) R6h/RB2h(纯红光/红蓝组合光6 h/2 h)交替供光模式最有利于番茄果实中呈红色素(如β-胡萝卜素和番茄红素)的积累和叶绿素的分解, 最终促成番茄果实更早地转色; R(纯红光)供光模式作用效果仅次于R6h/RB2h; 相比之下, RB(红蓝组合光)供光模式不利于番茄果实呈红色素的积累和果实着色进程。 (2) 在促进番茄果实着色方面, 红光和蓝光之间既存在协同增强效应, 也存在信号串扰引发的削弱效应, 红光与红蓝组合光以一定的间隔进行交替辐射, 能最大化地发挥单一红光与红蓝混合光在番茄果实色素代谢及果实着色方面的积极作用。 (3) 转色期番茄果实红绿区域反射比(Red/Green)、 修正叶绿素吸收比指数(MCARI)、 光化学反射指数绝对值(|PRI|)等光谱参量所反映出的色素含量变化动态与Hue值所反映的番茄果实色相一致, 该时期番茄果实反射光谱特性与果皮着色有较高的统一性, 转色期番茄果实的反射光谱能够更好地反映番茄果实着色程度和着色进程。

现有的植物工厂采用“上光下植”的种植模式, 培养架的照度均匀度以及混色均匀度不高, 导致不同位置的植物生长情况良莠不齐, 严重影响工厂生产效益。为解决这一问题, 提出一种高照明均匀度植物光源及植物培养架设计方案, 将光源“倒置”于种植平面两侧的三棱柱凸台, 利用棱柱斜面初次分配光线并提高其分布均匀性, 进一步通过培养架顶部反射增加混光距离, 提高光线耦合程度, 从而提高混色均匀度和照度均匀度。借助TracePro软件对提出的光学结构进行仿真分析, 利用Taguchi方法设计并进行实验, 最终利用ANOVA理论分析出各因子对品质的影响程度并进一步优化结果, 获得照度均匀度为94.30%、混色均匀度为90%的最优设计方案。最后通过测量种植面和植物体表面照度及光谱的分布情况检测植物的生长是否会对光线有遮挡, 结果表明该植物照明系统可以保持植物在生长过程中种植面和植物体顶部及侧面都具有良好的照明效果, 遮挡问题几乎可以忽略不计, 并保证植物生长过程中良好的照明效果。

在现代农业生产中, 常采用发光二极管(LED)作为植物照明光源对农业作物进行补光, 为提高LED植物照明阵列光源的均匀度, 本文在光量子体系下, 提出一种新的基于粒子群算法的LED植物照明阵列光源设计方法。通过MATLAB对红蓝光LED植物光源阵列进行数学建模, 运用粒子群算法寻找高均匀度条件下的红蓝光LED坐标, 设计出二维情况下的红蓝光LED排布阵列; 在三维情况下, 为解决维度升高时可能会导致的求解陷入局部极小问题, 采用改进的随机惯性权粒子群算法进行三维方案设计, 并使用Tracepro对两种设计方案进行验证, 与传统的红蓝光LED等间距逐行排列设计进行了对比。研究结果表明, 与常见逐行排列LED阵列设计达到的光量子通量密度(PPFD)均匀度为79.6%相比, 通过粒子群算法寻优的设计方法, 二维设计方案的PPFD均匀度达到88.7%, 较等间距逐行排列设计提高了9.1%; 三维设计方案的PPFD均匀度达到92.6%, 较二维设计方案提高了3.9%, 较等间距逐行排列设计提高了13%。本实验证明了运用粒子群算法在二维和三维空间进行LED植物照明阵列光源设计的可行性, 在简易设计流程的同时, 提高了工作效率。

针对目前植物照明灯具混光混色均匀度差、难以满足植物工厂高效生产作物产品的问题提出了一种高均匀度的植物面光源的设计方案。利用一种棱锥状的光学元件将LED发出的光线划分为透射、反射和直射3部分，增加了光线的耦合程度，进而提高了出光面上的混光和混色均匀度。进一步采用照度均匀度代替光量子通量密度的均匀度并且联同混色均匀度作为考察指标，利用Taguchi方法设计并进行实验，研究不同因子对光源均匀度的影响，得出实验结果后进行优化，最终获得了一个照度均匀度为92.13%、混色均匀度为89.72%的植物照明面光源。

在全密闭植物工厂中水培种植中药蒲公英, 以发射不同波段光谱的荧光灯及LED灯作为药材生长光源, 并结合ICP–AES技术分析了不同光谱条件对蒲公英无机元素吸收和积累的影响。结果表明: (１)相近的光合有效辐射(PAR)条件下, 单一红光R及混合光FLRB有利于水培蒲公英可食生物量的积累, 单一蓝光B处理下可食生物量最低;(2)荧光灯FL条件下蒲公英地上部分常量无机元素含量比值为K∶Ca∶P∶Mg∶Na=79.74∶32.39∶24.32∶ 10.55∶1.00, 微量无机元素含量比值为Fe∶Mn∶B∶Zn∶Cu=9.28∶9.71∶3.82∶2.08∶1.00;(3)峰值为660 nm的红光有利于蒲公英对Ca, Fe, Mn, Zn元素的吸收, Cu元素含量受光谱条件的影响不明显;(4)蒲公英地上部分对Ca, Na, Mn, Zn四种元素的积累量均在纯红光R下最高, 而对其余六种元素的积累量以混合光FLRB条件下最高。