CN101784885B - 用于不单独地测量植物组织中叶绿素的含量和发色化合物的含量、而确定上述含量之间的比率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定在植物组织中叶绿素的含量和在叶绿素荧光的带内不发荧光的发色化合物的含量之间的比率的方法和装置，而不用确定上述含量。所述方法包括：发射叶绿素荧光的两个激励辐射，其中一个激励辐射由发色化合物吸收，另一个不由发色化合物吸收；测量激发的荧光辐射，在叶绿素的吸收谱外测量由发色化合物吸收的激励辐射所激发的荧光辐射，在叶绿素的吸收谱内测量没有被发色化合物吸收的激励辐射所激发的荧光辐射；根据测量的荧光辐射的比率确定上述含量的比率。本发明可以用于测量称为NBI(氮平衡指数)的、植物的氮营养指示。

Description

用于不单独地测量植物组织中叶绿素的含量和发色化合物的含量、而确定上述含量之间的比率的方法和装置

技术领域

本发明涉及植物组织中发色化合物的含量和叶绿素的含量的比率的光学确定方法。本发明还涉及实现所述方法的系统。

更具体地，本发明涉及光学地、非破坏性地现场确定植物组织中发色化合物的含量和叶绿素的含量的比率。

背景技术

现在，正在进行越来越多的工作，用于通过植物组织包含的多种化合物的含量以及某些化合物的含量的比率描述植物组织的特征。例如，几项工作已经表明植物叶中多酚的含量和叶绿素的含量的比率的优势(用于监控氮营养物)。关于这个主题，参阅Cartelat等人完成的、2005年在“Field Crops Research(91：35-49)”中发表的、标题为“Optically assessed contents of leaf polyphenolics and chlorophyll asindicators of nitrogen deficiency in wheat(Triticum aestivum L.)”的文章。事实上，这些工作表明，多酚或者叶绿素均沿着植物叶方向改变并随着供应的氮的剂量改变。而(叶绿素的含量)/(多酚的含量)的比率则由沿着植物叶方向稳定的区域表征。这些工作表明，这个比率比叶绿素含量或者多酚含量提供了对植物叶的氮需求的更好的辨别能力，并且事实上是农作物管理的有用的指标。

现在，以下面的方式执行(叶绿素的含量)/(多酚的含量)这一比率的光学确定：一方面，确定叶绿素含量，另一方面，确定多酚含量，然后计算这两个含量的比率。

已知多种用于测量多酚的含量和叶绿素的含量的方法。为了测量多酚，在“Physiologia Plantarum(第101卷，第754-763页)”上发表的、由Bilger等人完成的、标题为“Measurement of leaf epidermaltransmittance of UV radiation by chlorophyll fluorescence”的文章公开了一种测量方法，该测量方法使用了表皮多酚对叶绿素荧光感应的屏蔽效应。该方法包括：相对于可见光范围的光激励的植物叶的荧光，测量紫外光激励的同一植物叶的叶绿素荧光。因为多酚吸收紫外光但是不吸收可见光，因此从两个荧光的比率推断出植物叶的表皮的多酚含量。文档FR 2830325(Goulas、Cerovic等人2001年完成)描述了采用此种方法的仪器(Dualex)，该仪器带有反馈环，以消除叶绿素的变化荧光的扰动效果。

另一方面，为了叶绿素的光学测量，已经描述了或者根据吸收或者根据荧光的几种方法。对于根据荧光的方法，可以参考由Lichtenthaler和Rinderle完成的、1988年在“CRC Crit Rev Anal Chem”(第19卷，第29-85页)的评论上发表的、标题为“The role ofchlorophyll fluorescence in the detection of stress conditions in plants”的文章。

但是，在任何情况下，都需要非常多的源，因此带来了复杂度增加和实现这些测量方法的系统的总体尺寸和成本的增加。

发明内容

本发明的目标是提出比现有方法和系统简单的、用于确定叶绿素的含量和在叶绿素荧光带内非荧光的发色成分的含量之间的比率的方法和系统。

本发明使用用于确定植物组织中所述叶绿素的含量和所述发色化合物的含量的比率的方法实现这个目标和克服前述的问题，所述发色化合物在叶绿素荧光带内是不发荧光的。根据本发明的所述方法包括下列操作：

—由第一发射器朝着所述植物组织的方向发射称作第一激励辐射的光学辐射，所述第一激励辐射被选择为由所述发色化合物部分地吸收并且激发所述叶绿素的第一荧光辐射；

—由第一检测器检测位于所述叶绿素的吸收谱外的、所述第一荧光辐射的一部分；

—由第二发射器朝着所述植物组织的方向发射称作第二激励辐射的光学辐射，所述第二激励辐射被选择为不由所述发色化合物吸收并且激发所述叶绿素的第二荧光辐射；

—由第二检测器检测位于所述叶绿素的所述吸收谱内的、所述第二荧光辐射的一部分；和

—根据检测的荧光辐射的比率确定所述叶绿素的含量和发色化合物的含量的比率。

因而，根据本发明的方法可快速地、非破坏性地和现场确定植物组织中叶绿素的含量和非荧光发光化合物的含量的比率。此外，根据本发明的方法在不确定植物组织中的叶绿素含量和发色化合物含量的情况下确定上述含量的比率。

此外，在根据本发明的方法中，使用更少的发射器或者源确定植物组织中的荧光发色化合物的含量和非荧光发色化合物的含量的比率。这使得实现根据本发明的方法比现有的方法更简单。

有优势地，每个检测器提供电信号。根据本发明的方法可包括通过采样装置对所述第一和第二检测器中的每一个提供的电信号采样。

在根据本发明的方法的第一特别版本中，可以非同时地以脉冲的形式发射所述第一激励辐射和所述第二激励辐射。

在此第一版本中，根据本发明的方法包括以这样的方式使所述发射器和所述采样装置同步，即，当所述第一发射器和/或所述第二发射器发射脉冲时，对所述第一检测器和/或所述第二检测器提供的电信号采样。

在根据本发明的方法的第二特别版本中，可以以在两个不同频率下调制的信号的形式发射第一荧光辐射和第二荧光辐射。这些信号可以是正弦信号、方波信号或者任何其它形状的信号。

在此第二版本中，根据本发明的方法可以还包括以所述第一激励辐射的调制频率对由检测所述第一荧光辐射的所述第一检测器产生的所述电信号进行滤波，以及以所述第二激励辐射的调制频率对由检测所述第二荧光辐射的所述第二检测器产生的所述电信号进行滤波。因而，通过分别在所述第一激励辐射的调制频率和所述第二激励辐射的调制频率处的适当滤波，可以将所述第一检测器产生的电信号和由所述第二检测器产生的电信号分离。

根据本发明的方法可以有优势地直接应用于从下面列表中选择的植物体上：

—植物叶；

—来自植物的组织；

—植物的一部分；和

—植物的集合。

事实上，根据本发明的方法可以直接应用于来自植物体的组织上，例如，不必移除所述组织的植物。此外，可以以离开所述植物组织固定的或者可变的距离应用根据本发明的方法。

在非限定的实施例的范围内：

—所述发色化合物是多酚族中的一种化合物，或者这个族中的一组化合物，所述第一激励辐射的波长在300nm到500nm之间。这个第一激励辐射的波长可以更具体地是375nm，和

—所述第二激励辐射的波长在500nm到700nm之间。这个第二激励辐射的波长可以更具体地是530nm。

为了根据确定的所述含量的所述比率确定所述组织的氮营养需求，可以实现根据本发明的方法。更一般地，为了监控植物的氮营养，可以实现根据本发明的方法。

根据本发明的另一方面，为了确定植物组织中所述叶绿素的含量和所述发色化合物的含量的所述比率，提出了一种系统，所述发色化合物在叶绿素荧光带内不发荧光。根据本发明的系统包括：

—第一发射器，朝着所述组织的方向发射称为第一激励辐射的光学辐射，所述第一激励辐射被选择为由所述发色化合物部分吸收并且激发所述叶绿素的第一荧光辐射；

—第一检测器，检测所述第一荧光辐射位于所述叶绿素的吸收谱外部的部分；

—第二发射器，朝着所述组织的方向发射称为第二激励辐射的光学辐射，所述第二激励辐射被选择为不由所述发色化合物吸收并且激发所述叶绿素的第二荧光辐射；

—第二检测器，检测所述第二荧光辐射位于所述叶绿素的吸收谱内的部分；和

—计算装置，用于根据检测到的荧光辐射的比率确定所述叶绿素的含量和所述发色化合物的含量的比率。

根据本发明的所述系统使用仅两个发射器(或者源)就可以确定所述叶绿素的含量和在叶绿素荧光带内非荧光的所述发色化合物的含量的比率，因而具有比现有系统更少的源。根据本发明的系统实现上没那么复杂，此外比较轻便和更易于使用。

这种简单产生于根据本发明的系统不是旨在确定植物组织中所述叶绿素的含量和所述发色化合物的含量中的每一个，而是仅确定所述含量的比率。

在根据本发明的系统中，所述发射器和所述检测器可以布置在所述植物组织的同一侧。

优势地，根据本发明的所述系统可以包括准直光学系统，执行所述第一激励辐射和所述第二激励辐射朝着所述组织方向的瞄准、所述第一荧光辐射朝着所述第一检测器的瞄准、和所述第二荧光辐射朝着所述第二检测器的瞄准。

在一个实施方式中，所述校准光学系统可以包括至少一个抛物面的或者类抛物面的反射器，反射器放置在这个发射器之前并且执行这个发射器的瞄准，使得所述发射器发射的辐射可以聚焦在所述植物组织上。

根据另一个实施方式，所述准直光学系统可以包括：

—第一分光镜，在两个近似垂直的方向上接收分别由所述第一和所述第二发射器发射的所述第一激励辐射和所述第二激励辐射，并使得所述第一激励辐射和所述第二激励辐射共线；

—第二分光镜，以共线的方式接收来自所述植物组织的所述第一荧光辐射和所述第二荧光辐射，并在两个近似垂直的方向上分别将所述第一荧光辐射和所述第二荧光辐射导向到所述第一检测器和所述第二检测器上；和

—光学透镜，执行所述激励辐射的瞄准和来自组织的荧光辐射的瞄准。

在这个实施方式中，所述激励辐射和所述荧光辐射是非共线的。所述准直光学系统包括：布置在发射器之前并且执行激励辐射的瞄准的第一系列光学透镜，和布置在检测器之前并且执行荧光辐射的瞄准的第二系列光学透镜。

根据另一个实施方式，所述校准光学系统可以包括第三分光镜，执行下面操作：

—将来自所述第一分光镜的共线的激励辐射朝着所述植物组织的方向反射；和

—将来自所述植物组织的共线的荧光辐射朝着所述第二分光镜的方向传输；

在这个实施方式中，在所述第三分光镜和所述植物组织之间，所述激励辐射和所述荧光辐射是共线的，并且由相同的光学透镜执行所述激励辐射和所述荧光辐射的瞄准。所述准直光学系统可包括：单个系列的光学透镜，用于执行所述激励辐射和所述荧光辐射的瞄准。在所述第三分光镜和所述组织之间，所述荧光辐射和所述激励辐射是共线的。

所述第三分光镜具有导向的作用：

—将来自所述第一分光镜的所述激励辐射导向朝向透镜系列；和

—将来自所述组织的所述荧光辐射导向朝向相应的检测器。

此外，每个发射器可以包括放置在这个发射器前面的滤光器。这个滤光器具有清理所述发射器发射的所述激励辐射并且移除不想要的波长的作用。

此外，每个检测器还可以包括放置在这个检测器之前的滤光器，这个滤光器具有对到达这个检测器的所述荧光辐射进行滤波和去除所述荧光辐射的不想要的波长以及所述激励辐射的残留分量的作用。

有优势地，所述第一检测器和所述第二检测器中的每一个提供电信号，所述系统包括放大这个电信号的至少一个放大器。

此外，当以时移脉冲的形式发射所述激励辐射时，根据本发明的系统可以包括由至少一个同步信号控制的至少一个采样器，以便当发射所述第一激励辐射和/或所述第二激励辐射时，执行所述第一检测器和/或所述第二检测器提供的所述电信号的采样。所述同步信号可以对应于发射所述激励辐射的源的控制信号。因而，当发射器发射激励辐射时，与这个发射器相关联的所述采样装置对与所述发射器关联的所述检测器提供的所述电信号进行采样。

所述第一发射器和所述第二发射器中的每一个可以包括发射所述激励辐射的发光二极管阵列或者激光器。

有优势地，根据可以将根据本发明的系统放置来与将要表征的植物组织接触或者与所述植物组织离开一定距离。此外，根据本发明的系统和植物组织之间的距离可以是固定的或者可变的。

此外，根据本发明的系统可以安装在用于以特定方式表征多个植物的移动机器上，更具体地，该机器表征所述植物的氮需求和/或氮营养物需求。

根据优势的实施方式，根据本发明的系统可以包括或者可以连接到用于定位技术的装置上，以实现根据一个或多个预定标准表征植物的制图。这些标准可以包括植物的氮需求、植物的氮营养物等。

附图说明

在查看非限定性的实施方式的详细描述之后，其它优势和特征将变得显而易见，其中，附图是：

图1是植物组织中叶绿素的含量和发色化合物的含量的比率的测量原理的图解表示；

图2是叶绿素荧光的吸收谱和发射谱的表示；

图3是根据本发明的系统的第一实施方式的第一版本的图解表示；

图4是根据本发明的系统的第一实施方式的第二版本的图解表示；

图5是根据本发明的系统的第一实施方式的第三版本的图解表示；

图6是根据本发明的系统的第二实施方式的图解表示；

图7是根据本发明的系统的第三实施方式的图解表示；

图8是根据本发明的系统的第四实施方式的图解表示；

图9是根据本发明的系统的第五实施方式的图解表示；

图10是实现根据本发明的系统的、用于以具体方式测量大面积的植物的移动结构的图解表示；和

图11和图12说明了为了监控农作物的氮营养物的状态，用于确定植物中叶绿素的含量和多酚的含量的比率的本发明的实施例。

具体实施方式

图1是植物组织中叶绿素的含量和发色化合物的含量的比率的测量原理的图解表示。第一源(或者发射器)11发射第一激励辐射111，第二源(或者发射器)12发射第二辐射121。发射器11和12被布置为使得植物组织T接收辐射111和121。发色化合物13在叶绿素荧光14的波段内是不发荧光的。

将第一激励辐射111选择为由发色化合物13部分吸收。第一激励辐射111穿透组织T。辐射111的一部分由发色化合物13吸收。辐射111的未吸收部分由叶绿素14吸收并且激发叶绿素14的第一荧光辐射112。

将第二激励辐射121选择为不(或者非常少量地)由发色化合物13吸收。第二激励辐射121穿透组织，几乎完全穿过发色化合物13占有的组织部分，到达叶绿素14。然后第二辐射121由叶绿素14吸收并且激发叶绿素的第二荧光辐射122。

荧光辐射112和122的光谱是相同的。这些荧光辐射112和122的部分光谱位于叶绿素14的吸收谱外，另一部分光谱位于叶绿素的吸收谱内。位于叶绿素14的吸收谱内的部分荧光辐射112和122部分地由叶绿素14再吸收。

检测器15仅用于检测位于叶绿素的吸收谱外的第一荧光辐射112的一部分，检测器16仅用于检测位于叶绿素的吸收谱内的第二荧光辐射122的一部分。

图2给出了叶绿素14的吸收谱21和叶绿素14的荧光谱22的表示，因此给出了荧光辐射112和122的谱的表示。如从图2可以看出的，叶绿素14的吸收谱21和荧光谱重叠。对于叶绿素14的每一个荧光辐射112和122，位于光谱带23内的波长由叶绿素部分地再吸收，位于光谱带24内的波长不由叶绿素再吸收。因此，检测器15用于检测位于光谱带24内的荧光辐射112的一部分，检测器16用于检测位于光谱带23内的荧光辐射122的一部分。

此外，荧光辐射112和122当然是各向同性的。从空间的观点来看，检测器15和16仅接收这些辐射112和122的单个部分。为了易于描述和表示，我们将不考虑荧光辐射112和122的各向同性特征。在剩余的描述中，我们仅对检测器15或者16检测的每个荧光辐射部分有兴趣。

此外，在剩余的描述中，将光谱带23和光谱带24分别称为表示“红色荧光(red fluorescence)”的RF带和表示“远红色荧光(far redfluorescence)”的FRF带。因而，将检测器15检测的第一荧光辐射112的部分称为FRF荧光，将检测器16检测的第二荧光辐射122的部分称为RF荧光。

图3到图9是根据本发明的系统几个实施方式的图解表示。不管在哪个实施方式中，根据本发明的系统都包括：发射第一激励辐射111的第一源(或者发射器)11和发射第二激励辐射121的第二源(或者发射器)12。

该系统进一步包括用于检测由第一辐射111激发的FRF荧光的第一检测器15和用于检测由第二激励辐射121激发的RF荧光的第二检测器16。

在这个实施例中，以脉冲的形式发射激励辐射111和121。源11和12由馈电装置31和32提供信号，馈电装置31和32由控制和同步模块33控制，控制和同步模块33向馈电装置31和32中的每一个的输入分别提供控制和同步信号331和332。馈电装置31和32中的每一个分别根据其输入状态提供源11和12中的电流311和322。当馈电装置的输入为高逻辑状态时，将电流脉冲发送到源。当馈电装置的输入处于低逻辑状态时，源关闭并且不发送电流脉冲。控制和同步模块33提供的、出现在馈电装置31和32的控制输入处的信号331和332是使得源11和12被交替地且非同时地被激活的脉冲。

仅允许荧光辐射112和122的期望部分通过的滤光器151和161放置在每个检测器15和16前面。事实上，放置在检测器15前面的滤光器151仅允许第一荧光辐射112的FRF部分通过，放置在检测器16的前面的滤光器161仅允许第二荧光辐射122的RF部分通过。当然，滤光器151和161被选择为仅允许一部分的FRF或者RF荧光朝着检测器15和16的方向通过和/或拒绝激励波长通过。

用于检测期望的荧光的检测器15和16分别提供电量152和162。电量152和162表示分析中的组织T的荧光辐射，即，在波段24中测量的荧光辐射112和在波段23中测量的荧光辐射122。组织T可以是叶、植物或者植物的一部分，或者多种植物的集合。放大器153和163分别放大电信号152和162，并且分别提供了两个放大的信号154和164。放大的信号154和164由跟踪保持单元155和165采样。跟踪保持单元155和165由两个同步信号控制，在本实施例中，这两个同步信号是信号331和332，信号331和332也出现在馈电装置31和32的输入处。跟踪保持单元155仅在源11开始期间对从检测器15接收的信号154进行采样并采样的信号放入模拟存储器内，跟踪保持单元165仅在源12开始期间对从检测器16接收的信号164进行采样并将采样的信号放入模拟存储器内。从而，跟踪保持单元155和165分别提供连续的量156和166，连续的量156和166分别代表辐射带24(FRF)和23(RF)中由激励辐射111和121激发的荧光。

然后通过模拟—数字转换器34将这些量156和166转换到数字数据341，将数字数据341发送到计算和通信模块35，计算和通信模块35包括：微控制器、数字存储器、显示器、例如串行接口的数字通信装置、和键盘。计算和通信模块35计算量156和量166之间的比率，量156和量166之间的比率代表组织T中叶绿素的含量和发色化合物的含量的比率。

从而，本发明使得可能直接地确定组织T中叶绿素含量和发色化合物含量的比率，而不需分别地确定两个含量。

不管在哪个实施方式中，源11、12和检测器15、16都被适合地定向和校准。

在第一实施方式中，在图3中图解地示出了，由分别与两个滤光器114和124关联的源11和12在近似垂直的方向上发射激励辐射111和121。滤光器114和124能够去除辐射111和121中不想要的分量。辐射111和121到达与激励辐射111和121的发射方向成大约45°角分光镜36上。分光镜36使得辐射111和121共线，允许这两个辐射中的一个辐射穿过(这里是第二激励辐射121)，并反射这两个辐射中的另一个(这里是第一激励辐射111)。共线的激励辐射111和121然后到达第二分光镜37，第二分光镜37朝着组织T的方向反射激励辐射。然后通过两个透镜L1和L2将由分光镜朝着组织T方向反射的激励辐射111和121瞄准到组织T上。激励辐射111和121仍然是共线的。通过透镜L2和L1将由激励辐射111和121激发的荧光辐射112和122瞄准到分光镜37。分光镜37允许这两个辐射112和122穿过，朝向与检测器15和16成近似45°的角度布置的第三分光镜38。这个分光镜允许辐射112的FRF部分朝向检测器15的方向穿过，并将荧光辐射122的RF部分反射为朝向检测器16。

图4表示图3中示出的第一实施方式的第二版本。在第二版本中，根据与第一版本不同的布置，放置检测器15、16和发射器11、12。

图5是图3和图4中示出的第一实施方式的第三版本。在这个版本中，以共线的方式并且有利地通过同一个源51发射激励辐射111和121，源51可以发射第一激励辐射111和第二激励辐射121，例如，源5可以为可以发射不同波长的几种辐射的二极管阵列。这种源可以是，例如，三色二极管RGB(红—绿—蓝)阵列。当由源51以共线的方式发射激励辐射111和121时，在第一实施方式的第三版本中不需要反光镜36。可以将一个或多个滤光器511放置在源51之前，以去除由源51发射的激励辐射111和121中不想要的分量。

在第一实施方式(图3、图4和图5中示出的三个版本)中，激励辐射111和121与位于分光镜37和组织T之间的荧光辐射112和122共线。此外，由相同的透镜L1和L2实现将激励辐射111和121的瞄准和分光镜37上荧光辐射的瞄准到组织T上。

图6是根据本发明的系统的第二实施方式的图解表示。在这个实施方式中，发射器11和检测器15形成第一组件61，第一组件61还包括滤光器114和151以及两个透镜L3和L4，透镜L3和L4实现将第一激励辐射111瞄准到组织T上，并将第一荧光辐射112瞄准到分光镜611。由发射器11发射的激励辐射111通过分光镜611朝着组织T反射。透镜L3和L4然后实现将第一激励辐射111瞄准到组织T上。由第一激励辐射111激发的第一荧光辐射112由透镜L3和L4朝着分光镜611的方向瞄准。这个分光镜允许第一荧光辐射112朝向检测器15穿过，在检测器15前面放置了滤光器151。发射器12和检测器16形成了第二组件62，第二组件62还包括滤光器124和161以及两个透镜L5和L6，透镜L5和L6执行组织T上第二激励辐射121的瞄准和朝着分光镜621的第二荧光辐射122的瞄准。发射器12发射的激励辐射121由分光镜621朝着组织T方向反射。然后透镜L5和L6执行组织T上第二激励辐射121的瞄准。第二激励辐射121激发的第二荧光辐射122由透镜L5和L6朝着分光镜621的方向瞄准。分光镜621允许第二荧光辐射122朝向检测器16穿过，检测器16之前放置了滤光器161。

组件61和62是移动并且彼此跟随。从而，在时刻t，将组件61放置为朝向组织T的表面S1，并将组件62放置为朝向组织T的表面S0。执行第一测量。然后，在时刻t+1，将组件61移动并且放置为朝向组织T的表面S2，并将组件62放置为朝向表面S1。执行第二测量。使用在时刻t由组件61执行的测量和在时刻t+1由组件62执行的测量，确定表面S1的叶绿素的含量和发色化合物的含量的比率。

图7是第三实施方式的图解表示，其中，发射器11和12形成第一组件71，第一组件71还包括滤光器114和124、分光镜73以及准直透镜L7和L8。检测器15和16形成第二组件72，第二组件72还包括滤波器151和161、分光镜74以及两个准直透镜L9和L10。在这个第三实施方式中，近似垂直地布置源11和源12。源11和源12以两个近似垂直的方向发射激励辐射111和121。辐射111和121到达与激励辐射111和121的辐射方向成大约45°角放置的分光镜73上。分光镜73使得辐射111和121共线，允许这两个辐射中的一个(这里是辐射121)穿过，并反射这两个辐射中的另一个(这里是辐射111)。然后通过透镜L7和L8将这两个共线辐射瞄准到组织T上。

通过第二系列的两个透镜L9和L10，将由辐射111和121激发的荧光辐射112和122朝向分光镜74瞄准。分光镜74反射第二荧光辐射122的RF部分，并传送第一荧光辐射112的FRF部分。

上面描述的实施方式中使用的分光镜是根据多种激励辐射和荧光辐射的波长适当地选择的高通分光镜(对于波长)。

图8是没有分光镜的、根据本发明的系统的第四实施方式的图解表示。在第四实施方式中，通过在发射器11和12的前面布置的抛物面的或者准抛物面的反射器81和82执行发射器11和12的瞄准。将滤光器83和84布置在反射器的前面，以去除激励辐射111和121中不想要的分量。

图9是根据本发明的系统的第五实施方式的图解表示。在第五实施方式中，根据本发明的系统包括用于引导光学辐射的装置90，例如，光纤组件。光纤分布为从四个开口91-94到多个末端95。发射器11、12和检测器15、16分别连同它们的滤光器114、124、151和161分别布置在开口91、92、93和94的前面。光纤将激励辐射111和121从装置90的开口91、92穿过多个分支96传送到末端95处。在每个末端95处，将激励辐射111和121朝向组织T发送。光纤将被激发的荧光辐射112和122收集并传送到在开口93和94的前面布置的检测器15和16处。装置90的每个末端95包括收集透镜97。

这个实施方式具有的优势是，可以移动发射器11、12和检测器15、16。此外，激励辐射111、121和荧光辐射112和122是共线的。根据本发明的系统是更强健的。装置90的末端95使得可能在相当长的组织上执行多点测量。

如图10中图解地示出，根据本发明的系统可以具有可以安装在结构1000上的形状和尺寸。图10中示出的结构1000包括根据本发明的四个系统1001。结构1000的形状和尺寸可以趋向于将由汽车在几个高度和在两侧沿着大面积的植物拉动，例如用于连续地监控和分析一排蔓藤1002。

根据发明的系统1001可以并入有一个或多个计算装置或者与一个或多个计算装置通信，例如，可根据测量结果或者根据在植物表面上执行的特定处理执行制图的定位技术装置1003或者测量控制装置1004、或者用于当需要时按照需要执行处理的控制装置1005、或者与一个或多个其它系统通信的装置1006。

根据用来覆盖待处理或者待评价的区域的不同类型的汽车(例如，剪草机或者用于传送高尔夫球棒的单独的车)可以产生其它实施方式。

现在参照图11和图12描述本发明的一个实施例。在我们将要描述的应用实施例中，发色化合物是多酚。在这个实施例中，所需要的比率NBI(氮平衡指数)是植物的以下比率：

如上面描述，这个比率是植物氮营养的非常好的指示。这个比率可以用于监控大面积的植物的氮营养状态。通过根据本发明的系统，这个比率可以构成用于执行植物氮营养制图的标准。此外，这个比率可以用于治疗植物，例如，用于向植物提供氮补给物。

图11示出了叶绿素的含量Chl、多酚的含量Phen和这两个含量的比率随着氮营养物N的变化。通过使用由多酚吸收的紫外光(UV)的第一激励辐射和没有由多酚吸收的在可见光范围(VIS)中的第二激励辐射来测量荧光、可以独立地测量这两个含量中的每一个。这个将给出：

$\mathrm{Chl}=\frac{\mathrm{FRF}\left(\mathrm{VIS}\right)}{\mathrm{RF}\left(\mathrm{VIS}\right)};$ $\mathrm{Phen}=\log \[\frac{\mathrm{FRF}\left(\mathrm{VIS}\right)}{\mathrm{FRF}\left(\mathrm{UV}\right)}\];$ $\frac{\mathrm{Chl}}{\mathrm{Phen}}=\frac{\mathrm{FRF}\left(\mathrm{UV}\right)}{\mathrm{RF}\left(\mathrm{VIS}\right)}$

在这个特定的应用实施例的范围内使用的系统可以是根据上面描述的实施方式中的任何一个实现的系统。甚至可以根据由上面描述的实施方式的任何组合实现此系统。

源11发射的第一激励辐射111是由植物叶的多酚吸收的某一波长或者一组波长的紫外辐射(UV)，例如，375nm。源11的一个例子是发光二极管阵列，例如，OTLH-0280-UV(美国伊利诺伊州，OptoTechnology)，其优选地与例如DUG11(德国，Schott)的光学滤光器114结合使用，光学滤光器114阻挡可见光波长并允许紫外光波长穿过。375nm的紫外辐射激发第一荧光辐射112，将仅对于位于远红光FRF(UV)内、中心为740nm左右、并且没有由叶绿素吸收的一部分第一荧光辐射112进行测量。与滤光器151结合的检测器15仅对叶绿素荧光的发射谱中的长波长敏感，即，波长大于700nm。这种检测器15的一个例子是与例如来自Schott(德国)的RG9的光学滤光器151结合的、例如PDB-C618(美国Advanced Photonix公司)的硅光电二极管。

源12发射的第二激励辐射121是可见光范围(VIS)内不被多酚吸收的某一波长或者一组波长(例如，530nm)的辐射。源12的一个例子是发射530nm光的发光二极管阵列OTLH-0020-GN(美国伊利诺斯州Opto Technology公司)，其优选地与光学滤光器124结合，以滤除可能与检测器16的光谱敏感带一致的所有杂散发射。可见光辐射(VIS)激发叶绿素的第二荧光辐射122。第二荧光辐射122的发射带23在叶绿素的吸收谱内的红色光——RF(VIS)内，并因此将由叶绿素部分再吸收。与滤光器161结合的检测器16将测量带23中荧光辐射的未再吸收部分。未再吸收部分对应于叶绿素荧光的发射谱的短波长部分，即，靠近685nm的峰值辐射的波长。与滤光器161结合的检测器16因此将仅对叶绿素荧光的发射谱的短波长部分灵敏。检测器16可以是硅发光二极管，在硅发光二极管的前面放置合适的滤光器161，例如，中心位于685nm的干涉滤波器。图12示出了第一激励辐射111的谱1201、第二激励辐射121的谱1202、叶绿素荧光的谱1203、检测器15测量的FRF(UV)荧光的谱1205和检测器16测量的RF(VIS)的谱1204的表示。

然后根据下面公式计算NBI比率：

$\mathrm{NBI}=\frac{\mathrm{FRF}\left(\mathrm{UV}\right)}{\mathrm{RF}\left(\mathrm{UV}\right)}$

可以设想激励辐射111和121的其它形式的调制。例如，辐射111和121可以在不同频率下正弦调制，辐射111在频率f1处调制，辐射121在频率f2处调制。来自检测器13的信号132将对辐射11的调制频率f1过滤，而来自检测器14的信号142将对辐射121的调制频率f2过滤。

本发明不是限制于上面描述的的应用的例子。当保持在本发明的保护范围内时，可以改变源和检测器的布置、使用的源和检测器的类型、准直光学系统和多种辐射的调制方法。

Claims (14)

1.一种确定植物组织(T)中叶绿素(14)的含量和发色化合物(13)的含量的比率的方法，所述发色化合物(13)在叶绿素(14)的荧光带(22)内是不发荧光的，所述方法包括下列操作：

-由第一发射器(11)朝着所述植物组织(T)的方向发射称作第一激励辐射(111)的光学辐射，所述第一激励辐射(111)被选择为由所述发色化合物(13)部分地吸收并且激发所述叶绿素(14)的第一荧光辐射(112)；

-由第一检测器(15)检测位于所述叶绿素(14)的吸收谱(21)外的、所述第一荧光辐射(112)的一部分；

-由第二发射器(12)朝着所述植物组织(T)的方向发射称作第二激励辐射(121)的光学辐射，所述第二激励辐射(121)被选择为不由所述发色化合物(13)吸收并且激发所述叶绿素(14)的第二荧光辐射(122)；

-由第二检测器(16)检测位于所述叶绿素(14)的所述吸收谱(21)内的、所述第二荧光辐射(122)的一部分；和

-根据检测的荧光辐射的比率确定所述叶绿素(14)的含量和发色化合物(13)的含量的比率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个检测器(15，16)提供电信号(152，162)，所述方法还包括通过采样装置(155，165)对所述每个检测器(15，16)提供的所述电信号(152，162)进行采样。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，以脉冲的形式非同时地发射所述第一激励辐射和所述第二激励辐射(111，121)，所述方法进一步包括将所述发射器(11，12)和所述采样装置(155，165)同步，使得当所述第一和/或所述第二发射器(11，12)发射脉冲时，执行对由所述第一和/或所述第二检测器(15，16)提供 的所述电信号(152，162)的采样。

4.根据权利要求1或者权利要求2所述的方法，其特征在于，以两个不同的频率调制所述第一激励辐射和所述第二激励辐射(111，121)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述发色化合物是多酚，所述第一激励辐射(111)的波长在300nm到500nm之间；和

所述第二激励辐射(121)的波长在500nm到700nm之间。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括根据检测到的荧光辐射的比率确定所述组织(T)的氮营养物需求。

7.一种用于确定植物组织(T)中叶绿素(14)的含量和发色化合物(13)的含量的比率的系统，所述发色化合物(13)在所述叶绿素(14)的荧光带(22)内是不发荧光的，所述系统包括：

-第一发射器(11)，朝着所述组织(T)的方向发射称为第一激励辐射(111)的光学辐射，所述第一激励辐射被选择为由所述发色化合物(13)部分吸收并且激发所述叶绿素(14)的第一荧光辐射(112)；

-第一检测器(15)，检测所述第一荧光辐射(112)位于所述叶绿素(14)的吸收谱(21)外部的部分；

-第二发射器(12)，朝着所述组织(T)的方向发射称为第二激励辐射(121)的光学辐射，所述第二激励辐射被选择为不由所述发色化合物(13)吸收并且激发所述叶绿素(14)的第二荧光辐射(122)；

-第二检测器(16)，检测所述第二荧光辐射(122)位于所述叶绿素(14)的吸收谱(21)内的部分；和

-计算装置(18，19)，用于根据检测到的荧光辐射的比率 确定所述叶绿素(14)的含量和所述发色化合物(13)的含量的比率。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统包括准直光学系统，所述准直光学系统执行所述第一激励辐射和所述第二激励辐射(111，121)朝着所述组织(T)方向的瞄准、所述第一荧光辐射(112)朝着所述第一检测器(15)的瞄准、和所述第二荧光辐射(122)朝着所述第二检测器(16)的瞄准。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述准直光学系统包括：

-第一分光镜(36)，在两个近似垂直的方向上接收分别由所述第一和所述第二发射器(11，12)发射的所述第一激励辐射和所述第二激励辐射(111、121)，并使得所述第一激励辐射和所述第二激励辐射(111，121)共线；

-第二分光镜(38)，以共线的方式接收来自所述植物组织(T)的所述第一荧光辐射和所述第二荧光辐射(112，122)，并在两个近似垂直的方向上分别将所述第一荧光辐射和所述第二荧光辐射(112，122)导向到所述第一检测器(15)和所述第二检测器(16)上；和

-光学透镜(L7、L8；L9、L10)，执行所述第一和第二激励辐射(111，121)的瞄准和来自组织(T)的荧光辐射(112，122)的瞄准。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述准直光学系统包括执行以下操作的第三分光镜(37)：

-将来自所述第一分光镜(36)的共线的激励辐射(111，121)朝着所述植物组织(T)的方向反射；和

-将来自所述植物组织(T)的共线的荧光辐射(112，122)朝着所述第二分光镜(38)的方向传输； 

所述激励辐射(111，121)和所述荧光辐射(112，122)在所述第三分光镜(37)和所述植物组织(T)之间是共线的，并且由相同的光学透镜(L1，L2)执行所述激励辐射(111，121)和所述荧光辐射(112，122)的瞄准。

11.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，每个发射器(11，12)包括放置在所述发射器(11，12)前面的滤波器(114，124)，所述滤波器(114，124)对所述发射器(11，12)发射的激励辐射(111，121)进行滤波；和/或

每个检测器(15，16)包括放置在所述检测器(15，16)前面的滤波器(151，161)，所述滤波器(151，161)去除到达所述检测器(15，16)的荧光辐射(112，122)中不想要的成分。

12.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一检测器和所述第二检测器(15，16)中的每个提供电信号(152，162)，所述系统包括放大所述电信号(152，162)的至少一个放大器(153，163)；

所述系统还包括至少一个采样器(155，165)，所述采样器由同步信号(331，332)控制，以便当发射所述第一激励辐射和/或所述第二激励辐射(111，121)时，执行对由所述第一检测器和/或所述第二检测器(15，16)提供的电信号(154，164)的采样。

13.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一发射器(11)和/或所述第二发射器(12)包括发光二极管阵列。

14.根据权利要求7到权利要求13的任何一项所述的系统，其特征在于，所述系统安装在移动机器(1000)上，所述系统还包括用于定位技术的装置(1003)。 

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