BR112019013065B1

BR112019013065B1 - Sistema e método para determinar um estado de plantas

Info

Publication number: BR112019013065B1
Application number: BR112019013065-9A
Authority: BR
Inventors: Stefan Reusch; Lars WUNTKE; Daniel Stephan; Christoph MATTOLAT
Original assignee: Yara International Asa
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2022-11-08
Also published as: AU2017387699B2; CN110087452B; PL3562297T3; EP3562297B1; LT3562297T; ES2858324T3; ZA201903889B; AU2017387699C1; US20200084958A1; EP3562297A1; CA3048310A1; HUE054153T2; EP3562297B8; CN110087452A; CA3048310C; BR112019013065A2; US11234361B2; WO2018122236A1; US20220110243A1; DK3562297T3

Abstract

A invenção se refere a um sistema e a um método para determinar o estado de plantas. O sistema inclui um transmissor de luz arranjado para prover iluminação de banda larga a uma ou mais plantas. O sistema inclui um receptor de luz que inclui uma pluralidade de canais receptores, os canais receptores arranjados para receber luz a partir das ditas uma ou mais plantas em bandas de comprimento de onda mutuamente diferentes. O sistema inclui uma unidade de processamento arranjada para determinar o estado de uma ou mais plantas com base na luz recebida pela pluralidade de canais receptores. O transmissor pode ser arranjado para transmitir rajadas de luz modulada.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A invenção se refere a um sistema e método para determiner um estado de plantas, tal como um ou mais parâmetros biofísicos de plantas, por exemplo, biomassa e/ou captação de nitrogênio.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] Sabe-se determinar um estado de plantas, tal como um estado nutricional de plantas com a ajuda de teor de clorofila. O teor de clorofila é usualmente determinado por meio de medições de refletância óptica. Fontes de luz artificiais são algumas vezes usadas para aumentar a independência de condições de luz ambiente.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[003] É um objetivo prover um sistema melhorado para a determinação de um estado de plantas.

[004] De acordo com a invenção, é provido um sistema para determinar um estado de plantas. O sistema inclui um transmissor de luz arranjado para transmitir luz de banda larga a uma ou mais plantas. O sistema inclui um receptor de luz que inclui uma pluralidade de canais receptores, os canais receptores arranjados para receber luz a partir das ditas uma ou mais plantas em bandas de comprimento de onda mutuamente diferentes. O sistema inclui uma unidade de processamento arranjada para determinar o estado das ditas uma ou mais plantas com base na luz recebida pela pluralidade de canais receptores.

[005] De acordo com um aspecto, o transmissor de luz é arranjado para transmitir a luz em rajadas moduladas. Uma rajada pode incluir uma pluralidade de pulsos de luz. O transmissor de luz pode ser arranjado para alternadamente durante um primeiro período transmitir luz modulada e durante um segundo período não transmitir substancialmente luz. Portanto, o transmissor de luz pode alternar entre transmitir uma rajada de pulsos de luz e não transmitir substancialmente luz. Opcionalmente, o receptor é arranjado para receber luz em sincronização com a modulação do transmissor de luz. A transmissão da luz em rajadas moduladas ou como um sinal de luz alternado tem a vantagem que, devido à modulação da luz, a luz ambiente pode ser suprimida. A unidade de processamento pode ser arranjada para suprimir a luz ambiente. Além disso, durante as rajadas, altos níveis de iluminação podem ser alcançados enquanto se reduz a carga térmica do transmissor de luz.

[006] De acordo com um aspecto, o transmissor de luz inclui uma pluralidade de canais transmissores. Os canais transmissores podem ser arranjados para transmitir luz em bandas de comprimento de onda mutuamente diferentes. Cada canal transmissor pode incluir uma ou mais fontes de luz individuais. Isto provê a vantagem de que a luz de banda larga pode ser provida por uma pluralidade de canais transmissores. Portanto, o espectro da luz de banda larga pode ser facilmente sintonizado. Também, a degradação de fontes de luz ao longo do tempo pode ser compensada por medição regular da intensidade real de cada canal transmissor através de um fotodiodo situado dentro do transmissor.

[007] Opcionalmente, o número de canais transmissores é diferente, tal como menor que ou maior que, do número de canais receptores. Portanto, não há correspondência de um a um entre os canais transmissores e os canais receptores. Isto provê a vantagem de que os comprimentos de onda centrais do receptor podem ser mais flexivelmente adaptados às necessidades reais e - pelo menos até certo ponto - não dependem da disponibilidade física de fontes de luz com certos comprimentos de onda centrais. Por exemplo, o comprimento de onda central de um canal receptor, ou do receptor de luz, pode ser ajustado utilizando um ou mais filtros, tais como filtros de interferência. No entanto, o número de canais transmissores também pode ser igual ao número de canais receptores.

[008] Opcionalmente, um comprimento de onda central de uma banda de comprimento de onda de pelo menos um dos canais transmissores é diferente dos comprimentos de onda centrais das bandas de comprimento de onda dos canais receptores. Opcionalmente, um comprimento de onda central de uma banda de comprimento de onda de pelo menos um dos canais receptores é diferente dos comprimentos de onda centrais das bandas de comprimento de onda dos canais transmissores. Portanto, não há correspondência de um a um entre os canais transmissores e os canais receptores.

[009] De acordo com um aspecto, os canais transmissores são opticamente misturados através de óptica transmissora dedicada a um único eixo geométrico óptico. Isto provê a vantagem de que o espectro da luz de iluminação provido pela pluralidade de canais transmissores seja substancialmente homogêneo através de um campo de iluminação em torno do eixo geométrico óptico. Ainda, o sombreamento parcial da óptica (por exemplo, sujeira ou similar) não, ou não significativamente, altera a composição espectral da iluminação.

[0010] Opcionalmente, as intensidades de canais transmissores individuais podem ser monitoradas e/ou controladas através de um receptor óptico situado dentro da óptica transmissora. Isto permite a correção de canais transmissores individuais para a degradação, por exemplo, das fontes de luz. Adicionalmente, ou alternativamente, isto permite a verificação da funcionalidade do canal transmissor, e, por exemplo, a geração de um alarme se um canal transmissor (por exemplo, uma fonte de luz do mesmo) não funcionar, ou não funcionar adequadamente.

[0011] De acordo com um aspecto, cada canal receptor inclui pelo menos um detector de luz. O receptor pode incluir um multiplexador para multiplexar sinais de medição a partir dos canais receptores individuais em um único sinal receptor. O receptor pode incluir um ou mais conversores analógico para digital, ADC. Opcionalmente, o multiplexador é colocado a montante de um ADC. Isto provê a vantagem de que os sinais analógicos provenientes dos canais receptores individuais podem ser multiplexados primeiro e digitalizados a seguir. Assim, um único sinal digital pode ser construído utilizando um único ADC.

[0012] De acordo com um aspecto, cada canal receptor pode incluir um conversor de corrente em tensão acoplado à CA (CA-CV), um amplificador de CA de passagem de banda, um retificador de fase, um integrador e um circuito de retenção. Assim, a luz emitida pelo transmissor de luz como uma rajada modulada, por exemplo, como pulsos, e refletida por plantas pode ser recebida por pelo menos um detector de luz, tal como um fotodiodo. Um conversor de corrente em tensão acoplado à CA deve ser incluído para converter o sinal detector de luz em uma tensão. O sinal é amplificado no amplificador de CA de passagem de banda. O conversor de CA-CV e o amplificador de CA de passagem de banda suprimem qualquer componente de CC no sinal recebido. O retificador de fase retifica o sinal dependente da fase do sinal recebido, de modo a obter a amplitude do sinal. A retificação faseada permite discriminar entre sinais de amplitude similar, mas de fase diferente. De preferência, o retificador de fase é sincronizado com o transmissor de luz. O integrador integra a luz recebida durante a emissão (parte de) de rajada de luz. Isto é representativo da quantidade de luz transmitida refletida pelas plantas. Ainda, o integrador provê supressão melhorada de ruído. O sinal integrado pode ser conservado pelo circuito de retenção até o multiplexador permitir a transferência do sinal para o ADC. Portanto, os múltiplos canais receptores podem ser digitalizados por um único ADC.

[0013] O sistema pode incluir um gerador de sinal para gerar uma frequência de portadora. A frequência de portadora pode determinar a frequência de pulso do transmissor de luz. De preferência, o gerador de sinal é conectado tanto ao transmissor de luz quanto ao receptor de luz. Portanto, a sincronização entre o transmissor de luz e o receptor de luz pode ser obtida.

[0014] Além da frequência de portadora, o sistema pode também ser arranjado para estabelecer uma frequência de rajada e duração de rajada e opcionalmente duração de pulso. Opcionalmente, a frequência de portadora, a frequência de rajada, a duração de rajada e a duração de pulso opcional são ajustáveis.

[0015] De acordo com um aspecto, cada canal receptor inclui um detector de luz e óptica dedicada, tal como um filtro e/ou lente de passagem de banda. Opcionalmente, as partes mecânicas de todos os canais receptores são montadas em um quadro receptor comum. Isto pode ajudar a minimizar a deriva de sinal entre os canais receptores, por exemplo, devido a diferenças de temperatura

[0016] De acordo com um aspecto, o sistema inclui um receptor de luz que inclui uma pluralidade de canais receptores, os canais receptores sendo arranjados para receber luz em bandas de comprimento de onda mutuamente diferentes.

[0017] De acordo com um aspecto, um primeiro canal receptor é arranjado para receber luz em um comprimento de onda de uma banda de reflexão ou absorção conhecida de interesse. Opcionalmente, um segundo canal receptor é arranjado para receber luz em um diferente comprimento de onda. Opcionalmente, o segundo canal receptor é arranjado para receber luz em um comprimento de onda adjacente à dita banda de absorção de interesse. A luz recebida pelo segundo canal receptor pode ser usada como um valor de referência em vista da luz recebida pelo primeiro canal receptor. A unidade de processamento pode, por exemplo, ser arranjada para determinar uma razão de dados representativos da luz recebida pelo segundo canal receptor e dados representativos da luz recebida pelo primeiro canal receptor. A unidade de processamento pode, por exemplo, ser arranjada para dividir dados representativos da luz recebida pelo segundo canal receptor por dados representativos da luz recebida pelo primeiro canal receptor.

[0018] De acordo com uma modalidade, a luz recebida pela pluralidade de canais receptores, é indicativo do teor de clorofila de uma ou mais plantas iluminadas pela iluminação de banda larga.

[0019] Opcionalmente, o receptor de luz inclui um canal receptor de clorofila sintonizado em uma borda da banda de absorção de clorofila, tal como a cerca de 730 nm. O dito canal receptor de clorofila pode ser arranjado para ter uma sensibilidade em uma faixa de comprimento de onda incluindo a banda de absorção de clorofila. Portanto, o dito canal receptor de clorofila é sensível à absorção de luz transmitida pela clorofila de plantas iluminadas pelo transmissor de luz. Portanto, o dito canal receptor de clorofila pode prover dados, representativo da presença e quantidade de clorofila dentro de um campo de visão do dito canal receptor de clorofila. Opcionalmente, um canal receptor de referência de clorofila é incluído, arranjado para ter uma sensibilidade em uma faixa de comprimento de onda, próximo à banda de absorção de clorofila, tal como de cerca de 760 a 800 nm, com nenhuma ou pelo menos reduzida sensibilidade na banda de absorção de clorofila. O dito canal de referência de clorofila pode ser usado como uma referência para a determinação da clorofila. Opcionalmente, a unidade de processamento pode ser arranjada para calcular uma razão de quantidades de luz recebida pelo canal receptor de clorofila e pelo canal receptor de referência de clorofila. Opcionalmente, a unidade de processamento pode ser arranjada para calcular uma razão de sinais representativos de quantidades de luz recebidas pelo canal receptor de clorofila e pelo canal receptor de referência de clorofila.

[0020] Opcionalmente, o receptor de luz inclui um canal receptor de água sintonizado em uma banda de absorção de água, tal como a cerca de 970 nm. O dito canal receptor de água pode ser arranjado para ter uma sensibilidade em uma faixa de comprimento de onda que inclui a banda de absorção de água. Portanto, o dito canal receptor de água é sensível à absorção de luz transmitida por água nas ou sobre as plantas iluminadas pelo transmissor de luz. Assim o dito canal receptor de água pode prover dados representativos da presença e da quantidade de água dentro de um campo de visão do dito canal receptor de água. Opcionalmente, um canal receptor de referência de água é incluído arranjado para ter uma sensibilidade em uma faixa de comprimento de onda próxima à banda de absorção de água, tal como a cerca de 900-930 nm, tendo uma sensibilidade pelo menos reduzida na banda de absorção de água. O dito canal de referência de água pode ser usado como uma referência para a determinação da água. Opcionalmente, a unidade de processamento pode ser arranjada para calcular uma razão de quantidades de luz recebida pelo canal receptor de água e pelo canal receptor de referência de água. Opcionalmente, a unidade de processamento pode ser arranjada para calcular uma razão de sinais representativos de quantidades de luz recebidas pelo canal receptor de água e pelo canal receptor de referência de água.

[0021] Opcionalmente, o sistema inclui um terceiro canal receptor arranjado para receber luz em um terceiro comprimento de onda diferente do primeiro e segundo comprimentos de onda, em que o sistema é arranjado para utilização de luz recebida pelo terceiro canal receptor como um valor de referência em vista da luz recebida pelo primeiro canal receptor e em vista da luz recebida pelo segundo canal receptor. Opcionalmente, o terceiro canal receptor é um canal receptor de referência sintonizado em uma banda de absorção de referência, tal como cerca de 670 nm. O dito canal receptor de referência pode ser arranjado para ter uma sensibilidade em uma faixa de comprimento de onda incluindo o comprimento de onda de referência. Portanto, o dito canal receptor de referência pode prover referência adicional, por exemplo, para a finalidade de supressão de efeitos de orvalho e/ou poeira sobre as plantas. A unidade de processamento pode ser arranjada para subtrair um sinal recebido pelo canal receptor de referência do sinal recebido pelo canal receptor de clorofila e pelo canal receptor de referência de clorofila antes de determinar a razão do mesmo. A unidade de processamento pode ser arranjada para subtrair um sinal recebido pelo canal receptor de referência a partir do sinal recebido pelo canal receptor de água e pelo canal receptor de referência de água antes de determinar a razão do mesmo.

[0022] Opcionalmente, o receptor de luz inclui canais receptores tendo sensibilidade em bandas de comprimento de onda em torno de 670, 730, 740, 760, 900 ou 970 nm, respectivamente. Opcionalmente, as bandas de comprimento de onda têm uma largura total na metade máxima (FWHM) de aproximadamente 5-20 nm, tal como aproximadamente 10 nm.

[0023] Opcionalmente, o transmissor de luz tem um canal transmissor espectralmente sobreposto transmitindo luz em bandas de comprimento de onda em torno de 660, 730, 770, 840, 880 ou 950 nm. Opcionalmente, as bandas de comprimento de onda têm um FWHM de aproximadamente 20-50 nm. O transmissor de luz pode, por exemplo, incluir canais transmissores em torno de 660, 730 e 770 nm.

[0024] De acordo com um aspecto, a unidade de processamento é arranjada para calcular um índice vegetativo com base na luz recebida pela pluralidade de canais receptores.

[0025] De acordo com um aspecto, a unidade de processamento é arranjada para determinar a biomassa e/ou a captação de nitrogênio da canópia de cultivo.

[0026] De acordo com um aspecto, o sistema inclui uma unidade de comunicação arranjada para comunicar dados representativos do estado de plantas determinadas para um dispositivo de usuário, tal como uma unidade de controle, TABLET, telefone inteligente, laptop, computador ou similar.

[0027] De acordo com um aspecto, o sistema é montado em um veículo ou aparelho móvel. O veículo pode ser um veículo com base em superfície tal como um trator, segadeira, robô, veículo não tripulado, veículo autônomo, etc., ou um veículo aéreo tal como um drone, helicóptero, avião, aeronave delta, porta elevadora, balão, etc. O aparelho móvel pode ser um pivô central/irrigador linear ou similar. Alternativamente, o sistema pode ser montado fixo sobre uma área representativa do campo para monitorar continuamente o crescimento do cultivo durante a estação. Alternativamente, o sistema pode ser executado por uma pessoa a fim de medir manualmente áreas selecionadas no campo durante caminhada de campo.

[0028] De acordo com um aspecto, o sistema é arranjado para controlar um sistema aplicador de taxa variável, tal como um sistema de fertilização, sistema de irrigação, sistema de fertigação, e, em particular, um espalhador de fertilizante montado sobre ou puxado por um trator, ou similar.

[0029] De acordo com um aspecto, um método é provido para determinar um estado de plantas. O método inclui transmitir iluminação de banda larga a uma ou mais plantas utilizando um transmissor de luz, que recebe luz a partir das ditas uma ou mais plantas em bandas de comprimento de onda mutuamente diferentes por um receptor de luz incluindo uma pluralidade de canais receptores, e que determina por uma unidade de processamento um estado de uma ou mais plantas com base na luz recebida pela pluralidade de canais receptores.

[0030] De acordo com um aspecto, a transmissão inclui transmitir luz em rajadas de luz moduladas.

[0031] De acordo com um aspecto, o transmissor de luz inclui uma pluralidade de canais transmissores, os canais transmissores sendo arranjados para transmitir luz em bandas de comprimento de onda mutuamente diferentes, em que um comprimento de onda central de uma banda de comprimento de onda de pelo menos um dos canais transmissores é diferente dos comprimentos de onda centrais das bandas de comprimento de onda do canal receptor.

[0032] De acordo com um aspecto, o método inclui receber luz em um primeiro comprimento de onda de uma banda de reflexão ou absorção conhecida de interesse, que recebe luz em um segundo comprimento de onda adjacente à dita banda de absorção de interesse, e que utiliza a luz recebida no segundo comprimento de onda como um valor de referência em vista da luz recebida no primeiro comprimento de onda.

[0033] Opcionalmente, a iluminação de banda larga transmitida é modulada, e a luz recebida pela pluralidade de canais receptores é detectada sincronizada com a luz transmitida modulada. Opcionalmente, o método inclui remover um componente de CC de um sinal representativo da luz recebida pela pluralidade de canais receptores.

[0034] De acordo com um aspecto, o método inclui o controle de um sistema aplicador de taxa variável, tal como um sistema de fertilização, um sistema de irrigação, um sistema de fertigação, e em particular um espalhador de fertilizante montado sobre ou puxado por um trator, com base no estado determinado das plantas.

[0035] Será observado que qualquer um dos aspectos, características e opções descritas em vista do sistema se aplicam igualmente ao método, e vice-versa. Também ficará claro que qualquer um ou mais dos aspectos, características e opções acima podem ser combinados.

BREVE DESCRIÇÃO DO DESENHO

[0036] A invenção será adicionalmente elucidada com base em modalidades exemplificativas que são representadas em um desenho. As modalidades exemplificativas são fornecidas a título de ilustração não limitativa. Observa-se que as Figuras são apenas representações esquemáticas de modalidades da invenção que são fornecidas a título de exemplo não limitativo.

[0037] No desenho: a Figura 1 mostra uma representação esquemática de um sistema para determinar um estado de plantas; a Figura 2 mostra uma representação esquemática de um sistema para determinar um estado de plantas; a Figura 3 mostra um diagrama esquemático de temporização; a Figura 4 mostra uma representação esquemática de um receptor; as Figuras 5A e 5B mostram representações esquemáticas de um sistema.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0038] A Figura 1 mostra uma representação esquemática de um sistema 1 para a determinação de estado de plantas 2. O sistema 1 inclui um transmissor de luz 4 e um receptor de luz 6. O transmissor de luz 4 é arranjado para prover iluminação de banda larga. Neste exemplo, o transmissor de luz inclui três canais transmissores 8. Cada canal transmissor de luz 8 inclui pelo menos uma fonte de luz 10. Neste exemplo, cada canal transmissor 8 inclui mais de uma fonte de luz 10. Aqui, as fontes de luz são fontes de luz de LED. O número de fontes de luz por canal foi escolhido para obter a iluminação de banda larga desejada. O número e o comprimento de onda de fontes de luz por canal podem ser escolhidos para obter a iluminação de banda larga desejada. Neste exemplo, as fontes de luz são arranjadas para transmitir luz em bandas de comprimento de onda em torno de 660, 730 e 770 nm, respectivamente. O transmissor 4 inclui óptica 12 para colimação, focalização ou luz divergente emitida pelas fontes de luz 10 em direção às plantas sob estudo.

[0039] O receptor de luz 6 inclui uma pluralidade de canais receptores 14. Os canais receptores 14 são arranjados para receber luz em bandas de comprimento de onda mutuamente diferentes. Neste exemplo, cada canal receptor 14 inclui um sensor de luz 16, aqui um fotodiodo. Cada canal receptor 14 inclui um filtro de passagem de banda 18. Os filtros de passagem de banda 18 conformam a sensibilidade dos canais receptores. Neste exemplo, os filtros passagem de banda são centrados em torno de 670, 730, 740 e 760 nm, respectivamente. A FWHM é de cerca de 10 nm. Cada canal receptor 14 inclui uma óptica 20 para focalizar a luz refletida das plantas 2 sobre o respectivo sensor de luz 16.

[0040] A Figura 2 mostra uma representação esquemática do sistema 1. Neste exemplo, o transmissor de luz 4 é mostrado como uma unidade tendo a pluralidade de fontes de luz 10 próximas ao eixo geométrico óptico 102 do alojamento de transmissor de luz 104. Todas as fontes de luz 10 são colocadas em um substrato comum. Portanto, os feixes em diferentes bandas de comprimento de onda podem apresentar uma sobreposição ideal sobre as plantas. Neste exemplo, todos os canais transmissores de luz 8 compartilham uma óptica comum 12. Opcionalmente, os canais transmissores 8 são opticamente misturados através de óptica transmissora dedicada, tal que todos os canais transmissores 8 iluminam ao longo de um único eixo geométrico óptico. O receptor de luz inclui um alojamento receptor de luz 106. O alojamento receptor de luz 106 aloja todos os canais receptores de luz 14. Neste exemplo, o alojamento receptor de luz 106 é altamente termicamente condutor, para minimizar a diferença de temperatura entre os canais receptores 14. O alojamento receptor de luz pode, por exemplo, ser um bloco único de alumínio.

[0041] No exemplo da Figura 1, o sistema 1 inclui uma unidade de controle de transmissão de luz 22 arranjada para controlar os canais transmissores de luz 8. Neste exemplo, o sistema 1 inclui uma unidade de controle receptora de luz 24 arranjada para controlar os canais receptores de luz 14. Neste exemplo, o sistema 1 inclui uma unidade de processamento 26.

[0042] Aqui a unidade de processamento inclui um gerador de sinal 28 arranjado para gerar um sinal de portadora tendo uma frequência de portadora fc. O sinal de portadora é alimentado tanto no transmissor de luz 4 quanto no receptor de luz 6.

[0043] A unidade de controle do transmissor de luz 22 inclui um gerador de temporização 30 para gerar um sinal de temporização. Neste exemplo, o sinal de temporização é um sinal periódico que inclui uma rajada B que tem uma frequência de repetição de rajada (ou tempo de repetição de rajada TB) e um comprimento de rajada LB. A unidade de controle do transmissor de luz 22 é arranjada para ligar e desligar as fontes de luz 10 entre as rajadas. As fontes de luz 10 são ligadas e desligadas em uma sequência de tempo de acordo com a frequência de repetição de rajada e comprimento de rajada, em que, durante a rajada, as fontes de luz são moduladas por variação da intensidade de luz em forma de frequência de modulação. Na Figura 3, isto é representado como uma onda senoidal com 0% a 100% de intensidade de luz. Ligar e desligar as fontes de luz 10 de acordo com a frequência de portadora pode ser feito em um ciclo de trabalho de 50%, ou em qualquer ciclo de trabalho desejado. O ciclo de trabalho pode, por exemplo, ser ajustado de acordo com a necessidade. Por exemplo, a frequência de rajada pode ser de 10 Hz (10 rajadas por segundo). Um comprimento de rajada pode, por exemplo, ser de 250-1.000 μs. A frequência de portadora pode, por exemplo, ser de 100 kHz.

[0044] Durante a rajada, a luz emitida pelo transmissor de luz 4 é modulada pela variação da intensidade de luz na forma de frequência de modulação para permitir a obtenção de um sinal independente das condições de radiação natural. O receptor de luz 6 recebe sucessivamente um sinal de fundo puro devido à irradiação de luz natural, e o sinal de soma de transmissor de luz e irradiação natural. Por meio do bloqueio de CC (o conversor de corrente em tensão acoplado à CA, CA-CV, converte somente a parte de CA (ou parte modulada) do sinal de recepção. Portanto, a luz de fundo com sua parte de CC é bloqueada pelo conversor de corrente em tensão acoplado à CA), o componente da luz recebida em resposta unicamente à saída do transmissor de luz 4 pode ser facilmente determinado. Portanto, uma vez que o transmissor emite luz modulada, as plantas refletem luz modulada com intensidades específicas de comprimento de onda de acordo com sua resposta espectral. Os canais receptores recebem toda a luz (em sua respectiva banda de comprimento de onda), mas sinais que não são modulados com a mesma frequência e fase à medida em que a frequência de modulação não pode passar pelos eletrônicos.

[0045] Neste exemplo, cada canal receptor 14 tem seus próprios eletrônicos de processamento 32. A Figura 4 mostra um exemplo esquemático no qual os eletrônicos de processamento 32 são subdivididos em unidades. Neste exemplo, o sensor de luz 16 é um fotodiodo. A corrente gerada pelo sensor de luz 16 é convertida em uma tensão pelo conversor de corrente em tensão acoplado à CA 34. A tensão resultante é amplificada pelo amplificador de passagem de banda 36. Neste exemplo, a largura de banda do amplificador é de 20 kHz. De preferência, o conversor de corrente em tensão de CA e o amplificador passagem de banda retiram qualquer componente de CC do sinal. Será observado que o componente de CA do sinal corresponda à diferença entre o sinal de fundo e o ambiente somados (durante um pulso) e o sinal de fundo (entre os pulsos). Assim, isto suprime a luz ambiente. Neste exemplo, não há medição do sinal de fundo. O sinal de fundo é retirado pelos eletrônicos. O sinal de fundo é definido principalmente por um componente de CC e o componente de CA é gerado pelo transmissor de luz. Portanto, a supressão de fundo ocorre com o bloqueio de CC do CA-CV juntamente com o amplificador de passagem de banda. Assim, o sinal medido vindo do amplificador passagem de banda não contém um componente de fundo. Não obstante, para ter informações sobre os eletrônicos de medição (por exemplo, desvios térmicos ou outros) pode ser útil ter dados de medição a partir de um intervalo de tempo entre as rajadas. Neste intervalo de tempo a luz é desligada (componente de CA é zero) e o sinal de medição é apenas a resposta de sinal escuro dos eletrônicos. Entretanto, visto que neste caso o sinal de CC é retirado do sinal medido, o termo “sinal escuro” não implica que tal sinal inclua um sinal relacionado a “iluminação de fundo”.

[0046] A seguir, o sinal de CA é retificado por um retificador de fase 38 para obter a amplitude do sinal. Observa-se que o retificador de fase pode ser conectado ao gerador de sinal 28, de modo que o sinal recebido possa ser retificado em sincronização com os pulsos de luz transmitidos. Quaisquer componentes de sinal de CA que permaneceram após a remoção do componente de CC, e que não estejam faseadas com o sinal de modulação (assim possivelmente não causado pela iluminação modulada) também são retirados neste ponto.

[0047] O sinal retificado é alimentado a um integrador e circuito de retenção 40. O integrador integra o sinal por um período de tempo predeterminado. Isto contribui na redução de ruído. O tempo de integração pode ser conjugado com o comprimento das rajadas. O tempo de integração pode, por exemplo, ser de 250-1.000 μs.

[0048] A unidade de controle receptora de luz 22 inclui um comutador eletrônico ou multiplexador 42. Os circuitos de retenção 40 retém os valores integrados determinados até que o multiplexador 42 alimente os respectivos sinais integrados a um conversor analógico-digital 44.

[0049] Neste exemplo, o sistema adicionalmente inclui um sensor de luz adicional 16’ para determinar a intensidade das fontes de luz 10. Assim, qualquer desvio na saída de luz, por exemplo, devido à temperatura, maturação, etc., pode ser compensado. Além disso, o sensor de luz adicional permite monitorar as fontes de luz 10 para mau funcionamento. Para este fim, as fontes de luz individuais 10 podem, por exemplo, ser acesas sequencialmente uma após a outra e o sinal resultante é medido utilizando-se o sensor de luz adicional 16’. Será observado que é possível incluir um sensor de luz adicional dedicado 16’ para cada fonte de luz 10 ou para cada canal transmissor de luz 8.

[0050] Neste exemplo, a unidade de processamento 26 recebe os valores digitais representativos da luz recebida nos respectivos canais receptores. A unidade de processamento 26 é arranjada para determinar o estado das plantas 2 com base nos valores recebidos. A unidade de processamento 26 pode, por exemplo, ser arranjada para determinar um estado nutricional das plantas 2 com base nos valores recebidos. Os valores determinados pela unidade de processamento, representativos da intensidade de luz recebida pelos respectivos sensores de luz 26, são indicados como R670, R730, R740 e R760 neste exemplo, com referência aos comprimentos de onda centrais dos respectivos filtros de passagem de banda do canal receptor. Observa-se que a borda da banda de absorção de clorofila é situada a aproximadamente 730 nm. Portanto, o valor de R730 é representativo da quantidade de clorofila dentro do campo de visão daquele canal receptor. Portanto, o canal receptor tendo um comprimento de onda central de cerca de 730 nm pode ser classificado como canal receptor de clorofila. A transmissão da luz à medida que as rajadas moduladas e a retificação faseada já cancela os efeitos da iluminação ambiente. Portanto, não faz diferença se a medição é realizada de dia ou à noite. Comparar o valor na banda de absorção de clorofila, R730, com um valor fora da banda de absorção de clorofila, aqui R760, permite corrigir a quantidade de luz refletida que não contribui para a medição de clorofila, tal como reflexão sobre solo. O canal receptor tendo um comprimento de onda central de cerca de 760 nm aqui se qualifica como canal receptor de referência de clorofila. Será observado que para o canal receptor de referência de clorofila qualquer comprimento de onda central fora da banda de absorção de clorofila pode ser escolhido, tal como, mas não limitado a, 750, 755, 760, 765, 770, 775, 780 ou 785 nm, por exemplo, a 760 nm mencionada acima. Portanto, a unidade de processamento 26 pode, por exemplo, determinar a razão R760/R730 como índice representativo de clorofila.

[0051] Existe uma relação entre a quantidade total de clorofila e a quantidade total de nitrogênio dentro de uma canópia de cultivo. Portanto, as exigências de nitrogênio de cultivo podem ser determinadas com base nos dados de medição coletados a partir da canópia de cultivo. As plantas com níveis aumentados de nitrogênio tipicamente têm produzido mais clorofila e mais biomassa. Portanto, as plantas que parecem ser verdes mais escuras são percebidas como sendo mais saudáveis do que as plantas deficientes de nitrogênio. Assim, é possível sensorear remotamente ou medir a escala de verde da canópia e obter uma indicação de quantidade de clorofila e captação de nitrogênio. Quando a absorção determinada na banda de absorção de clorofila é alta, a quantidade total de clorofila nas plantas pode ser considerada alta, e os níveis de nitrogênio das plantas podem ser considerados altos. Portanto, a unidade de processamento pode determinar um estado nutricional de plantas. Após a calibração apropriada em testes de campo dedicado, a captação de nitrogênio pode, por exemplo, ser calculada a partir de SN =100 * Cc * (R760/R730-1), em que Cc pode ser uma função de calibração ou constante de calibração determinada na calibração. Também é possível que o R760 e R730 sejam calibrados individualmente.

[0052] A fim de suprimir os efeitos de orvalho e poeira sobre as plantas, uma correção adicional pode ser feita, utilizando o valor determinado por um canal receptor de referência, aqui o canal receptor com o comprimento de onda central de 670 nm. Pela subtração do valor da intensidade de luz recebida pelo canal receptor de referência a partir do valor do canal receptor de clorofila e do valor do canal receptor de referência de clorofila, essa correção adicional pode ser obtida. Portanto, a unidade de processamento 26 pode, por exemplo, determinar a razão (R760-R670)/(R730-R670) como índice corrigido representativo de clorofila. Novamente, a captação de nitrogênio pode ser calculada a partir de SN’= 100 * Cd * (R760-R670)/(R730-R670)-1) após a calibração apropriada. Aqui Cd pode ser uma função de calibração ou constante de calibração determinada na calibração. Também é possível que o R760, R670 e R730 sejam calibrados individualmente.

[0053] Em vez de, ou em adição, a determinação de clorofila, ou captação de nitrogênio, acima do solo, por exemplo, seco, a biomassa pode ser determinada. Além disso, bandas de comprimento de onda diferentes podem ser usadas, por exemplo, com base em uma banda de absorção de água tal como a 970 nm. Um canal receptor de água pode ser definido tendo um comprimento de onda central de cerca de 970 nm. Um canal receptor de água de referência pode ser definido tendo um comprimento de onda central de cerca de 900-930 nm, por exemplo, 900 nm. A determinação da biomassa pode ser independente da clorofila. A massa seca pode, por exemplo, ser calculada a partir de SDM =100 * Cw * (R900/R970 -1) ou de SDM’= 100 * Cw * ( (R900-R670)/(R970-R670)-1), em que Cw pode ser uma função de calibração ou constante de calibração determinada na calibração. Também é possível que o R900, R670 e R970 sejam calibrados individualmente.

[0054] A unidade de processamento 26 é arranjada para a produção dos resultados das medições conhecidas a um usuário. Além disso, a unidade de processamento 26 pode incluir uma unidade de comunicação 46. A unidade de comunicação 46 é arranjada para transmitir os resultados de medição, por exemplo, estado de plantas, tal como captação de nitrogênio ou biomassa, a um dispositivo de usuário 48. A comunicação pode ser com fio ou sem fio. O dispositivo de usuário 48 pode incluir um painel de controle. O painel de controle pode incluir um visor e/ou controles. O dispositivo de usuário pode ser um TABLET. O dispositivo de usuário pode ser um telefone inteligente.

[0055] A unidade de controle de transmissão de luz 22 neste exemplo inclui uma unidade de controle de temperatura 47. A unidade de controle de temperatura 47 é arranjada para controlar a temperatura dos canais transmissores 10 para evitar, ou pelo menos reduzir a deriva do comprimento de onda e/ou intensidade. Aqui, os canais transmissores são mantidos a uma temperatura elevada acima da temperatura ambiente. A temperatura pode, por exemplo, ser mantida a cerca de 50 ± 1 °C.

[0056] As Figuras 5A e 5B mostram uma representação esquemática de um sistema 1. Neste exemplo, o sistema 1 é afixado a um trator 50. Aqui, o sistema 1 é posicionado em um teto de cabine do trator 50. O transmissor de luz 4 é apontado para o chão em um ângulo α neste exemplo, o ângulo α é de aproximadamente 50°, entretanto, outros ângulos adequados podem ser selecionados. O receptor de luz 6 é também apontado para o chão, aqui no mesmo ângulo α. O receptor de luz 6 recebe luz refletida das plantas dentro do campo de visão Fv. Observa-se que neste exemplo um segundo sistema 1’ é também afixado ao trator, para permitir a detecção simultânea em ambos os lados do veículo.

[0057] Como explicado acima, os transmissores de luz 4 dos sistemas 1, 1’ transmitem a luz em rajadas na frequência de rajada. Neste exemplo, os sistemas 1, 1’ são sincronizados. Aqui, a sincronização é tal que os transmissores de luz são operados fora de fase, isto é, os sistemas 1 e 1’ transmitem alternadamente uma rajada. Isto pode ajudar a impedir os picos de consumo de potência.

[0058] Quando o veículo se move e assim passa as plantas, a frequência de rajada é de preferência tal que os campos de visão das medições individuais se sobrepõem por pelo menos metade do campo de visão.

[0059] Neste exemplo, o trator 50 é adicionalmente provido com uma unidade de distribuição de fertilizante 52. A unidade de distribuição de fertilizante 52 é conectada a uma unidade de controle 54. A unidade de controle 54 recebe taxas de aplicação calculadas a partir do estado da planta, tal como, por exemplo, a captação de nitrogênio, a partir da unidade de processamento 26. A unidade de controle 54 controla a distribuição de fertilizante com base nos dados recebidos. Uma vez que os dados podem ser providos à unidade de controle 54 em tempo real, ou com atraso mínimo, é possível controlar a dispensação do fertilizante com base em cada medição individual para as plantas com o campo de visão durante essa medição.

[0060] Aqui, a invenção é descrita com referência a exemplos específicos de modalidades da invenção. Entretanto, será evidente que várias modificações e mudanças podem ser feitas na mesma, sem se afastar da essência da invenção. Para fins de clareza e características de descrição concisas são descritas aqui como parte das mesmas ou de modalidades separadas, entretanto, são também previstas modalidades alternativas com combinações de todas ou algumas das características descritas nestas modalidades separadas.

[0061] Por exemplo, no exemplo da Figura 5 uma unidade de distribuição de fertilizante é mostrada. Alternativa ou adicionalmente, o sistema 1, 1’ pode ser usado para prover dados representativos de um estado de plantas a uma unidade de controle de um sistema de rega e/ou irrigação.

[0062] No exemplo da Figura 5, o sistema 1, 1’ é posicionado em um teto do trator. Ficará claro que o sistema também pode ser posicionado em outro lugar, por exemplo, em uma lança de aspersão. Também ficará claro que o sistema pode ser afixado a uma estrutura móvel diferente de um trator, por exemplo, para uma segadeira, um irrigador linear/pivô central, ou similar

[0063] Entretanto, outras modificações, variações e alternativas também são possíveis. As especificações, desenhos e exemplos devem, consequentemente, ser considerados em sentido ilustrativo, em vez de em um sentido restritivo.

[0064] Para fins de clareza e características de descrição concisas, características são descritas aqui como parte da mesma ou de modalidades separadas, no entanto, será observado que o escopo da invenção pode incluir modalidades tendo combinações de todas ou algumas das características descritas.

[0065] Nas reivindicações, quaisquer sinais de referência colocados entre parênteses não devem ser interpretados como limitativos da reivindicação. A palavra “compreendendo” não exclui a presença de outras características ou etapas daquelas listadas em uma reivindicação. Além disso, as palavras “um” e “uma” não devem ser interpretadas como limitadas a “apenas um”, mas, em vez disso, são usados para significar “pelo menos um”, e não excluem uma pluralidade. O simples fato de que certas medidas são citadas em reivindicações mutuamente diferentes não indicam que uma combinação destas medidas não pode ser usada para uma vantagem.

Claims

1. Sistema (1) para determinar um estado de plantas (2), incluindo: um transmissor de luz (4) arranjado para prover iluminação de banda larga a uma ou mais plantas um receptor de luz (6) que inclui uma pluralidade de canais receptores (14), os canais receptores arranjados para receber luz refletida a partir das ditas uma ou mais plantas em bandas de comprimento de onda mutuamente diferentes; e uma unidade de processamento (26) arranjada para determinar um estado de uma ou mais plantas com base na luz refletida recebida pela dita pluralidade de canais receptores caracterizado pelo fato de que; uma unidade de transmissor de luz (22) é arranjada para fazer com que o transmissor de luz transmita rajadas de luz modulada e em que o receptor de luz é arranjado para detectar luz sincronizada com a luz modulada transmitida.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o transmissor de luz inclui uma pluralidade de canais transmissores (8), os canais transmissores sendo arranjados para transmitir luz em bandas de comprimento de onda mutuamente diferentes, em que o número de canais transmissores é diferente do número de canais receptores.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os canais transmissores são opticamente misturados através de óptica transmissora dedicada a um único eixo geométrico óptico.

4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que as intensidades dos canais transmissores individuais podem ser monitoradas através de um receptor óptico (16’) situado dentro da óptica transmissora.

5. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que cada canal receptor inclui um detector de luz (16), um conversor de corrente em tensão acoplado à CA (34), um amplificador de passagem de banda de CA (36), um retificador de fase (38), um integrador (40), um circuito de retenção (40).

6. Sistema de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o receptor inclui um multiplexador (42) e um conversor analógico para digital (44).

7. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que cada canal receptor inclui um detector de luz e óptica dedicada, tal como um filtro e/ou lente de passagem de banda, em que opcionalmente todos os canais receptores são montados em um quadro receptor comum.

8. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a unidade de processamento é arranjada para calcular um estado de plantas, tal como um estado nutricional de plantas, com base na luz recebida pela pluralidade de canais receptores.

9. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a luz recebida pela pluralidade de canais receptores é indicativa do teor de clorofila de uma ou mais plantas iluminadas pela iluminação de banda larga.

10. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que inclui uma unidade de comunicação (46) arranjada para comunicar dados representativos do estado de plantas determinadas para um dispositivo de usuário (48).

11. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que inclui um primeiro canal receptor arranjado para receber luz em um primeiro comprimento de onda de uma banda de reflexão ou absorção conhecida, e um segundo canal receptor arranjado para receber luz em um segundo comprimento de onda, em que o sistema é arranjado para usar luz recebida pelo segundo canal receptor como um valor de referência em vista da luz recebida pelo primeiro canal receptor.

12. Sistema de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o primeiro canal receptor é sintonizado em uma borda de uma banda de absorção de clorofila, tal como a cerca de 730 nm, e o segundo canal receptor é sintonizado em um comprimento de onda diferente, tal como a cerca de 760-800 nm.

13. Sistema de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o primeiro canal receptor é sintonizado em uma banda de absorção de água, tal como a cerca de 970 nm, e o segundo canal receptor é sintonizado em um comprimento de onda diferente, tal como a cerca de 900-930 nm.

14. Sistema de acordo com a reivindicação , 11, 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que inclui um terceiro canal receptor arranjado para receber luz em um terceiro comprimento de onda diferente do primeiro e segundo comprimentos de onda, em que o sistema é arranjado para uso de luz recebida pelo terceiro canal receptor como um valor de referência em vista da luz recebida pelo primeiro canal receptor e em vista da luz recebida pelo segundo canal receptor.

15. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o sistema é arranjado para subtrair um sinal recebido pelo terceiro canal receptor a partir do sinal recebido pelo primeiro canal receptor e a partir do sinal recebido pelo segundo canal receptor antes de determinar a razão do mesmo.

16. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o sistema é adicionalmente arranjado para controlar um sistema aplicador de taxa variável, tal como um sistema de fertilização, um sistema de irrigação, um sistema de fertigação, e em particular um espalhador de fertilizante (52) montado sobre ou puxado por um trator.

17. Método para determinar um estado de plantas (2), caracterizado por:transmitir iluminação de banda larga a uma ou mais plantas usando um transmissor de luz (4), em que a luz é transmitida em rajadas de luz modulada;receber luz em bandas de comprimento de onda mutuamente diferentes a partir de uma ou mais plantas por um receptor de luz (6) incluindo uma pluralidade de canais receptores (14), em que a luz recebida pela pluralidade de canais receptores é detectada sincronizada com a luz transmitida modulada; e determinar por uma unidade de processamento (26) um estado de uma ou mais plantas com base na luz recebida pela pluralidade de canais receptores.

18. Método de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o transmissor de luz inclui uma pluralidade de canais transmissores (8), os canais transmissores sendo arranjados para transmitir luz em bandas de comprimento de onda mutuamente diferentes, em que um comprimento de onda central de uma banda de comprimento de onda de pelo menos um dos canais transmissores é diferente dos comprimentos de onda centrais das bandas de comprimento de onda do canal receptor.

19. Método de acordo com a reivindicação 17 ou 18, caracterizado pelo fato de que inclui a recepção de luz em um primeiro comprimento de onda de uma banda de reflexão ou absorção conhecida, recebendo luz em um segundo comprimento de onda diferente, e usando a luz recebida no segundo comprimento de onda como um valor de referência em vista da luz recebida no primeiro comprimento de onda.

20. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 19, caracterizado pelo fato de que inclui a remoção de um componente de CC de um sinal representativo da luz recebida pela pluralidade de canais receptores.

21. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 20, caracterizado pelo fato de que inclui controlar um sistema aplicador de taxa variável, tal como um sistema de fertilização, um sistema de irrigação, sistema de fertigação e em particular um espalhador de fertilizante (52) montado sobre ou puxado por um trator, com base no estado determinado das plantas.