EP2167941A1 - Appareil d'analyse de vegetaux sur le terrain, procede de suivi de l'etat ou de l'evolution d'une culture et procede de gestion d'un traitement de vegetaux - Google Patents

Appareil d'analyse de vegetaux sur le terrain, procede de suivi de l'etat ou de l'evolution d'une culture et procede de gestion d'un traitement de vegetaux

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EP2167941A1
EP2167941A1 EP08805884A EP08805884A EP2167941A1 EP 2167941 A1 EP2167941 A1 EP 2167941A1 EP 08805884 A EP08805884 A EP 08805884A EP 08805884 A EP08805884 A EP 08805884A EP 2167941 A1 EP2167941 A1 EP 2167941A1
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EP
European Patent Office
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fluorescence
measurement
excitation
detection means
light
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08805884A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nicolae Moise
Gwendal Latouche
Zoran Cerovic
Yves Goulas
Jean-Luc Ayral
Camelia Tinei-Moise
Andrei Nicolae Moise
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FORCE-A
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Paris Saclay
Original Assignee
Force-A
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Paris Sud Paris 11
FORCE A
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Force-A, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite Paris Sud Paris 11, FORCE A filed Critical Force-A
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for plant analysis, by light excitation and fluorescence measurement, usable in the field without plant preparation.
  • the invention further relates to an apparatus for evaluating the content of a compound in the skin or epidermis of a plant. From the use of such an apparatus, the invention also relates to a method for evaluating and monitoring the evolution and maturation of a crop, as well as a process for controlling and controlling the treatment. of plants.
  • the invention applies to the field of the analysis and evaluation of biological tissues, for example plants and more particularly crops in the context of so-called precision farming.
  • This term is used when one seeks to manage more precisely the state and the evolution of a culture, for example over time or according to its local specificities within a geographical extent. It may be for example to optimize the quality of the products obtained, or limit the inputs in treatment or nutrients to what is necessary or useful.
  • the document US2005 / 0098713 proposes to evaluate certain states of a culture through the pigments of a sheet, in particular chlorophyll or carotene, by measuring the reflectance with modulation and phase detection.
  • This apparatus uses a network of emission diodes and an array of detectors, arranged side by side, each emitting or receiving a beam gathered and collimated by a collimation optics.
  • This reflectance measurement technique has certain disadvantages, for example a high sensitivity to the state or cleanliness of the surfaces to be measured.
  • Each emission wavelength uses a single source materialized by a single beam collimated by a lens.
  • the detectors also use collimating optics to receive the generated fluorescence.
  • the measurement of a single fluorescence in a given wavelength is not sufficient to provide certain important information, such as the content of certain compounds characteristic of the evolution of the culture.
  • the use of only two fluorescence excitation lengths limits the use of such a device, while occupying a significant volume in a device whose characteristics make it necessary to mount it on a vehicle.
  • An object of the invention is to overcome the drawbacks of the prior art, and in particular to improve the following points: allow a non-destructive and rapid measurement in the field,
  • Another object of the invention is to improve or optimize the possibilities of monitoring plants over time or within a heterogeneous geographical area, and in particular:
  • the invention proposes a device for the non-destructive analysis of plants by fluorescence measurement, comprising:
  • excitation means emitting excitation light in a wavelength band determined to generate a fluorescence in the tissues of a target zone
  • the excitation means and the detection means are arranged according to a geometry determined so that the direction of the rays of the excitation light illuminating said target zone on the one hand and the direction of the fluorescence light rays detected by the detection means on the other hand are not collinear with each other.
  • the detection means receive the fluorescence light generated by the target area without crossing optical convergence means.
  • the measurement distance can be reduced to around 5cm or 7cm, and commonly around 10cm or 15cm. While a natural tendency would be to seek to increase the sensing distance to save on mechanical travel, this short measurement distance can also have benefits. Thus, it allows greater accuracy in measurements, requires fewer means or targeting methods (such as image analysis), and decreases the influences of ambient light.
  • the excitation means include a set of transmitters comprising at least two light emitters located on either side of the detection means, illuminating the target area in non-collinear directions with each other and in the same length band. wave. This multiplicity of transmitters allied to their position relative to the detector allows in particular a more uniform illumination of the target, from different angles. For an object with a heterogeneous relief, the area viewed and processed by the detector is thus illuminated more consistently regardless of its orientation in space.
  • the device according to the invention comprises:
  • excitation means according to a plurality of bands of different wavelengths determined so as to make it possible to carry out a plurality of fluorescence measurements, and / or detection means able to detect a fluorescence light in a plurality of bands of wavelengths determined to allow a plurality of fluorescence measurements.
  • RF G Red Fluorescence - with Green excitation
  • the device further comprises means for selecting a fluorescence measurement from among a plurality of possible measurements, said selection realizing a selection of the excitation and detection means and the mode of treatment to be implemented. corresponding to the selected fluorescence measurement.
  • the management and processing means may then be arranged to select and automatically perform, successively or alternatively, a plurality of different fluorescence measurements. It is then possible to program the acquisition of several different measurements in a single action of the user or during a single movement.
  • the device according to the invention comprises a self-powered portable box having a first face carrying user interface means and a second so-called measuring face directed towards a measurement direction.
  • This measuring face comprises: on the one hand on its periphery a surface carrying the excitation means, and on the other hand at its center a part extending in the measuring direction.
  • This extension constitutes a detection module which encloses at least a part of the detection electronics and carries the detection means on its face on the side of the measurement direction, preferably at the same level as the end of the excitation transmitters. .
  • the excitation and detection means being collected on a single face of the device, the measurement can be performed on one side of the plant to be analyzed, so without sampling or manipulation. It is therefore possible to carry out these measurements in a non-destructive manner, and fast enough to be carried out on the fly during a course in front of a multitude of plants, such as a plantation or a field or a lawn.
  • a preferred embodiment of the invention comprises such a device whose management and processing means are arranged and programmed to provide at least two fluorescence measurements. different, determined to be combined and correlated with each other by the processing means so as to calculate a measurement of the content of a component present in the target.
  • the management and processing means are arranged and programmed to provide a measurement of the content of a chromophoric and non-fluorescent compound, by screen effect on a light excitation generating a fluorescence of another compound located above beyond the compound to be measured.
  • An interesting application example is that of measuring the content of compounds of the family Anthocyanins or Flavonoids, in the skin of grapes, the fluorescent compound located above is chlorophyll.
  • this screen effect measurement comprises two different fluorescence measurements, generated in a fluorescent compound, for example chlorophyll.
  • These two fluorescence measurements are chosen by using, in general for excitation, wavelengths which are absorbed differently by the targeted chromophore compound. That of these measurements whose excitation is absorbed by the targeted compound is called the "affected" measure, and the other is called the reference measure.
  • the reference measure By treatments combining and correlating these two fluorescence measurements, we deduce the amount of target compound screened to the excitation light, keeping a good independence with respect to the measurement distance.
  • the device characterized here is particularly well suited to carry out this measurement of content, since this requires two different measurements of fluorescence.
  • the invention also proposes a biological or agricultural management system including such an analysis device.
  • a biological or agricultural management system including such an analysis device.
  • Such a system may in particular comprise means for communicating with digital means of geolocation, or control of measurements, or control of a treatment, or computer communication, or a combination of several of these means.
  • the invention further provides a method for evaluating the state of a biological entity, and more particularly a plant, implementing such a device.
  • This method makes it possible in particular to monitor the evolution of a culture over time, by comparing a plurality of measurements taken over time for a specific compound in the same plant or plot.
  • It also allows monitoring of the state of a crop within a geographical area comprising a plurality of plots, by comparing a plurality of measurements made in said plots for a particular compound.
  • the versatility and flexibility of the device or system according to the invention also make it possible to determine one or more indices, which may be partly empirical, corresponding to a state of the plant analyzed and / or to its evolution.
  • indices which may be partly empirical, corresponding to a state of the plant analyzed and / or to its evolution.
  • FFF Far Red Fluorescence
  • FFF far red fluorescence
  • Different embodiments of the invention make it possible, by endowing such a device with the wavelengths of the corresponding emitters and detectors, to measure in particular the following compounds or indices: FRF B / FRF G : anthocyanins and certain carotenoids.
  • FRF A / FRF G anthocyanins and some carotenoids.
  • FRF R / FRF G anthocyanins and some carotenoids.
  • BGFuv / FRFuv composite index that can represent fairly closely the anthocyanin content, and also has good stability when the measurement distance varies. This index is sensitive to the presence of certain types of pathogens. By correlation with another measurement on anthocyanins, it makes it possible to check the presence or the absence of pathogens, for example during a harvest or for the adjustment of a treatment.
  • this index is sensitive to the presence of dicotyledone weeds (eg, lamb's-quarters) in a monocotyledon-type crop (eg corn).
  • YGF B / FRF B composite index that can represent the presence of lignin, cutin and other phenolic polymers, it has the advantage of not requiring excitation in Ultra Violet, whose emitters are often more bulky and smaller in scope than commonly available RGB diode arrays.
  • FRFR / FRFUV flavonoids.
  • FRF R / FRF B composite index mainly based on flavonoids, but also sensitive to carotenoids, which it can detect in correlation with another measurement of flavonoids.
  • FRFB / RFB chlorophyll.
  • UV 300-400nm (ultraviolet), more particularly 360-390nm B: 400-470nm (blue)
  • BGF 400-500nm (blue-green fluorescence)
  • G 510-540nm (green)
  • YGF 520-570nm (yellow-green fluorescence)
  • R 620-650nm (red)
  • FRF 705-800nm (far red fluorescence) Improved measurement ranges
  • the versatility of the device according to the invention also makes it possible to improve and optimize the ranges of possible measurements, and the continuity of measurements in these ranges.
  • the absorption of the excitation may be too great for the generated fluorescence to be separable from the noise specific to the measurement conditions.
  • the evolution of the fluorescence measurement affected by the targeted compound is then no longer significant.
  • the device comprises the possibility of processing the reference measurement as an affected measure using the small variations of this measurement when it is slightly affected by the targeted compound.
  • the apparatus then comprises locating or guiding means for maintaining a constant measurement distance, for example a skirt surrounding the measuring face.
  • These guide means advantageously comprise an extension projecting from the measuring face, and of sufficient rigidity to allow the user to fold the measured plants by lightly pressing on them with these guide means.
  • the plants to be measured are thus quickly and without effort brought to a good distance from the measuring face.
  • This extension can be perforated and surround the measurement face in whole or in part.
  • the skirt mentioned above can be made by a simple rigid or elastic mesh, for example elastic wire or molded plastic lattice.
  • the user can measure many plants in succession quickly or continuously, just passing in front of these plants while slightly pressing the guide means on the ends of these plants or on the surface of the cover they are. He can thus traverse the surface of a wheat field by slightly setting the ears to quickly measure the ends of a large number of feet. It is also possible to quickly browse the foliage of a hedge, or the grass sprigs of a grass or meadow.
  • the mathematical result of the usual formula, called “canonical” then follows a descending curve while the content of compound increases.
  • the processing means then perform a mathematical correction of inverting the ratio between the affected fluorescence and the reference fluorescence. This inversion makes it possible to provide values that continue to increase, which is more meaningful for the user and makes it possible to construct a more ergonomic calibration to provide the compound content.
  • the apparatus may use another fluorescence measurement to determine whether the main measurement is saturated or not, for example the BGF UV / FRF UV measurement in the case of Anthocyanins.
  • the apparatus may also use the YGF A / FRF A measurement. The power of the sources in amber light then allows a measurement at a greater distance than with the UV sources described, for example up to about Im.
  • Another possibility is to exceed the saturation threshold of the initial measurement of a compound, using a new excitation wavelength, different from the absorption peak of this target compound.
  • the versatility of the apparatus thus makes it possible to combine a third measurement of fluorescence, for example for anthocyanins by the measurement FRF A / FRF G when the measure FRF R / FRF G is saturated.
  • variations of chemical compositions outside the measured content can affect the performance of this measurement of content, for example by a change in pH during evolution and according to the season.
  • the apparatus comprises the choice of using one or more different fluorescence measurements, according to these measurement conditions. These possibilities are programmed in the means of treatment of the device, and allow better measurement continuity over a larger range of measurement of compound, without requiring new fluorescence measurements, and therefore with the same means of emission and detection. This choice can be recommended or automated, depending on the season or the results of a first measurement of content or fluorescence, or based on information provided by another device.
  • the invention has applications in many agricultural fields, or management of natural areas.
  • Flavonoids and anthocyanins can often be associated with the nutritional value of a fruit, such as the apple.
  • Anthocyanins can often be associated with the maturity of a fruit, and more specifically with phenolic ripening.
  • Another interesting use is the precise evaluation of the state of a plant space having a certain heterogeneity, for example in cartographic form. These may be wilderness areas such as nature parks, cultivated areas or maintained areas such as golf courses or stadiums.
  • Other compounds such as carotenoids, may be associated with the ripening of vegetables, for example lycopene for tomato.
  • the invention proposes in particular to implement such a method to evaluate the maturation or quality or composition of the grape by measuring the content of at least one compound of the Anthocyanin or Flavonoid type in the skin of a fruit, and particular of a grain or a bunch of grapes.
  • the invention thus makes it possible to better know the state or the needs of a culture at different times of its evolution or in different plots, in particular for a spatially or temporally heterogeneous culture. This knowledge makes it possible to organize the various operations at the right moment, such as size, harvest, phytotherapy treatment or nutrient intake.
  • the invention may be implemented to analyze on the fly a plurality of plants to be evaluated, as and when a displacement of the measuring device in crops, or conversely after harvesting.
  • This evaluation can also make it possible to adjust, in real time, the nature of a current operation or the amount of treatment or nutrient implemented.
  • a use of the invention may be the adjustment of a fertilizer treatment depending on the condition of the plants evaluated, or the adjustment of a phytotherapeutic treatment depending on the detection of pathogens and their quantity.
  • Another use of the invention may be to control the quality of products after harvest, and to control a selection or treatment during packaging.
  • FIGURE 1 schematically shows a device according to one embodiment of the invention
  • FIGURE 2 is a perspective view, on the side of the measurement face, of a device according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a simplified sectional side view of a device according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 4 represents a spectral diagram of the wavelengths implemented in a device according to one embodiment of the invention;
  • FIGURE 5 is a diagram illustrating an implementation of a system according to one embodiment of the invention.
  • FIGURE 1 to FIGURE 3 represents a preferred embodiment of the invention as it has now been realized and tested.
  • This embodiment is based on a portable housing 10 powered by a remote battery 121 or integrated in the handle, having a measurement face 14 and a user interface comprising a screen 152 and control members such as buttons or buttons 101 and 102.
  • This housing can be held by a portion forming a handle 12 containing the removable battery 121 or the connector of the remote portable battery.
  • This housing 10 also comprises a cylindrical portion 13 extending towards the opposite side to the interface and carrying the measuring face at its end.
  • the measurement face 14 is surrounded by a more or less opaque and possibly removable cover 130, which makes it possible to reduce the interference of the ambient light and to give a reference as to the optimum measurement distance with respect to the measuring face 14.
  • This measurement face comprises a set of detectors 40 covering the fluorescence wavelengths to be measured. In the embodiment described here, this set 40 comprises three detectors 41, 42 and 43 adjacent to each other and grouped together in an equilateral triangle in the center of the measurement face 14. These three detectors are oriented in directions parallel to each other around the other. a detection axis 140, or very slightly convergent around this detection axis 140.
  • Each of these detectors 41, 42 and 43 comprises a detection element, here a silicon photodiode 420 of approximately 2 cm ⁇ 2 cm, and detects the light in a determined wavelength band, respectively blue-green, red and far-red.
  • This detection band is obtained by a color filter or high pass and an interference filter.
  • the combination of these two types of filters allows a better filtration which may be necessary, in particular to prevent the detectors from receiving radiation emitted by the excitation sources. It should be noted that the detectors receive directly the fluorescence to be measured, without using collecting, converging or collimated optics.
  • Each detector requires only one detection element, the photodiode 420 (FIGURE 3), chosen sufficiently large to obtain a good sensitivity that makes it possible to dispense with collection optics. This detection element thus receives a radiation 49 coming from the whole of the target zone 91 illuminated by the excitation emitters.
  • This arrangement makes it possible to use relatively simple detection elements, and to avoid the need for collection optics. Beyond saving on the cost of optics, it avoids the constraints of space, adjustment and depth of field.
  • the measuring face 14 has a concave conical peripheral surface bearing several sets of emitters, which can emit excitation light in different wavelengths, distributed in a circle around the set of detectors.
  • These emitters comprise a set of ultraviolet emitters comprising six UV emitters 21 to 26, distributed at 120 ° in three groups of two adjacent emitters, on a circle around the set of detectors 40.
  • Each of these sources comprises a source, here a ultraviolet LED diode 27, placed in a parabolic reflector 281 forming a beam of about 30 °.
  • the reflectors are mounted on a base 282 determining the position of their beam with respect to the detection axis 140.
  • the UV emitters can also use a dioptric or catadioptric device to improve the convergence of the emitted beam.
  • the emitters also comprise a set of visible light emitters 30, comprising three emitters 31, 32 and 33 distributed at 120 ° around the set of detectors 40 in the same circle as the set of UV emitters 20 and intercalated with the UV emitters.
  • Each of these visible light emitters comprises a source comprising a matrix of LED diodes of red, green and blue interposed colors, integrated in a common component 34 about 4.5 cm side and a power of 3x15W, and covered with a transparent plastic plate forming a matrix of convergent microlenses.
  • This common component 34 is mounted on a shim 36 forming a radiator, the shape of which determines the orientation of the source with respect to the detection axis 140.
  • the transmitter also comprises a broadband pass-through color filter, making it possible to restrict the emissions in the wavelengths used for fluorescence detection, especially towards far red.
  • sources of monochrome excitation can also be used, for example amber-colored sources in the form of a monochromatic LED matrix of high power, of the order of 200W continuously.
  • the excitation emitters are oriented so as to obtain uniform illumination of the target zone 91, even when it is a heterogeneous and / or three-dimensional object.
  • the beams of the emitters are oriented to converge to the axis or axes A41, A42 and A43 of the detectors 41, 42 and 43. More In particular, the axes A22, A32 of the excitation beams are concurrent with each other and with the detection axis 140 at the same point P140, at an optimum distance for the measurement. In the embodiment described, the point of convergence P140 is between 10 and 20 cm of the set 40 of detectors, for example around 15 cm.
  • the emitted beams are not collimated and have a certain opening or divergence makes it possible to limit the constraints on the measurement distance.
  • the target here a bunch of grapes 9
  • the target here a bunch of grapes 9
  • the fluorescence 49 emitted towards the detectors will thus be sufficiently stable and homogeneous to provide faithful measurements of the measured zone 91.
  • the measurements using the UV emitters are made at a distance of about 15 cm, the measurements using only the emitters in visible light can be carried out at greater distances, or even around Im, for example for a measurement of anthocyanins.
  • the beams of the emitters may be oriented so as to be parallel to the detection axis, for example for measurement applications at a large distance.
  • FIG. 3 illustrates more particularly the structure of the device in this embodiment of the invention.
  • the cylindrical portion 13 of the housing encloses a substantially annular electronic card 131, comprising the power supply circuits of the excitation sources, the excitation pulse management circuit and a circuit producing a current generator.
  • the detectors, and the electronics that go with them, are grouped in a cylindrical detection module 400, placed on the measuring face 14 at the center of the circle formed by the excitation emitters and extending in the direction of the target at analyze.
  • the outer face of this cylinder carries the three detectors 41, 42 and 43. This arrangement makes it possible to place the detectors substantially at the same level as the ends of the emitters so that they have a wide reception field and thus makes it possible to approach of the target.
  • the detection module 400 comprises three substantially analogous, substantially circular, small electronic cards 141, 142, 143, stacked along its longitudinal axis, fixed and spaced apart by columns 144.
  • the first small electronic card 141 located on the side of the outer face of the detection module 400, carries the detection elements, here silicon photodiodes.
  • the silicon photodiode 420 receives the light to be detected through a colored or high-pass filter 421 and an interference filter 422 detachably fixed by a locking nut 423 in a cylindrical opening 25.4 mm, thus able to receive standard filters of one inch or 25mm.
  • the second small electronic card 142 carries the circuits and amplifiers that produce the rejection of the ambient light by a feedback loop.
  • the third small circuit board 143 carries circuits and components containing in particular sample-and-hold devices.
  • the detection module 400 constitutes a compact assembly that can be removed from the housing 10, for example for maintenance or to be replaced by a camera module or a module including one or more optical guides. This detection module is connected, through the opening of the large electronic card 131, to a processing module 151 located on the interface side and comprising all or part of the processing means: in particular an acquisition unit and calculation means.
  • This processing module is comprised in a portion 15 of the housing carrying the screen 152 and can be tilted for good readability, and retracted in a housing 105 inside the housing 10.
  • This processing module may comprise a detachable connection him allowing to be exchanged easily, for example for an update or a change of function.
  • the electronics 131 linked to the excitation, that 141 to 143 related to the detection, and the processing module 151 are thus arranged in different and separate electronic modules, allowing simplified maintenance. These modules are further separated by a certain distance, here two centimeters and typically at least 1.5 cm, which allows better dissipate the heat generated and limit the risk of interference between the circuits they comprise.
  • the detection is synchronized to the excitation that is emitted by the excitation transmitters.
  • An IkHz excitation frequency with 20 microsecond pulses has been used successfully, and allows for real-time processing as a field trip.
  • the different fluorescence measurements required to establish the content or the programmed index are interleaved within the measurement period.
  • management and processing means are arranged to: - emit a control signal for controlling the transmitters by pulses,
  • an amplification carries out the rejection of the ambient light by a feedback loop, control, for example by the same control signal, the treatment of the fluorescence peak detected, for example, by means of sample-and-hold devices;
  • synchronous detection using phase modulation between excitation and detection is provided.
  • the management and processing means are then arranged to:
  • FIGURE 4 shows the spectral pattern of excitation wavelengths 61, 62 and 63 and fluorescence detection 65, 66 and 67 in the embodiment being tested.
  • the device of the invention has many applications, especially in the field of agriculture or maintenance of green spaces and scientific research on plants.
  • This combination made it possible to monitor and evaluate grape evolution and phenolic ripening by measuring anthocyanins for red grapes and flavonoids for white grapes.
  • the measurements based on the blue-green fluorescence under UV excitation can also be correlated with the results based on other fluorescences (for example FRF G / FRF R ) to monitor the absence or presence of pathogens before or during harvest.
  • other embodiments which comprise a system 5 including one or more analysis devices 511 to 514, mounted on a structure 52 of shape and size intended to be towed by a vehicle 53 along a large area of plant, for example to monitor and continuously analyze a row of vine 50, on several levels and on both sides.
  • These analysis devices 511 to 514 may each comprise only part of the means implemented, for example only the emitters and detectors part as well as their management means, and be centralized on a single processing module 51.
  • This processing module 51 can also be integrated with, or communicate with, one or more computerized means such as geolocation means 531, or measurement control means 532, or control means 533 for a processing performed as and to measure, or communication means 534 with one or more other systems.
  • computerized means such as geolocation means 531, or measurement control means 532, or control means 533 for a processing performed as and to measure, or communication means 534 with one or more other systems.
  • culture should not be taken too restrictively and may include plants that are monitored and / or maintained, even if they do not produce crops, such as grass, or have not been artificially planted as a monitored or maintained natural area.

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Abstract

La présente invention concerne un appareil d'analyse de végétaux, par excitation lumineuse et mesure de fluorescence, utilisable sur le terrain sans préparation des végétaux. Elle concerne en outre un appareil d'évaluation de la teneur d'un composé dans la peau ou l'épiderme d'un végétal. A partir de l'utilisation d'un tel appareil, l'invention concerne aussi un procédé d'évaluation et de suivi de l'évolution et de la maturation d'une culture, ainsi qu'un procédé de contrôle et de pilotage de traitement de végétaux. La géométrie de l'appareil est caractérisée par une direction des rayons de la lumière d'excitation et une direction des rayons lumineux de fluorescence non colinéaires entre elles. L'appareil comporte plusieurs jeux d'émetteurs de longueurs d'onde différentes, comprenant chacun plusieurs émetteurs, et permet de mesurer une pluralité de combinaisons excitation-fluorescence.

Description

« Appareil d'analyse de végétaux sur le terrain, procédé de suivi de l'état ou de l'évolution d'une culture et procédé de gestion d'un traitement de végétaux »
La présente invention concerne un appareil d'analyse de végétaux, par excitation lumineuse et mesure de fluorescence, utilisable sur le terrain sans préparation des végétaux.
Elle concerne en outre un appareil d'évaluation de la teneur d'un composé dans la peau ou l'épiderme d'un végétal. A partir de l'utilisation d'un tel appareil, l'invention concerne aussi un procédé d'évaluation et de suivi de l'évolution et de la maturation d'une culture, ainsi qu'un procédé de contrôle et de pilotage de traitement de végétaux.
L'invention s'applique au domaine de l'analyse et de l'évaluation de tissus biologiques, par exemple des végétaux et plus particulièrement des cultures dans le cadre d'une agriculture dite de précision.
Ce terme est employé lorsque l'on cherche à gérer de façon plus précise l'état et l'évolution d'une culture, par exemple au cours du temps ou selon ses spécificités locales au sein d'une étendue géographique. Il peut s'agir par exemple d'optimiser la qualité des produits obtenus, ou de limiter les apports en traitement ou en nutriments à ce qui est nécessaire ou utile.
Jusqu'à récemment, l'évaluation précise de l'état d'un végétal reposait sur une analyse destructive du végétal comme une analyse du degré de sucre ou une spectroscopie, le plus souvent en laboratoire. Or de telles méthodes sont complexes et peu pratiques. Elles sont inutilisables sur le terrain et ne permettent pas de réaliser de l'ajustement en temps réel.
Le document US2005/0098713 propose d'évaluer certains états d'une culture à travers les pigments d'une feuille, en particulier la chlorophylle ou la carotène, par mesure de la réflectance avec modulation et détection de phase.
Cet appareil utilise un réseau de diodes d'émission et un réseau de détecteurs, disposés côte à côte, émettant ou recevant chacun un faisceau rassemblé et collimaté par une optique de collimation. Cette technique de mesure par réflectance présente certains inconvénients, par exemple une grande sensibilité à l'état ou à la propreté des surfaces à mesurer.
Un autre appareil de mesure a été décrit dans la publication de C. Belzile et coll. intitulé « An operational fluorescence System for crop assessment » paru dans Proceedings of SPIE (vol 5271, pp 244-252, 2004) pour évaluer certains états des plants de pomme de terre, comme le stress hydrique ou thermique, en mesurant la fluorescence de la chlorophylle présente dans les feuilles. Cet appareil utilise deux diodes électroluminescentes (LED) d'excitation de longueurs d'onde différentes et modulées différemment pour éclairer les feuilles à travers une optique collimatée, à une distance de 47cm +/- 7cm. La fluorescence est mesurée à travers une optique collimatée constituée par un assemblage entre un détecteur et des filtres correspondant aux longueurs d'onde de fluorescence à mesurer, et dont le signal est démodulé par rapport aux sources d'excitation.
Cette technologie n'effectue pas toutes les mesures utiles, et présente certains inconvénients. Chaque longueur d'onde d'émission utilise une source unique matérialisée par un faisceau unique collimaté par une lentille. Les détecteurs utilisent aussi une optique de collimation pour recevoir la fluorescence générée.
Dans l'état de la technique persistent un certain nombre d'inconvénients, par exemple l'encombrement, les problèmes de réglage, et les contraintes de distance dues à l'utilisation des optiques collimatées. De plus, l'éclairement d'un objet par une telle source n'est pas toujours uniforme ni suffisamment constant, en particulier pour des objets dotés d'un fort relief, par exemple comme des fruits ou des légumes ou des brins d'herbe.
De plus, la mesure d'une seule fluorescence dans une longueur d'onde déterminée ne suffit pas à fournir certaines informations importantes, comme la teneur en certains composés caractéristiques de l'évolution de la culture. De même l'utilisation de seulement deux longueurs d'excitation de la fluorescence limite l'usage d'un tel appareil, tout en occupant un volume non négligeable dans un appareil dont les caractéristiques rendent nécessaires de le monter sur un véhicule.
Par ailleurs, lorsque la valeur d'une mesure est susceptible d'évoluer dans une très grande plage, il est possible que toutes les parties de cette plage ne soient pas mesurables avec le même choix de longueur d'onde.
Aussi, l'utilisation d'une longueur d'onde donnée peut ne pas fonctionner correctement lorsque la composition chimique dans le végétal étudié évolue au fur et à mesure du temps.
Il est intéressant aussi de pouvoir disposer d'un appareil suffisamment compact pour pouvoir être utilisé à la main, et suffisamment économique pour être accessible à de nombreux utilisateurs.
Un but de l'invention est de pallier les inconvénients de l'art antérieur, et en particulier d'améliorer les points suivants : - permettre une mesure non destructive et rapide sur le terrain,
- permettre une mesure depuis un seul côté du végétal à évaluer,
- obtenir une bonne uniformité des mesures sur un objet en trois dimensions,
- diminuer ou optimiser l'encombrement, - améliorer la simplicité de mise en œuvre et la robustesse du système,
- améliorer les limites de la plage de distance utilisable pour la mesure, permettre la mesure de la teneur d'un ou plusieurs composés fluorescents ou non, Un autre but de l'invention est d'améliorer ou d'optimiser les possibilités de suivi de végétaux au cours du temps ou au sein d'une zone géographique hétérogène, et en particulier :
- permettre l'évaluation d'un ou plusieurs critères d'évolution dépassant le cadre d'une mesure directe, - optimiser la continuité de mesure dans une plage de teneur ou augmenter la largeur d'une telle plage mesurable,
- optimiser la continuité de mesure dans une plage de compositions chimiques extérieures à la teneur mesurée, par exemple selon la saison, ou augmenter la largeur d'une telle plage mesurable. Pour cela, l'invention propose un dispositif d'analyse non destructive de végétaux par mesure de fluorescence, comprenant :
- des moyens d'excitation émettant une lumière d'excitation dans une bande de longueur d'onde déterminée pour générer une fluorescence dans les tissus d'une zone cible,
- des moyens de détection dans une bande de longueurs d'onde déterminée pour détecter la fluorescence ainsi générée,
- des moyens de gestion desdits moyens d'excitation et de détection, et - des moyens de traitement agencés pour corréler dynamiquement lesdits moyens d'excitation et de détection de façon à fournir une mesure de la fluorescence ainsi générée.
Selon l'invention, les moyens d'excitation et les moyens de détection sont agencés selon une géométrie déterminée pour que la direction des rayons de la lumière d'excitation illuminant ladite zone cible d'une part et la direction des rayons lumineux de fluorescence détectés par les moyens de détection d'autre part ne soient pas colinéaires entre elles.
En particulier, les moyens de détection reçoivent la lumière de fluorescence générée par la zone cible sans traverser de moyens optiques de convergence.
Par rapport aux techniques connues utilisant des optiques de collection et/ou de collimation, on obtient une plus grande compacité ainsi qu'une plus grande plage de distance de mesure, un moindre coût et une plus grande simplicité de fabrication. Les détecteurs n'ont pas besoin d'être réglés de façon très précise en position ou orientation, et le dispositif obtenu est plus résistant, plus facile à utiliser et entretenir.
Dans le mode de réalisation décrit ci-après, la distance de mesure peut être réduite jusqu'aux environs de 5cm ou 7cm, et couramment aux environs de 10cm ou 15cm. Alors qu'une tendance naturelle voudrait que l'on cherche à augmenter la distance de détection pour économiser les déplacements mécaniques, cette courte distance de mesure peut aussi avoir des avantages. Ainsi, elle permet une plus grande précision dans les mesures, nécessite moins de moyens ou de méthodes de ciblage (telles qu'une analyse d'image), et diminue les influences de la lumière ambiante. De préférence, les moyens d'excitation incluent un jeu d'émetteurs comprenant au moins deux émetteurs lumineux situés de part et d'autres des moyens de détection, illuminant la zone cible selon des directions non colinéaires entre elles et dans une même bande de longueurs d'onde. Cette multiplicité d'émetteurs alliée à leur position par rapport au détecteur permet en particulier une illumination plus uniforme de la cible, sous différents angles. Pour un objet avec un relief hétérogène, la zone vue et traitée par le détecteur est ainsi illuminée de façon plus constante quelle que soit son orientation dans l'espace. Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif selon l'invention comprend :
- des moyens d'excitation selon une pluralité de bandes de longueurs d'onde différentes déterminées de façon à permettre de réaliser une pluralité de mesures de fluorescence, et/ou - des moyens de détection aptes à détecter une lumière de fluorescence dans une pluralité de bandes de longueurs d'ondes déterminées de façon à permettre une pluralité de mesures de fluorescence.
Il est ainsi possible de réaliser plusieurs mesures différentes de fluorescence avec le même appareil. Des mesures différentes de fluorescence sont ici définies comme correspondant chacune à une combinaison d'une bande déterminée de longueurs d'onde d'excitation associée à une bande déterminée de longueurs d'onde de fluorescence. Ainsi, par exemple, une mesure de fluorescence notée RFG (Red Fluorescence - avec excitation Green) correspondra à la mesure de rayonnement de fluorescence généré dans le rouge par une excitation dans le vert.
Selon un aspect avantageux de l'invention, le dispositif comprend en outre des moyens pour sélectionner une mesure de fluorescence parmi une pluralité de mesures possibles, ladite sélection réalisant une sélection des moyens d'excitation et de détection et du mode de traitement à mettre en œuvre correspondant à la mesure de fluorescence sélectionnée.
On obtient ainsi un outil polyvalent et souple, abordable et utilisable dans de nombreux usages : par exemple d'expérimentation ou de production, à petite échelle comme à grande échelle. Selon une particularité de l'invention, les moyens de gestion et de traitement peuvent alors être agencés pour sélectionner et réaliser automatiquement, successivement ou alternativement, une pluralité de mesures différentes de fluorescence. II est alors possible de programmer l'acquisition de plusieurs mesures différentes en une seule action de l'utilisateur ou au cours d'un seul déplacement.
Dans un mode de réalisation avantageux, le dispositif selon l'invention comprend un boîtier portable autoalimenté présentant une première face portant des moyens d'interface utilisateur et une deuxième face dite de mesure dirigée vers une direction de mesure. Cette face de mesure comporte : - d'une part sur sa périphérie une surface portant les moyens d'excitation, et - d'autre part en son centre une partie s'étendant dans la direction de mesure.
Cette extension constitue un module de détection qui renferme au moins une partie de l'électronique de détection et porte les moyens de détection sur sa face du côté de la direction de mesure, de préférence au même niveau que l'extrémité des émetteurs d'excitation.
Ces caractéristiques contribuent à diminuer l'encombrement, le poids et le coût d'un tel appareil, qui peut être réalisé sous une forme portable et utilisable à la main par une personne à pied.
Les moyens d'excitation et de détection étant rassemblés sur une seule face de l'appareil, la mesure peut s'effectuer sur une seule face du végétal à analyser, donc sans prélèvement ni manipulation. Il est donc possible de réaliser ces mesures de façon non destructive, et de façon suffisamment rapide pour pouvoir être réalisée à la volée lors d'un parcours devant une multitude de végétaux, comme dans une plantation ou un champ ou une pelouse.
Mesure d'un composé
Un mode de réalisation préféré de l'invention comprend un tel dispositif dont les moyens de gestion et de traitement sont agencés et programmés pour fournir au moins deux mesures de fluorescence différentes, déterminées pour être combinées et corrélées entre elles par les moyens de traitement de façon à calculer une mesure de la teneur d'un composant présent dans la cible.
Plus particulièrement, les moyens de gestion et traitement sont agencés et programmés pour fournir une mesure de la teneur d'un composé chromophore et non fluorescent, par effet d'écran sur une excitation lumineuse générant une fluorescence d'un autre composé situé plus au-delà du composé à mesurer.
Un exemple d'application intéressante est celle qui consiste à mesurer la teneur en composés de la famille des Anthocyanes ou des Flavonoïdes, dans la peau des grains de raisin, le composé fluorescent situé au delà étant la chlorophylle.
Pour obtenir une mesure restant stable lors de mesures à des distances variables, cette mesure par effet écran comprend deux mesures différentes de fluorescence, générées dans un composé fluorescent, par exemple la chlorophylle. Ces deux mesures de fluorescence sont choisies en utilisant, en général pour l'excitation, des longueurs d'ondes qui sont absorbées différemment par le composé chromophore ciblé. Celle de ces mesures dont l'excitation est absorbée par le composé ciblé est appelée mesure « affectée », et l'autre est appelée mesure de référence. Par des traitements combinant et corrélant ces deux mesures de fluorescence, on déduit la quantité de composé cible ayant fait écran à la lumière d'excitation, en gardant une bonne indépendance par rapport à la distance de mesure. Le dispositif caractérisé ici est particulièrement bien adapté pour effectuer cette mesure de teneur, puisque celle-ci nécessite deux mesures différentes de fluorescence.
Dans le même esprit, l'invention propose aussi un système de gestion biologique ou agricole incluant un tel dispositif d'analyse. Un tel système peut en particulier comprendre des moyens pour communiquer avec des moyens numériques de géolocalisation, ou de pilotage des mesures, ou de contrôle d'un traitement, ou de communication informatique, ou une combinaison de plusieurs de ces moyens. L'invention propose en outre un procédé d'évaluation de l'état d'une entité biologique, et plus particulièrement d'un végétal, mettant en œuvre un tel dispositif.
Ce procédé permet en particulier un suivi de l'évolution d'une culture dans le temps, en comparant une pluralité de mesures réalisées au cours du temps pour un composé déterminé dans un même végétal ou une même parcelle.
Il permet aussi un suivi de l'état d'une culture au sein d'une zone géographique comprenant une pluralité de parcelles, en comparant une pluralité de mesures réalisées dans lesdites parcelles pour un composé déterminé.
Dans le cadre d'une application agricole, la polyvalence et la souplesse du dispositif ou système selon l'invention permettent en outre de déterminer un ou plusieurs indices, pouvant être en partie empiriques, correspondant à un état du végétal analysé et/ou à son évolution. Exemples de combinaisons de mesures de fluorescence De façon simplifiée, la mesure de la teneur par effet écran repose sur l'obtention d'une valeur d'absorbance due au composé à mesurer, et répondant à une formule du type : absorbance = log (fluorescence de référence / fluorescence affectée)
La combinaison d'une telle mesure de teneur sera notée : « (Fluorescence Référence Excitation /Fluorescence Affectée Excitation) » Ainsi une mesure notée « FRFR/FRFG » correspond à :
- une mesure de référence : fluorescence dans le rouge lointain (FRF : Far Red Fluorescence) générée par une excitation dans le rouge (Red) ; corrélée avec
- une mesure affectée : fluorescence dans le rouge lointain (FRF) générée par une excitation dans le vert (Green).
Différents modes de réalisation de l'invention permettent, en dotant un tel dispositif des longueurs d'ondes des émetteurs et détecteurs correspondant, de mesurer en particulier les composés ou indices suivants : FRFB/FRFG : anthocyanes et certains caroténoïdes. FRFA/FRFG : anthocyanes et certains caroténoïdes. FRFR/FRFG : anthocyanes et certains caroténoïdes. BGFuv/FRFuv : indice composite pouvant représenter d'assez près la teneur en anthocyanes, et présentant en outre une bonne stabilité lorsque la distance de mesure varie. Cet indice est sensible à la présence de certains types de pathogènes. Par corrélation avec une autre mesure portant sur les anthocyanes, il permet de vérifier la présence ou l'absence de pathogènes, par exemple lors d'une récolte ou pour l'ajustement d'un traitement.
Par ailleurs, cet indice est sensible à la présence de mauvaise herbes de type dicotyledone (ex. chénopode blanc) dans une culture du type monocotyledone (ex. maïs).
YGFB/FRFB : indice composite pouvant représenter la présence de la lignine, de la cutine et d'autres polymères phénoliques, il présente l'avantage de ne pas nécessiter d'excitation en Ultra Violet, dont les émetteurs sont souvent plus encombrants et d'une moindre portée que les matrices de diodes RGB couramment disponibles. FRFR/FRFUV : flavonoïdes.
FRFR/FRFB : indice composite essentiellement basé sur les flavonoïdes, mais aussi sensible aux caroténoïdes, qu'il permet donc de détecter en corrélation avec une autre mesure des flavonoïdes. FRFB/RFB : chlorophylle.
FRFA/RFA : chlorophylle.
Les bandes mentionnées ci-dessus correspondent aux longueurs d'ondes suivantes :
UV : 300-400nm (ultra-violet), plus particulièrement 360-390nm B : 400-470nm (bleu)
BGF : 400-500nm (fluorescence bleu-vert) G : 510-540nm (vert) YGF : 520-570nm (fluorescence jaune-vert) A: 590nm (ambre) R : 620-650nm (rouge)
RF: 670-695nm (fluorescence rouge)
FRF: 705-800nm (fluorescence rouge lointain) Amélioration des plages de mesures
La polyvalence du dispositif selon l'invention permet aussi une amélioration et une optimisation des plages de mesures possibles, et de la continuité des mesures dans ces plages. Ainsi, pour la mesure d'un composé déterminé par effet écran, lorsque ce composé est présent en grande quantité, l'absorption de l'excitation peut être trop importante pour que la fluorescence générée soit séparable du bruit propre aux conditions de mesure. L'évolution de la mesure de fluorescence affectée par le composé ciblé n'est alors plus significative de sa teneur.
En réponse à ce problème, le dispositif selon l'invention comprend la possibilité de traiter la mesure de référence en tant que mesure affectée en utilisant les faibles variations de cette mesure lorsqu'elle est légèrement affectée par le composé ciblé. L'appareil comprend alors des moyens de repérage ou de guidage permettant de maintenir une distance de mesure constante, par exemple une jupe entourant la face de mesure.
Ces moyens de guidage comprennent avantageusement une extension dépassant de la face de mesure, et d'une rigidité suffisante pour permettre à l'utilisateur de faire plier les végétaux mesurés en appuyant légèrement dessus avec ces moyens de guidage. Les végétaux à mesurer sont ainsi rapidement et sans effort amenés à bonne distance de la face de mesure. Cette extension peut être ajourée et entourer la face de mesure en tout ou partie. En particulier, la jupe citée ci-dessus peut être réalisée par un simple treillis rigide ou élastique, par exemple en fil métallique élastique ou en treillis de plastique moulée.
Ainsi, l'utilisateur peut mesurer de nombreux végétaux à la suite rapidement, voire en continu, en passant simplement devant ces végétaux tout en appuyant légèrement les moyens de guidage sur des extrémités de ces végétaux ou sur la surface du couvert qu'ils constituent. Il peut ainsi parcourir la surface d'un champ de blés en couchant légèrement les épis pour mesurer rapidement les extrémités d'un grand nombre de pieds. Il est aussi possible de parcourir rapidement le feuillage d'une haie, ou les brins d'herbes d'un gazon ou d'une prairie. Le résultat mathématique de la formule habituelle, dite « canonique », suit alors une courbe descendante alors que la teneur en composé augmente. Les moyens de traitement réalisent alors une correction mathématique consistant à inverser le rapport entre la fluorescence affectée et la fluorescence de référence. Cette inversion permet de fournir des valeurs continuant à augmenter, ce qui est plus parlant pour l'utilisateur et permet de construire un étalonnage plus ergonomique pour fournir la teneur en composé.
Pour fournir une mesure sans connaissance a priori de la teneur en composé, l'appareil peut utiliser une autre mesure de fluorescence pour déterminer si la mesure principale est saturée ou non, par exemple la mesure BGFUV/FRFUV dans le cas des Anthocyanes. Dans un mode de réalisation comprenant un jeu d'émetteurs d'excitation en lumière ambre, l'appareil peut aussi utiliser la mesure YGFA/FRFA. La puissance des sources en lumière ambre permet alors une mesure à une plus grande distance qu'avec les sources UV décrites, par exemple jusqu'à environ Im.
Une autre possibilité est prévue pour dépasser le seuil de saturation de la mesure initiale d'un composé, en utilisant une nouvelle longueur d'onde d'excitation, différente du pic d'absorption de ce composé cible. La polyvalence de l'appareil permet ainsi de combiner une troisième mesure de fluorescence, par exemple pour les anthocyanes par la mesure FRFA/FRFG lorsque la mesure FRFR/FRFG est saturée.
Par ailleurs, les variations de compositions chimiques extérieures à la teneur mesurée peuvent affecter les performances de cette mesure de teneur, par exemple par un changement du pH au cours de l'évolution et selon la saison.
La multiplicité des combinaisons de mesure possible permet ainsi de passer d'une combinaison à l'autre, par exemple pour les anthocyanes entre les trois mesures FRFB/FRFG, FRFA/FRFG et FRFR/FRFG. Ainsi, pour améliorer la continuité d'une mesure de teneur d'un composé, ou agrandir les plages de composition chimique « extérieures » où cette mesure est possible, l'appareil comprend le choix d'utiliser une ou plusieurs mesures différentes de fluorescence, en fonction de ces conditions de mesure. Ces possibilités sont programmées dans les moyens de traitement de l'appareil, et permettent une meilleure continuité de mesure sur une plus grande plage de mesure de composé, sans nécessiter de nouvelles mesures de fluorescence, et donc avec les mêmes moyens d'émission et de détection. Ce choix peut être recommandé ou automatisé, en fonction de la saison ou en fonction des résultats d'une première mesure de teneur ou de fluorescence, ou en fonction d'informations fournies par un autre appareil.
Applications L'invention présente des applications dans de nombreux domaines agricoles, ou de gestion d'espaces naturels.
Une utilisation typique est la mesure de la teneur en flavonoïdes ou en anthocyanes dans l'épiderme des feuilles ou la peau de différents types de légumes ou de fruits. Les flavonoïdes et les anthocyanes peuvent souvent être associés à la valeur nutritionnelle d'un fruit, par exemple la pomme.
Les anthocyanes peuvent souvent être associés à la maturité d'un fruit, et plus précisément à la maturation phénolique.
Une autre utilisation intéressante est l'évaluation précise de l'état d'un espace végétal présentant une certaine hétérogénéité, par exemple sous forme cartographique. Il peut s'agir de zones sauvages comme des parcs naturels, de zones cultivées ou des zones entretenues comme des terrains de golf ou des stades.
D'autres composés, comme des caroténoïdes, peuvent être associés à la maturation de légumes, par exemple le lycopène pour la tomate.
L'invention propose en particulier de mettre en œuvre un tel procédé pour évaluer la maturation ou la qualité ou la composition du raisin par mesure la teneur d'au moins un composé de type Anthocyane ou Flavonoïde dans la peau d'un fruit, et en particulier d'un grain ou d'une grappe de raisin.
Dans le cas du raisin, la mesure de la teneur en anthocyanes (en particulier pour le raisin rouge) ou de la teneur en flavonoïdes (en particulier pour le raisin blanc) permet d'avoir un bon indice de la maturité dite phénolique, sans nécessiter d'analyse chimique. Cette maturité phénolique est en effet un facteur important pouvant jouer sur la qualité du vin obtenu à partir de ce raisin.
L'invention permet ainsi de mieux connaître l'état ou les besoins d'une culture à différents moments de son évolution ou en différentes parcelles, en particulier pour une culture spatialement ou temporellement hétérogène. Cette connaissance permet d'organiser les différentes opérations au moment opportun, telles que taille, récolte, traitement phytothérapique ou apport en nutriment.
Contrôle de traitement Avantageusement, l'invention pourra être mise en œuvre pour analyser à la volée une pluralité de végétaux à évaluer, au fur et à mesure d'un déplacement du dispositif de mesure dans les cultures, ou inversement après récolte.
Cette évaluation peut aussi permettre d'ajuster au fur et à mesure, en temps réel, la nature d'une opération en cours ou la quantité de traitement ou de nutriment mise en œuvre.
Ainsi, une utilisation de l'invention pourra être l'ajustement d'un traitement fertilisant en fonction de l'état des végétaux évalués, ou l'ajustement d'un traitement phytothérapique en fonction de la détection de pathogènes et de leur quantité.
Une autre utilisation de l'invention pourra être de contrôler la qualité de produits après récolte, et de piloter une sélection ou un traitement lors de l'emballage.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels : la FIGURE 1 représente schématiquement un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la FIGURE 2 est une vue en perspective, du côté de la face de mesure, d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la FIGURE 3 est une vue simplifiée en coupe de côté, d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention ; - la FIGURE 4 représente un diagramme spectral des longueurs d'ondes mises en œuvre dans un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention ; la FIGURE 5 est un schéma illustrant une mise en œuvre d'un système selon un mode de réalisation de l'invention.
Les FIGURE 1 à FIGURE 3 représentent un mode préféré de l'invention, tel qu'il a été actuellement réalisé et testé.
Ce mode de réalisation est basé sur un boîtier 10 portable et alimenté par une batterie 121 déportée ou intégré à la poignée, doté d'une face de mesure 14 et d'une interface utilisateur comprenant un écran 152 et des organes de commandes tels que des boutons ou touches 101 et 102. Ce boîtier peut être tenu par une partie formant une poignée 12 contenant la batterie amovible 121 ou le connecteur de la batterie portable déportée.
Ce boîtier 10 comprend aussi une partie cylindrique 13 s'étendant vers le côté opposé à l'interface et portant la face de mesure à son extrémité. La face de mesure 14 est entourée par un cache 130 plus ou moins opaque et possiblement amovible, qui permet de diminuer les interférences de la lumière ambiante et de donner un repère quant à la distance de mesure optimale par rapport à la face de mesure 14. Cette face de mesure comprend un jeu 40 de détecteurs couvrant les longueurs d'onde de fluorescence à mesurer. Dans le mode de réalisation ici décrit, ce jeu 40 comprend trois détecteurs 41, 42 et 43 adjacents entre eux et regroupés en un triangle équilatéral au centre de la face de mesure 14. Ces trois détecteurs sont orientés selon des directions parallèles entre elles autour d'un axe de détection 140, ou très légèrement convergentes autour de cet axe de détection 140. Chacun de ces détecteurs 41, 42 et 43 comprend un élément de détection, ici une photodiode au silicium 420 d'environ 2cm x 2cm, et détecte la lumière dans une bande de longueur d'onde déterminée, respectivement bleu-verte, rouge et rouge lointain. Cette bande de détection est obtenue par un filtre coloré ou passe- haut et un filtre interférentiel. La combinaison de ces deux types de filtres permet une meilleure filtration qui peut être nécessaire, en particulier pour éviter aux détecteurs de recevoir des rayonnements émis par les sources d'excitation. II est à noter que les détecteurs reçoivent directement la fluorescence à mesurer, sans utiliser des optiques de collection, convergentes ou collimatées. Chaque détecteur ne nécessite qu'un seul élément de détection, la photodiode 420 (FIGURE 3), choisie suffisamment grande pour obtenir une bonne sensibilité qui permet de se passer d'optique de collection. Cet élément de détection reçoit ainsi un rayonnement 49 provenant de l'ensemble de la zone cible 91 illuminée par les émetteurs d'excitation.
Cet agencement permet d'utiliser des éléments de détection relativement simples, et d'éviter le besoin d'une optique de collection. Au delà de l'économie sur le coût de l'optique, on évite ainsi les contraintes d'encombrement, de réglage et de profondeur de champs.
La face de mesure 14 présente une surface périphérique conique concave portant plusieurs jeux d'émetteurs, pouvant émettre une lumière d'excitation dans différentes longueurs d'ondes, répartis en un cercle autour du jeu 40 de détecteurs.
Ces émetteurs comprennent un jeu d'émetteurs ultraviolets 20 comprenant six émetteurs UV 21 à 26, réparties à 120° en trois groupes de deux émetteurs adjacents, sur un cercle autour du jeu de détecteurs 40. Chacune de ces sources comprend une source, ici une diode LED ultraviolette 27, placée dans un réflecteur parabolique 281 formant un faisceau d'environ 30°. Les réflecteurs sont montés sur une embase 282 déterminant la position de leur faisceau par rapport à l'axe de détection 140. Alternativement, les émetteurs UV peuvent aussi utiliser un dispositif dioptrique ou catadioptrique pour améliorer la convergence du faisceau émis.
Les émetteurs comprennent aussi un jeu d'émetteurs de lumière visible 30, comprenant trois émetteurs 31, 32 et 33 répartis à 120° autour du jeu 40 de détecteurs selon le même cercle que le jeu d'émetteurs UV 20 et intercalées avec les émetteurs UV. Chacun de ces émetteurs de lumière visible comprend une source comprenant une matrice de diodes LED de couleurs rouge, verte et bleue intercalées, intégrées dans un composant commun 34 d'environ 4,5cm de côté et d'une puissance de 3xl5W, et recouvertes d'une plaque de plastique transparent formant une matrice de microlentilles convergentes. Ce composant commun 34 est monté sur une cale 36 formant radiateur, et dont la forme détermine l'orientation de la source par rapport à l'axe de détection 140. L'émetteur comprend aussi un filtre coloré passe bande large, permettant de restreindre les émissions dans les longueurs d'onde utilisées pour la détection de fluorescence, en particulier vers le rouge lointain.
Alternativement aux sources RGB (rouge-vert-bleu) ici décrites, des sources d'excitations monochromes peuvent aussi être utilisées, par exemple des sources de couleur ambre sous la forme d'une matrice LED monochrome de forte puissance, de l'ordre de 200W en continu.
Les émetteurs d'excitation sont orientés de façon à obtenir un éclairage uniforme de la zone cible 91, même lorsqu'il s'agit d'un objet hétérogène et/ou en trois dimensions.
Dans des modes de réalisation pour des applications à distance courte, par exemple utilisant une excitation UV, les faisceaux des émetteurs sont orientés de façon à converger vers l'axe ou les axes A41, A42 et A43 des détecteurs 41, 42 et 43. Plus particulièrement, les axes A22, A32 des faisceaux d'excitation sont concourants entre eux et avec l'axe de détection 140 en un même point P140, à une distance optimale pour la mesure. Dans le mode de réalisation décrit, le point de convergence P140 se situe entre 10 et 20cm du jeu 40 de détecteurs, par exemple aux environs de 15cm.
Le fait que les faisceaux émis ne sont pas collimatés et présentent une certaine ouverture ou divergence permet de limiter les contraintes pesant sur la distance de mesure. En effet, tant que la cible, ici une grappe de raisin 9, se trouve à l'intérieur des faisceaux 29 et 39 des émetteurs, elle sera éclairée de façon homogène sur ses différentes faces dirigées vers le jeu 40 de détecteurs. La fluorescence 49 émise vers les détecteurs sera ainsi suffisamment stable et homogène pour fournir des mesures fidèles de la zone mesurée 91. Ainsi, bien que les mesures utilisant les émetteurs UV se fassent à une distance d'environ 15cm, les mesures n'utilisant que les émetteurs en lumière visible peuvent s'effectuer à des distances plus importantes, voire jusqu'aux environs de Im, par exemple pour une mesure des anthocyanes. Dans d'autres modes de réalisation, les faisceaux des émetteurs peuvent être orientés de façon à être parallèles à l'axe de détection, par exemple pour des applications de mesure à une distance importante.
La FIGURE 3 illustre plus particulièrement la structure du dispositif dans ce mode de réalisation de l'invention. La partie cylindrique 13 du boîtier renferme une carte électronique 131 sensiblement annulaire, comprenant les circuits d'alimentation des sources d'excitation, le circuit de gestion des impulsions d'excitation et un circuit réalisant un générateur de courant. Les détecteurs, et l'électronique qui va avec, sont regroupés dans un module de détection 400 cylindrique, placé sur la face de mesure 14 au centre du cercle formé par les émetteurs d'excitation et s'étendant dans la direction de la cible à analyser. La face externe de ce cylindre porte les trois détecteurs 41, 42 et 43. Cet agencement permet de placer les détecteurs sensiblement au même niveau que les extrémités des émetteurs pour qu'ils disposent d'un champ de réception large et permet ainsi de se rapprocher de la cible.
Le module de détection 400 comprend trois petites cartes électroniques 141, 142, 143 essentiellement analogiques, sensiblement circulaires, empilées le long de son axe longitudinal, fixées et espacées par des colonnettes 144.
La première petite carte électronique 141, située du côté de la face externe du module de détection 400, porte les éléments de détection, ici des photodiodes au silicium. Pour chacun de ces détecteurs, la photodiode au silicium 420 reçoit la lumière à détecter à travers un filtre coloré ou passe-haut 421 et un filtre interférentiel 422 fixés de façon amovible par un écrou de blocage 423 dans une ouverture cylindrique de 25,4mm, pouvant ainsi recevoir des filtres standards de un pouce ou de 25mm.
En s'éloignant de la face de mesure 14, la deuxième petite carte électronique 142 porte les circuits et amplificateurs réalisant la réjection de la lumière ambiante par boucle de contre-réaction.
La troisième petite carte électronique 143 porte des circuits et composants contenant en particulier des échantillonneur-bloqueurs. Le module de détection 400 constitue un ensemble compact qui peut être démonté du boîtier 10, par exemple pour maintenance ou pour être remplacé par un module caméra ou un module incluant un ou plusieurs guides optiques. Ce module de détection est connecté, à travers l'ouverture de la grande carte électronique 131, à un module de traitement 151 situé du côté de l'interface et comprenant tout ou partie des moyens de traitement : en particulier une centrale d'acquisition et des moyens de calcul.
Ce module de traitement est compris dans une partie 15 du boîtier portant l'écran 152 et pouvant être inclinée pour une bonne lisibilité, et escamotée dans un logement 105 à l'intérieur du boîtier 10. Ce module de traitement peut comporter une connexion détachable lui permettant d'être échangé facilement, par exemple pour une mise à jour ou un changement de fonction. L'électronique 131 liée à l'excitation, celle 141 à 143 liée à la détection, et le module de traitement 151 sont ainsi agencées en modules électroniques différents et séparés, permettant une maintenance simplifiée. Ces modules sont en outre séparés par une certaines distance, ici deux centimètres et typiquement au moins 1,5cm, ce qui permet de mieux dissiper la chaleur générée et de limiter les risques d'interférences entre les circuits qu'ils comportent.
Dans le mode de réalisation ici décrit, la détection est synchronisée sur l'excitation qui est émise par les émetteurs d'excitation. Une fréquence d'excitation de IkHz avec des impulsions de 20 microsecondes a été utilisée avec succès, et permet un traitement en temps réel au fur et à mesure d'un parcours sur le terrain. Les différentes mesures de fluorescence nécessaires à l'établissement de la teneur ou de l'indice programmé sont entrelacées au sein de la période de mesure.
Ainsi les moyens de gestion et de traitement sont agencés pour : - émettre un signal de commande pour commander les émetteurs par impulsions,
- détecter les pics de fluorescence générée par ces impulsions, au sein des détecteurs une amplification réalise la réjection de la lumière ambiante par une boucle de contre-réaction, - commander, par exemple par le même signal de commande, le traitement du pic de fluorescence détecté, par exemple, au moyen d'échantillonneur- bloqueurs ; et
- fournir une mesure analogique de la mesure de fluorescence à la centrale d'acquisition.
Dans d'autres modes de réalisation, il est prévu une détection synchrone utilisant la modulation de phase entre l'excitation et la détection. Les moyens de gestion et de traitement sont alors agencés pour :
- commander les émetteurs selon une fréquence incluant une modulation de phase,
- traiter le signal de détection de fluorescence en démodulation de phase et fournir la mesure de fluorescence.
La FIGURE 4 représente le diagramme spectral des longueurs d'ondes d'excitation 61, 62 et 63 et de détection de fluorescence 65, 66 et 67 dans le mode de réalisation testé.
Le dispositif selon l'invention présente de nombreuses applications, en particulier dans le domaine de l'agriculture ou de l'entretien des espaces verts et la recherche scientifique sur les végétaux.
Cette combinaison a permis de surveiller et d'évaluer l'évolution du raisin et sa maturation phénolique par la mesure des anthocyanes pour le raisin rouge et des flavonoïdes pour le raisin blanc.
Ces tests ont été effectués chaque semaine depuis juillet à octobre sur trois variétés, Pinot Noir, Pinot Meunier et Chardonnay, sur le vignoble expérimental de Fort Chabrol à Epernay en Champagne. Les résultats de ces tests ont étés vérifiés par analyse chimique des anthocyanes et du taux de sucre en °Brix, et sont exposés par les présents inventeurs dans une publication en cours, (Z. Cerovic et coll. « New portable optical sensors for the assessment of winegrape phenolic maturity based on berry fluorescence », In Précision Agriculture '07, 2007). Avec le même appareil, les mesures basées sur la fluorescence bleu- verte sous excitation UV (c'est à dire BGFUV/FRFUV) peuvent en outre être corrélés avec les résultats basés sur d'autres fluorescences (par exemple FRFG/FRFR) pour surveiller l'absence ou la présence de pathogènes avant ou lors de la récolte. Ainsi qu'illustré en FIGURE 5, d'autres modes de réalisation sont possibles, qui comprennent un système 5 incluant un ou plusieurs dispositifs d'analyse 511 à 514, montés sur une structure 52 de forme et de dimension prévue pour être tractée par un véhicule 53 le long d'une surface importante de végétal, par exemple pour surveiller et analyser en continu un rang de vigne 50, sur plusieurs niveaux et des deux côtés. Ces dispositifs d'analyse 511 à 514 peuvent comprendre chacun une partie seulement des moyens mis en œuvre, par exemple seulement la partie émetteurs et détecteurs ainsi que leurs moyens de gestion, et être centralisés sur un module de traitement 51 unique.
Ce module de traitement 51 peut aussi être intégré à, ou communiquer avec, un ou plusieurs moyens informatisés tels que des moyens de géolocalisation 531, ou des moyens de pilotage des mesures 532, ou des moyens de commande 533 d'un traitement effectué au fur et à mesure, ou des moyens de communication 534 avec un ou plusieurs autres systèmes.
D'autres modes de réalisation peuvent être réalisés basés sur différents types de véhicules amenés à parcourir la zone à traiter ou évaluer, par exemple sur une tondeuse, ou sur un chariot individuel de transport de clubs de golf.
Dans la présente description, il est à noter que la notion de culture ne doit pas être prise de façon trop restrictive et peut tout à fait inclure des végétaux qui sont surveillés et/ou entretenus, même s'ils ne produisent pas de récoltes, comme du gazon, ou n'ont pas été plantés artificiellement comme une zone naturelle surveillée ou entretenue.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (1) d'analyse non destructive de végétaux par mesure de fluorescence dans l'air, comprenant - des moyens d'excitation (20, 30) émettant une lumière d'excitation dans une bande de longueur d'onde (61, 62, 63) déterminée pour générer une fluorescence (49) dans les tissus d'une zone cible (91),
- des moyens de détection (40) dans une bande de longueurs d'onde (65, 66, 67) déterminée pour détecter la fluorescence ainsi générée, - des moyens de gestion desdits moyens d'excitation et de détection, et
- des moyens de traitement agencés pour corréler dynamiquement lesdits moyens d'excitation et de détection de façon à fournir une mesure de la fluorescence ainsi générée, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'excitation selon une pluralité de bandes de longueurs d'onde différentes et des moyens de détection aptes à détecter une lumière de fluorescence dans une pluralité de bandes de longueurs d'ondes (65, 66, 67), lesdites bandes de longueur d'ondes étant déterminées de façon à permettre de réaliser une pluralité de mesures de fluorescence ; et en ce que les moyens d'excitation et les moyens de détection sont agencés selon une géométrie déterminée pour que la direction des rayons de la lumière d'excitation (29, 39) illuminant ladite zone cible (91) d'une part et la direction des rayons lumineux de fluorescence (49) détectés par les moyens de détection d'autre part ne soient pas colinéaires entre elles ; et en ce que les moyens d'excitation incluent un jeu d'émetteurs comprenant au moins deux émetteurs lumineux (21, 24) situés de part et d'autres des moyens de détection ou répartis autour desdits moyens de détection (41, 42, 43), et illuminant la zone cible (91) dans une même bande de longueurs d'onde.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détection (40) comprennent au moins un détecteur (41, 42, 43) recevant la lumière de fluorescence (49) générée par la zone cible (91), caractérisé en ce que ledit détecteur comprend un photodétecteur au silicium (420) et au moins un filtre optique (421) pour sélectionner la bande de fluorescence d'intérêt et reçoit une lumière de fluorescence (49) générée par toute la zone cible (91).
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de sélectionner une mesure de fluorescence parmi une pluralité de mesures possibles, ladite sélection réalisant une sélection des moyens d'excitation et de détection et du mode de traitement à mettre en œuvre correspondant à la mesure de fluorescence sélectionnée.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de gestion et de traitement sont agencés pour sélectionner et réaliser automatiquement, successivement ou alternativement, une pluralité de mesures différentes de fluorescence.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'excitation comprennent une ou plusieurs sources (27) à base d'au moins une diode électroluminescentes (LED) entourée d'un réflecteur de convergence (281).
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier (10) portable autoalimenté (121) présentant une première face portant des moyens d'interface (152, 101, 102) utilisateur et une deuxième face dite de mesure dirigée vers une direction de mesure, cette face de mesure comportant d'une part sur sa périphérie une surface portant les moyens d'excitation et d'autre part en son centre une partie (400) s'étendant dans la direction de mesure, renfermant au moins une partie de l'électronique de détection et portant les moyens de détection sur sa face du côté de la direction de mesure.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au moins un émetteur d'excitation (30) comprend une pluralité de diodes LED intégrées dans un composant commun (34), ledit émetteur d'excitation (30) étant fixé sur un élément radiateur (36) dont la forme détermine la position et l'orientation dudit émetteur.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que les moyens de gestion sont agencés pour fournir au moins deux mesures différentes de fluorescence, déterminées pour être combinées et corrélées entre elles par les moyens de traitement de façon à fournir une mesure par effet écran de la teneur d'un composant chromophore non fluorescent présent dans la cible.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens de gestion et de traitement sont agencés pour :
- commander les émetteurs par impulsions,
- détecter les pics de fluorescence générée par ces impulsions grâce à des détecteurs amplifiés qui réalisent la réjection de la lumière ambiante par une boucle de contre-réaction,
- traiter le signal de fluorescence détecté et fournir la mesure de fluorescence.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens de gestion et de traitement sont agencés pour :
- commander les émetteurs selon une fréquence incluant une modulation de phase,
- traiter le signal de détection de fluorescence en démodulation de phase de façon à obtenir la réjection de la lumière ambiante et fournir la mesure de fluorescence.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend un cache ou une jupe (130) entourant sa face de mesure (14) et réalisant des moyens de guidage ou de repérage de la distance de mesure.
12. Procédé de mesure de la teneur d'au moins un composé dans un végétal utilisant un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 à une distance de moins de 20cm entre une zone cible (91) dudit végétal et les moyens de détection (40, 41, 42, 43) dudit dispositif.
13. Procédé d'évaluation de l'état d'un végétal, comprenant une mesure sur le terrain de la teneur d'au moins un composé dans au moins une partie dudit végétal, obtenue en mettant en œuvre un procédé selon la revendication 12.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il comprend une mesure à la volée d'une pluralité de végétaux, obtenue en déplaçant les moyens de guidage (130) au contact des extrémités desdits végétaux, ou d'un couvert qu'ils constituent, avec une pression suffisante desdits moyens de guidage pour faire plier la majorité desdites extrémités et ainsi obtenir une distance de mesure régulière pour la majorité desdits végétaux mesurés.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre pour évaluer la maturation ou la qualité ou la composition de fruits ou légumes par mesure de la teneur d'au moins un composé de type Anthocyane ou Flavonoïde ou Caroténoïdes dans la peau desdits fruits ou légumes.
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