WO2003006960A1 - Dispositif et procede de radiometrie pour determiner in situ le contenu biochimique de feuilles, et appareil portatif integrant ce dispositif - Google Patents

Dispositif et procede de radiometrie pour determiner in situ le contenu biochimique de feuilles, et appareil portatif integrant ce dispositif Download PDF

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WO2003006960A1
WO2003006960A1 PCT/FR2002/002494 FR0202494W WO03006960A1 WO 2003006960 A1 WO2003006960 A1 WO 2003006960A1 FR 0202494 W FR0202494 W FR 0202494W WO 03006960 A1 WO03006960 A1 WO 03006960A1
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light
sheet
photodiodes
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emitted
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PCT/FR2002/002494
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Jean-Pierre Frangi
Stéphane JACQUEMOUD
Gilles De Rosny
Bernard Equer
Pere Roca I Cabarrocas
Régis VANDERHAGEN
Original Assignee
Universite Paris 7 - Denis Diderot
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Definitions

  • Radiometric device and method for determining in situ the biochemical content of leaves, and portable device incorporating this device
  • the present invention relates to a radiometry device for determining in situ the biochemical content of leaves. It also relates to a process implemented in this device as well as a portable device integrating the radiometry device according to the invention.
  • the reflected light is measured by a stack of amorphous hydrogenated silicon-germanium semiconductors, taking advantage of their photoconduction and optical filtering properties.
  • the optical properties of the sheets are calculated from their pigment contents using the PROSPECT model. Determining the pigment contents from the signals collected by the device involves solving an inverse problem.
  • the document US6020587 which corresponds to a US patent granted in NASA on 1 February 2000, discloses a device for measuring the chlorophyll wherein reflected light is collected from a target plant and separating the light and collected in two separate wavelength bands. These wavelength bands have central wavelengths of 700 nm and 840 nm. The light collected in the two channels is processed using photodetectors and amplifiers. Also known, in particular from document JP1049941 A, is a portable chlorophyll measuring device constructed by the company Minolta Co. Ltd and marketed under the designation "SPAD-505 Chlorophyll Meter" by the company Spectrum Technologies Inc.
  • a main aim of the present invention is to provide a field instrument capable of instantly and simultaneously estimating the chlorophyll concentration, the water content and that of the dry matter of the leaves, which has a higher precision than that of existing portable instruments, especially when the plant species changes, while being less costly to produce.
  • a radiometry device for determining in situ the biochemical content of sheets, comprising means for emitting light, means for capturing the light beam transmitted through the thickness of said sheet and for delivering electrical signals. representative of the absorption characteristics of said sheet at at least one predetermined wavelength.
  • the light emitted is in the form of a single beam emitted by a light source with a broad wavelength band and the sensor means comprise a stack of a plurality of photodiodes successively crossed by the transmitted beam. .
  • the light beam used in the radiometry device according to the invention is preferably broadband (400-2000 nm), that it can possibly be emitted under substantially normal incidence, for example via a bundle of optical fibers, or else emitted under substantially isotropic incidence via a diffuser.
  • the light emitted is in the form of a single beam obtained by a superposition of various sources such as light-emitting diodes.
  • Light-emitting diodes have the advantage of having a well-defined wavelength and of small width. The bandwidth of the beam obtained can therefore be determined precisely by superimposing several light-emitting diodes.
  • these light-emitting diodes are notably less expensive than white light.
  • the superposition can be achieved by arranging the light-emitting diodes conically or in a barrel for example.
  • the device according to the invention further comprises means for processing the electrical signals generated by the stacked photodiodes and delivering information representative of the biochemical characteristics of the sheet.
  • the processing means are mainly arranged to deliver information on the content of chlorophyll a and b in the leaf, but they can also be arranged to deliver information on the content of xanthophylls and / or carotenoids in the leaf, or on the anthocyanin content.
  • the sensors further comprise, downstream of the stack of photodiodes, means for detecting the water and dry matter content, for example in the form of a micro-crystalline silicon detector followed by a bandpass filter and an infrared (IR) diode InGaAs (Gallium Indium-Arsenide).
  • IR infrared
  • the processing means can advantageously include an integrated circuit arranged to execute a set of relationships obtained beforehand from an inversion algorithm of the optical properties model of the sheets, such as for example by using a neural network to invert a model of optical properties of sheets.
  • a portable device for determining characteristics of biochemical content of a sheet comprising means for pinching said sheet between a light emitting part and a light receiving part, means for processing signals from the light receiving part, means for displaying information representative of characteristics of biochemical content of said sheet, characterized in that it further comprises a radiometry device comprising means for emitting light at the surface of a sheet, means for picking up the light beam transmitted through the thickness of said sheet and for delivering electrical signals representative of absorption characteristics of said sheet at least one predetermined wavelength, light emitted being in the form of a single beam emitted by a light source with large b wavelength and the sensors comprising a stack of a plurality of photodiodes successively traversed by the transmitted beam.
  • the portable device according to the invention is generally designed to deliver signals representative of absorption characteristics of the sheet at several wavelengths, or in one or more spectral bands.
  • Several versions can be envisaged for this portable device, among which a version in which the clamp means are an integral part of the body of said device, and a version in which the clamp means are remote from the body of said device and are connected to said body. by connecting means including means for transmitting the electrical signals generated by a sensor device located in one of the clamps.
  • the connecting means can for example comprise a rod or pole, or even a flexible cable.
  • a radiometric method for determining in situ the biochemical content of leaves comprising an emission of light on the surface of a leaf , a capture of the beam light transmitted through the thickness of said sheet and a generation of electrical signals representative of absorption characteristics of said sheet at at least a predetermined wavelength.
  • This method is characterized in that a single beam is emitted from a light source with a broad wavelength band and in that the electrical signals representative of absorption characteristics are emitted from a stack of a plurality of photodiodes successively traversed by the transmitted beam.
  • the determination method according to the invention can advantageously comprise a processing of the electrical signals representative of absorption characteristics from the inversion of a model of optical properties of sheets.
  • This model of optical properties may have been previously inverted, for example by using a neural network and then implemented in an integrated circuit. This makes it possible to have a robust, reliable and precise measuring device, the operation of which is based on a single-beam optical configuration, easy to calibrate and requiring no precise geometric adjustment, and on a known and validated radiative transfer model. whose reversal, for example by neural network, is powerful.
  • FIG. 1 is a side view of a portable device according to the invention.
  • FIG. 2 is an overview of a portable device according to the invention in use on a sheet
  • FIG. 3 is a block diagram of an embodiment of a portable device according to the invention
  • FIG. 5A illustrates the preliminary steps for producing the module for processing the optical signals picked up by the portable device according to the invention
  • FIG. 5B illustrates the main steps of the method for determining the biochemical content implemented in the portable device according to the invention.
  • FIG. 6 illustrates the principle of radiometry implemented in a device according to the invention.
  • This device 1 comprises a housing 10 comprising a detection part 9 forming a clamp for receiving a sheet F to be measured and an interface part 25 comprising on its upper face a display screen 5 and a control keyboard 6.
  • the detection part 9 comprises a fixed clamp piece 24 forming an integral part of the housing 10 and a movable clamp piece 23 comprising a lever part 22 provided with a rotation axis 4 including return means and actuated to open the detection part 9 so insert a measuring sheet.
  • the movable clamp part 23 includes a lighting device 7 arranged to deliver, through the transparent inner face 21 of said movable clamp part 23, a luminous flux on the inner face 21 and directed towards the fixed clamp part 24 which includes a sensor device 3 arranged so as to be substantially opposite the lighting device 7 when the clamp 9 is closed, and the active face of which is disposed against the transparent inner face 11 of the fixed clamp part 24.
  • the lighting device 7 is for example made up of a broadband light source produced by an incandescent lamp, but it is also possible to use a natural light source, or a combination of light-emitting diodes to generate a spectrum. broadband.
  • This lighting device 7 can for example include a diffuser for provide an illumination of the leaf surface under substantially isotropic incidence.
  • a portable device 1 has, in its internal structure, an electronic measurement module 31 associated with the sensor device 3, a digital control and processing module 30 based on an integrated circuit such as a microcontroller, a keyboard for control 6, a display module 5, a data storage unit 33, a transmission module 34 (non-wired or wired), and an autonomous energy source 32 comprising a battery or a battery for powering the light source 7 and all the electronic and digital equipment of the portable device.
  • the energy source can also be external.
  • the sensor device 3 comprises photodetectors with semi-narrow bands constituted by a stack of photodiodes made of various silicon-germanium-amorphous carbon alloys, which it has been demonstrated previously that it could have sufficient spectral resolution to determine the chlorophyll content of the leaves.
  • the stack of photodiodes is further supplemented by a micro-crystalline silicon detector in a thin layer followed by a bandpass filter and a photodiode of the InGaAs type.
  • This single-beam optical configuration is easy to calibrate and does not require precise geometric adjustment, which makes it possible to produce a robust and reliable device.
  • the active thicknesses of each photodiode element are optimized and can vary between 0.1 ⁇ m and 2 ⁇ m.
  • a bi-diode the spectral selectivity of which varies as a function of the applied voltage.
  • a second light source can be installed, which can be monochromatic and which directly illuminates the detectors without crossing the sheet to provide a bias current.
  • the light transmitted through the sheet F arrives on a first layer P1 of amorphous silicon photodiode, as an example of thickness 0.3 ⁇ m, and the blue and green components of the light spectrum are preferably absorbed and converted into an electric current which is measured.
  • the light transmitted at the output of the first layer P1 and depleted in blue and green then passes through a second layer P2 of photodiode made of amorphous silicon, by way of nonlimiting example of 0.8 ⁇ m thick, in which the red component is partially absorbed and converted into an electric current which is also measured.
  • the principle of the radiometer device according to the invention is based on the dependence of the optical transmission spectrum of a sheet on its biochemical constitution.
  • the study of the optical properties of the leaves - reflectance, transmittance and absorbance - has long shown that these optical properties depend mainly on two factors: their anatomical structure and their biochemical composition.
  • the visible (400-700 nm) is characterized by a strong absorption of light by the chlorophyllian pigments which participate in photosynthesis;
  • the near infrared (700-1200 nm) is on the contrary very insensitive to the biochemical composition of the sheet but informative on its anatomical structure;
  • the medium infrared radiation (1200-2500 nm) is absorbed by water and, to a lesser extent, by dry matter which represents between 10 and 40% of the fresh weight of the sheet.
  • the signals generated by the sensor device 3 are filtered and processed and then converted into digital data within the module electronic 31. These digital data are then processed by a program stored in the microcontroller 30 and implementing relationships resulting from the inversion of the PROSPECT model of optical properties of the sheets.
  • This model is now widely used in remote sensing of terrestrial resources. It calculates the reflectance and spectral transmittance of a green leaf as a function of a structure parameter N and the concentrations of chlorophyll, water and dry matter. In inversion, these parameters can therefore be estimated, for example from the signals picked up by the photodiodes.
  • the PROSPECT model was previously inverted using, for example, a neural network, then the formulas resulting from this inversion were written into a memory area of the microcontroller, with reference to FIG. 5A.
  • the PROSPECT model can also be used to select the optimal configuration of the spectral bands (number, position and width) of the radiometry device according to the invention.
  • This optimal configuration can be selected according to technical imperatives but also by a sensitivity analysis of the model via digital experiment plans.
  • the latter commonly used in industry where the acquisition of knowledge is based on carrying out tests, are now applied in modeling in order to extract quantitative information from a limited number of simulations.
  • the method for determining the biochemical composition of a sheet comprises, with reference to FIG. 5B, a step of illuminating the sheet with broadband natural or artificial light and of receiving the beam transmitted through the thickness of the sheet, a step of acquiring the electrical signals delivered by the sensor device consisting of the stack of photodiodes traversed by the transmitted beam, a step of processing these signals by the processing module integrating the inverse model, a step of providing by this module for processing information on the chlorophyll a + b content, in water and in dry matter, and selective stages of visualization, of storage in a memory buffer within the portable device or remote transmission by wired or non-wired.
  • the microcontroller 30 was programmed to execute a set of functions representative of the inversion of the PROSPECT model and obtained from a neural network.
  • the operator holding in one of his hands the portable device 1 according to the invention approaches this one of a sheet F of which he has chosen to determine the biochemical content and pinches this sheet. It then launches a measurement sequence, for example by entering a command on the keyboard 6.
  • the signals delivered by the sensor device 3 are immediately processed to provide a set of information on the biochemical content of the sheet which can be directly used and displayed on the screen 5, for example in the form of a drop-down menu in which each item of information is successively displayed.
  • the operator can also order a storage of the biochemical content information with time stamp and location in the storage unit 33 of the portable device 1.
  • a transmission by non-wired way for example via a radio communication module 34 or via a module mobile communication, can also be provided.
  • the portable device 40a in a first version (4a) corresponding to a configuration where the operator can have direct access to the sheet to be measured, the portable device 40a has a compact structure, such as that corresponding to FIGS. 1 and 2 above, in which the clamp part 42a is integral with the processing and display part 41a.
  • the portable device 40b is provided with a rod 43b, telescopic or of fixed length, connecting the part of clamp 42b at the processing and display 41 b.
  • a portable device 40c comprising a flexible connection cable 43c for connecting the clamp part 42c to the processing and display part 41c.
  • the clamp part is offset relative to the housing including the processing and display part
  • a light guide produced for example by means of an optical fiber or a bundle of optical fibers.

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Abstract

Dispositif de radiométrie pour déterminer in situ le contenu biochimique de feuilles (F), comprenant des moyens (7) pour émettre de la lumière à la surface d'une feuille, des moyens (3) pour capter le faisceau lumineux transmis à travers l'épaisseur de la feuille et pour délivrer des signaux électriques représentatifs de caractéristiques d'absorption de ladite feuille à au moins une longueur d'onde prédéterminée. La lumière émise est sous la forme d'un faisceau unique émis par une source de lumière à large bande de longueur d'onde et les moyens capteurs comprennent un empilement d'une pluralité de photodiodes traversées successivement par le faisceau transmis. Utilisation notamment dans l'agriculture de précision et pour la recherche scientifique dans le domaine de l'environnement et des écosystèmes.

Description

« Dispositif et procédé de radiométrie pour déterminer in situ le contenu biochimique de feuilles, et appareil portatif intégrant ce dispositif»
La présente invention concerne un dispositif de radiométrie pour déterminer in situ le contenu biochimique de feuilles. Elle vise également un procédé mis en œuvre dans ce dispositif ainsi qu'un appareil portatif intégrant le dispositif de radiométrie selon l'invention.
Dans des domaines d'application aussi variés que l'agriculture de précision, l'écologie à l'échelle globale ou la télédétection des ressources végétales pour comprendre le fonctionnement des écosystèmes, il est très important de connaître la composition biochimique des feuilles : essentiellement la chlorophylle a et b, l'eau et la matière sèche. Si une simple balance de précision et une étuve permettent de déterminer les teneurs en eau et en matière sèche, l'extraction et le dosage de la chlorophylle des feuilles font appel à des techniques de chimie analytique beaucoup plus complexes et coûteuses. Par ailleurs, ces techniques, toujours destructrices, sont difficiles à mettre en œuvre lorsque le lieu d'expérimentation est éloigné du laboratoire d'analyse. En effet, une fois la feuille sectionnée, l'eau a tendance à s'évaporer rapidement et les chlorophylles tendent à se dégrader irrémédiablement. Tous ces facteurs limitent l'échantillonnage, et donc la représentativité des mesures.
On connaît notamment par l'article « Comparison of four radiative transfer models to simulate plant canopies réflectance : Direct and inverse mode » de S. Jacquemoud et al. , Remote Sens Environ. 74 :471-481 (2000), un modèle de propriétés optiques des feuilles PROSPECT qui requiert le paramètre de structure de la feuille, la quantité de chlorophylle, l'épaisseur d'eau équivalente et la quantité de matière sèche pour simuler la réflectance et la transmittance de feuilles dans le domaine optique.
L'article Ann.Chim.Fr 20 (1995) 491 de R.Vanderhaghen et al décrit un capteur optique en couche mince à sélectivité spectrale et son application à la mesure du trouble atmosphérique. Des détecteurs à sélectivité spectrale sont réalisés à partir d'empilements de diodes en silicium amorphe hydrogéné, polarisées à des tensions variables. On connaît aussi un dispositif prévu pour des mesures in situ de la chlorophylle et des caroténoïdes d'une feuille, divulgué dans Proc.Int.Coll. « photosynthesis and remote sensing », Montpellier 28-31 Août 1995, de G. de Rosny et al. Ce dispositif est basé sur des mesures de réflectance ou de transmittance optique des feuilles dans la bande de longueur d'onde 400- 1000 nm. La lumière réfléchie est mesurée par un empilement de semiconducteurs silicium-germanium hydrogénés amorphes, en tirant parti de leurs propriétés de photoconduction et de filtrage optique. Les propriétés optiques des feuilles sont calculées à partir de leurs teneurs en pigments en utilisant le modèle PROSPECT. La détermination des teneurs en pigments à partir des signaux collectés par le dispositif implique la résolution d'un problème inverse.
Le document US4395042, correspondant à un brevet américain délivré à Fuji Photo Film Co Ltd le 13 Octobre 1981 , divulgue un procédé pour mesurer la chlorophylle dans des feuilles, dans lequel la lumière traversant la feuille est divisée en une composante de lumière de longueur d'onde plus courte dont l'intensité varie avec la quantité de chlorophylle et en une composante de longueur d'onde plus élevée dont l'intensité ne change pas avec la quantité de chlorophylle. Les valeurs respectives de ces deux composantes sont mesurées simultanément et leur différence est utilisée pour déterminer la quantité de chlorophylle contenue dans la feuille. Ce document divulgue également un appareil de mesure mettant en œuvre ce procédé et pourvu de moyens de division spectroscopique pour diviser la lumière traversant la feuille. Le document US6020587, correspondant à un brevet américain délivré à la National Aeronautics and Space Administration le 1er Février 2000, divulgue un appareil de mesure de la chlorophylle dans lequel on collecte de la lumière réfléchie d'une plante cible et on sépare la lumière ainsi collectée en deux bandes de longueur d'onde distinctes. Ces bandes de longueur d'onde présentent des longueurs d'onde centrales de 700 nm et 840 nm. La lumière collectée dans les deux canaux est traitée en utilisant des photodétecteurs et des amplificateurs. On connaît aussi, notamment par le document JP1049941 A, un appareil portatif de mesure de la chlorophylle construit par la société Minolta Co. Ltd et commercialisé sous la désignation « SPAD-505 Chlorophyll Meter » par la société Spectrum Technologies Inc. Cet appareil met en œuvre une mesure de la transmittance d'une feuille pincée par un capteur, à 650 nm et 950 nm au moyen de deux diodes émettrices et d'une photodiode réceptrice. Un indice spectral est alors calculé à partir de ces deux valeurs de transmittance, permettant d'estimer la concentration en chlorophylle de la feuille au moyen d'une relation de calibrage préétablie par le constructeur. II existe dans l'état de la technique de nombreuses relations empiriques entre les propriétés optiques des feuilles et la teneur en tel ou tel constituant biochimique de ces feuilles. Toutefois, ces relations statistiques sont valables pour un nombre limité d'espèces en raison de l'influence de la structure anatomique des feuilles sur le signal réfléchi ou transmis, non seulement dans le proche infrarouge mais sur tout le spectre.
Un but principal de la présente invention est de proposer un instrument de terrain capable d'estimer instantanément et simultanément la concentration en chlorophylle, la teneur en eau et celle en matière sèche des feuilles, qui présente une précision supérieure à celle des instruments portatifs existants, notamment lorsque l'espèce végétale change, tout en étant de réalisation moins coûteuse.
Cet objectif est atteint avec un dispositif de radiométrie pour déterminer in situ le contenu biochimique de feuilles, comprenant des moyens pour émettre de la lumière, des moyens pour capter le faisceau lumineux transmis à travers l'épaisseur de ladite feuille et pour délivrer des signaux électriques représentatifs de caractéristiques d'absorption de ladite feuille à au moins une longueur d'onde prédéterminée.
Suivant l'invention, la lumière émise est sous la forme d'un faisceau unique émis par une source de lumière à large bande de longueur d'onde et les moyens capteurs comprennent un empilement d'une pluralité de photodiodes traversées successivement par le faisceau transmis.
Il est à noter que le faisceau lumineux mis en œuvre dans le dispositif de radiométrie selon l'invention est de préférence large bande (400-2000 nm), qu'il peut être éventuellement émis sous incidence sensiblement normale, par exemple par l'intermédiaire d'un faisceau de fibres optiques, ou encore émis sous incidence sensiblement isotrope par l'intermédiaire d'un diffuseur. De préférence, la lumière émise est sous la forme d'un faisceau unique obtenu par une superposition de diverses sources telles que des diodes électroluminescentes. Les diodes électroluminescentes ont l'avantage d'avoir une longueur d'onde bien définie et de faible largeur. La largeur de bande du faisceau obtenu peut donc être déterminée précisément en superposant plusieurs diodes électroluminescentes. Par ailleurs, ces diodes électroluminescentes sont notamment moins onéreuses que la lumière blanche. La superposition peut être réalisée en disposant les diodes électroluminescentes de façon conique ou en barillet par exemple.
Dans une forme de réalisation avantageuse, le dispositif selon l'invention comprend en outre des moyens pour traiter les signaux électriques générés par les photodiodes empilées et délivrer des informations représentatives des caractéristiques biochimiques de la feuille.
Les moyens de traitement sont principalement agencés pour délivrer une information sur la teneur en chlorophylle a et b de la feuille, mais ils peuvent aussi être agencés pour délivrer une information sur la teneur en xanthophylles et/ou en caroténoïdes de la feuille, ou sur la teneur en anthocyanes.
On peut avantageusement prévoir que les capteurs comprennent en outre, en aval de l'empilement de photodiodes, des moyens pour détecter la teneur en eau et en matière sèche, par exemple sous la forme d'un détecteur au silicium micro-cristallin suivi d'un filtre passe-bande et d'une diode infrarouge (IR) InGaAs (Indium-Arseniure de Gallium).
Les moyens de traitement peuvent avantageusement inclure un circuit intégré agencé pour exécuter un ensemble de relations obtenues préalablement à partir d'un algorithme d'inversion du modèle de propriétés optiques des feuilles, comme par exemple par utilisation d'un réseau de neurones pour inverser un modèle de propriétés optiques de feuilles. Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un appareil portatif pour déterminer des caractéristiques de contenu biochimique d'une feuille, comprenant des moyens pour pincer ladite feuille entre une partie d'émission lumineuse et une partie de réception lumineuse, des moyens pour traiter des signaux issus de la partie de réception lumineuse, des moyens pour visualiser des informations représentatives de caractéristiques de contenu biochimique de ladite feuille, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de radiométrie comprenant des moyens pour émettre de la lumière à la surface d'une feuille, des moyens pour capter le faisceau lumineux transmis à travers l'épaisseur de ladite feuille et pour délivrer des signaux électriques représentatifs de caractéristiques d'absorption de ladite feuille à au moins une longueur d'onde prédéterminée, la lumière émise étant sous la forme d'un faisceau unique émise par une source de lumière à large bande de longueur d'onde et les capteurs comprenant un empilement d'une pluralité de photodiodes traversées successivement par le faisceau transmis.
L'appareil portatif selon l'invention est généralement conçu pour délivrer des signaux représentatifs de caractéristiques d'absorption de la feuille à plusieurs longueurs d'onde, ou dans une ou plusieurs bandes spectrales. Plusieurs versions peuvent être envisagées pour cet appareil portatif, au nombre desquels une version dans laquelle les moyens de pince font partie intégrante du corps dudit appareil, et une version dans laquelle les moyens de pince sont à distance du corps dudit appareil et sont reliés audit corps par des moyens de liaison incluant des moyens pour transmettre les signaux électriques générés par un dispositif capteur situé dans l'une des pinces.
Pour cette seconde version d'un appareil portatif selon l'invention, les moyens de liaison peuvent par exemple comprendre une tige ou perche, ou encore un câble souple. Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de radiométrie pour déterminer in situ le contenu biochimique de feuilles, mis en œuvre dans un dispositif selon l'invention, comprenant une émission de lumière à la surface d'une feuille, une captation du faisceau lumineux transmis à travers l'épaisseur de ladite feuille et une génération de signaux électriques représentatifs de caractéristiques d'absorption de ladite feuille à au moins une longueur d'onde prédéterminée.
Ce procédé est caractérisé en ce qu'on émet un faisceau unique à partir d'une source de lumière à large bande de longueur d'onde et en ce que les signaux électriques représentatifs de caractéristiques d'absorption sont émis à partir d'un empilement d'une pluralité de photodiodes traversées successivement par le faisceau transmis.
Le procédé de détermination selon l'invention peut avantageusement comprendre un traitement des signaux électriques représentatifs de caractéristiques d'absorption à partir de l'inversion d'un modèle de propriétés optiques de feuilles. Ce modèle de propriétés optiques peut avoir été préalablement inversé, par exemple par utilisation d'un réseau de neurones puis implémenté dans un circuit intégré. On peut ainsi disposer d'un appareil de mesure robuste, fiable et précis dont le fonctionnement repose sur une configuration optique à faisceau unique, aisée à calibrer et ne nécessitant pas d'ajustement géométrique précis, et sur un modèle de transfert radiatif connu et validé dont l'inversion, par exemple par réseau de neurones, est puissante. Suivant encore un autre aspect de l'invention, on peut prévoir un appareil, portatif ou non, utilisant un empilement de diodes ou bi-diodes à base de a-Si : H ou m-cSi et de leurs alliages, éventuellement associé à un détecteur IR, associé à un modèle optique, et un système d'inversion de type calcul neuronal, permettant, par la réponse spectrale entre 350 et 1500nm, de connaître la composition de l'échantillon.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue latérale d'un appareil portatif selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue d'ensemble d'un appareil portatif selon l'invention en cours d'utilisation sur une feuille ; - la figure 3 est un schéma fonctionnel d'un exemple de réalisation d'un appareil portatif selon l'invention ;
- les figures 4a à 4c illustrent trois versions d'un appareil portatif selon l'invention ; - la figure 5A illustre les étapes préalables de réalisation du module de traitement des signaux optiques captés par l'appareil portatif selon l'invention ;
- la figure 5B illustre les étapes principales du procédé de détermination du contenu biochimique mis en œuvre dans l'appareil portatif selon l'invention ; et
- la figure 6 illustre le principe de radiométrie mis en œuvre dans un dispositif selon l'invention.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 1 et 2, un exemple non limitatif de réalisation d'un appareil portatif de détermination selon l'invention. Cet appareil 1 comprend un boîtier 10 comportant une partie de détection 9 formant pince pour recevoir une feuille F à mesurer et une partie d'interface 25 comportant sur sa face supérieure un écran de visualisation 5 et un clavier de commande 6. La partie de détection 9 comprend une pièce de pince fixe 24 faisant partie intégrante du boîtier 10 et une pièce de pince mobile 23 comportant une partie de levier 22 pourvue d'un axe de rotation 4 incluant des moyens de rappel et actionnée pour ouvrir la partie de détection 9 afin d'y insérer une feuille à mesurer. La partie de pince mobile 23 inclut un dispositif d'éclairage 7 agencé pour délivrer, à travers la face intérieure 21 transparente de ladite partie de pince mobile 23, un flux lumineux sur la face intérieure 21 et dirigé vers la partie de pince fixe 24 qui inclut un dispositif capteur 3 disposé de façon à être sensiblement en vis à vis du dispositif d'éclairage 7 lorsque que la pince 9 est fermée, et dont la face active est disposée contre la face intérieure 11 transparente de la partie de pince fixe 24. Le dispositif d'éclairage 7 est par exemple constitué d'une source de lumière à large bande produite par une lampe à incandescence, mais on peut aussi prévoir d'utiliser une source de lumière naturelle, ou une association de diodes électroluminescentes pour générer un spectre large bande. Ce dispositif d'éclairage 7 peut par exemple inclure un diffuseur pour procurer un éclairement de la surface de la feuille sous incidence sensiblement isotrope.
On peut aussi envisager un obturateur (ou modulateur) sur le trajet du faisceau optique traversant la feuille, en vue d'améliorer la sensibilité du dispositif, éventuellement associé à une autre illumination du détecteur qui ne traverserait pas la feuille.
Un appareil portatif 1 selon l'invention présente, dans sa structure interne, un module électronique de mesure 31 associé au dispositif capteur 3, un module de contrôle et de traitement numérique 30 à base de circuit intégré tel qu'un microcontrôleur, un clavier de commande 6, un module d'affichage 5, une unité de stockage de données 33, un module de transmission 34 (non filaire ou filaire), et une source d'énergie autonome 32 comportant une pile ou une batterie pour alimenter la source lumineuse 7 et l'ensemble des équipements électroniques et numériques de l'appareil portatif. La source d'énergie peut aussi être externe.
Le dispositif capteur 3 comprend des photodétecteurs à bandes semi- étroites constitués par un empilement de photodiodes en alliages divers silicium-germanium-carbone amorphe, dont il a été démontré antérieurement qu'il pouvait présenter une résolution spectrale suffisante pour déterminer le contenu en chlorophylle des feuilles. L'empilement de photodiodes est en outre complété par un détecteur au silicium micro-cristallin en couche mince suivi d'un filtre passe bande et d'une photodiode de type InGaAs. Cette configuration optique à faisceau unique est facile à calibrer et ne nécessite pas d'ajustement géométrique précis, ce qui permet de réaliser un appareil robuste et fiable. Les épaisseurs actives de chaque élément de photodiode sont optimisées et peuvent varier entre 0,1 μm et 2 μm. Il est à noter que l'on peut aussi prévoir l'emploi d'une bi-diode dont la sélectivité spectrale varie en fonction de la tension appliquée. Dans ce cas, il peut être installé une deuxième source de lumière, qui peut être monochromatique et qui illumine directement les détecteurs sans traverser la feuille pour fournir un courant de polarisation.
Pour la réalisation du dispositif capteur par empilement, on peut prévoir, comme le divulgue notamment la publication « Proc. Int. Coll. Photosynthesis and Remote Sensing » Montpellier 28-31 Août 1995, l'utilisation de photodiodes pin en couches minces en silicium amorphe -a- Si) ou en alliage silicium-germanium (a-Si:Ge). Dans un dispositif capteur 3, la lumière transmise à travers la feuille F arrive sur une première couche P1 de photodiode en silicium amorphe, à titre d'exemple d'épaisseur 0,3 μm, et les composantes bleues et vertes du spectre de lumière sont préférentiellement absorbées et converties en un courant électrique qui est mesuré. La lumière transmise en sortie de la première couche P1 et appauvrie en bleu et en vert traverse ensuite une seconde couche P2 de photodiode en silicium amorphe, à titre d'exemple non limitatif de 0,8 μm d'épaisseur, dans laquelle la composante rouge est partiellement absorbée et convertie en un courant électrique qui est également mesuré. Une troisième couche P3 de photodiode en silicium-germanium amorphe, à titre d'exemple non limitatif d'épaisseur 1 ,6 μm, suivie d'une quatrième couche P4 de photodiode également en silicium amorphe-germanium, à titre d'exemple non limitatif d'épaisseur 0,8 μm, est prévue pour absorber la composante infra-rouge du spectre.
Le principe du dispositif radiomètre selon l'invention est basé sur la dépendance du spectre de transmission optique d'une feuille avec sa constitution biochimique. L'étude des propriétés optiques des feuilles - réflectance, transmittance et absorptance - a depuis longtemps montré que ces propriétés optiques dépendaient principalement de deux facteurs : leur structure anatomique et leur composition biochimique. Les effets de ces facteurs varient en fonction du domaine de longueur d'onde: le visible (400- 700 nm) se caractérise par une forte absorption de la lumière par les pigments chlorophylliens qui participent à la photosynthèse ; le proche infrarouge (700-1200 nm) est au contraire très peu sensible à la composition biochimique de la feuille mais informatif sur sa structure anatomique ; enfin le rayonnement moyen infrarouge (1200-2500 nm) est absorbé par l'eau et, dans une moindre mesure, par la matière sèche qui représente entre 10 et 40% du poids frais de la feuille.
Les signaux générés par le dispositif capteur 3 sont filtrés et traités puis convertis sous forme de données numériques au sein du module électronique 31. Ces données numériques sont ensuite traitées par un programme stocké dans le microcontrôleur 30 et implémentant des relations issues de l'inversion du modèle PROSPECT de propriétés optiques des feuilles. Ce modèle est aujourd'hui largement utilisé en télédétection des ressources terrestres. Il calcule la réflectance et la transmittance spectrale d'une feuille verte en fonction d'un paramètre de structure N et des concentrations en chlorophylle, eau et matière sèche. En inversion, on peut donc estimer ces paramètres, par exemple à partir des signaux captés par les photodiodes. Le modèle PROSPECT a été préalablement inversé en utilisant par exemple un réseau de neurones puis les formules résultant de cette inversion ont été inscrites dans une zone de mémoire du microcontrôleur, en référence à la figure 5A.
Le modèle PROSPECT peut aussi être mis en œuvre pour sélectionner la configuration optimale des bandes spectrales (nombre, position et largeur) du dispositif de radiométrie selon l'invention. Cette configuration optimale peut être sélectionnée en fonction d'impératifs techniques mais aussi par une analyse de sensibilité du modèle via des plans d'expériences numériques. Ces derniers, couramment utilisés dans l'industrie où l'acquisition de connaissances est basée sur la réalisation d'essais, sont désormais appliqués en modélisation afin d'extraire une information quantitative à partir d'un nombre limité de simulations.
Le procédé de détermination de la composition biochimique d'une feuille comporte, en référence à la figure 5B, une étape d'illumination de la feuille par de lumière naturelle ou artificielle à large bande et de réception du faisceau transmis à travers l'épaisseur de la feuille, une étape d'acquisition des signaux électriques délivrés par le dispositif capteur constitué de l'empilement de photodiodes traversées par le faisceau transmis, une étape de traitement de ces signaux par le module de traitement intégrant le modèle inverse, une étape de fourniture par ce module de traitement des informations sur la teneur en chlorophylle a+b, en eau et en matière sèche, et des étapes sélectives de visualisation, de stockage dans une mémoire tampon au sein de l'appareil portatif ou de télétransmission par filaire ou non filaire.
On va maintenir décrire, en référence aux figures précitées, un exemple de mise en œuvre et d'utilisation d'un appareil portatif selon l'invention. Lors de la fabrication de l'appareil, le microcontrôleur 30 a été programmé pour exécuter un ensemble de fonctions représentatives de l'inversion du modèle PROSPECT et obtenues à partir d'un réseau de neurones.
En utilisation, l'opérateur tenant dans l'une de ses mains l'appareil portatif 1 selon l'invention approche celui-ci d'une feuille F dont il a choisi de déterminer le contenu biochimique et pince cette feuille. Il lance alors une séquence de mesure, en entrant par exemple une commande sur le clavier 6. Les signaux délivrés par le dispositif capteur 3 sont immédiatement traités pour fournir un ensemble d'informations sur le contenu biochimique de la feuille directement exploitables et affichables sur l'écran 5, par exemple sous la forme d'un menu déroulant dans lequel chaque information est successivement affichée. L'opérateur peut aussi commander un stockage des informations de contenu biochimique avec horodatage et localisation dans l'unité de stockage 33 de l'appareil portatif 1. Une transmission par voie non filaire, par exemple via un module de radiocommunication 34 ou via un module de communication mobile, peut aussi être prévue.
Plusieurs versions d'appareil portatif selon l'invention peuvent être proposées en fonction du contexte de mesure, comme l'illustrent à titre d'exemples non limitatifs les figures 4a, 4b et 4c. Ainsi, dans une première version (4a) correspondant à une configuration où l'opérateur peut avoir directement accès à la feuille à mesurer, l'appareil portatif 40a présente une structure compacte, telle que celle correspondant aux figures 1 et 2 précitées, dans laquelle la partie de pince 42a fait corps avec la partie de traitement et de visualisation 41a. Dans une seconde version (4b) correspondant à une situation de mesure dans laquelle l'opérateur ne peut directement approcher la feuille à mesurer, l'appareil portatif 40b est pourvue d'une tige 43b, télescopique ou de longueur fixe, reliant la partie de pince 42b à la partie de traitement et de visualisation 41 b. On peut aussi prévoir (4c) un appareil portatif 40c comportant une câble de liaison souple 43c pour relier la partie de pince 42c à la partie de traitement et de visualisation 41c.
Dans les deux versions précitées dans lesquelles la partie de pince est déportée par rapport au boîtier incluant la partie de traitement et de visualisation, on peut prévoir que la source lumineuse soit située dans le boîtier et que le flux lumineux généré par cette source soit transmis jusqu'à l'une des pinces au moyen d'un guide de lumière réalisé par exemple au moyen d'un fibre optique ou d'un faisceau de fibres optiques. 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. En particulier, on peut prévoir, pour un appareil portatif selon l'invention, bien d'autres agencements que ceux représentés sur les figures de la description.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de radiométrie pour déterminer in situ le contenu biochimique de feuilles (F), comprenant des moyens (7) pour émettre de la lumière à la surface d'une feuille, des moyens (3) pour capter le faisceau lumineux transmis à travers l'épaisseur de ladite feuille et pour délivrer des signaux électriques représentatifs de caractéristiques d'absorption de ladite feuille à au moins une longueur d'onde prédéterminée, caractérisé en ce que la lumière émise est sous la forme d'un faisceau unique obtenu par une superposition de diverses sources telles que des diodes électroluminescentes, et en ce que les moyens capteurs comprennent un empilement d'une pluralité de photodiodes (P1-P4) traversées successivement par le faisceau transmis.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (30) pour traiter les signaux électriques générés par les photodiodes empilées et délivrer des informations représentatives de caractéristiques biochimiques de la feuille.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de traitement sont agencés pour délivrer une information sur la teneur en chlorophylle a et b de la feuille.
4. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens de traitement sont agencés pour délivrer une information sur la teneur en hexanthophylles et/ou en caroténoïdes de la feuille.
5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens de traitement sont agencés pour délivrer une information sur la teneur en anthocyanes de la feuille.
6. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les moyens capteurs comprennent en outre, en aval de l'empilement de l'empilement de photodiodes, des moyens pour détecter la teneur en eau et en matière sèche.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de détection de la teneur en eau et en matière sèche comprennent un détecteur au silicium micro-cristallin suivi d'un filtre passe-bande et d'une photodiode IR telle que InGaAs (Indium-Arseniure de Gallium).
8. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que les moyens de traitement comprennent un circuit intégré agencé pour exécuter un ensemble de relations pour inverser un modèle de propriétés optiques de feuilles.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'émission de lumière comprennent un obturateur de la lumière émise.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'émission de lumière comprennent un modulateur sur le trajet de la lumière émise.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour éclairer directement ou indirectement l'empilement de photodiodes par une autre source lumineuse.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les photodiodes sont à base de silicium amorphe ou microcristallin hydrogéné et de leurs alliages Germanium ou Carbone.
13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les photodiodes comprennent des diodes simples.
14. Dispositif selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que les photodiodes comprennent des bi-diodes.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'émission lumineuse sont agencés pour émettre un faisceau lumineux sous incidence sensiblement normale à la surface de la feuille.
16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que les moyens d'émission lumineuse comprennent un faisceau de fibres optiques pour conduire le faisceau lumineux sous incidence sensiblement normale à la surface de la feuille.
17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les moyens d'émission lumineuse sont agencés pour émettre un faisceau lumineux sous incidence sensiblement isotrope à la surface de la feuille.
18. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que les moyens d'émission lumineuse comprennent un diffuseur pour produire un faisceau lumineux sous incidence sensiblement isotrope à la surface de la feuille.
19. Appareil portatif (1 ) pour déterminer des caractéristiques de contenu biochimique d'une feuille (F), comprenant des moyens (23, 24) pour pincer la dite feuille (F) entre une partie d'émission lumineuse (9) et une partie de réception lumineuse (3), des moyens (30) pour traiter des signaux issus de la partie de réception lumineuse, des moyens (5) pour visualiser des informations représentatives de caractéristiques de contenu biochimique de ladite feuille (F), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de radiométrie comprenant des moyens (7) pour émettre de la lumière à la surface d'une feuille, des moyens (3) pour capter le faisceau lumineux transmis à travers l'épaisseur de ladite feuille (F) et pour délivrer des signaux électriques représentatifs de caractéristiques d'absorption de ladite feuille à au moins une longueur d'onde prédéterminée, la lumière émise étant sous la forme d'un faisceau unique émis par une source de lumière à large bande de longueur d'onde et les moyens capteurs (3) comprenant un empilement d'une pluralité de photodiodes (P1-P4) traversées successivement par le faisceau transmis.
20. Appareil selon la revendication 19, dans lequel le faisceau unique de lumière est obtenu par une superposition de diverses sources telles que des diodes électroluminescentes.
21. Appareil portatif (1 ) selon l'une des revendications 19 ou 20, caractérisé en ce que les moyens de pince font partie intégrante du corps dudit appareil.
22. Appareil portatif (40b, 40c) selon l'une des revendications 19 à 21 , caractérisé en ce que les moyens de pince (42b, 42c) sont à distance du corps (41b, 41c) dudit appareil et sont reliés audit corps par des moyens de liaison (43b, 43c) incluant des moyens pour transmettre les signaux électriques générés par un dispositif capteur situé dans l'une des pinces.
23. Appareil portatif (40b) selon la revendication 22, caractérisé en ce que les moyens de liaison comprennent une tige ou perche (43b).
24. Appareil portatif (40c) selon la revendication 22, caractérisé en ce que les moyens de liaison comprennent un câble souple (43c).
25. Appareil utilisant un empilement de diodes ou bi-diodes à base de a-Si : H ou m-cSi et de leurs alliages, et un système d'inversion de type calcul neuronal, permettant, par une réponse spectrale entre 350 et 1500nm, de connaître la composition d'un échantillon.
26. Appareil selon la revendication 25, caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur IR associé à un modèle optique,
27. Procédé de radiométrie pour déterminer in situ le contenu biochimique de feuilles, mis en œuvre dans un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, comprenant une émission de lumière à la surface d'une feuille, une captation du faisceau lumineux transmis à travers l'épaisseur de ladite feuille et une génération de signaux électriques représentatifs de caractéristiques d'absorption de ladite feuille à au moins une longueur d'onde prédéterminée, caractérisé en ce qu'on émet un faisceau unique à partir d'une source de lumière à large bande de longueur d'onde et en ce que les signaux électriques représentatifs de caractéristiques d'absorption sont émis à partir d'un empilement d'une pluralité de photodiodes traversées successivement par le faisceau transmis.
28. Procédé selon la revendication 27, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un traitement des signaux électriques représentatifs de caractéristiques d'absorption à partir de l'inversion d'un modèle de propriétés optiques de feuilles.
29. Procédé selon la revendication 28, caractérisé en ce que le modèle de propriétés optiques a été préalablement inversé par utilisation d'un réseau de neurones puis implémenté dans un circuit intégré.
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