DE69805862T2

DE69805862T2 - Fluoreszenz-detektor-anordnung zur bestimmung von bedeutsamen vegetationsparametern

Info

Publication number: DE69805862T2
Application number: DE69805862T
Authority: DE
Inventors: Hans-Guenter Dahn; Kurt Guenther; Wilhelm Luedeker
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1998-10-28
Filing date: 1998-10-28
Publication date: 2003-01-16
Anticipated expiration: 2018-10-29
Also published as: UA66892C2; EP1125111B1; AU1664699A; WO2000025114A1; ES2174521T3; ATE218705T1; US6563122B1; CA2348594C; DE69805862D1; AU752897B2; CA2348594A1; EP1125111A1

Description

Allgemeiner Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Fluoreszenzdetektionsanordnung zur Bestimmung relevanter Vegetationsparameter, welche eine Anregungsquelle, die aus einer Niederleistungs-Laservorrichtung mit einer Anregungswellenlänge im roten Spektralbereich besteht, eine strahlbildende optische Vorrichtung, einen dichroitischen Strahlteiler, ein Fluoreszenzdetektor-Basissystem, das eine optische Eingangsvorrichtung, die eine Fluoreszenzemission über den dichroitischen Strahlteiler empfängt, und ein Interferenzfilter, das das elastische Rückstreusignal aussperrt, enthält, eine elektronische Detektionsvorrichtung zum Feststellen eines Fluoreszenzsignals und eine elektronische Trigger- und Zeitsynchronisiervorrichtung aufwiest.
Zuerst wird das Phänomen von Chlorophyllfluoreszenz erörtert.
Die absorbierte photosynthetische aktive Strahlung (PAR) der Sonnenstrahlung (380 nm < λ < 750 nm) wird von Pflanzen hauptsächlich dazu verwendet, um die absorbierte Energie in chemisch gebundene Energie (Photosynthese) umzuwandeln und wird als chemische Energie gespeichert. Dieser Prozess ist direkt mit der Aufnahme von Kohlendioxid und dem Freisetzen von Sauerstoff (die sogenannte primäre Produktivität) verbunden. Zwei andere Wege sind für absorbierte Energie möglich, um energetisch ausgeglichene Pflanzen zu erhalten. Erstens kann die Emission von thermischer Energie und zweitens die Emission als Fluoreszenzlicht zur Regulierung verwendet werden.
Der thermische Energiehaushalt wird mit Sonnenenergie aus dem sichtbaren (VIS) und dem kurzwelligen infraroten (SWIR) Bereicht des Sonnenspektrums aufgefüllt. SWIR-Strahlung wird unmittelbar von dem Wassergehalt im Blattinneren absorbiert. Der VIS-Bereich trägt über den Exciton-Transfer im Inneren des Antennenpigments der Reaktionszentren (PS I; PS II) und des Licht-Erntekomplexes (LHPC) bei. Bei diesem Prozess wird die absorbierte Photonenenergie in Energiequanten umgewandelt, die bei PS I und PS II erforderlich sind. Der Energieüberschuss wird in Schwingungs- und Rotations-Energieniveaus gespeichert und folglich schließlich in Wärme umgewandelt.
Bei PS I und PS II können die absorbierten Energiemengen von den sogenannten Lichtreaktionen verwendet werden, können in Wärme umgesetzt oder schließlich als Fluoreszenzlicht emittiert werden. Die emittierte Fluoreszenz in dem roten Spektralbereich ist den Chlorophyllmolekülen zuzuschreiben, die PS I, PS II und den LHPC zugeordnet sind. Die Umwandlungswahrscheinlichkeiten von Wärme und Fluoreszenz werden über der Zeit als konstant angesehen, während die Umwandlungsrate bei der Lichtreaktion als eine Funktion des Zustandes des Reaktionszentrums (der Elektron-Transfer-Kette) und des Phosphorylierungszustandes der photosynthetisch aktiven Zellmembranen betrachtet wird. Die folgende Gleichung (1) beschreibt den Anteil an sonneninduzierten Chlorophyll-Fluoreszenzlicht (FSun(t)), welches von den Reaktionszentren emittiert wird:
ki: Umwandlungswahrscheinlichkeit für Fluoreszenz, Wärme und Photosynthese
Φ (t): Zustand des Reaktionszentrums
M(t): Membran-Phosphorylierung
IAbs-Sun: absorbierte spektrale Strahlungsdichte.
Aus dieser Formel kann ersehen werden, dass das Verhalten der zeitabhängigen Chlorophyll-Fluoreszenz Zugang zu den relativen Änderungen der photosynthetischen Aktivität gibt, wenn man annimmt, dass "Φ" und "M" Funktionen der Zeit sind.
Nunmehr wird Detektion und Interpretation der Chlorophyllfluoreszenz-Intensität erörtert.
Die Detektion von sonneninduzierter Chlorophyll-Fluoreszenz ist schwierig auf Grund der Tatsache, dass das Fluoreszenzsignal von dem reflektierten Licht (passivem Spektrum) überlagert wird. Für Blätter oder Pflanzenbewuchs liegt das Fluoreszenzsignal in der Größenordung von nur einigen Prozent, verglichen mit dem Gesamtsignal. Folglich wurden verschiedene Messtechniken, bei welchen zusätzliche Lichtquellen verwendet werden, in der Vergangenheit entwickelt, um die Chlorophyllfluoreszenz bei verschiedenen Anwendungen zu verwenden.
Im allgemeinen wird eine modulierte oder gepulste Lichtquelle zu der Sonnenbestrahlung "IAbs-Sun" hinzuaddiert, wodurch ein moduliertes oder gepulstes Fluoreszenzsignal Fada(t) induziert wird, welches sich der sonneninduzierten Fluoreszenz Fsun(t) und dem reflektierten Signal IR(λ) überlagert. Wenn zur Anregung eine Laserquelle verwendet wird, wird die sogenannte laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) erzeugt. Die Gleichung (1) wird dann modifiziert in:
Das Gesamtsignal, das normalerweise detektiert wird, ergibt sich durch die Summe aller Fluoreszenzsignale und des reflektierten Signals IR(λ). Mit entsprechender technischer Einrichtung kann das Fluoreszenzsignal, das durch eine zusätzliche Lichtquelle angeregt worden ist, von dem passiven Spektrum und der sonneninduzierten Fluoreszenz sogar unter Tageslichtbedingungen in Abständen getrennt werden, die von direktem Kontakt (Schreiber 1986, DE 35 18 527; Mazzinghi 1991, EP 0 434 644 B1) bis zu einem Meter (Chappelle 1995, US 5,412,2) und mehreren hundert Metern (Cecchi und Patini 1995, EP 0 419 425 B1) reichen.
Die technische Herausforderung für alle Systeme entweder bei Kontaktmessungen sowie für Fernmessungen besteht darin, eine Anregungsanordnung zu installieren, die stark genug ist, um ein hinreichend intensives Fluoreszenzsignal zu induzieren, um das passive Spektrum zu überwinden, und schwach genug ist, um das photosynthetische System in einem unveränderten physiologischen Zustand zu halten.

Beschreibung des Standes der Technik

Bei dem bekannten Fluorometer mit Puls-Amplitudenmodulation (PAM) (Schreiber et al. 1986, DE 35 18 527) induziert ein schwaches Messlicht (rotes Licht emittierende Diode LED) die Chlorophyll-Fluoreszenz über einen Lichtleiter ohne den photosynthetischen Zustand der Pflanze zu ändern. Die Fluoreszenz wird durch einen Lichtleiter zu einer Photodiode übertragen, welche das gesamte Fluoreszenzlicht über 700 nm detektiert. Für dunkeladaptierte Pflanzen wird keine photosynthetische Aktivität stimuliert, wenn das Messlicht eingeschaltet ist.
Eine Beleuchtung eines dunkeladaptierten Blattes mit einem starken Blitz von mehreren Millisekunden bis zu einigen Sekunden (sogenannter sättigender Lichtpuls) ergibt die maximal verfügbare Fluoreszenz (genannt: Fm), induziert aber keine Photosynthese. Eine kontinuierliche Beleuchtung mit nicht sättigendem Licht(sogenanntes aktinisches Licht) induziert eine photosynthetische Aktivität. Nach einer Beleuchtung von mehreren Sekunden bis Minuten sind alle einen Beitrag liefernden Prozesse im Gleichgewicht mit dem zugeführten Licht und folglich hat die Fluoreszenz einen stabilen Zustandswert Fs erreicht. Der Einschwingvorgang der Fluoreszenz während einer Beleuchtung von dunkeladaptierten Blättern ist der sogenannte Kautzky-Effekt. Beispielsweise zeigt Fig. 1 ein gemessenes Diagramm einer Kautzky-Kinetik einer Gurke. Die detektierte Fluoreszenz bei 685 nm wird ausschließlich durch die Laserpulse induziert. Eine Beleuchtung mit einem 500 Watt Halogen-Spotlicht beeinflusst nur den photosynthetischen Zustand und folglich kPhoto. Dessen Beitrag zu dem Fluoreszenzsignal, speziell als Anregungsquelle, ist vernachlässigbar. Das PAM-Fluorometer wird normalerweise in direktem Kontakt mit Blättern betrieben, kann aber auch bei Abständen von einigen Zentimetern verwendet werden.
Nunmehr wird die Detektion und Interpretation des roten Fluoreszenzverhältnisses erörtert.
Bei Anregung durch UV-Licht weist das typische Fluoreszenzspektrum einer Pflanze dominante Emissionsbanden auf (Fig. 2), eine von 400 nm-600 nm (die sogenannte blau-grüne Fluoreszenz BG) und ein von 650 nm-800 nm (die sogenannte rote Fluoreszenz; F685, F730). Beispielsweise zeigt Fig. 2 ein Diagramm des Fluoreszenzemissionsspektrums einer in einem Gewächshaus gewachsenen Maispflanze. Die Fluoreszenz bei 685 nm und bei 730 nm (sogenannte F685 und F730) rührt ausschließlich von dem blattinternen Chlorophyll her. Die blau-grüne Fluoreszenz (BG) wird hauptsächlich durch Phenolkomponenten der Zellwände emittiert.
Die Emissionsmerkmale von gesunden Pflanzen sind eng mit der Pflanzenmorphologie verbunden, wie z. B. die Pigmentbestandteile und die Pigmentkonzentration. Zusätzliche Merkmale können auftreten, wenn Pflanzen durch Pilze infiziert sind.
Aus Versuchen ist bekannt, dass die Emissionen bei 685 nm und 730 nm beide mit dem Photosynthesesystem zusammenhängen, wie vorstehend beschrieben ist, und folglich beinahe die gleiche Veränderung über die Zeit zeigen. Im Unterschied hierzu ist das Fluoreszenzverhältnis F685/F730 einer einzelnen Pflanze oder eines Blattes über die Zeit konstant und hängt nur von den optischen Eigenschaften des Blattes ab (Gl.(2)).
mit:
Ψ: = spektrale Fluoreszenzcharakteristik @λ = 685 und 730 nm
β: = Streukoeffizient @λ = 685 und 730 nm
c: = Chlorophyllkonzentration
α: = spezifische Absorptionskoeffizient @λ = 685 und 730 nm
d: = Blattdicke
A: = Konstante, die auch die Koeffizienten α, β, c und d enthält.
Die Fluoreszenzemissions- und die Pigmentabsorptionsbanden überdecken sich bei etwa 685 nm (Fig. 3); folglich werden die emittierten (Fluoreszenz-)Photonen selektiv während ihres Wegs durch das Pflanzgewebe reabsorbiert, was zu einer exponentiellen Abhängigkeit des Verhältnisses F685/F730 von den Parametern: mittlere freie Lichtbahn in dem Blatt, Streukoeffizient und Chlorophyllkonzentration führt. Fig. 3 zeigt ein Diagramm der Form einer spezifischen Absorption (α) von Chlorophyll a und dem entsprechenden Fluoreszenz-Emissions- Spektrum (Ψ)
Die einzige in dem Verhältnis gefundene, zeitabhängige Veränderung trat während der Durchgänge von volldunkel-adaptierten Pflanzen zur Lichtadaption auf. Es wurde gezeigt, dass diese kleine Veränderung von Dunkel zum frühen Morgen, vom Nachmittag zum Abend und während einer Kautzky-Kinetik auftritt. Unter Tageslicht konnte keine signifikante Abhängigkeit bzw. Korrelation des roten Fluoreszenzverhältnisses und der globalen Bestrahlung gefunden werden. Daher wird angenommen, dass diese Veränderungen in Beziehung stehen zu den Veränderungen in den optischen Eigenschaften des Blattgewebes. Ein möglicher Mechanismus könnte die Ausrichtung der Blatt-Organellen (z. B. Chloroplaste) zu der sich einstellenden Beleuchtung sein; dies ist jedoch Gegenstand weiterer Untersuchungen.
Trotzdem gibt das Verhältnis einen Zugang, relative Veränderungen der Chlorophyllkonzentration für eine Pflanzenart zu messen, wenn man eine ähnlich Morphologie für die einzelnen Pflanzen annimmt. Dies bedeutet, dass der blattinterne Streukoeffizient und die Blattgeometrie vergleichbar sind.
Mazzinghi (EP 434 644 B1, 1991 und P. Mazzinghi: "A laser diode fluorometer for field measurements of the F685/F730 chlorophyll fluorecencee ratio" in "REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRU- MENTS", Vol.67, No.10, Oktober 1996, 5.3737-3744, XP000635835, New York, USA) entwickelte "ein Instrument für die Zweikanal-Messungen der Fluoreszenz von Chlorophyll". Dieses tragbare und kompakte System ist für direkte Kontaktmessungen des Fluoreszenzverhältnisses F690/F730 (bzw. F685/F730) sowie für Messungen des RFD-Werts von beiden Wellenlängen mit einem Helium-Neon-Laser oder einer Laser-Diode als ständige Anregungsquelle konzipiert. Wenn bei vollem Sonnenlicht gearbeitet wird, muss das Resthintergrundlicht (passive Spektrum) in Folge der direkten Reflektion des Blattes nach jeder Messung gesondert geprüft werden (und dann subtrahiert werden, da dieses Licht nicht vollständig durch das Filter an dem Fühler eliminiert wird.
Nunmehr wird die blaue-grüne-Fluoreszenz BG erörtert.
Der Ursprung der BG-Fluoreszenz ist schwieriger zu identifizieren und noch Gegenstand von wissenschaftlichen Erörterungen. Die BG-Fluoreszenz rührt von den Zellwänden in den oberen Blattschichten her und nur ein kleiner Bruchteil wird von tieferen Zellschichten emittiert.
Für Chloroplaste ist keine blaue Fluoreszenz offensichtlich, da rote Chlorophyll-Fluoreszenz der vorherrschende Faktor ist. Trotzdem ist bekannt, dass NADPH in den Chloroplasten blaue Fluoreszenz emittiert. Ebenso ist gezeigt worden, dass fluoreszierende Co-Enzyme, wie NADH oder NAD(P)H sehr empfindliche Bio-Indikatoren von metabolischen Funktionen, wie der Degradation von Glucose oder der Atmung sind. Folglich hängt die blaue NADPH-Emisslon von dem physiologischen Zustand der Pflanze ab. Bei Blättern wird die Emission von Enzymen und Co-Enzymen vollständig durch die Emission der Zellwandung überdeckt, in der mehrere Pflanzenbestandteile eingelagert sind. Wie allgemein bekannt, sind Pflanzenphenole, Chlorogen- und Kaffeesäuren sowie Kumarine Quellen der Blauemission und Alkaloide und Flavonole sind Quellen der Grünfluoreszenz.
Nunmehr wird die Detektion und Interpretation der BG-Fluoreszenzintensität erörtert.
Auf der Basis der gegenwärtigen Kenntnis über die BG-Fluoreszenz gibt es keine allgemein übereinstimmende Interpretation der gesamten BG-Fluoreszenzintensität. Eine Menge Emitter sind eindeutig identifiziert, aber deren Beitrag zu dem Gesamtsignal sind noch unbekannt.
Eine Verbindung zu der Photosyntheseeinrichtung, die mit der Beschreibung in Gl.(1) vergleichbar ist, wurde nur für NADPH- Fluoreszenz gefunden. Wenn eine zeitinvariante BG-Fluoreszenz von allen anderen Emissionsquellen angenommen wird, könnten auch diese Übergangszustände der BG-Fluoreszenz überwacht werden.
Im allgemeinen rührt die Emission von anderen Pflanzenkomponenten, z. B. der epidermalen zellschicht, insbesondere den Zellwänden oder von den Vakuolen auch in den Mesophyllzellen her. All diese Komponenten enthalten kein Chlorophyll und folglich tragen sich auch nicht zu der Photosynthese bei. Trotzdem ist die Hauptinformation, die aus der BG-Fluoreszenzintensität herleitbar ist, eine Schätzung der Menge an emittierenden Pflanzen-(Gewebe-)Pigmenten in diesem Spektralbereich.
Nunmehr wird die Detektion und Interpretation des Parameter- BG-Fluoreszenz-Verhältnisses erörtert.
Beim Bewerten der spektralen charakteristischen Merkmale der BG-Fluoreszenz mit spezieller Beachtung der ebenfalls überwachten roten Fluoreszenz schafft die Möglichkeit, die Fluoreszenz (bis zu der Chlorophyll-Fluoreszenz) zu normieren und folglich diese Messung resistent bezüglich Eicheinflüssen und Signalschwankungen auf Grund von nacheinander aufgezeichneten Messungen zu machen.
Wie Untersuchungen gezeigt haben, gibt es zumindest vier verschiedene Einflüsse, die durch vergleichbare Labor- und Feldversuche nachgewiesen sind, welche in folge der spektralen charakteristischen Eigenschaften in dem blauen, grünen und roten Bereich differenziert werden können:
- Unterscheidung von ein- und zweikeimblättrigen Pflanzen (blau-grün-rot)
- Synthese von UV-Schutzpigmenten (UV-Stress) (blau-rot)
- Infektion von Mehltau, Rost... (Pilzen) (blau-grün-rot)
- Detektion von Blattnekrose an Kiefernadeln (blau-grün)
Im Falle einer Blattoberflächenbedeckung durch andere organische Materialien, wie beispielsweise während Pilzinfektionen wird das Fluoreszenz-Emissionsspektrum des infizierten Blattes auf zwei unterschiedliche Weisen beeinträchtigt:
die Autofluoreszenz der Pilze erhöht (oder ändert) selektiv die BG-Fluoreszenz.
- Pilze an der Oberfläche senken die Rotfluoreszenz durch Absorbieren des Anregungslichtes und verringern infolgedessen die Eindringtiefe. Derselbe Effekt ist zu sehen, wenn das Anregungslicht diffus durch eine zusätzliche Gewebeschicht an der Pflanzenoberfläche reflektiert wird.
Ein derartiges Verhalten ist auch von UV-Schutzpigmenten in den epidermalen Zellvakuolen bekannt, welche die "UV" Anregung daran hindern, tiefer in Zellschichten einzudringen und folglich die Chlorophyll-Fluoreszenz selektiv schwächen. Üblicherweise sind Pigmente (z. B. Anthozyanin) nur Absorber und tragen nichts zu dem Fluoreszenz-Signal bei.
Die folgenden Vorbedingungen sind zu erfüllen, um einer erfolgreichen Datenerfassung zu genügen.
Aktinische-nicht-aktinische Messlicht-Bedingungen sind zu berücksichtigen. In Abhängigkeit von dem interessierenden Gegenstand kann es notwendig sein, einen Einfluss auf das Photosystem durch die Anregungsquelle zu vermeiden. In allen Fällen, in denen die Fluoreszenzintensität für die Messung von Bedeutung ist, muss die Anregung die Pflanzensystembedingungen einhalten. Sie sollte nur durch Umgebungsparameter, wie beispielsweise Sonnebestrahlung, Keimkraft oder den gesungen Zustand gesteuert werden.
Ein a priori ausgeschlossener Einfluss der Anregung erlaubt eine Messung der Beleuchtung und folglich ein Schätzen der Keimkraft bzw. des gesunden Zustandes. Dies ist meist irrelevant für das Messen der relativen Chlorophyllkonzentration, da beide Emissionsbänder in der gleichen Weise abhängig sind, aber bereits im Falle des Vergleichs der Rotfluoreszenz mit der Blaufluoreszenz zeigen die verschiedenen Ursprünge der Emissionsbanden die Notwendigkeit an, die Emissionsintensität soweit, wie möglich, zu steuern.
Andererseits gibt ein nicht gestörtes (durch Anregungslicht) Photosystem die Möglichkeit, pflanzenspezifische Information durch Steuern der Umgebungsparameter zu extrahieren. Die Veränderung von beispielsweise der zugeführten Lichtenergie oder der gesunde Zustand einer Pflanze erlaubt die Festsetzung von Messregeln, um eine Interpretation der Intensitätsschwankungen möglich zu machen. Diese Technik ist weit verbreitet in der bereits erwähnten PAM-Fluorometrie oder wird bei den täglichen zyklischen Messungen mit dem Feld-Lidarsystem realisiert.
Darüber hinaus ist das Signal/Hintergrundverhältnis (SBR) zu berücksichtigen.
Das Signal/Hintergrundverhältnis für die aktiv induzierte Fluoreszenz ist als die Anzahl Photonen, die passiv von dem Blattgewebe (IR) reflektiert sind, plus der sonneninduzierten Fluoreszenz (FSun) plus den emittierten Fluoreszenzphotonen (die durch die Anregung des Messlicht (Fadd) stimuliert sind) definiert, geteilt durch die Anzahl Photonen, die passiv von dem Blattgewebe (IR) reflektiert sind, plus der sonneninduzierten Fluoreszenz (Fsun)
Um jeden Beitrag zu unterscheiden, muss man beide bestimmen. In der Fernbereich-Lidartechnik ist der Anregungspuls so stark, dass der passive Hintergrund im Vergleich zu dem induzierten Fluoreszenzlicht vernachlässigbar ist. Die Hauptnachteile dieser Methoden sind die hohen Kosten für ein entsprechendes Anregungssystem (Laser), die enorme Leistung, den Laser zu betreiben (Energiezufuhreinschränkungen hinsichtlich der Augensicherheit, Präzizitionsoptik) und die Unsicherheit des Beleuchtungszustands an der Messpflanzenposition.
Darüber hinaus muss das Signal/Rauschverhältnis (SNR) in Betracht gezogen werden. Für eine Einzeloperation definiert das Signal/Rauschverhältnis, ob ein Detektionssystem in Lage ist, das Fluoreszenzsignal bei jedem Anregungspuls zu messen. Die Hauptrauschquellen, die das SNR definieren, sind:
die Empfindlichkeit des Photonendetektors
die Energie des Hintergrundsignals (St1)
die Energie des aktiven Fluoreszenzsignals (Flaser)
der Betriebsabstand und
die Eingangsöffnung des Detektionssystems.
Die erste Quelle ist durch die charakteristischen Detektormerkmale definiert, während die anderen drei Komponenten von dem sogenannten "Shotrauschen" abhängen.
Photovervielfacherröhren (PMTs), insbesondere im Dauerbetrieb, sind Detektoren mit extrem niedrigen Rauschpegel, der deutlich unter dem Rauschpegel des Photonen-(Shot-)Rauschen sogar bei einem hohen Verstärkungspegel liegt. Ein optisches System, das groß genug, ist um ausreichend Fluoreszenzphotonen aufzufangen, um die Signalverzerrung durch Shotrauschen zu verringern, ermöglicht einen Einzelschußbetrieb. Dies gilt für all die Fälle, bei welchen das Ziel sich schnell ändert.
Wenn sich das Ziel an einer festgelegten Position bezüglich des Detektionssystems befindet, kann man beispielsweise die "lock-in-Technik" anwenden, um ein verrauschtes Fluoreszenzsignal von einer Rauschquelle unabhängig davon zu trenne, ob der Ursprung des Rauschens Shot- oder Detektorrauschen ist. In diesen Fällen können die Anforderungen an das optische System (Verkleinerung der Öffnung oder Austausch der Photovervielfacherröhrer gegen eine preiswertere Avalanche-Laufzeit- oder normale Photodiode) herabgesetzt werden.
Ein Fluorometer mit einer schnellen Wiederholfrequenz ist in US 5,426,306 vorgeschlagen, um in-vivo Fluoreszenz von Phytoplankton oder höheren Pflanzen mit einer Reihe von Anregungsblitzen mit schneller Wiederholfrequenz zu messen. Das System induziert die Variable Fluoreszenz, um photosynthetische Parameter wie variable Fluoreszenz, einen effektiven Absorbtionsquerschnitt, eine Elektronendurchflussrate und Photosynthese-Umschaltzeiten herzuleiten. Diese Vorrichtung wird verwendet, um Fluoreszenz von Proben als Funktion einer Reihe von Anregungsblitzen zu messen.
Ein Verfahren für die automatische Detektion von Pflanzen durch Messen von Chlorphyll-Fluoreszenzintensität ist in WO 91/10352 beschrieben. Gemäß dieser Methode wird Fluoreszenz durch eine Lichtquelle mit einer Wellenlänge unter 500 nm angeregt. Die emittierte Fluoreszenz wird mit einer Kamera detektiert, die mit einem Breitband-Spaltfilter versehen ist (Transmission über 600 nm und Sperren unter 600 nm). Es wird keine aktive Hintergrundunterdrückung angewendet. Folglich wird eine Empfehlung gegeben, dass die Lichtquelle stark genug für Bildinformation ist, und dass die Strahlung der Lichtquelle, die direkt von der Pflanze oder dem Substrat reflektiert worden ist, die Kamera nicht erreicht.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine preiswerte Hochleistungs-Fluoreszenzdetektionsanordnung zu schaffen, um die notwendige Anregungsenergie durch Verwenden eines ausreichend leistungsfähigen Niederleistungslaser zu reduzieren, um Emission einer messbaren Menge anzuregen und um den Einfluss des Hintergrundsignals zu reduzieren.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen neuen technischen Lösungsweg zu schaffen, um bekannte physiologische Pflanzenparameter unter bestimmten Bedingungen mit sehr genauer Bestimmung der entsprechenden Mess- und Umgebungsbedingungen zu messen.
Gemäß der Erfindung ist eine Fluoreszenzdetektionsanordung zum Bestimmen relevanter Vegetationsparameter dadurch gekennzeichnet, dass die Niederleistungs-Laservorrichtung, die in der Anregungsquelle vorgesehen ist, eine mit hoher Wiederholfrequenz/rate gepulste Laservorrichtung mit einer Pulslänge von mehreren Nanosekunden und einer bevorzugten Anregungswellenlänge in dem roten Spektralbereich von vorzugsweise 670 nm ist, dass der dichroitische Strahlteiler den gebildeten Anregungsstrahl koaxial zu der optischen Achse einer Empfängeroptik koppelt und diesen gebildeten Strahl ohne eine optische Wellenleitung zu einen zu untersuchenden Vegetationszielgegenstandes leitet, dass das Fluoreszenzdetektor-Basissystem ein Bild des Anregungsflecks an der empfindlichen Detektorfläche bildet, dass die elektronische Detektionsvorrichtung mit der doppelten Pulswiederholfrequenz/rate der Anregungslaserquelle arbeitet, und das aktive Fluoreszenzsignal synchron mit der Laseremission einerseits und das passive Hintergrundsignal mit einer festen Verzögerung in dem Mikrosekundenbereich vor oder nach dem aktiven Signal andererseits abtastet, diese Signale mittels einer schnellen Abtast- und Halteschaltung aufzeichnet, die an einen Analog-Digital-Wandler gekoppelt ist, der eine digitale Signalverarbeitung ermöglicht, dass die elektronische Detektionsvorrichtung ferner Mittel aufweist, um das reine Fluoreszenzsignal durch Subtrahieren des Hintergrundsignals von dem aktiven Fluoreszenzsignal elektronisch oder in einem Nachverarbeitungsverfahren zu bestimmen, und dass die elektronische Trigger- und Zeitsynchronisiervorrichtung die Laserpulse mit den Abtastintervallen der elektronischen Detektionsvorrichtung synchronisiert.
Folglich misst diese Anordnung explizit das Hintergrundsignal. Das interessierende Fluoreszenezsignal Flaser wird durch Subtrahieren des passiven Betrags zu dem Gesamtsignal berechnet.
Flaser = St2 - St1
"S" ist das Signal zum Zeitpunkt (Index) "t1" und "t2"
St1 = IR + FλSun
St2 = IR + FλSun + Fλlaser
Bei "t1" ist die aktive Anregung null und bei "t2" wird die aktive Fluoreszenzemission zu dem passiven Signal addiert.
Um die notwendige Anregungsenergie zu verringern, wird der Detektionsfleck und folglich auch der Anregungsfleck soweit verringert, wie der Beitrag des Hintergrundsignals zu dem Pegel des aktiven Fluoreszenzsignals verringert wird.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand von beispielhaften Ausführungsformen im einzelnen beschrieben, was auch in den anliegenden Zeichnungen dargestellt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen
Fig. 1 ein vorstehend erläutertes Diagramm von Kautzky- Kinetik;
Fig. 2 ein vorstehend erläutertes Diagramm eines speziellen Fluoreszenzemissionsspektrums;
Fig. 3 ein vorstehend erläutertes Diagramm der spezifischen Absorbtionsform (α) von Chlorophyll a und dem entsprechenden Fluoreszenz-Emissionsspektrum (Ψ);
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer grundlegenden Einkanalanordnung, um Fluoreszenezintensitäten gemäß der Erfindung zu detektieren;
Fig. 5 ein Zeitdiagramm der Anordnung gemäß der Erfindung für eine On-line-Hintergrundkorrektur (Laserdiode-Trigger und Detektorelektronik zum Triggern von aktiven und passiven Messungen);
Fig. 6a eine Seitenansicht und Fig. 6b eine Vorderansicht welche eine Anordnung des Detektormoduls zeigt, um zusätzliche spektrale Fluoreszenzemission und elastische Rückstreukanäle aufzuzeigen.

Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 4 zeigt eine grundlegende Systemkonfiguration, die zur Detektion von Chlorophyllfluoreszenz-Intensitäten verwendet wird und fünf Hardwarekomponenten aufweist: Eine Anregungslaserquelle 1 in Form einer Licht der Wellenlänge 670 nm emittierenden Laserdiode mit einer strahlbildenden Optik 2, einen Fluoreszenzdetektor 3 einschließlich einer Abbildungsoptik 4 und einer Kanaltrennoptik 5, eine Trigger und Verzögerungselektronik 6, um die Laser- und Detektor- Zeitsynchronisierung einzustellen, eine Detektorelektronik 7, die aus einem Signalaufzeichnungs- und Verarbeitungsmodul besteht, und einen Energieversorgungsmodul 8.
Die Anregungsquelle 1 ist eine Niederleistungslaservorrichtung (Spitzenleistung < 0,5 Watt) mit hoher Wiederholfrequenz (1-50 kHz) und mit einer Pulslänge von mehreren Nanosekunden (10-50 ns). Die Anregungswellenlänge ist vorzugsweise 670 nm für eine effiziente Anregung von Chlorophyll-Fluoreszenz. Mit einer Anregungswellenlänge von 670 nm ist ein kräftiges rotes Chlorphyll-Absorbtionsband angepasst, um eine hocheffiziente Anregung zu ermöglichen. Der Laserstrahl wird durch die strahlbildende Optik 2, die eine Astigmatismus-Korrekturlinse (Zylinderlinse) enthält, und einen Strahlaufweiter/Reduzierer auf einen punktförmigen Fleck abgebildet. Schließlich wird der Strahl koaxial zur optischen Achse 9 der Detektorempfangsoptik 4 über einen dichroitischen Strahlteiler (dichroitischen Spiegel) ankoppelt, der eine Kanal-Trennoptik bildet.
Der Detektor 3 kann eine Photovervielfacherröhre (PMT) sein, die in einem kontinuierlichen Mode arbeitet, wenn das System in Einzelschussbetrieb sich schnell ändernde Ziele misst. Es kann eine Avalanche-Zeitlauf- oder Photodiode sein, wenn das Ziel festgelegt ist, und die Signalaufzeichnung "Lock-in"- Techniken zulässt. Die Eingangsöffnung ist eine sphärische Linse, welche ein Bild des Anregungsflecks auf der maskierten (Sehfeldblende) empfindlichen Fläche der Detektors bildet. Das elastische Rückstreusignal wird durch ein Interferenzfilter (IF) 10 blockiert. Die mittlere Wellenlänge des IF- Filters 10 ist entsprechend der interessierenden Emissionswellenlänge irgendwo in dem Bereich von 680-740 nm gewählt. Die Bandbreite ist nicht kritisch; es wird eine Bandbreite von 10 oder 15 nm empfohlen. Die Blockierqualität außerhalb der Transmissionsbreite muss sehr gut sein (> 10³), da die Anregungswellenlänge sehr nahe bei der Detektionswellenlänge liegt. Die Gefahr einer Signal-Kontamination durch nicht vollständig blockierte Anregungsphotonen ist hoch, da das Rückstreusignal um einiges stärker ist als das interessierende Fluoreszenzsignal.
Die Trigger- und Zeitsynchronisierelektronik 6 hat den Laserpuls mit dem Abtastintervall der Detektorelektronik 7 zu treiben, und zu synchronisieren. Für Anwendungen in der Landwirtschaft, im Gartenbau und im Gewächshaus kann die Pulsübertragungsverzögerung infolge der unveränderlichen Geometrie des ganzen Aufbau auf einen festen Wert eingestellt werden. Laufzeitschwankungen durch veränderliche Abstände zwischen dem Target 3 und dem Ziel können vernachlässigt werden, da die erwarteten Schwankungen von ±10 cm (und folglich die Schwankungen der Strahlübertragungsverzögerung) im Vergleich zu der Länge der Anregungsimpulses klein sind. (Wenn beispielsweise τlaser = 20 ns ist, kann die Schwankung sich auf einige Meter erstrecken, bevor es zu falschem Triggern kommt).
Um eine Echtzeitkorrektur hinsichtlich des reflektierten Sonnenlichts und der sonneninduzierten Fluoreszenz zu realisieren, arbeitet das elektronische Detektionssystem bei der doppelten Wiederholfrequenz des Anregungslasers. Fig. 5 zeigt ein Steuerungs(Synchronisier)diagramm des in Fig. 1 dargestellten Basissystems für eine Online-Hintergrundkorrektur einschließlich einer Laserdioden- und elektronischen Detektortriggerung für aktive und passive Messungen. Synchron zu der Laseremission wird das Abfrageintervall des aktiven Detektionsfensters (Laser ein: St1) geöffnet. Mit einer fest vorgegebenen Verzögerung von einigen Mikrosekunden wird das passive Hintergrundsignal (Laser aus: St2) aufgezeichnet. In der Detektorelektronik 7 von Fig. 4 ist ein schneller Abtast- und Halte- (S&H)Signal-Recorder mit einer analogen Bandbreite von 40- 200 MHz an einen Analog-Digitalwandler (ADC) gekoppelt, welcher eine Signalverarbeitung ermöglicht, die dem speziellen Anwendungsfall angepasst ist. Wenn kein Einzelschuss- Betrieb gefordert wird, besteht die Detektorelektronik 7 aus einem synchronisierten Lock-in-Verstärker. Schließlich liefert der Energieversorgungsmodul 8 die elektrische Energie für das gesamte Hardwaresystem.
Der Betriebsabstand ist mehr oder weniger für eine spezifische Anordnung festgelegt. Er reicht von direktem Kontakt bis zu 1,0 m, ist aber für verschiedene Hardware-Konfigurationen in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Anwendungsbereich variabel. Der variable Betriebsbereich für einen eingestellten Abstand wird in dem Kalibrierverfahren des Aufbauprozesses einer Hardwarevorrichtung festgelegt.
Der Ausgang der Detektionselektronik 7 hängt von dem Einsatzbereich ab. Für eine Nachverarbeitung wird eine digitale Zahl DN, die proportional zu dem aufgezeichneten Fluoreszenzsignal ist, eingegeben, während ein analoges Signal eingegeben wird, um angebrachte Hardware-Komponenten zu steuern.
Nunmehr wird die Bestimmung der Chlorophyll-Fluoreszenz-Verhältnisse erläutert.
Die vorstehen beschriebene "Basisanordnung" kann modifiziert werden, um spektrale Merkmale der Fluoreszenzemission zu überwachen. Die Basisanordnung wird ergänzt durch zusätzliche Detektorelemente, einschließlich Photodetektoren, und einer Abfrageelektronik. Wie Fig. 6a (Seitenansicht) und 6b (Vorderansicht) zeigen, wird der optische Aufbau modifiziert durch:
Einbringen eines (von) dichroitischen Spiegels (Spiegeln) 11 entlang der optischen Achse 12 auf der Detektionsseite. Der/die dichroitische/n Spiegel 11 teilten das aufgefangene Licht in spektrale Anteile auf. Zusätzlich garantiert dieser Aufbau dieselben charakteristischen Synchronisiermerkmale für die gesamte Abtastelektronik. Ebenso kann das neue System online betrieben werden, im Unterschied zu dem Verfahren und der Einrichtung gemäß der US 5,412,2 wobei eine Anzahl Filter fortlaufend eingesetzt werden muss, um eine vollständige spektrale Information zu erhalten.
Die photoaktiven Bereiche des/der zusätzlichen Detektors/en 13 sind mit IF Filter und zusätzlich Sperrfiltern gemäß dem geforderten Anwendungsbereich versehen. Die Anzahl an Detektionskanälen hängt von dem relevanten Untersuchungsumfang ab. Für das Messen der Chlorophyllkonzentration, wenn mit der Laserdiode 15 angeregt wird, die bei 670 nm arbeitet, sind zwei Kanäle (vorzugsweise bei 685 nm und 730 nm mit einer Bandbreite von ± 5 nm) ausreichend.
Zum Überwachen von blauer und/oder grüner Fluoreszenz wird ein zweiter Laser hinzugefügt. Die Anregungswellenlänge kann von 355 bis 400 nm bei ähnlichen Leistungs- und Synchronisierspezifikationen wie bei der roten Laserdiode reichen, welche für die Chlorophyllanregung verwendet ist. Beide Anregungswellenlängen sind entsprechend einzustellen, damit sie auf dieselbe Fläche auf dem zu untersuchenden Gegenstand auftreffen. Durch das Verwenden von, zwei verschiedenen Lasern werden die Techniken verbessert, die gemäß US 5,412,2 und EP 0 412 425 B1 angewendet sind.
Eine Anregungsquelle, die nur in dem UV/blauen Bereich (355 nm < λ < 400 nm) arbeitet, ist nicht empfehlenswert. Wie bereits früher erwähnt, behindern UV-Schutzpigmente in den epidermalen Zellvacuolen von im freien gewachsenen Pflanzen, dass "UV/blaue" Anregung, tiefer in Zellschichten einzudringen und unterdrücken folglich selektiv die Chlorophyllfluorezenz. In den meisten Fällen unter Feldbedingungen kann das rote Fluoreszenzsignal nicht von dem langwelligen Schwanz der blauen/grünen Fluoreszenz unterschieden werden.
Um die blaue und/oder grüne Fluoreszenz zu detektieren, werden drei bzw. vier Detektoren benötigt. Für eine Pflanzenidentifizierung ist ein zusätzlicher Detektor notwendig, um das elastische Rückstreusignal bei der Wellenlänge der roten Laserdiode (bei 670 nm) aufzuzeichnen.
Zum Aufzeichnen von Blattoberflächenschichten oder Infektionen (siehe später) kann ein weiterer Detektor hinzugefügt werden, um das elastische Rückstreusignal der UV-Anregung aufzuzeichnen. Zum Messen der Lichtstreuung im Blattinneren kann eine Laserdiode, die in dem NIR-Wellenlängenbereich (800 nm < λ < 1000 nm) arbeitet, hinzugefügt werden und ein entsprechender Detektor misst das elastische Rückstreusignal.
Alle Signale werden von entsprechender Detektionselektronik aufgezeichnet. Für ein wissenschaftliche Anwendung werden sie für eine Nachverarbeitung über eine Analog-Digital-Wandlung und einen Transfer an ein Computersystem aufbereitet. Wenn das System für das Steuern (Automatisieren) einer Maschinerie verwendet wird, wertet aus und interpretiert eine interne Mikro-Steuereinheit den aufgezeichneten Datensatz und erzeugt ein entsprechendes Steuersignal, welches an die angebrachte Einrichtung übertragen wird.
Nunmehr wird das Aufzeichnen von untergeordneten Parametern beschrieben.
In Abhängigkeit von der Anwendung ist es notwendig, Umgebungs-(E), zusätzliche Pflanzen-(P) und System-(S) Parameter zu bestimmen, z. B.
- Laserdioden-Pulsenergie(n) (S)
- (Sonnen-)Bestrahlung an der Position des Sensors (E)
- Höhe des Pflanzenbewuchses (P)
- Bewuchshöhe (P).
Die Laserpulsenergie muss überwacht werden, wenn die Puls-zu- Puls-Stabilität (PPS) oder die Langzeitstabilität der Anregungsquelle schlecht ist. Die rote Laserdiode, die für eine Chlorophyllfluoreszenz-Anregung verwendet wird, hat eine PPS von 3%. Daher ist die Stabilität ausreichend und die Installierung einer Energierüberwachungseinrichtung wird nicht empfohlen.
Bei Anwendungen, bei welchen die Energie zu überwachen ist, wird eine zusätzliche Photodiode in dem optischen Weg auf der Anregungsseite installiert, welche irgendwelches Streulicht detektiert (was üblicherweise ausreicht, um Energieschwankungen aufzuspüren und zu erkennen). Das Diodenausgangssignal wird ebenfalls dem elektronischen Modul zugeführt, in welchem eine Energiekorrektur der Fluoreszenz- und Rückstreusignale durchgeführt wird.
Die (Sonnen-)Bestrahlung (PAR) am Standort des Systems ist relevant für das Interpretieren der Chlorophyllfluoreszenz- Intensität. Daher sollte ein PAR-Sensor, der oberhalb des Pflanzenbewuchses angeordnet und nicht verdunkelt ist, vorgesehen werden. Das PAR-Signal an dem Fluoreszenzsensor (in dem Pflanzenbewuchs) wird von der Detektionselektronik (bei den speziellen Wellenlängenbändern und ohne Anregung, z. B. Hintergrundsignal) aufgezeichnet und wirkt als eine zusätzliche Informationsquelle bei der Nachverarbeitung oder in dem Algorithmus der Mikrosteuereinheit.
Für die korrekte Interpretation von Pflanzenfluoreszenz ist es oft notwendig zu wissen, wo die Messungen stattgefunden haben (Position des Sensors über oder innerhalb des Pflanzenbewuchses). Daher muss, wenn das Fluoreszenz-Detektionssystem für landwirtschaftliche Anwendungen verwendet wird (z. B. an einem Fahrzeug montiert ist), das Detektionssystem relativ zu der Höhe des Pflanzenbewuchses angeordnet sein. Die Bewuchshöhe wird ständig von einer vertikal beweglichen Lichtschranke überwacht, welche horizontal relativ zu der Bewuchs-Oberfläche ausgerichtet ist. Die Position der Lichtschranke und folglich die Position des Fluoreszenzdetektors wird vertikal entsprechend einer Einschaltdauer bewegt. Die Einschaltdauer, welche als die Anzahl von Dunkel-Licht-Übergängen pro Zeitintervall des Lichtschrankensignals definiert ist, legt fest, wenn die Lichtschranke abwärts oder aufwärts bewegt wird. Beim Einstellen der Einschaltdauer muss die Geschwindigkeit des Fahrzeugs in Betracht gezogen werden. Wenn die Einschaltdauer niedriger ist als eine vorgegebene Zahl, (angenommen, der Sensor ist über dem Pflanzenbewuchs angeordnet, dann kommt es zu keinem Hell-Dunkel-Übergang) wird der Sensor langsam abwärts bewegt, bis der Einschaltzyklus einen Maximalwert überschreitet. Die "Vertikalaktoren" für die Bewegung des Lichtschranken-Sensor-Pakets können hydraulische, pneumatische oder mechanische Elemente sein.
Durch Messen der relativen Höhe des Bewucheses durch die vorstehend beschriebene Einrichtung kann eine absolute Bewuchshöhe festgestellt werden, wenn der Abstand des Sensors zum Boden bekannt ist.

Anwendungen der Erfindung

Eine Vorrichtung für die Detektion von Chlorophyll enthaltenden Pflanzen oder Pflanzenmaterialen und Pflanzenidentifizierung mittel Roboter wird nunmehr beschrieben.
Eine Einrichtung für die Detektion von grüner Vegetation (die durch Chlorophyll charakterisiert ist) kann mit Hilfe einer Anregungsquelle, vorzugsweise einer Laserdiode, die bei 670 nm betrieben wird, und einem Detektor (PMT oder Diode) mit einem Interferenzfilter realisiert werden, das bei einer Wellenlänge im Bereich von 680 bis 740 nm mit einer spektralen Bandbreite zwischen 5 und 25 nm durchlässt.
Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Elektronik für eine On-line-Detektion von Hintergrundsignalen und einer automatischen On-line-Korrektur der Hintergrundsignale, kann der Sensor bei vollem Sonnenlicht betrieben werden. Bei einem entsprechenden Schwellenwert kann die Vegetation ohne irgendeine weitere Signalverarbeitung identifiziert werden. Chlorophyll erzeugt beinahe ausschließlich ein Fluoreszenzsignal in diesem Wellenlängenbereich (unter natürlichen Bedingungen). Der Kontrast von Zielen bzw. Zielgebieten mit und ohne Vegetation ist extrem hoch. Es ist nicht notwendig, die Anregungsenergie und die Beleuchtungsbedingungen an dem Pflanzenstandort zu überwachen. Der Pflanzenstandort wird durch die Position und Ausrichtung des Detektorkopfs festgelegt, welche a priori bekannt sind.
Mögliche Anwendungen für diese Detektionsanordnung sind: Steuersysteme für Gewächshaus oder Gärtnereiroboter;
Pflanzen-(Unkraut-)Detektionssysteme mit anschließender Pflanzenzerstörung; dieses Sensorsystem ist von Interesse für eine schnelle und kontinuierliche Identifizierung von Unkraut, das zwischen Eisenbahngleisen wächst, und für ein On-line-Säubern der Gleise durch Aufbringen von speziellen Chemikalien, heißem Wasser o. ä..
Die erste Anwendung ist von Interesse in Kombination mit einem Abstandssensor oder dreidimensionalen Überwachungssystemen, um zu identifizieren, ob ein Zielobjekt grüne Vegetation (eine Pflanze) ist, oder nicht. Der Vorteil dieser Art einer Pflanzendetektion ist offenkundig aufgrund der Tatsache, dass eine Mustererkennung das Mustererkennungs- oder spektrale Analysen nicht notwendig sind.
Nunmehr wird eine Vorrichtung zum Bestimmen von Chlorophyllkonzentrationen beschrieben.
Die erste Erweiterung der vorstehend beschriebenen Einrichtung erlaubt die Bestimmung von relativen Änderungen (chronologische oder lokale Ausbreitung) der Chlorophyll Konzentration pro Blattfläche. Um dies zu realisieren, wird ein zweiter Detektionskanal zu der Basisanordnung hinzugefügt, wie vorstehend beschrieben ist. Die spektralen Detektionsbanden liegen bei 680-690 ± 5 nm und 720-740 ± 5 oder 10 nm. Die Fluoreszenzsignale werden online bezüglich der Hintergrundsignale (passives Signal) korrigiert und dann werden die hintergrund korrigierten Signale geteilt. Eine Multiplikation mit einem Eichfaktor, der spezifisch für die zu untersuchenden Pflanzen ist, ergibt absolute Chlorophyllwerte:
Es sollte beachtet werden, dass die Eichwerte von der Lichtadaption der Pflanzen abhängen. Wenn sich der Umgebungslichtpegel in einer Weise ändert, dass Pflanzen von einem lichtadaptierten in einen dunkeladaptierten photosynthetischen Zustand übergehen und umgekehrt, können die Kalibrierwerte falsch sein.
Dieser Aufbau ist beispielsweise für Gewächshausroboter anwendbar, wenn der Chlorophyllstatus aufgezeichnet wird, um die Wachstums-(Entwicklungs-)Zustand oder Langzeit-Stressbedingungen von Pflanzen zu beschreiben. Diese Technik ist auch anwendbar bei Chlorophyll enthaltendem Material, wie beispielsweise Chlorophyll enthaltende epidermale Fruchthäute während deren Entwicklung. Insbesondere der Reifezustand kann bestimmt werden, wenn Früchte ihre typische grüne Farbe verlieren (z. B. Kirschen, Bananen, Äpfel, Nüsse, usw.). Ebenso erlaubt das Überwachen der Chlorophyllkonzentration durch Fluoreszenz das Überwachen des Verderbens von frischen Früchten, wenn sie Chlorophyll in ihrer Haut enthalten, und der Vegetation, wenn das Altern (z. B. Lagerzeit) von Chlorose (Chlorophyllumwandlung in chemische Fragmente) begleitet ist. Beispiele hierfür sind Gurken, einige Äpfelarten und Salatblätter.
Nunmehr wird eine Vorrichtung zum Steuern von ortspezifischer Düngung beschrieben.
Es ist bekannt, dass die Chlorophyllkonzentration von Blättern von der Stickstoff- und Schwefelkonzentration der gesamten Pflanze abhängt und damit korreliert. Düngungsmängel sind durch eine charakteristische Verringerung der Chlorophyllkonzentration sichtbar (außer im Fall einer Stickstoff-Übersättigung). Im Falle von Weizen sind diese Düngungswirkungen nähstoffspezifisch mehr in den oberen Blattschichten (Stickstoff) oder den unteren Schichten (Schwefel) des Pflanzenbewuchses lokalisiert.
Zwei andere Wirkungen sind unter dem Einfluss von ausgeprägten Düngungswerten beobachtbar. Die Pflanzen zeigen eine verstärkte Wachstumsgeschwindigkeit (Pflanzengröße) und sie zeigen auch charakteristische Änderungen in der Produktion von Biomasse und Pflanzen-(Blatt-)Dichte.
Ein Sensorkonzept, das zum Überwachen aller dieser Parameter möglich ist, basiert wieder auf dem vorher beschriebenen Zweikanal-Diodenlaser-Fluororsensor. Der Detektorkopf ist an einem bewegbaren "Roboter"-Arm montiert, welcher an einer sich bewegenden Plattform (z. B. Fahrzeug) befestigt ist. Die vertikale Position des Arm wird durch die vorerwähnte Lichtschranke reguliert, welche die aktuelle "Oberfläche" der gesamten Pflanzenbewuchses bestimmt. Folglich könnte die absolute Bewuchshöhe leicht durch die Kenntnis der anfänglichen Detektorhöhe relativ zu dem Boden bestimmt werden. Der Detektorkopf wird relativ zu diesem Oberflächenniveau eingestellt oder bewegt sich irgendwo in dem Bereich zwischen Boden und Oberflächenniveau. Diese periodische Bewegung könnte eine vertikal Hin- oder Herbewegung oder eine Rotation an einem "Spinnrad" (spinning wheel) sein. Unter Berücksichtung der horizontalen Bewegung der Trägerplattform (Traktor) könnte ein zwei- oder im Falle einer Rotation dreidimensionales Profil hinsichtlich des Vorhandenseins von Vegetation (aufgezeichnetes Fluoreszenzsignal: JA/NEIN) und von Chlorophyllkonzentration (Rationieren der zwei Fluoreszenz-Detetktionskanäle) überwacht werden. Mit Hilfe der a priori bestimmten Positionsdaten für jede Messung ermöglichen die aufgezeichnete Pflanzenwuchshöhe und die Blattparameter die Berechnung aller vorher beschriebenen Pflanzenbewuchs-Parameter: Bewuchshöhe, Bewuchsdichte und Chlorophyllkonzentration sowie deren zwei-(oder drei-)dimensionale Verteilung im Inneren der vertikal gemessenen Schicht (oder dem Messvolumen).
Eine Vorrichtung zum Unterscheiden zwischen ein- und zweikeimblättrigen Pflanzen für eine gesteuerte Unkrautbehandlung mit spezifischen Herbiziden wird nunmehr beschrieben.
In Fällen, in denen Unkraut die einzigen Pflanzen an einem landwirtschaftlich oder gartenbaulich genutzten Standort sind (beispielsweise im Fall von früher auftretendem Unkraut, bevor die Kulturpflanze wächst), reicht es für eine entsprechende Behandlung aus, die genaue Pflanzenposition zu kennen. Hierzu kann dann die durch einen Scanner erweiterte Basisanordnung genutzt werden.
Wenn beide Pflanzenarten zur selben Zeit und an demselben Standort wachsen, (und somit miteinander konkurrieren), müssen Unkraut- und Kulturpflanzen von einander unterschieden werden. In vielen Fällen sind diese Pflanzenarten in einkeimblättrige (MC) und zweikeimblättrige (DC) Pflanzen trennbar, für welche selektive Herbizide angewendet werden können.
Beim Untersuchen der Fluoreszenz-Emissionsspektren von 400 bis 750 nm hat sich gezeigt, dass DC-Pflanzen im allgemeinen einen signifikant geringere blaue Fluoreszenzemission im Vergleich zu MC-Pflanzen haben. Dieses Merkmal wird genutzt, um beide Pflanzenarten voneinander zu unterscheiden.
Um wirksam die blaue Fluoreszenz anzuregen, muss eine zusätzliche Anregungsquelle in der Anordnung vorgesehen sein. Hierbei hat sich herausgestellt, dass eine ideale Laserquelle bei etwa 400 nm arbeitet. Kürzere Anregungswellenlängen werden meist in den oberen Blattschichten absorbiert und regen folglich die Photosysteme (rote Fluoreszenz) nicht sehr wirksam an. Nur Lichtquellen mit Wellenlängen um 400 nm regen sowohl rote als blaue Fluoreszenz ausreichend an und sind daher die beste Wahl für das gesamte System; allerdings sind sie gegenwärtig kommerziell nicht verfügbar. Trotzdem kann dieses Problem gelöst werden, indem zwei Anregungslaser gleichzeitig verwendet werden. Ein kompakter ND: YAG-Laser, der bei 355 nm arbeitet, oder irgendein anderer UV-emittierender Laser sind hierfür geeignet, während die rote Laserdiode in dem System zum Anregen der roten Fluoreszenz beibehalten wird. In diesem Fall ist eine wechselseitig wirkende Kalibrierung (Inter- Kalibration) durchzuführen, um die Fluoreszenzintensitäten zu normieren, was eine zwingende Voraussetzung für die Verhältnis-Interpretation ist.
Auf der Detektionsseite muss zumindest ein zusätzlicher Detektormodul mit einer mittleren Wellenlänge im Bereich zwischen 430 und 460 nm (bei einer nichtkritischen Bandbreite von 10-50 nm) vorgesehen werden. Ein vierter Detektormodul kann das Fluoreszenzsignal in dem grünen Wellenlängenbereich überwachen, da eine vorgezogene Pflanzenunterscheidung infolge der charakteristischen Fluoreszenzemissionen (in diesem Wellenlängenbereich) bei mehreren Vegetationsarten möglich ist.
Eine offene Feldanordnung sollte ein Abtastsystem sein, welches wiederum (wie im Falle von Nährstoffzufuhr) an einem Roboterarm angebracht ist, dessen Position relativ zu der gleichzeitig überwachten Bewuchshöhe reguliert wird.
Die aufgezeichneten Fluoreszenezverhältnisse: F400+x(blau)- F680+x(rot) und F500+x(grün)-F680+x(rot) werden hinsichtlich der Umgebungs-Lichtbedingungen interpretiert, da die rote Fluoreszenzintensität im Unterschied zu der blauen/grünen Fluoreszenz von dem Status der Reaktionszentren abhängt.
Der Vergleich mit vorher festgelegten (geeichten) Schwellenwerten für das Spektralmerkmal wird angewendet, um die Unkrautdichte oder im Falle einer Abtastung über die gesamte Bodenoberfläche die genaue Verteilung der Pflanzen (Pflanzenart [X,Y,Z]) zu bestimme. Diese Positionsinformation wird in die Reguliervorrichtung des Unkrautvernichtungssystems eingebracht.
Nunmehr wird eine Vorrichtung zum Feststellen der verschiedenen Pilzinfektionen und einer kontrolliert gesteuerten Fungizidbehandlung beschrieben.
Zum Feststellen von Pilzinfektionen wird eine Anordnung mit zwei Anregungsquellen plus einem zweiten Detektionsband in dem roten Fluoreszenzbereich und einem Detektor für das elastische Rückstreusignal bei 355 oder 670 nm benötigt. Der letztere sollte bereits im Hinblick auf den erwarteten hohen Signalpegel im Vergleich zu dem Fluoreszenzsignal durch eine einfache Photodiode überwacht werden.
Mit dieser Anordnung können viele verschiedene Pflanzen-Pilz- Wechselwirkungen überwacht werden:
Die Wirkungen auf das photosynthetische System werden durch Änderungen in der photosynthetischen Wirksamkeit und folglich durch Veränderungen in der Fluoreszenzintensität in einem der roten Detektionskanäle erkannt. Ein entsprechender Kandidat (Indikator) dieses Infektionstyps ist bereits im Falle einer Mehltauinfektion gefunde, wobei das photosynthetische System in einer frühen Phase der Pilzentwicklung durch eine signifikant reduzierte Ansprechzeit in der Kautzky-Kinetik beeinflusst wird.
Eine Pilzinfektion kann zu Veränderungen in der morphologischen Blattstruktur, zur Zerstörung der gesamten Zelle oder zu Veränderungen in der Zusammensetzung der Pflanzenpigment- Bestandteile führen. Morphologische Veränderungen (und folglich der optischen Blatteigenschaften) oder eine Reduktion in dem Chlorophyllgehalt werden durch das Kanalverhältnis der roten Detektionsbanden bestimmt. Insbesondere im Falle von inhomogenen Infektionen (beispielsweise durch eine Rostinfektion) kann die Verteilung über der gesamten Blattfläche bestimmt werden, wodurch ein zusätzliches (quantitatives) Identifikationskriterium geschaffen ist.
Änderungen in der Zusammensetzung von blauer und/oder grüner Fluuoreszenz (BG) emittierenden Pigmenten wird durch die Detektionkanäle in diesem Bereich erkannt. Diese Strategie ist so erfolgreich wie im Falle der Unkrautunterscheidung, wenn ein Monokultur-Bewuchs angenommen wird. Zusätzlich sind einige Pilze charakteristische Quellen von BG-Fluoreszenz (z. B. Mehltau) und können folglich unmittelbar entdeckt oder sogar durch ihr BG-Emissionsmerkmal identifiziert werden.
Mehltau bedeckt in einer späten Entwicklungsphase die Blattoberfläche mit einer zusätzlichen Gewebeschicht und bewirkt das typische weißliche Aussehen. Hierdurch wird ein merklich stärkeres Oberflächen-Reflexionsvermögen induziert und kann folglich durch das elastische Rückstreusignal bei der roten Anregungswellenlänge sowie bei der UV-Anregung gemessen werden.
Schließlich ist mit einem Fluoreszenzsystem, das an einem vertikal (vielleicht sogar dreidimensional) beweglichen Roboterarm angebracht ist, die Möglichkeit geschaffen, die vertikale Verteilung der Pilzinfektion zu bestimmen, was ebenfalls charakteristisch für mehrere Pilzarten ist.
Es wird nicht erwartet, dass alle verschiedene Arten von Pilzinfektionen identifiziert werden können; unter bestimmten Bedingungen ist die Anzahl Kandidaten begrenzt und folglich ist diese Technik ausreichend als Frühwarnsystem oder als Steuerungsmöglichkeit für ein Pflanzenschutzsystem.
Schließlich wird noch eine Vorrichtung zum Überwachen der photosynthetischen Vegetationsaktivität beschrieben.
Dieser Entwicklungsschritt eröffnet die Interpretation der Chlorophyll-Fluoreszenzintensität in der gesamten Detektionsanordnung. Die technische Realisierung hängt von den Messanforderungen ab. Dies könnte der einfache Vergleich von relativen Veränderungen von Fluoreszenzintensitäten sein, die auf den relativen Chlorophyllgehalt normiert sind, oder die fortgeschrittenere, aber komplexe Bestimmung der photosynthetischen Fähigkeit, wie sie beispielsweise in der Kautzky- Kinetik oder in der PAM Fluorometrie durchgeführt wird.
Das Messen von relativen Veränderungen kann in dem räumlichen sowie in dem zeitlichen Bereich durchgeführt werden. Die Hardwareausführung ist in beiden Fällen identisch mit der Basisanordnung, jedoch hat sich der Interpretationsalgorithmus geändert:
RPA ist die relative photosynthetische Aktivität. Ferner wird angenommen, dass das Zielmaterial homogen verteilt ist. Eine a priori RPA ist abhängig von der Zeit und dem geometrischen Ort RPA (t; x; y; z). Folglich muss das diesbezügliche Experiment unter kontrolliert gesteuerten Umgebungsbedingungen durchgeführt werden. Durch den Einbau des PAR-Sensors werden Informationen über die Umgebungslichtbedingungen nahe bei dem Detektorkopf erhalten, jedoch durch das Zielmaterial (beschattet oder indirekt beleuchtet) nicht gestört.
Diese Vorrichtung ist verwendbar bei Anwendungsfällen, in welchen der Status von Pflanzen hinsichtlich ihres Vitalitäts- oder Gesundheitszustandes usw. überwacht werden sollte. Eine Anwendung ist die Untersuchung von Langzeitprozessen, wobei die Wechselwirkung einer wohldefinierten Pflanzenprobe (oder einer Pflanzengruppe) bei variablen Umgebungsbedingungen beobachtet wird. Eine andere Anwendung ist die Untersuchung einer großen Anzahl von Zielobjekten unter gesteuerten Lichtbedingungen beispielsweise in einem Gewächshaus oder einem Labor.
Um die komplexeren synthetischen kinetischen Parameter zu bestimmen, sind die Anforderungen an die Lichtbedingungen mehr beschränkt. Die Kautzky-Kinetik und folglich alle diesbezüglichen Parameter können nur mit dunkeladaptierten Pflanzen gemessen werden; dies bedeutet, während der Nachtzeit oder im Labor. Um diese Messungen durchzuführen, muss der Anregungsfleck unbeweglich gehalten werden, um das Ansprechverhalten auf aktinisches Licht im Zeitbereich zu sehen. Die Quelle von aktinischem Licht kann die Anregungsquelle selbst sein, wenn die Wiederholfrequenz/rate erhöht wird, soweit die durchschnittliche Beleuchtung eine aktinische Reaktion induziert. Die aktinische Wirkung könnte auch durch eine besonders weiße Lichtquelle getriggert werden, welche die Pflanze mit einem kontinuierlichen Photonenfluss beleuchtet, wobei bei einer genau festgesetzten Zeitmarke begonnen wird. Mit der ersten Technik (Sλ(passiv) = 0) wird die Auswertung auf Arithmetik von reinen Fluoreszenzsignalen reduziert. Die zweite Technik ist auch möglich ohne irgendwelche technischen Änderungen, da das passive Signal (Sλ(passiv) > 0) vollständig durch das System kontrolliert wird.
Aus der PAM Fluorometrie ist bekannt, dass der sogenannte "Genty-Parameter" (GP) eine gutes Maß für die Quantenausbeute einer CO&sub2;-Assimilation ist. Der Genty-Parameter kann durch Messen der im Gleichgewicht befindlichen Fluoreszenz (die sogenannte Fs) so wie durch die im Gleichgewichtzustand befindliche Fluoreszenz erhalten werden, die von einem sättigenden Lichtpuls (mit Fm' bezeichnet) überlagert ist:
Ein hoher Wert des GP zeigt einen hohen Elektronenfluss in der Elektronentransferkette an, während niedrige Werte Störungen in dem photosynthetischen System reflektieren, wenn die Fluoreszenz unter denselben Umgebungsbedingungen (insbesondere unter denselben Lichtintensitäten) gemessen wird.
Die im Gleichgewicht befindliche Fluoreszenz Fs wird durch die Laserdiode aus einer gewissen Entfernung angeregt, während eine zusätzliche weiße Lampe oder die Sonne als aktinisches Licht wirkt. Fm' wird durch eine zusätzliche starke Lichtquelle (Blitzlampe) erzeugt.
Infolge des PAR-Sensors und der Detektion des passiven Rückstreusignals ist dieses Fluoreszenzsystem in der Lage, Fs und Fm' zu überwachen. Folglich kann der GP als eine Funktion der Bestrahlungsdichte überwacht werden, welche die CO&sub2;-Assimilation reflektiert, ohne dass irgendeine Einrichtung für eine Gasanalyse verwendet wird. Das Umschalten zwischen aktinischen und sättigenden Lichtmengen wird vorzugsweise durch Modulieren derselben Quelle von kontinuierlichem Hintergrundlicht zu hohen Beleuchtungsimpulsen von mehreren Millisekunden durchgeführt.
Die Anordnung gemäß der Erfindung schafft somit eine neue technische Lösung, um bekannte physiologische Pflanzenparameter unter bestimmten Bedingungen durch eine sehr genaue Bestimmung der entsprechenden Mess- und Umgebungsbedingungen zu messen.

Claims

1. Fluoreszenzdetektionsanordnung zur Bestimmung relevanter Vegetationsparameter, umfassend:

eine Anregungsquelle (1), die aus einer Niederleistungs- Laservorrichtung mit einer Anregungswellenlänge im roten Spektralbereich besteht, eine strahlbildende optische Vorrichtung (2), einen dichroitischen Strahlteiler (5), ein Fluoreszenzdetektor-Basissystem (3), das eine optische Eingangsvorrichtung (4), die eine Fluoreszenzemission über den dichroitischen Strahlteiler (5) empfängt, und ein Interferenzfilter (10), das das elastische Rückstreusignal aussperrt, enthält, eine elektronische Detektionsvorrichtung (7) zum Feststellen eines Fluoreszenzsignals, und eine elektronische Trigger- und Zeitsynchronisiervorrichtung (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Niederleistung-Laservorrichtung, die in der Anregungsquelle (1) vorgesehen ist, eine mit hoher Wiederholrate gepulste Laservorrichtung mit einer Pulslänge von mehreren Nanosekunden und einer bevorzugten Anregungswellenlänge in dem roten Spektralbereich von vorzugsweise 670 nm ist, dass der dichroitische Strahlteiler (5) den gebildeten Anregungsstrahl koaxial zu der optischen Achse (9) einer Empfängeroptik koppelt und diesen gebildeten Strahl ohne eine optische Wellenleitung auf einen zu untersuchenden Vegetationszielgegenstand leitet, dass das Fluoreszenzdetektor-Basissystem ein Bild des Anregungsflecks an der sensitiven Detektorfläche bildet, dass die elektronische Detektionsvorrichtung (7) mit der doppelten Pulswiederholfrequenz/rate der Anregungslaserquelle (1) arbeitet und das aktive Fluoreszenzsignal synchron mit der Laseremission einerseits und dem passiven Hintergrundsignal mit einer festen Verzögerung im Mikrosekundenbereich vor oder nach dem aktiven Signal andererseits abtastet, diese Signale mittels einer schnellen Abtast- und Halteschaltung aufzeichnet, die an einen Analog- Digital-Wandler gekoppelt ist, der eine digitale Signalverarbeitung ermöglicht, dass die elektronische Detektionsvorrichtung (7) ferner Mittel aufweist, um das reine Fluoreszenzsignal durch Subtrahieren des Hintergrundsignals von dem aktiven Signal elektronisch oder in einem Nachbearbeitungsverfahren zu bestimmen, und dass eine elektronische Trigger- und Zeitsynchronisiervorrichtung (6) die Laserpulse mit den Abtastintervallen der elektronischen Detektionsvorrichtung (7) synchronisiert.

2. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Laservorrichtung (1) eine Laserdiode ist, die im roten Spektralbereich arbeitet.

3. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leistung der Laservorrichtung (1) mit einer Spitzenleistung von > 0,5 W gewählt wird.

4. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 1, wobei die strahlbildende Vorrichtung (2) eine Astigmatismuskorrekturlinse, d. h. eine Zylinderlinse, und einen Strahlausweiter/-reduzierer auf einen Punktfleck aufweist.

5. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 1, wobei der Fluoreszenzdetektor (3) eine Photovervielfacherröhre ist, die in einem kontinuierlichen Mode arbeitet.

6. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 1, wobei der Fluoreszenzdetektor (3) eine Lawinenphotodiode ist.

7. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 1, wobei der Fluoreszenzdetektor (3) eine Standardphotodiode ist.

8. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 1, wobei die optische Eingangsvorrichtung (4) in ihrer Öffnung eine sphärische Linse aufweist, die ein Bild des Anregungsflecks an der maskierten sensitiven Fläche des Fluoreszenzdetektors (3) bildet.

9. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Mittelwellenlänge und Bandbreite des Interferenzfilters (10) im Bereich von 680 bis 740 nm entsprechend gewählt wird, wobei die Sperrqualität außerhalb der Transmission mehr als 10&supmin;³ ist.

10. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Abtast- und Halteschaltung eine analoge Bandbreite hat, die zwischen 40 und 200 MHz entsprechend gewählt wird.

11. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 1, wobei das Fluoreszenzdetektor-Basissystem (3) ergänzt wird durch zusätzliche Detektorelemente (13), und zusätzliche dichroitische Strahlteiler (11) an der optischen Achse (12) auf der Detektionsseite vorgesehen werden, um spezifische Fluoreszenzdetektionsbanden zu bilden, deren Anzahl, Mittelwellenlänge und Bandbreite vom Umfang der Untersuchung abhängen.

12. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein zweiter Laser zur Überwachung einer blauen und/oder grünen Fluoreszenz hinzugefügt wird, wobei die Anregungswellenlänge des zweiten Lasers im Bereich von 350 bis 400 nm mit ähnlichen Spezifikationen hinsichtlich der Leistung und Zeitsynchronisierung, wie bei der Rotlaser-Anregungsquelle festgelegt ist.

13. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 1, welche ferner zwei zusätzliche Detektoren aufweist, die das elastische Rückstreusignal bei den Emissionswellenlängen der Laserquellen aufzeichnen.

14. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, die eine zusätzliche Photodiode aufweist, die im optischen Weg am Anregungssystem installiert ist, und welche die Laserpulsenergle überwacht.

15. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend einen oberhalb der Meßposition angeordneten PAR(photosynthetischen aktiven Strahlungs)- Sensor, der die Umgebungslichtbedingungen überwacht.

16. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine vertikal bewegliche horizontal ausgerichtete Lichtschranke, welche die Höhe des Pflanzenbewuchs und somit die Pflanzenhöhe bestimmt, wobei die vertikale Position des Detektorpakets mit dem Lichtschranke gekoppelt ist und daran befestigt oder relativ dazu beweglich ist.

17. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 15 und Anspruch 16, umfassend hydraulische, pneumatische oder mechanische Elemente zum Bewegen des Lichtschrankensensors sowie des Detektorpakets.

18. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welche zum Bestimmen von Chlorophyll haltigen Pflanzen oder Pflanzenorganen (Pflanzenerkennung) verwendet wird, wobei die Anordnung zum Bestimmen von grüner Vegetation aus einer Anregungslaserdiode, die bei 670 nm arbeitet, und einem Detektormodul mit einem Interferenzfilter besteht, das bei einer Wellenlänge im Bereich von 680 bis 740 nm mit einer spektralen Bandbreite zwischen 5 und 25 nm durchlässig ist, und wobei ein geeigneter Schwellenwert verwendet wird, um eine Vegetation zu erkennen, wobei der Kontrast zwischen pflanzlichen und nicht pflanzlichen Zielen so hoch ist, dass eine Erkennung ohne eine weitere Signalverarbeitung durchgeführt wird.

19. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 18, wobei die Pflanzenposition relativ zu der Position des Detektorkopfes festgelegt ist und die Verteilung des Pflanzenmaterials bestimmt wird unter der Annahme einer gesteuerten zwei- oder dreidimensionalen Bewegung der Trägerplattform.

20. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, zum Verwenden bei Steuersystemen für Gewächshäuser oder Gartenbauroboter.

21. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, zum Verwenden bei Pflanzen(Unkraut)Detektionssystemen mit späterer Pflanzenvernichtung.

22. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 11, welche zum Bestimmen von Chlorophyllkonzentrationen angewendet wird, wobei die Anordnung zwei Detektionsvorrichtungen aufweist, wobei sich die Detektionskanäle bei 680 bis 690 ± 5 nm und 720 bis 740 ± 5 oder 10 nm befinden, wobei die Hintergrund korrigierten Signale geteilt werden und Veränderungen des relativen Chlorophyllgehalts pro Blattfläche bestimmen, und wobei durch Multiplikation des Verhältnisses mit einem vorbestimmten Kalibrierungsfaktor die absoluten Chlorophyllkonzentrationen bestimmt werden.

23. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 22, zum Verwenden bei Gewächshausrobotern, die den Chlorophyllstatus von Pflanzen bestimmen und somit den Wachstumsstatus oder Langzeit-Belastungsbedingungen von Pflanzen beschreiben.

24. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 22, welche auf jegliches Chlorophyll haltige Material angewendet wird, wobei der Reifezustand bestimmt wird, wenn spezifische Früchte ihre typische "grüne Farbe verlieren (z. B. Kirschen, Bananen, Äpfel, Nüsse usw.).

25. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 22, welche auf jegliches Chlorophyll haltige Material angewendet wird, wobei Änderungen in der Chlorophyllkonzentration beobachtet werden, was ein Überwachen des Verderbens von frischen Früchten (falls sie Chlorophyll in der Haut enthalten) und Vegetation (z. B. Gurken, einige Apfelarten oder Salatblätter) ermöglicht.

26. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 22, welche zum Steuern einer ortsspezifischen Düngung verwendet wird, welche auf der Tatsache basiert, dass die Chlorophyllkonzentration von Blättern von der Stickstoff und Schwefelzufuhr der gesamten Pflanze abhängt und somit damit korreliert, so dass Düngungsmängel durch eine charakteristische Verringerung und Verteilung der Chlorophyllkonzentration sichtbar sind, welcher Effekt von einer verringerten Wachstumsgeschwindigkeit und charakteristischen Änderungen der Pflanzen(Blatt)dichte begleitet ist, wobei die Detektionsanordnung einen Detektorkopf aufweist, der die räumliche Struktur berücksichtigt und daher an einem beweglichen "Roboter"-Arm (X-Y-Aktor) angebracht ist, der auf einer beweglichen Plattform (z. B. Fahrzeug) montiert ist, welches die dritte Bewegungskomponente (z-Komponente) zur Verfügung stellt.

27. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 26, wobei die vertikale Position des "Roboter"-Arms durch den Lichtbalken reguliert wird, der die tatsächliche über grenze des Pflanzenbewuchs bestimmt, und wobei der Detektorkopf relativ zu der Obergrenze des Pflanzenbewuchs eingestellt wird oder sich zwischen dem Boden und diesem Niveau bewegt.

28. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 26 und Anspruch 27, wobei das dreidimensionale Profil der relevanten Pflanzenparameter unter Berücksichtigung der horizontalen Bewegung der Trägerplattform (Traktor) überwacht wird.

29. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 26, welche zur Differenzierung zwischen einkeimblättrigen und zweikeimblättrigen Pflanzen verwendet wird, basierend auf der Charakteristik, dass einkeimblättrige (MC) und zweikeimblättrigen (DC) Pflanzenarten durch ihr charakteristisches Merkmal der Fluoreszenzemissionsspektren von 400 bis 750 nm unterscheidbar sind, wobei diese Charakteristik durch Messen der blauen Fluoreszenz relativ zu der roten Chlorophyllemission beobachtbar ist, wobei die Anordnung mit einer zusätzlichen Anregungsquelle ausgestattet wird, die effizient die blaue Fluoreszenz anregt, und eine Interkalibrierung der beiden Anregungsquellen durchführt, um die Fluoreszenzintensitäten auf die Anregungspulsleistung zu normieren, und wobei die Anordnung mit einem zusätzlichen Detektormodul mit einer Mittelwellenlänge im Bereich zwischen 430 und 460 nm (Δλ = 10-50 nm) versehen ist.

30. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 29, wobei die zusätzliche Quelle ein Triplett Nd:YAG-Laser 355 nm ist.

31. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 29 oder Anspruch 30, die zusätzliche Detektormodule aufweist, die z. B. die grüne Fluoreszenz (500-550 nm; Δλ = 10-50 nm) überwachen, um die Kenntnis über (das Merkmal der) die spektrale Emission der auftretenden Pflanzenarten zu verbessern.

32. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 29, welche nur einen Detektionskanal aufweist, um die rote Chlorophyllfluoreszenz zu bewerten.

33. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 29, welche einen PAR-Sensor aufweist, welcher die Beleuchtungsumgebung überwacht und somit die Bandverhältnisse im Hinblick auf die Umgebungslichtbedingungen interpretiert.

34. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 29, wobei ein vorbestimmter Verhältnis-Schwellenwert vorgesehen wird, der festlegt, ob ein Signal zu einer MC- oder DC-Pflanze gehört.

35. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 29, wobei ein Klassifikationsalgorithmus im Falle einer programmierbaren Nachbearbeitung vorgesehen wird, der festlegt, ob ein Signal zu einer MC- oder DC-Pflanze gehört.

36. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach einem der Ansprüche 29 bis 35, welche im Hinblick auf die Position und Art des Unkrauts zur ortsspezifischen Herbizidbehandlung angewendet wird.

37. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 29, welche um das zweite Detektionsband im roten Fluoreszenzbereich und ein Detektorpaket zur Überwachung des elastischen Rückstreusignals erweitert ist, das zur Detektion verschiedener Pilzinfektionen verwendet wird.

38. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 37, wobei Auswirkungen auf das Photosynthesesystem durch Veränderungen der Fluoreszenzintensität erkannt werden.

39. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 37, wobei Veränderungen in der morphologischen Blatt-Struktur, eine vollkommene Zellzerstörung oder Abweichungen in der Zusammensetzung der Pflanzenpigmentbestandteile durch das Kanalverhältnis der roten Detektionsbanden bestimmt werden, und wobei inhomogene Infektionen (z. B. Rost) und deren charakteristische Verteilung über die gesamte Blattfläche oder Pflanzendecke ein zusätzliches (quantitatives) Identifikationskriterium zur Verfügung stellen.

40. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 37, wobei Veränderungen in der Zusammensetzung von blaue und/oder grüne Fluoreszenz emittierenden Pigmenten, als Folge einer Infektion durch die Detektionskanäle in diesem Bereich erkannt werden und wobei einige Pilze selbst (z. B. Mehltau) charakteristische Quellen von blauer und/oder grüner Fluoreszenz sind und somit entdeckt werden können.

41. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 37, wobei Blattoberflächen möglicherweise mit einer zusätzlichen Gewebeschicht (z. B. Mehltaumyzel) bedeckt sind, was eine signifikant erhöhte Oberflächenreflektion bewirkt, welcher Effekt durch das elastische Rückstreusignal bei der roten sowie auch der UV-Anregungswellenlänge erkannt wird.

42. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach einem der Ansprüche 37 bis 41, welche im Hinblick auf die Position und Art des Pilzes zur ortsspezifischen Fungizidbehandlung angewendet wird.

43. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 18, welche jedoch zur Überwachung der Photosyntheseaktivität von Vegetation mittels Zeitreihen verwendet wird, wobei das untersuchte Ziel fixiert wird und die Schwankung nur zeitabhängig ist.

44. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 22, welche jedoch zur Überwachung der Photosyntheseaktivität von Vegetation mittels Zeitreihen verwendet wird, wobei das untersuchte Ziel variabel ist (Normierung auf relativen Chlorophyllgehalt).

45. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 43 oder Anspruch 44, welche einen PAR-Sensor aufweist, der die Umgebungslichtbedingung bestimmt.

46. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 43 oder Anspruch 44, wobei die digitalisierten Fluoreszenzwerte im Hinblick auf die entsprechende Beleuchtungssituation und Vorgeschichte während einer Nachbearbeitung interpretiert werden.

47. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach einem der Ansprüche 43 bis 46, welche zur wissenschaftlichen Untersuchung von Langzeitprozessen angewendet wird, wobei die Wechselwirkung von Pflanzen und variierenden Umgebungsbedingungen erforscht wird.

48. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach einem der Ansprüche 43 bis 46, welche zur wissenschaftlichen Untersuchung der Kautzky-Kinetik und aller damit zusammenhängender Parameter angewendet wird, die nur an dunkeladaptierten Pflanzen an einer gleichbleibenden Stelle gemessen werden können.

49. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 48, wobei die Quelle des aktinischen Lichts die Anregungsquelle selbst ist, wenn die Wiederholungsrate erhöht wird, um eine aktinische Reaktion zu induzieren.

50. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 48, wobei die Quelle des aktinischen Lichts eine triggernde weiße Zusatzlichtquelle ist, welche die Pflanze während einer festgelegten Zeit beleuchtet.

51. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach einem der Ansprüche 43 bis 46, welche zur wissenschaftlichen Untersuchung der Genty-Parameter angewendet wird, die durch Messen der Fluoreszenz im Gleichgewichtszustand sowie der Fluoreszenz im Gleichgewichtszustand, die von einem sättigendem Lichtpuls überlagert ist, erhalten werden können.

52. Fluoreszenzdetektionsanordnung nach Anspruch 51, wobei die Fluoreszenz im Gleichgewichtszustand (Fs) durch die Laserdiode fernangeregt wird, während eine zusätzliche weiße Lampe oder die Sonne als ein aktinisches Licht wirken und das Sättigungslicht (Fm') von einer zusätzlichen Lichtquelle, z. B. einer Blitzlampe erzeugt wird, so dass aufgrund der Detektion des passiven Hintergrundsignals dieses System in der Lage sein wird, Fs und Fm' und die Intensität des Sättigungslichts zu überwachen.