CN114303686B - 一种农作物顶端优势去除装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种农作物顶端优势去除装置及方法，所述装置包括：光纤激光器组件、传输光纤、扩束准直组件以及F‑θ镜；所述光纤激光器组件通过所述传输光纤将激光束传入所述扩束准直组件；所述扩束准直组件依据所述F‑θ镜与农作物顶芽之间的距离调整所述激光束的发散角、腰斑半径及腰斑位置，使所述激光束经过F‑θ镜后聚焦到所需去除的农作物顶芽所在的区域去除农作物顶芽。本发明的农作物顶端优势去除装置及方法，通过高能量的激光进行精准切割，不会对切割区域外的农作物植株造成损伤，精准控制激光的作用范围和强度，提高了打顶效率，保护农作物等植株，增加农作物的产量和品质。

Description

一种农作物顶端优势去除装置及方法

技术领域

本发明涉及农业智能化领域，具体涉及一种农作物顶端优势去除装置及方法。

背景技术

顶端优势指农作物的主茎顶端生长占优势，同时抑制着它下面邻近的侧芽生长，使侧芽处于休眠状态的现象，而为了促进侧芽发展，就需要去除顶端优势，来达到增产的目的。以农作物为例，农作物的顶端优势去除也是种植农作物过程中重要环节，是提高农作物产量、品质和经济效益的重要手段，也叫打顶。打顶是指在农作物生长的特定阶段抑制农作物顶端优势，减少无效蕾、花、果和枝叶对于水分和养分的消耗，促进旁枝果实生长，从而实现增产。随着生产力的不断发展，打顶过程也从原始的手工打顶逐渐被化学打顶和机械自动化打顶替代。

当前化学打顶方式虽然可以实现高效打顶且便于农民实施，但其受限于天气、土壤墒情等因素限制容易造成顶芽二次生长，引起农作物发育迟缓、成熟偏晚，同时化学药剂的使用也对生态环境、人体健康和农产品安全都造成了严重威胁。当前实际使用的机械自动化打顶仍然处在试验阶段，主要采用机械刀具，存在切割精度、对农作物顶芽周边组织伤害较大、容易引起切割部位感染、造成农作物减产、适应性较差等问题。

现有技术中激光刀具的应用未对激光束进行调制，多采用准直激光束，造成激光对于照射方向无差别伤害，使用过程中对农作物植株损伤较大，引起农作物大量减产。因此，切割精准、伤害范围小、打顶效率高的顶芽切割装置是十分必要的。

发明内容

鉴于上述现有技术存在对农作物顶芽周边组织伤害较大、容易引起切割部位感染、造成农作物减产的问题，本发明提出了以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种农作物顶端优势去除装置及方法。

依据本发明的一个方面，提供一种农作物顶端优势去除装置，所述装置包括：光纤激光器组件(1)、传输光纤(2)、扩束准直组件(3)以及F-θ镜(5)；所述光纤激光器组件(1)通过所述传输光纤(2)将激光束传入所述扩束准直组件(3)；所述扩束准直组件(3)依据所述F-θ镜(5)与农作物顶芽之间的距离调整所述激光束的发散角、腰斑半径及腰斑位置，使所述激光束经过F-θ镜(5)后聚焦到所需去除的农作物顶芽所在的区域(6)以去除农作物顶芽。

较佳的，所述装置还包括扫描振镜(4)；所述激光束经过扩束准直组件(3)后传入所述扫描振镜(4)，并通过所述扫描振镜(4)的转动以调整所述激光束的传输方向，使所述激光束在切割区域(7)内移动以去除农作物顶芽。

较佳的，所述切割区域(7)大于或等于所述农作物顶芽所在的区域(6)。

较佳的，所述光纤激光器组件(1)还用于通过所述传输光纤(2)将指示光传入所述扩束准直组件(3)；所述扩束准直组件(3)还用于对所述指示光进行调整后传入所述扫描振镜(4)，并由所述扫描振镜(4)根据第一位置调整所述指示光的传输方向后，将所述指示光传入所述F-θ镜(5)并向农作物顶芽的方向照射以校准农作物顶芽与第一位置是否重叠，所述第一位置为所述农作物顶芽的预测位置，所述指示光为低能量可见光。

较佳的，所述装置还包括控制器，用于控制所述扩束准直组件(3)依据所述F-θ镜(5)与农作物顶芽之间的距离调整所述激光束的发散角、腰斑半径及腰斑位置以及控制所述扫描振镜(4)的转动。

根据本发明的另一个方面，还提供一种农作物顶端优势去除方法，所述方法应用于一种光纤激光装置，所述光纤激光装置包括：光纤激光器组件、传输光纤、扩束准直组件以及F-θ镜，所述方法包括：根据农作物顶芽的位置与F-θ镜之间的距离确定扩束准直组件的调制参数，所述调制参数至少包括如下之一：激光束的发散角、腰斑半径及腰斑位置；光纤激光器组件通过传输光纤将一束激光束传入扩束准直组件；扩束准直组件依据所述调制参数，使所述激光束经过F-θ镜后聚焦到所需去除的顶芽所在的区域以去除农作物顶芽。

优选的，所述激光束经过扩束准直组件后传入扫描振镜，并通过所述扫描振镜转动以调整所述激光束的传输方向，使所述激光束在切割区域内去除农作物顶芽。

优选的，切割区域的外光斑半径大于切割区域的半径。

优选的，所述光纤激光器组件通过所述传输光纤将一束激光束传入所述扩束准直组件前，所述方法还包括：校准农作物顶芽的位置。

优选的，校准农作物顶芽的位置具体包括：

所述光纤激光器组件通过所述传输光纤将指示光传入所述扩束准直组件中；所述扩束准直组件对所述指示光进行调整后传入所述扫描振镜，由所述扫描振镜根据第一位置调整所述指示光的传输方向后传入所述F-θ镜并向农作物顶芽的方向照射以校准农作物顶芽与第一位置是否重叠，所述第一位置为所述农作物顶芽的预测位置，所述指示光为低能量可见光。

本发明的农作物顶端优势去除装置及方法，通过高能量的激光进行精准切割，不会对切割区域外的农作物植株造成损伤，精准控制激光的作用范围和强度，提高了打顶效率，保护农作物等植株，增加农作物的产量和品质。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种农作物顶端优势去除装置的示意图；

图2为本发明实施例中一种优选的农作物顶端优势去除装置的示意图；

图3为本发明实施例中一种农作物顶端优势去除方法的流程示意图。

【附图标记说明】

1、光纤激光器组件；2、传输光纤；3、扩束准直组件；4、扫描振镜；5、F-θ镜；6、所需去除的农作物顶芽所在的区域；7、切割区域。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明实施例提供一种农作物顶端优势去除装置，如图1所示，所述装置包括：光纤激光器组件1、传输光纤2、扩束准直组件3以及F-θ镜5。所述光纤激光器组件1产生一束高能量的激光束，并通过所述传输光纤2将激光束传入所述扩束准直组件3。所述扩束准直组件3依据所述F-θ镜5与农作物顶芽之间的距离调整所述激光束的发散角、腰斑半径及腰斑位置，使所述激光束经过F-θ镜5后聚焦到所需去除的农作物顶芽所在的区域6以去除农作物顶芽。

上述实施例所述的农作物顶端优势去除装置，通过高能量的激光进行精准切割，不会对切割区域外的农作物植株造成损伤，精准控制激光的作用范围，保护农作物植株，增加农作物产量和品质。

具体的实施例中，所述装置可以进一步的根据农作物植株的理化特性，调节光纤激光器组件1的输出模式、激光功率、扫描速度、扫描区间，精准损坏农作物打顶部位细胞组织结构，完成打顶过程。扩束准直组件3还可以进一步的根据农作物植株的具体理化特征，如枝干大小等，放大或缩小激光束以精准的聚焦到所需去除的农作物顶芽所在的区域6，从而达到精准的去除仅在所需去除的农作物顶芽所在的区域6内的农作物顶芽，保护了农作物的其他部分。

在具体的实施例中，光纤激光器组件1为典型的高功率高斯型激光器。激光器的波长不受限制，优选红外波段，禁止选用可见光波段，以防止作业过程中反射和散射光线对于操作人员的伤害。在红外波段中，优选1550nm的近红外光纤激光器，光纤激光器组件1的输出功率范围优选20W至400W，但不限于该范围，通常适用的功率值超过90W，并且可以根据实际使用过程中聚焦光斑大小、光斑扫描速度、农作物顶芽生长情况和打顶作业时的环境因素调整光纤激光器组件1的输出模式和输出功率范围。输出模式优选连续输出模式，也可选择相应频率的脉冲输出模式。

在具体的实施例中，为了保证激光的传输效率，传输光纤2配置为单模光纤。

在具体的实施例中，所述传输光纤2的透过波长与光纤激光器组件1的波长一致，所述传输光纤2的衰减率不大于1％。

在较佳的实施例中，如图2所示，所述装置还包括扫描振镜4；所述激光束经过扩束准直组件3后传入所述扫描振镜4，并通过所述扫描振镜4的转动以调整所述激光束的传输方向，使所述激光束在切割区域7内移动以去除农作物顶芽。

在工作过程中，扫描振镜4可以通过转动灵活改变激光束的传输方向，比如在切割区域7中，如图3所示，可选择一个较佳的切割起点A和一个较佳的切割终点B，激光束在开始切割时从切割起点A通过扫描振镜4转动调整激光束的传输方向，沿A到B的方向进行切割。扩束准直组件3放在扫描振镜4之前可以放大激光光斑，主要应用于高精光能量系统中，经过扩束后可以减小扫描振镜4中反射镜上的能量密度，保护反射镜，防止高能量密度对反射镜的损伤。

在较佳的实施例中，所述切割区域7大于或等于所述所需去除的农作物顶芽所在的区域6。在工作过程中，所选择的切割起点A和切割终点B可以为在切割区域7中最多所述农作物顶芽所在的切割平面。也可以在工作过程中在同一切割区域7内进行多次切割，在保证切割效率的同时也减少了对农作物的伤害。

由于采用激光束调制，切割区域7的外光斑半径大于切割区域7的半径，从而使切割区域7的外光斑能量密度远远低于切割区域7内，而使激光不会对切割区域7外的农作物植株造成损伤，保证切割精准性。在完成切割后，光纤激光器组件1停止激光输出并继续下一个农作物顶芽区域的激光切割。由于本发明可以精确地锁定确切的切割区域7并且在激光在切割区域7工作完毕后就停止激光输出，这种农作物顶端优势去除装置避免了传统机械刀具进行切割时对农作物顶芽周边组织伤害较大进而引起切割部位感染、造成农作物减产、适应性较差等问题。

在较佳的实施例中，所述光纤激光器组件1还用于通过所述传输光纤2将指示光传入所述扩束准直组件3；所述扩束准直组件3还用于对所述指示光进行调整后传入所述扫描振镜4，由所述扫描振镜4根据第一位置调整所述指示光的传输方向后传入所述F-θ镜5并向农作物顶芽的方向照射以校准农作物顶芽与第一位置是否重叠，所述第一位置为预测的所述农作物顶芽的位置，所述指示光为低能量可见光。

具体步骤为：光纤激光器组件1产生一束可见波段的指示光并通过所述传输光纤2传入所述扩束准直组件3。所述指示光为低能量可见光。所述扩束准直组件3还用于对所述指示光进行调整后传入所述扫描振镜4，由所述扫描振镜4根据第一位置调整所述指示光的传输方向后传入所述F-θ镜5，所述第一位置为所述农作物顶芽的预测位置。可见指示光经过F-θ镜5聚焦后照射到所需去除的农作物顶芽所在的区域6的相应区域，若所需去除的农作物顶芽所在的区域6位置与第一位置不重叠时，校准步骤将从一个新的第一位置重新进行校准。若所需去除的农作物顶芽所在的区域6位置与第一位置重叠时，依据农作物顶芽与F-θ镜5之间的距离确定扩束准直组件3的调制参数，并计算出切割区域7范围内的光斑半径。依据切割区域7范围内的光斑半径选择合适的激光输出模式和激光功率，光纤激光器组件1产生相应的高斯型激光光束并通过所述传输光纤2将激光束传入所述扩束准直组件3。所述扩束准直组件3依据所述F-θ镜5与所需去除的农作物顶芽所在的区域6之间的距离调整所述激光束的发散角、腰斑半径及腰斑位置，使所述激光束经过F-θ镜5后聚焦到所需去除的农作物顶芽所在的区域6进行激光切割。

在较佳的实施例中，所述激光束经过扩束准直组件3后传入所述扫描振镜4，并通过所述扫描振镜4转动灵活改变激光束的传输方向，比如在切割区域7中，如图3所示选择一个较佳的切割起点A和一个较佳的切割终点B，激光束在开始切割时从切割起点A通过扫描振镜4转动调整激光束的传输方向，沿A到B的方向进行切割。扩束准直镜放在扫描振镜4之前可以放大激光光斑，主要应用于高精光能量系统中，经过扩束后可以减小扫描振镜4中反射镜上的能量密度，保护反射镜，防止高能量密度对反射镜的损伤。

较佳的实施例中，为保证激光光束扫描范围的有效调节，优先选用可电动控制扩束准直组件3、扫描振镜4和F-θ镜5。其中扫描振镜4调节角度一般20度，扫描区域根据不同地区那的农作物的种植情况可以做相应的调整。

较佳的实施例中，所述装置还包括控制器，用于控制所述扩束准直组件3依据所述F-θ镜5与农作物顶芽之间的距离调整所述激光束的发散角、腰斑半径及腰斑位置以及控制所述扫描振镜4的转动。

本发明一具体的实施例中，还提供了一种农作物顶端优势去除方法，所述方法应用于一种光纤激光装置，所述光纤激光装置包括：光纤激光器组件、传输光纤、扩束准直组件以及F-θ镜，所述方法包括：根据农作物顶芽的位置与F-θ镜之间的距离确定扩束准直组件的调制参数，所述调制参数至少包括如下之一：激光束的发散角、腰斑半径及腰斑位置；光纤激光器组件通过传输光纤将一束激光束传入扩束准直组件；扩束准直组件依据所述调制参数进行调整，使所述激光束经过F-θ镜后聚焦到所需去除的顶芽所在的区域以去除农作物顶芽。

较佳的实施例中，所述激光束经过扩束准直组件后传入扫描振镜，并通过所述扫描振镜转动以调整所述激光束的传输方向，使所述激光束在切割区域内去除农作物顶芽。

较佳的实施例中，所述切割区域的外光斑半径大于切割区域的半径。

较佳的实施例中，所述光纤激光器组件通过所述传输光纤将一束激光束传入所述扩束准直组件前，所述方法还包括：校准农作物顶芽的位置。

较佳的实施例中，校准农作物顶芽的位置具体包括：

所述光纤激光器组件通过所述传输光纤将指示光传入所述扩束准直组件中；所述扩束准直组件对所述指示光进行调整后传入所述扫描振镜，由所述扫描振镜根据第一位置调整所述指示光的传输方向后传入所述F-θ镜并向农作物顶芽的方向照射以校准农作物顶芽与第一位置是否重叠，所述第一位置为所述农作物顶芽的预测位置，所述指示光为低能量可见光。

具体步骤为：光纤激光器组件产生一束可见波段的指示光并通过所述传输光纤传入所述扩束准直组件。所述指示光为低能量可见光。所述扩束准直组件对所述指示光进行调整后传入所述扫描振镜，由所述扫描振镜根据第一位置调整所述指示光的传输方向后传入所述F-θ镜。可见指示光经过F-θ镜聚焦后照射到所需去除的农作物顶芽所在的区域的相应区域，若所需去除的农作物顶芽所在的区域位置与第一位置不重叠时，校准步骤将从一个新的第一位置重新进行校准。若所需去除的农作物顶芽所在的区域位置与第一位置重叠时，依据农作物顶芽与F-θ镜之间的距离确定扩束准直组件的调制参数，并计算出所需去除的农作物顶芽所在的区域范围内的光斑半径。依据所需去除的农作物顶芽所在的区域范围内的光斑半径选择合适的激光输出模式和激光功率，光纤激光器组件产生相应的高斯型激光光束并通过所述传输光纤将激光束传入所述扩束准直组件。所述扩束准直组件依据所述F-θ镜与所需去除的农作物顶芽所在的区域之间的距离调整所述激光束的发散角、腰斑半径及腰斑位置，使所述激光束经过F-θ镜后聚焦到所需去除的农作物顶芽所在的区域进行激光切割。

本发明的农作物顶端优势去除装置及方法，通过激光进行精准切割，不会对切割区域外的农作物植株造成损伤，精准控制激光的作用范围，保护农作物植株，增加农作物产量和品质。

应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

还应理解，在本发明实施例中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种农作物顶端优势去除装置，其特征在于，所述装置包括：光纤激光器组件(1)、传输光纤(2)、扩束准直组件(3)以及F-θ镜(5)；所述光纤激光器组件(1)通过所述传输光纤(2)将激光束传入所述扩束准直组件(3)；所述扩束准直组件(3)依据所述F-θ镜(5)与农作物顶芽之间的距离调整所述激光束的发散角、腰斑半径及腰斑位置，使所述激光束经过F-θ镜(5)后聚焦到所需去除的农作物顶芽所在的区域(6)以去除农作物顶芽；

所述装置还包括扫描振镜(4)；所述激光束经过扩束准直组件(3)后传入所述扫描振镜(4)，并通过所述扫描振镜(4)的转动以调整所述激光束的传输方向，

使所述激光束在切割区域(7)内移动以去除农作物顶芽；

所述光纤激光器组件(1)还用于通过所述传输光纤(2)将指示光传入所述扩束准直组件(3)；所述扩束准直组件(3)还用于对所述指示光进行调整后传入所述扫描振镜(4)，并由所述扫描振镜(4)根据第一位置调整所述指示光的传输方向后，将所述指示光传入所述F-θ镜(5)并向农作物顶芽的方向照射以校准农作物顶芽与第一位置是否重叠，所述第一位置为所述农作物顶芽的预测位置，

所述指示光为低能量可见光；

所述装置还包括控制器，用于控制所述扩束准直组件(3)依据所述F-θ镜(5)

与农作物顶芽之间的距离调整所述激光束的发散角、腰斑半径及腰斑位置以及控制所述扫描振镜(4)的转动。

2.根据权利要求1所述的一种农作物顶端优势去除装置，其特征在于，所述切割区域(7)大于或等于所述所需去除的农作物顶芽所在的区域(6)。

3.一种农作物顶端优势去除方法，所述方法应用权利要求1所述的一种农作物顶端优势去除装置，其特征在于，所述方法包括：

根据农作物顶芽的位置与F-θ镜之间的距离确定扩束准直组件的调制参数；所述调制参数至少包括如下之一：激光束的发散角、腰斑半径及腰斑位置；

光纤激光器组件通过传输光纤将激光束传入扩束准直组件；扩束准直组件依据所述调制参数使所述激光束经过F-θ镜后聚焦到所需去除的顶芽所在的区域以去除农作物顶芽；

所述激光束经过扩束准直组件后传入扫描振镜，并通过所述扫描振镜转动以调整所述激光束的传输方向，使所述激光束在切割区域内去除农作物顶芽；所述光纤激光器组件通过所述传输光纤将一束激光束传入所述扩束准直组件前，所述方法还包括：校准农作物顶芽的位置；

校准农作物顶芽的位置具体包括：

所述光纤激光器组件通过所述传输光纤将指示光传入所述扩束准直组件中；所述扩束准直组件对所述指示光进行调整后传入所述扫描振镜，由所述扫描振镜根据第一位置调整所述指示光的传输方向后传入所述F-θ镜并向农作物顶芽的方向照射以校准农作物顶芽与第一位置是否重叠，所述第一位置为所述农作物顶芽的预测位置，所述指示光为低能量可见光。

4.根据权利要求3所述的农作物顶端优势去除方法，其特征在于，切割区域的外光斑半径大于切割区域的半径。