RU2001113723A

RU2001113723A - Система детектирования флуоресценции для определения значимых параметров растительности

Info

Publication number: RU2001113723A
Application number: RU2001113723/28A
Authority: RU
Inventors: Вильгельм ЛЮДЕКЕР (DE); Вильгельм ЛЮДЕКЕР; Курт ГЮНТЕР (DE); Курт ГЮНТЕР; Ханс-Гюнтер ДАН (DE); Ханс-Гюнтер ДАН
Original assignee: Дойчес Центрум Фюр Люфт-Унд Раумфарт Е.Ф. (De); Дойчес Центрум Фюр Люфт-Унд Раумфарт Е.Ф.
Priority date: 1998-10-28
Filing date: 1998-10-28
Publication date: 2004-03-20
Also published as: RU2199730C2

Claims

1. Система детектирования флуоресценции для определения значимых параметров растительности, имеющая источник (1) возбуждения, представляющий собой маломощный лазер, предназначенный для генерирования возбуждающего излучения в красной области спектра, лучеобразующее оптическое устройство (2), дихроичный делитель (5) луча, базовый детектор (3) флуоресценции, включающий входное оптическое устройство (4), предназначенное для приема излучения флуоресценции, прошедшего через дихроичный делитель (5) луча, и интерференционный светофильтр (10), задерживающий сигнал упруго рассеянного в обратном направлении света, а также имеющая электронный измерительный блок (7), предназначенный для детектирования сигнала флуоресценции, и электронный блок (6) запуска и синхронизации, отличающаяся тем, что маломощный лазер, используемый в качестве источника (1) возбуждения, представляет собой импульсный лазер с высокой частотой повторения импульсов длительностью в несколько наносекунд, генерирующий возбуждающее излучение предпочтительно в красной области спектра с длиной волны предпочтительно 670 нм, дихроичный делитель (5) луча служит для направления сформированного возбуждающего луча коаксиально оптической оси (9) приемной оптики без использования световодов на растительную мишень, являющуюся исследуемым объектом, базовый детектор (3) флуоресценции служит для формирования изображения пятна возбуждающего излучения на чувствительной поверхности детектора, электронный измерительный блок (7) выполнен с возможностью работы на частоте, равной удвоенной частоте повторения импульсов лазерного источника (1) возбуждения, и дискретизации активного сигнала флуоресценции синхронно с лазерным излучением, с одной стороны, и пассивного фонового сигнала с фиксированной задержкой в микросекундном интервале перед или после активного сигнала, с другой стороны, путем регистрации этих сигналов с помощью быстродействующей схемы с дискретизацией и сохранением отсчетов, связанной с аналого-цифровым преобразователем, обеспечивающим цифровую обработку сигналов, при этом указанный электронный измерительный блок (7)имеет также средства для выделения чистого сигнала флуоресценции вычитанием фонового сигнала из активного сигнала флуоресценции электронным путем или при последующей обработке, и электронный блок (6) запуска и синхронизации служит для синхронизации лазерных импульсов с интервалами дискретизации электронного измерительного блока (7).

2. Система детектирования флуоресценции по п.1, отличающаяся тем, что лазер (1) является диодным лазером, работающим в красной области спектра.

3. Система детектирования флуоресценции по п.1 или 2, отличающаяся тем, что максимальная мощность лазера (1) превышает 0,5 Вт.

4. Система детектирования флуоресценции по п.1, отличающаяся тем, что лучеобразующее устройство (2) имеет линзу с коррекцией астигматизма, т.е. цилиндрическую линзу, и блок расширения/сжатия пучка в точечное пятно.

5. Система детектирования флуоресценции по п.1, отличающаяся тем, что детектор (3) флуоресценции является фотоэлектронным умножителем, работающим в непрерывном режиме.

6. Система детектирования флуоресценции по п.1, отличающаяся тем, что детектор (3) флуоресценции является лавинным диодом.

7. Система детектирования флуоресценции по п.1, отличающаяся тем, что детектор (3) флуоресценции является обычным фотодиодом.

8. Система детектирования флуоресценции по п.1, отличающаяся тем, что входное оптическое устройство (4) имеет в качестве входной апертуры сферическую линзу, которая служит для формирования изображения пятна возбуждающего излучения на экранированной чувствительной поверхности детектора (3) флуоресценции.

9. Система детектирования флуоресценции по п.1, отличающаяся тем, что центральная длина волны и ширина полосы пропускания интерференционного светофильтра (10) выбираются соответствующим образом в диапазоне от 680 до 740 нм, при этом качество задерживания излучения вне полосы пропускания составляет более 10^-3.

10. Система детектирования флуоресценции по п.1, отличающаяся тем, что схема дискретизации с сохранением отсчетов имеет выбранную соответствующим образом аналоговую ширину полосы пропускания в диапазоне от 40 до 200 МГц.

11. Система детектирования флуоресценции по п.1, отличающаяся тем, что базовый детектор (3) флуоресценции снабжен дополнительными детекторами (13), а на оптической оси (12) на приемной стороне установлены дополнительные дихроичные делители луча для формирования измерительных каналов детектирования характерной флуоресценции, число, центральные длины волн и ширина полос пропускания которых зависят от целей и объема исследований.

12. Система детектирования флуоресценции по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что для контроля синей и/или зеленой флуоресценции предусмотрен второй лазер, генерируемое которым излучение имеет фиксированную длину волны в диапазоне от 350 до 400 нм и энергетические и временные характеристики которого аналогичны таковым у красного лазерного источника возбуждения.

13. Система детектирования флуоресценции по п.1, отличающаяся наличием двух дополнительных детекторов, регистрирующих сигналы упруго рассеянного в обратном направлении света на длинах волн излучения лазерных источников возбуждения.

14. Система детектирования флуоресценции по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся наличием дополнительного фотодиода, установленного на оптическом пути со стороны источника возбуждения для контроля энергии лазерных импульсов.

15. Система детектирования флуоресценции по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся наличием датчика фотосинтетически активного излучения (ФАИ-датчика), размещенного выше исследуемого объекта, для контроля окружающих условий освещения.

16. Система детектирования флуоресценции по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся наличием генератора горизонтально ориентированной световой полосы, подвижной в вертикальном направлении, для определения верхнего уровня растительного покрова и тем самым высоты растений, при этом положение по вертикали детекторного узла, который может быть подвижным или неподвижным относительно световой полосы, связано с ее положением.

17. Система детектирования флуоресценции по п.15 или 16, отличающаяся тем, что в качестве приводов для перемещения световой полосы, а также детекторного узла, используются гидравлические, пневматические или механические устройства.

18. Система детектирования флуоресценции по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что она предназначена для обнаружения содержащих хлорофилл растений или их органов (для распознавания растений) и имеет для обнаружения зеленой растительности один диодный лазер, генерирующий возбуждающее излучение на длине волны 670 нм, и детекторный модуль с интерференционным светофильтром, пропускающим излучение с длиной волны в диапазоне от 680 до 740 нм при ширине полосы пропускания от 5 до 25 нм, при этом для распознавания растительности задана некоторая пороговая величина, причем контраст между растительной и нерастительной мишенями настолько велик, что распознавание осуществляется без какой-либо дальнейшей обработки сигналов.

19. Система детектирования флуоресценции по п.18, отличающаяся тем, что при наличии управляемого движения платформы-носителя по двум или трем координатам положение растения определяется относительно положения детекторной головки, а также определяется распределение растительного материала.

20. Система детектирования флуоресценции по п.18 или 19, отличающаяся тем, что областью ее применения являются следящие системы для робототехнических устройств, используемых в тепличном хозяйстве или садоводстве.

21. Система детектирования флуоресценции по п.18 или 19, отличающаяся тем, что областью ее применения являются системы обнаружения растений (сорняков) с последующим их уничтожением.

22. Система детектирования флуоресценции по п.11, отличающаяся тем, что она предназначена для определения концентраций хлорофилла и имеет два детектора с измерительными каналами детектирования излучения с длинами волн 680-690±5 нм и 720-740±5 или 10 нм, при этом деление скорректированных на фон сигналов друг на друга позволяет определить относительное изменение в содержании хлорофилла по листовой площади, а умножение полученного отношения на заданный калибровочный коэффициент позволяет получить абсолютные значения концентрации хлорофилла.

23. Система детектирования флуоресценции по п.22, отличающаяся тем, что областью ее применения являются используемые в теплицах роботы, предназначенные для регистрации уровня хлорофилла в растениях и тем самым для определения стадии роста растений или условий долговременного стресса.

24. Система детектирования флуоресценции по п.22, отличающаяся тем, что областью ее применения является определение спелости любого содержащего хлорофилл материала по потере конкретными плодами (например вишней, бананами, яблоками, орехами и т.д.) характерной для них зеленой окраски.

25. Система детектирования флуоресценции по п.22, отличающаяся тем, что областью ее применения является наблюдение за изменениями в концентрации хлорофилла в любом содержащем хлорофилл материале, что позволяет контролировать порчу свежих плодов (если в их кожуре или кожице присутствует хлорофилл) и развитие растений (например огурцов, некоторых типов яблок или листьев салата).

26. Система детектирования флуоресценции по п.22, отличающаяся тем, что она предназначена для управления направленным внесением удобрений на основании того факта, что концентрация хлорофилла в листьях зависит и тем самым коррелирует с содержанием азота и серы во всем растении и поэтому недостаток в питательных веществах, вносимых с удобрениями, проявляется в характерном снижении концентрации хлорофилла и в изменении его распределения, что сопровождается замедлением роста растения и характерным изменением в плотности стояния растений (связанной с густотой лиственного покрова), и имеет детекторную головку, которая для возможности проведения измерений на пространственных структурах установлена на подвижной механической руке (обеспечивающей перемещение по двум координатам X-Y), смонтированной на подвижной платформе (например на транспортном средстве), движением которой определяется третья координата (координата Z).

27. Система детектирования флуоресценции по п.26, отличающаяся тем, что вертикальное положение механической руки регулируется световой полосой, которая определяет фактическое положение верхнего уровня растительного покрова, при этом детекторная головка установлена в определенное положение относительно этого верхнего уровня растительного покрова или перемещается между землей и уровнем этой поверхности.

28. Система детектирования флуоресценции по п.26 или 27, отличающаяся тем, что с учетом горизонтального движения платформы-носителя (трактора) получают трехмерный профиль значимых параметров растений.

29. Система детектирования флуоресценции по п.26, отличающаяся тем, что она предназначена для различения между однодольными и двудольными растениями на основании того факта, что однодольные (ОД) и двудольные (ДД) растения различаются по характерным для них спектрам флуоресценции в диапазоне от 400 до 750 нм, что проявляется при измерении интенсивности синей флуоресценции относительно интенсивности испускаемого молекулами хлорофилла излучения в красной области спектра, и имеет дополнительный источник возбуждения, служащий для эффективного возбуждения синей флуоресценции и взаимной калибровки обоих источников возбуждения для нормирования интенсивностей флуоресценции на мощность возбуждающего импульса, а также имеет дополнительный детекторный модуль, настроенный на работу в диапазоне длин волн от 430 до 460 нм (Δλ=10-50 нм).

30. Система детектирования флуоресценции по п.29, отличающаяся тем, что дополнительным источником возбуждения является лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом с генератором третьей гармоники на длине волны излучения 355 нм.

31. Система детектирования флуоресценции по п.29 или 30, отличающаяся наличием дополнительных детекторных модулей для контроля, например, зеленой флуоресценции (500-550 нм; Δλ=10-50 нм), с целью получения более полной информации о спектральных характеристиках излучения встречающихся типах растений.

32. Система детектирования флуоресценции по п.29, отличающаяся наличием только одного измерительного канала по п.18 для оценки красной флуоресценции молекул хлорофилла.

33. Система детектирования флуоресценции по п.29, отличающаяся наличием ФАИ-датчика для контроля окружающей освещенности и тем самым для интерпретации отношения интенсивностей полос с учетом условий окружающего освещения.

34. Система детектирования флуоресценции по п.29, отличающаяся тем, что предусмотрено использование заданной пороговой величины отношения интенсивностей, позволяющей определить, относится ли сигнал к ОД- или ДД-растению.

35. Система детектирования флуоресценции по п.29, отличающаяся тем, что для программируемой последующей обработки сигналов предусмотрен классификационный алгоритм, позволяющий определить, относится ли сигнал к ОД- или ДД-растению.

36. Система детектирования флуоресценции по любому из пп.29-35, отличающаяся тем, что областью ее применения является селективная обработка гербицидами с учетом местоположения и типа сорняков.

37. Система детектирования флуоресценции по п.29, отличающаяся тем, что в ней предусмотрен второй измерительный канал для детектирования излучения флуоресценции во второй полосе красной области спектра и один детектор сигнала упруго рассеянного в обратном направлении света, и она предназначена для обнаружения заражения растений различными грибами.

38. Система детектирования флуоресценции по п.37, отличающаяся тем, что воздействие на фотосинтезирующую систему распознается по изменению интенсивности флуоресценции.

39. Система детектирования флуоресценции по п.37, отличающаяся тем, что изменения в морфологической структуре листьев, полное разрушение клеток или изменения в составе пигментов растения определяются по отношению сигналов в измерительных каналах детектирования полос излучения красной флуоресценции, а неравномерное поражение грибами (например ржавчиной) и их характерное распределение по всей поверхности листа или по растительному покрову являются дополнительными (количественными) идентификационными критериями анализа.

40. Система детектирования флуоресценции по п.37, отличающаяся тем, что изменения в составе пигментов, испускающих синюю и/или зеленую флуоресценцию, в результате заражения растения выявляются по характеристикам сигналов в измерительных каналах в этих областях спектра, при этом некоторые грибы (например мучнистая роса) сами являются источниками характерной синей и/или зеленой флуоресценции, по которой их и можно обнаружить.

41. Система детектирования флуоресценции по п.37, отличающаяся тем, что при возможном наличии на поверхности листьев дополнительного слоя тканей (например мицелия мучнистой росы) отражательная способность поверхности листьев существенно возрастает, что определяется по сигналу упруго рассеянного в обратном направлении света на длинах волн как красного, так и УФ-возбуждающего излучения.

42. Система детектирования флуоресценции по любому из пп.37-41, отличающаяся тем, что областью ее применения является направленная обработка фунгицидами с учетом местоположения и типа грибов.

43. Система детектирования флуоресценции по п.18, отличающаяся тем, что она предназначена для контроля фотосинтетической активности растительности при циклическом или периодическом проведении измерений, когда исследуемая мишень неподвижна, а наблюдаемые изменения зависят тем самым только от времени.

44. Система детектирования флуоресценции по п.22, отличающаяся тем, что она предназначена для контроля фотосинтетической активности растительности при циклическом или периодическом проведении измерений, когда положение исследуемой мишени изменяется (нормирование на относительное содержание хлорофилла).

45. Система детектирования флуоресценции по п.43 или 44, отличающаяся наличием ФАИ-датчика для определения условий окружающего освещения.

46. Система детектирования флуоресценции по п.43 или 44, отличающаяся тем, что оцифрованные значения интенсивностей флуоресценции интерпретируются при последующей обработке сигналов с учетом соответствующих условий освещенности и ее изменения во времени.

47. Система детектирования флуоресценции по любому из пп.43-46, отличающаяся тем, что областью ее применения являются научные исследования долговременных процессов, когда исследуется взаимодействие растений с изменяющимися окружающими условиями.

48. Система детектирования флуоресценции по любому из пп.43-46, отличающаяся тем, что областью ее применения являются научные исследования кинетики Каутцкого и всех соответствующих параметров, которые можно измерить только у растений, адаптированных к темноте и находящихся в фиксированном положении.

49. Система детектирования флуоресценции по п.48, отличающаяся тем, что источником актиничного света является сам источник возбуждения флуоресценции, если частота повторения его импульсов увеличена до уровня, при котором инициируются актиничные реакции.

50. Система детектирования флуоресценции по п.48, отличающаяся тем, что источником актиничного света является включаемый источник белого света, близкого по своему спектральному составу к идеальному белому свету, при этом такой источник белого света освещает растение в заданные моменты времени.

51. Система детектирования флуоресценции по любому из пп.43-46, отличающаяся тем, что областью ее применения являются научные исследования показателя Женти, который может быть определен измерением флуоресценции в установившемся состоянии, а также флуоресценции в установившемся состоянии, на которую наложен насыщающий световой импульс.

52. Система детектирования флуоресценции по п.51, отличающаяся тем, что установившаяся флуоресценция (Fs) возбуждается дистанционно диодным лазером, тогда как дополнительная лампа белого света или солнечный свет служат источниками актиничного света, а насыщающее световое излучение (Fm’) генерируется дополнительным источником света, например импульсной лампой, таким образом, чтобы благодаря детектированию пассивного фонового сигнала эта система была способна контролировать величины Fs и Fm’, а также интенсивность насыщающего светового излучения.