система детектирования флуоресценции для определения значимых параметров растительности
Классы МПК: | G01N21/64 флуоресценция; фосфоресценция |
Автор(ы): | ЛЮДЕКЕР Вильгельм (DE), ГЮНТЕР Курт (DE), ДАН Ханс-Гюнтер (DE) |
Патентообладатель(и): | ДОЙЧЕС ЦЕНТРУМ ФЮР ЛЮФТ-УНД РАУМФАРТ Е.Ф. (DE) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1998-10-28 публикация патента:
27.02.2003 |
Изобретение относится к оптике. Описана система для определения значимых параметров растительности, в базовую конфигурацию которой входят лазерный источник возбуждения с высокой частотой повторения импульсов, который стимулирует флуоресценцию молекул хлорофилла, детектор флуоресценции, включающий оптические системы формирования изображения и разделения измерительных каналов, электронный блок запуска и формирования задержки для соответствующей синхронизации лазера и детектора и электронный измерительный блок для детектирования сигнала флуоресценции, который представляет собой модуль регистрации и обработки сигнала. Технический результат - снижение влияния фонового сигнала на результаты определения. 51 з.п. ф-лы, 6 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6
Формула изобретения
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 упругорассеянного 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 упругорассеянного 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





Описание изобретения к патенту
Настоящее изобретение относится к системе детектирования флуоресценции для определения значимых параметров растительности, имеющей источник возбуждения, представляющий собой маломощный лазер, предназначенный для генерирования возбуждающего излучения в красной области спектра, лучеобразующее оптическое устройство, дихроичный делитель луча, базовый детектор флуоресценции, включающий входное оптическое устройство, предназначенное для приема излучения флуоресценции, прошедшего через дихроичный делитель луча, и интерференционный светофильтр, задерживающий сигнал упругорассеянного в обратном направлении света, а также имеющей электронный измерительный блок, предназначенный для детектирования сигнала флуоресценции, и электронный блок запуска и синхронизации. Сначала рассмотрено явление флуоресценции молекул хлорофилла. Поглощенное растениями из спектра солнечного излучения (380 <

где ki означают вероятность преобразования энергии во флуоресценцию, тепло и продукты фотосинтеза соответственно,

M(t) означает фосфорилирование мембраны,
Iпогл.солн означает спектральную плотность потока поглощенного солнечного излучения. Как следует из приведенного выше уравнения, характеристика зависящей от времени флуоресценции молекул хлорофилла позволяет судить об относительном изменении фотосинтетической активности, если предположить, что



Полный сигнал, который обычно детектируется, состоит из суммы всех сигналов флуоресценции и сигнала ОС(


где




с означает концентрацию хлорофилла,


d означает толщину листа,
А представляет собой константу, которая также содержит коэффициенты









- идентификация одно- и двудольных растений (синяя-зеленая-красная),
- синтез защищающих от УФ-излучения пигментов (УФ-стресс) (синяя-красная)
- заражение ложной мучнистой росой, ржавчиной и иными болезнями (грибами) (синяя-зеленая-красная),
- обнаружение некроза листа в иглах сосны (синяя-зеленая). Когда поверхность листа покрыта другим органическим материалом, например в случае заражения грибами, спектр флуоресценции инфицированного листа изменяется двумя различными путями:
- собственная флуоресценция грибов селективно усиливает (или изменяет) СЗ-флуоресценцию,
- грибы на поверхности снижают интенсивность красной флуоресценции, поглощая возбуждающий свет и тем самым уменьшая глубину его проникновения. Аналогичный эффект наблюдается в том случае, если возбуждающий свет диффузно отражается дополнительным слоем ткани на поверхности растения. Последний эффект известен также в случае образования внутри вакуолей эпидермальных клеток защищающих от УФ-излучения пигментов, которые препятствуют проникновению возбуждающего УФ-излучения в более глубокие клеточные слои и в результате селективно подавляют флуоресценцию молекул хлорофилла. Обычно эти пигменты (например, антоцианин) являются веществами, которые только поглощают излучение и не влияют поэтому на полный сигнал флуоресценции. Для успешного сбора данных необходимо выполнение следующих предварительных условий. В первую очередь следует учитывать, измеряется ли актиничный или неактиничный свет. В зависимости от целей исследования может возникнуть необходимость исключить влияние источника возбуждающего света на фотосистему. Во всех случаях, когда интенсивность флуоресценции имеет существенное значение при измерениях, возбуждение не должно влиять на состояние растения. Это состояние должно зависеть только от окружающих параметров, таких как инсоляция, жизнеспособность или состояние здоровья растения. Возможность заранее исключить влияние возбуждения позволяет измерять освещенность и в результате оценивать соответственно жизнеспособность или состояние здоровья растения. Сказанное практически не относится к измерению относительной концентрации хлорофилла, поскольку обе полосы излучения флуоресценции одинаково зависят от этой концентрации, однако уже при сравнении красной флуоресценции с синей флуоресценцией различие в происхождении полос излучения указывает на необходимость контролировать интенсивность излучения в максимально возможной степени. С другой стороны, невозмущенная (возбуждающим светом) фотосистема позволяет получить характеризующую растения информацию за счет контроля параметров окружающей среды. Изменение, например, приходящей световой энергии или состояния здоровья растения позволяют установить правила проведения измерений, чтобы интерпретация флуктуаций интенсивности флуоресценции стала возможной. Подобный подход широко используется в уже упоминавшейся выше АИМ-флуорометрии или при ежедневных измерениях с помощью лидарных систем для проведения измерений в поле в дальней зоне (в зоне Фраунгофера). Помимо этого необходимо учитывать отношение сигнал-фон. Отношение сигнал-фон для активно возбужденной флуоресценции определяется как сумма количества фотонов, пассивно отраженных листовыми тканями (ОС), фотонов возбужденной солнечным светом флуоресценции (Fсолн) и фотонов излученной флуоресценции (стимулированной возбуждающим измерительным светом (Fдоп)), деленная на сумму количества фотонов, пассивно отраженных тканями листа (ОС), и фотонов возбужденной солнечным светом флуоресценции (Fсолн). С целью определить вклад каждого из этих сигналов, т.е. полезного сигнала и фонового излучения, в полный детектируемый сигнал необходимо определять каждый из них. В технике лидарных систем для проведения измерений в поле в дальней зоне интенсивность возбуждающего импульса настолько высока, что интенсивность пассивного фона пренебрежимо мала в сравнении с возбужденной флуоресценцией. Однако основные недостатки этого метода заключаются в высокой стоимости соответствующей системы возбуждения (лазера), в исключительно высоких затратах на обеспечение работы лазера (энергопитание, ограничения по безопасности для зрения, использование высокоточной оптики) и в неопределенности условий освещенности в месте расположения растения при проведении измерений. Кроме того, необходимо учитывать также отношение сигнал-шум. В моноимпульсном режиме работы отношением сигнал-шум определяется, способна ли система детектирования измерять сигнал флуоресценции от каждого возбуждающего импульса. Основными источниками шума, определяющими отношение сигнал-шум, являются следующие:
- чувствительность детектора фотонов,
- мощность фонового сигнала (St1),
- мощность сигнала активной флуоресценции (Fлазер),
- расстояние, на котором проводится измерение,
- входная апертура системы детектирования. Первый источник определяется характеристиками детектора, тогда как остальные три зависят от так называемого "дробового шума". Фотоэлектронные умножители (ФЭУ), прежде всего при работе в непрерывном режиме, являются детекторами с исключительно низким уровнем шумов, который значительно ниже уровня фотонного (дробового) шума даже при высоком коэффициенте усиления. Оптическая система сравнительно больших размеров для того чтобы она была способна собирать фотоны флуоресценции в количестве, достаточном для исключения вносимых дробовым шумом искажений сигнала, позволяет работать в моноимпульсном режиме. Сказанное является обязательным условием во всех случаях, когда положение исследуемого объекта (мишени) быстро изменяется. Если мишень неподвижна относительно системы детектирования, то можно использовать, например, метод вхождения в синхронизм с целью отделить зашумленный сигнал флуоресценции от шумов, вносимых любым иным источником, независимо от того, является ли они дробовыми шумами или шумами детектора. В этом случае можно снизить требования к оптической системе (уменьшение апертуры) или заменить фотоэлектронный умножитель на более дешевый лавинный или обычный фотодиод. В патенте US 5426306 описан флуориметр с высокой частотой повторения импульсов, предназначенный для измерений in vivo флуоресценции фитопланктона или высших растений с использованием серий повторяющихся с высокой частотой возбуждающих вспышек. Подобная система возбуждает изменяющуюся во времени флуоресценцию, что позволяет определять параметры фотосинтеза, такие как сама изменяющаяся во времени флуоресценция, эффективное сечение поглощения, скорость потока электронов и повторяемость процессов фотосинтеза. Описанное в указанном патенте устройство используется для измерения флуоресценции образцов как функции от серии возбуждающих вспышек. В WO 91/10352 описан способ автоматического обнаружения растений путем измерения интенсивности флуоресценции молекул хлорофилла. Согласно этому способу флуоресценция возбуждается источником света с длиной волны менее 550 нм. Излучение флуоресценции детектируется камерой, оснащенной широкополосным режекторным фильтром (пропускающим излучение с длинами волн более 600 нм и задерживающим излучение с длинами волн менее 600 нм). При этом активное подавление фонового излучения не используется. Поэтому рекомендуется применять достаточно сильный источник света для получения информативного изображения, при этом излучение от источника света, непосредственно отраженное от растения или субстрата, не попадает в камеру. В основу настоящего изобретения была положена задача разработать более дешевую высокоэффективную систему детектирования флуоресценции, которая позволяла бы снизить необходимую мощность возбуждения за счет использования лазера малой мощности, которой, однако, достаточно для стимулирования эмиссии в измеримых количествах, и которая позволяла бы снизить влияние фонового сигнала на результаты измерений. Еще одной задачей настоящего изобретения являлась разработка нового технического подхода к измерению хорошо известных физиологических параметров растений при некоторых условиях с наиболее высокой точностью определения соответствующих условий измерения и окружающих условий. Согласно настоящему изобретению предлагаемая в нем система детектирования флуоресценции для определения значимых параметров растительности отличается тем, что маломощный лазер, используемый в качестве источника 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 луча служит для направления сформированного возбуждающего луча коаксиально оптической оси приемной оптики без использования световодов на растительную мишень, являющуюся исследуемым объектом, базовый детектор флуоресценции служит для формирования изображения пятна возбуждающего излучения на чувствительной поверхности детектора, электронный измерительный блок выполнен с возможностью работы на частоте, равной удвоенной частоте повторения импульсов лазерного источника 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 имеет также средства для выделения чистого сигнала флуоресценции вычитанием фонового сигнала из активного сигнала флуоресценции электронным путем или при последующей обработке, и электронный блок запуска и синхронизации служит для синхронизации лазерных импульсы с интервалами дискретизации электронного измерительного блока. Таким образом, эта система позволяет точно измерять фоновый сигнал. Представляющий интерес сигнал флуоресценции лазер рассчитывается путем вычитания пассивного сигнала из полного сигнала:
Fлазер=St2-St1,
где S означает величину сигнала в моменты времени t1 и t2 (нижние индексы):
St1 = IR+F

St2 = IR+F


В момент t1 активное возбуждение равно нулю, а в момент t2 активный сигнал флуоресценции добавляется к пассивному сигналу. С целью снизить необходимую мощность возбуждающего излучения размеры измерительного пятна, а тем самым и пятна возбуждающего излучения можно уменьшать до тех пор, пока доля фонового сигнала в полном сигнале не снизится до уровня активного сигнала флуоресценции. Эти и другие отличительные особенности и преимущества изобретения более подробно рассмотрены ниже на примере некоторых вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи. На прилагаемых к описанию чертежах показано:
на фиг. 1 - рассмотренная выше диаграмма кинетики Каутцкого,
на фиг. 2 - рассмотренный выше типичный спектр флуоресценции,
на фиг. 3 - рассмотренная выше диаграмма, отражающая форму кривой удельного поглощения (


на фиг. 4 - схематичное изображение базовой конфигурации одноканальной системы по изобретению для определения интенсивностей флуоресценции,
на фиг. 5 - временная диаграмма, иллюстрирующая работу предлагаемой системы при оперативной коррекции на фоновый сигнал (с изображением запускающего сигнала диодного лазера и запускающего сигнала электронного измерительного блока при измерении активных и пассивных сигналов),
на фиг. 6а и 6б - изображения, на которых соответственно в виде сбоку и спереди показано расположение элементов оптической части детекторного модуля, предназначенной для регистрации дополнительных спектральных характеристик флуоресценции и сигналов упругорассеянного в обратном направлении света. На фиг. 4 показана система в базовой конфигурации, предназначенная для детектирования интенсивности флуоресценции молекул хлорофилла и состоящая из пяти аппаратных компонентов, которыми являются лазерный источник 1 возбуждения, в качестве которого используется диодный лазер, генерирующий излучение с длиной волны 670 нм и оснащенный лучеобразующей оптикой 2, детектор 3 флуоресценции с приемной оптикой 4, формирующей изображение, и с оптическим устройством 5 разделения каналов, электронный блок 6 запуска и формирования задержки для синхронизации лазера и детектора, электронный измерительный блок 7, представляющий собой модуль регистрации и обработки сигнала, и блок 8 электропитания. Источником 1 возбуждения служит маломощный лазер (максимальная мощность >0,5 Вт) с высокой частотой повторения (1-50 кГц) импульсов длительностью несколько десятков наносекунд (10-50 нс). Для эффективной стимуляции флуоресценции молекул хлорофилла предпочтительно использовать возбуждающее излучение с длиной волны 670 нм. С излучением этой длины волны в 670 нм совпадает полоса сильного поглощения молекулами хлорофилла излучения в красной области спектра, благодаря чему и обеспечивает высокоэффективное возбуждение. Лазерный луч формируется с помощью лучеобразующей оптики 2, состоящей из линзы с коррекцией астигматизма (цилиндрической линзы) и блока расширения/сжатия пучка в точечное пятно. После излучения луч поступает коаксиально оптической оси 9 в приемную оптику 4 детектора, проходя через дихроичный делитель луча (дихроичное зеркало), образующий оптическое устройство 5 разделения каналов. В качестве детектора 3 можно использовать фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), работающий в непрерывном режиме, когда с помощью описанной системы измерения проводятся в моноимпульсном режиме на быстро изменяющих свое положение исследуемых объектах (мишенях). В качестве детектора можно использовать и лавинный или обычный фотодиод, если мишень неподвижна, при этом для регистрации сигнала допустимо использование метода вхождения в синхронизм. Входную апертуру образует сферическая линза, которая формирует изображение точечного возбуждающего источника света (пятна возбуждающего излучения) на экранированной (в частности, полевой диафрагмой) чувствительной поверхности детектора. Сигнал упругорассеянного в обратном направлении света задерживается интерференционным (ИФ) светофильтром 10. Центральная длина волны пропускания ИФ-светофильтра 10 выбирается в соответствии с длинами волн представляющего интерес излучения в диапазоне 680-740 нм. Ширина полосы пропускания не имеет существенного значения, при этом рекомендуемая ширина полосы пропускания составляет 10 или 15 нм. Качество задерживания излучения вне полосы пропускания должно быть очень высоким (>103), поскольку длины волны возбуждающего и детектируемого излучений располагаются очень близко друг к другу. Вероятность искажения сигнала не полностью задержанными фильтром возбуждающими фотонами высока, поскольку интенсивность сигнала рассеянного в обратном направлении света на несколько порядков превышает интенсивность сигнала флуоресценции. Электронный блок 6 запуска и синхронизации должен управлять включением лазера и синхронизовать лазерный импульс с интервалом дискретизации в электронном измерительном блоке 7. Для применения в сельском хозяйстве, садоводстве и тепличном хозяйстве задержку на прохождение импульса можно отрегулировать на постоянное значение благодаря неизменной геометрии расположения всех элементов измерительной системы. Изменениями во времени распространения сигнала из-за различий в расстояниях между детектором 3 и мишенью можно пренебречь, поскольку ожидаемое изменение расстояния в пределах порядка





- величина энергии импульса диодного лазера (S),
- поверхностная плотность потока (солнечного) излучения в месте расположения датчика (Е),
- верхний уровень растительного покрова (Р),
- высота растительного покрова (Р). Энергию в лазерном импульсе необходимо измерять в том случае, если стабильность от импульса к импульсу (СИИ) или долговременная стабильность источника возбуждающего излучения невысоки. СИИ у красного диодного лазера, используемого для возбуждения флуоресценции молекул хлорофилла, составляет около 3%. Следовательно, такой стабильности вполне достаточно для получения достоверных результатов, и поэтому устанавливать регистратор энергии не требуется. В тех же случаях, когда необходимо контролировать энергию импульса, на оптическом пути со стороны источника возбуждения устанавливают дополнительный фотодиод, который детектирует любое рассеянное световое излучение (обычно этого вполне достаточно для отслеживания флуктуации энергии). Выходной сигнал фотодиода подается также в электронный модуль, где осуществляется коррекция с поправкой на энергию сигналов флуоресценции и рассеянного в обратном направлении света. Поверхностная плотность потока (солнечного) излучения (ФАИ) в месте расположения системы имеет непосредственное отношение к интерпретации интенсивности флуоресценции молекул хлорофилла. Поэтому в незатемненном месте следует установить еще один ФАИ-датчик, расположив его выше растительного покрова. ФАИ-сигнал датчика флуоресценции (установленного внутри растительного покрова), регистрируемый электронными схемами детектирования (в конкретных диапазонах длин волн и без возбуждения, т.е. фоновый сигнал), служит в качестве дополнительного источника информации при последующей обработке сигнала или используется в алгоритмах, которые применяются в работе микроконтроллера. Для правильной интерпретации данных о флуоресценции растений часто необходимо знать, где проводились измерения (расположение датчика над растительным покровом или внутри него). Поэтому, если система детектирования флуоресценции используется в сельском хозяйстве (например установлена на транспортном средстве), то она должна быть определенным образом сориентирована относительно верхнего уровня растительного покрова. Положение верхнего уровня растительного покрова непрерывно контролируется с помощью перемещаемой в вертикальном направлении световой полосы, ориентированной горизонтально относительно поверхности растительного покрова. Положение световой полосы, а тем самым и положение детектора флуоресценции изменяются за счет их перемещения в вертикальном направлении в соответствии с коэффициентом заполнения (импульсной последовательности). Коэффициентом заполнения, который равен количеству переходов от затененных или затемненных участков к освещенным участкам и наоборот за интервал времени, соответствующий длительности сигнала световой полосы, определяется направление перемещения световой полосы вниз или вверх. При настройке коэффициента заполнения необходимо учитывать скорость движения транспортного средства. Если коэффициент заполнения меньше некоторого заданного числа (в предположении, что при расположении датчика над растительным покровом переход от затененного или затемненного участка к освещенному участку и наоборот не происходит), то датчик медленно перемещают вниз до тех пор, пока коэффициент заполнения не превысит максимального значения. В качестве приводов для вертикального перемещения узла, состоящего из генератора световой полосы и датчика, можно использовать гидравлические, пневматические или механические устройства. Измеряя с помощью описанной выше аппаратуры относительное расположение верхнего уровня растительного покрова, можно определить его абсолютную высоту, если известно расстояние от датчика до земли. Ниже рассмотрено устройство, предназначенное для обнаружения содержащих хлорофилл растений или растительных органов и роботизированной идентификации растений. Устройство для обнаружения зеленой растительности (характеризующейся наличием хлорофилла) можно реализовать с использованием одного источника возбуждения, предпочтительно диодный лазер, генерирующий излучение с длиной волны 670 нм, и один детектор (ФЭУ или диод) с интерференционным светофильтром, пропускающим излучение с длиной волны в диапазоне от 680 до 740 нм и имеющим спектральную ширину полосы пропускания от 5 до 25 нм. При использовании описанной выше электроники, предназначенной для оперативного детектирования и оперативной автоматической коррекции с поправкой на фоновые сигналы, датчик может работать при полном солнечном свете. Задав приемлемую пороговую величину сигнала, растительность можно идентифицировать без дальнейшей обработки этого сигнала. В этом диапазоне длин волн (в естественных условиях) сигнал флуоресценции формируется практически только молекулами хлорофилла. При этом контраст между растительными и нерастительными мишенями чрезвычайно велик. При этом нет необходимости контролировать энергию возбуждающего излучения и условия освещенности в месте произрастания растения. Место произрастания растения определяется положением и ориентацией детекторной головки, которые известны заранее. Подобную систему детектирования можно использовать в следующих целях:
- в качестве следящих систем для робототехнических устройств, используемых в тепличном хозяйстве или в садоводстве,
- в качестве систем обнаружения растений (сорняков) с последующим их уничтожением; такая сенсорная система представляет интерес с точки зрения быстрой и непрерывной идентификации сорной растительности, произрастающей на железнодорожном полотне, и для оперативной очистки железнодорожного полотна от подобной растительности путем обработки специальными химикатами, горячей водой и т.п. Применение в первом из рассмотренных случаев представляет интерес в сочетании с любым датчиком расстояния или системами трехмерного мониторинга местности, поскольку при этом становится возможным определить, является ли мишень зеленой растительностью (растением) или нет. Преимущество этого метода обнаружения растений подтверждается тем фактом, что в нем не требуется применение систем распознавания образов или спектрального анализа. Ниже рассмотрено устройство для определения концентраций хлорофилла. В первой модификации описанной выше системы создается возможность определять относительные изменения (хронологическое или локальное распределение) концентрации хлорофилла по листовой площади. Для реализации этого к базовой конфигурации системы добавляется второй измерительный канал, как это описано выше. Для детектирования используются спектральные полосы в диапазоне 680-690



Следует отметить, что используемые для калибровки значения зависят от адаптации растений к свету. Если уровень окружающей освещенности изменяется таким образом, что растения переходят из адаптированного к свету к адаптированному к темноте фотосинтетическому состоянию и наоборот, то используемые для калибровки значения могут оказаться ошибочными. Система в подобной конфигурации может найти применение, например, для роботов, используемых в теплицах, когда для определения стадии роста (развития) или условий долговременного стресса растений с ее помощью регистрируется уровень хлорофилла. Такой же подход применим также в отношении любого содержащего хлорофилл материала, например в отношении содержащих хлорофилл эпидермальных слоев кожицы плодов в процессе их развития. Так, в частности, можно определять спелость плодов, когда последние теряют их типичный зеленый цвет (например, вишни, бананы, яблоки, орехи и т.д.). Контроль концентрации хлорофилла по флуоресценции позволяет также следить за порчей свежих плодов (если в их кожуре или кожице присутствует хлорофилл) и за развитием растений, если их старение (например, время хранения) сопровождается хлорозом (распадом хлорофилла на химические фрагменты). В качестве примера можно назвать огурцы, некоторые типы яблок или листья салата. Ниже описано устройство, позволяющее управлять направленным внесением удобрений. Известно, что концентрация хлорофилла в листьях зависит и тем самым коррелирует с концентрацией азота и серы во всем растении. Недостаток в питательных веществах, вносимых с удобрениями, проявляется в характерном снижении концентрации хлорофилла (за исключением азотных удобрений, вносимых в дозе, превышающей уровень насыщения). У пшеницы подобное воздействие удобрений является специфичным в отношении тех или иных питательных веществ, которые преимущественно локализуются либо в верхних (азот), либо в нижних (сера) слоях листьев растительного покрова. При внесении удобрений в различных дозах наблюдается также два других эффекта. Во-первых, ускоряется рост растений (увеличиваются размеры растения), а во-вторых, у растений проявляются некоторые характерные изменения в образовании биомассы и в плотности стояния растений (связанной с густотой лиственного покрова). Для контроля всех этих параметров можно использовать предусматривающий подход, который также основан на использовании описанного выше двухканального флуорометрического датчика с диодным лазером. При этом детекторную головку устанавливают на подвижной механической руке, которая монтируется на перемещающейся платформе (например, на транспортном средстве). Вертикальное положение руки регулируется описанной выше световой полосой, которая определяет фактическое положение "поверхности" всего растительного покрова. В результате можно легко определить абсолютную высоту растительного покрова, если известна начальная высота расположения детектора относительно земли. Детекторная головка устанавливается в определенное положение относительно уровня этой поверхности или периодически перемещается в каком-либо направлении в пределах расстояния между землей и уровнем этой поверхности. Такое периодическое движение может представлять собой вертикальное возвратно-поступательное перемещение или вращение на крутящемся диске. С учетом горизонтального движения платформы-носителя (трактора) можно получать двух- или при вращении трехмерный профиль, отражающий наличие или отсутствие растительности (регистрация сигнала флуоресценции по принципу ДА/НЕТ, т.е. по принципу наличие/отсутствие сигнала флуоресценции), а также получать данные о концентрации хлорофилла (соотношение сигналов двух измерительных каналов детектирования флуоресценции). Предварительно определенные для каждого процесса измерения данные о положении, данные о высоте растительного покрова и параметры листьев в совокупности позволяют рассчитать все рассмотренные выше показатели растительного покрова, а именно его высоту и густоту и концентрацию хлорофилла, а также распределение этих показателей по двум или трем координатам в пределах вертикального анализируемого слоя, соответственно в пределах измерительного объема. Ниже описано устройство, позволяющее отличать однодольные растения от двудольных с целью регулируемого внесения гербицидов для селективной борьбы с сорняками. В тех случаях, когда сорняки являются единственными растениями на какой-либо отведенной под сельскохозяйственные культуры площади или на садовом участке (например, при появлении сорняков еще до начала роста культурных растений), для надлежащей обработки достаточно знать точное местоположение растений. В этих целях достаточно использовать систему в базовой конфигурации, дополненной сканером. Если оба вида растений произрастают одновременно на одном и том же участке (конкурируя друг с другом), то сорняки необходимо отличать от культурных растений. Во многих случаях эти типы растений подразделяются на однодольные (ОД) и двудольные (ДД) растения, что позволяет применять селективные гербициды. При исследовании спектров флуоресценции в диапазоне длин волн от 400 до 750 нм было установлено, что ДД-растения обычно характеризуются значительно менее интенсивной синей флуоресценцией по сравнению с ОД-растениями. Подобное свойство и используется для различения растений этих двух типов. Для эффективного возбуждения синей флуоресценции в систему необходимо добавить дополнительный источник возбуждения. Было установлено, что идеальным источником является лазер, генерирующий излучение с длиной волны около 400 нм. Более коротковолновое возбуждающее излучение поглощается в основном верхними слоями листа и в результате не возбуждает с достаточной степенью эффективности фотосистемы (красную флуоресценцию). При этом только источники излучения с длинами волн около 400 нм достаточно эффективно возбуждают и синюю, и красную флуоресценцию, и поэтому подобные источники наиболее целесообразно использовать во всей системе в целом, хотя в настоящее время их нет на рынке. Тем не менее эту проблему можно решить за счет одновременного использования двух возбуждающих лазеров. Для этой цели можно использовать компактный лазер на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом (Nd:YAG-лазер), работающий на длине волны 355 нм, или любой иной генерирующий УФ-излучение лазер, а для возбуждения красной флуоресценции в системе имеется красный диодный лазер. В этом случае необходимо проводить взаимную калибровку обоих источников возбуждения с целью нормировать интенсивности флуоресценции, что является обязательным условием для интерпретации данных о соотношении интенсивностей флуоресценции. На приемной стороне необходимо установить по крайней мере один дополнительный детекторный модуль, настроенный на работу в диапазоне длин волн от 430 до 460 нм (ширина полосы пропускания не имеет существенно значения и может составлять от 10 до 50 нм). Четвертый детекторный модуль может контролировать сигнал флуоресценции на длине волны, лежащей в зеленой области спектра, поскольку благодаря характерной флуоресценции (в этом диапазоне длин волн), присущей некоторым типам растительности, возможно эффективное распознавание растений. Предназначенная для работы в открытом поле система должна представлять собой в этом случае сканирующую систему, которая монтируется (как и для контролируемого внесения удобрений) на механической руке, которая устанавливается в положения, отрегулированное относительно одновременно контролируемого верхнего уровня растительного покрова. Соотношения зарегистрированных интенсивностей флуоресценции Р400+х(синяя) - F680+х(красная) и F500+х(зеленая) - F680+х(красная) интерпретируются с учетом условий окружающего освещения, поскольку интенсивность красной флуоресценции в отличие от синей/зеленой флуоресценции зависит от состояния реакционных центров. Для определения густоты сорняков или при сканировании по всей площади земельного участка для получения точных данных о распределении растений по поверхности (типы растений [X, Y, Z]) используется сравнение с заданными (калибровочными) пороговыми значениями для спектральных характеристик. Эта информация о расположении растений передается в управляющее устройство системы уничтожения сорняков. Ниже рассмотрено устройство, позволяющее выявлять заражение различными фитопатогенными грибами и управлять обработкой фунгицидами. Для выявления заражения фитопатогенными грибами необходима система с двумя источниками возбуждения с соответствующим вторым измерительным каналом для детектирования излучения флуоресценции во второй полосе красной области спектра и один детектор сигнала упругорассеянного в обратном направлении света на длинах волн 355 или 670 нм. В качестве последнего можно использовать простой фотодиод благодаря высокому ожидаемому уровню сигнала по сравнению с сигналом флуоресценции. Такая система позволяет контролировать целый ряд различных взаимодействий грибов с растениями. Влияние на фотосинтезирующую систему можно распознать по изменению фотосинтетической активности, проявляющемуся в изменении интенсивности флуоресценции в одном из измерительных каналов детектирования красной флуоресценции. Подобный представитель грибковой инфекции такого типа уже был выявлен при заражении растений мучнистой росой, когда влияние грибов на ранней стадии их развития на фотосинтезирующую систему проявляется в существенном замедлении ее реакции в ответ на возбуждающее излучение в кинетике Каутцкого. Заражение грибами может приводить к изменениям в морфологической структуре листа, к полному разрушению клеток или к изменениям в составе пигментов растения. Подобные морфологические изменения (а следовательно, и изменения оптических свойств листьев) или снижение содержания хлорофилла определяются по соотношению сигналов в измерительных каналах детектирования полос излучения красной флуоресценции. Так, в частности, при неравномерном поражении грибами (например, при заражении ржавчиной) можно определять распределение грибов по всей поверхности листа, что позволяет проводить анализ с использованием дополнительных (количественных) идентификационных критериев. Изменения в составе пигментов, испускающих синюю и/или зеленую флуоресценцию (СЗ), выявляются по характеристикам сигналов в измерительных каналах в этих областях спектра. Подобный подход будет столь же успешным, как и при идентификации сорняков, если предположить, что растительный покров образован растениями одной культуры. Кроме того, некоторые грибы (например, мучнистая роса) сами являются источниками характерной СЗ-флуоресценции, и поэтому их можно обнаруживать непосредственно или даже идентифицировать по спектральным характеристикам их СЗ-флуоресценции. Мучнистая роса на поздней стадии развития покрывает поверхность листа дополнительным слоем тканей, что придает ему характерный белесый цвет. В результате отражательная способность листа существенно возрастает, что можно определить по сигналу упругорассеянного в обратном направлении света на длинах волн возбуждающего излучения в красной или в УФ-областях спектра. Помимо этого система детектирования флуоресценции, когда она смонтирована на подвижной в вертикальном направлении (а возможно и подвижной в трех направлениях) механической руке, позволяет определять распределение грибов на пораженных растениях в вертикальном направлении, что также характерно для грибов некоторых типов. В принципе идентифицировать паразитирующие на растениях грибы всех типов невозможно, однако при определенных условиях количество подобных грибов ограничено, и поэтому рассмотренный выше подход позволяет применять подобную систему в качестве системы раннего предупреждения о поражении растений грибами или в качестве следящего устройства системы защиты растений. В заключение рассмотрено устройство, позволяющее контролировать фотосинтетическую активность растительности при циклическом или периодическом проведении измерений. В этом варианте в системе детектирования предусмотрена интерпретация данных об интенсивности флуоресценции молекул хлорофилла. Ее техническая реализация зависит от требований, предъявляемых к измерениям. Подобная интерпретация может заключаться в простом сравнении относительных изменений интенсивностей флуоресценции, нормированных на относительное содержание хлорофилла, или в более совершенном, но вместе с тем и более сложном определении способности к фотосинтезу, как это имеет место, например, при использовании кинетики Каутцкого или АИМ-флуорометрии. Измерять относительные изменения можно как в пространстве, так и во времени. В обоих случаях система с точки зрения аппаратного обеспечения аналогична системе в базовой конфигурации, однако алгоритм интерпретации изменяется на следующий:

В приведенной выше формуле ОФА означает относительную фотосинтетическую активность. Предполагается, что материал мишени распределен однородно. ОФА априори зависит от времени и геометрического местоположения, т.е. ОФА (t; x, у, z). Таким образом, соответствующий эксперимент должен проводиться при контролируемых окружающих условиях. Наличие ФАИ-датчика позволяет получить информацию об условиях окружающего освещения вблизи детекторной головки, на которые не должен влиять материал мишени (не затенять или не освещать отраженным светом). Это устройство можно использовать в тех случаях, когда требуется контролировать состояние растений, т.е. их жизнеспособность, состояние здоровья и т. п. Одной из возможных целей применений является исследование долговременных процессов, когда наблюдают влияние изменяющихся окружающих условий на растение-образец (или набор образцов) с хорошо определенными параметрами. Другая цель применения может состоять в исследовании большого числа мишеней при контролируемых условиях освещенности, например в теплице или в лаборатории. Для определения более сложных кинетических параметров фотосинтеза требования к условиям освещенности являются более строгими. Кинетику Каутцкого, а тем самым и все соответствующие параметры можно измерять только на растениях, адаптированных к темноте, т.е. в ночное время или в лаборатории. При проведении подобных измерений пятно возбуждения должно быть неподвижным, чтобы можно было наблюдать реакцию в ответ на воздействие актиничным светом во времени. Источником актиничного света может служить сам источник возбуждения, если частота повторения импульсов увеличена до уровня, при котором средняя освещенность инициирует актиничную (фотохимическую) реакцию. Актиничную реакцию можно вызвать также, включив дополнительный источник белого света, который по своему спектральному составу близок к идеальному белому свету, и облучая таким путем растение непрерывным потоком фотонов, начиная с некоторого точно заданного момента времени. В первом варианте (S



Высокое значение ПЖ указывает на интенсивный поток электронов в цепи их переноса, тогда как низкие значения могут указывать на наличие нарушений в фотосинтезирующей системе, если флуоресценция измеряется при одних и тех же окружающих условиях (прежде всего при одной и той же силе света, соответственно интенсивности освещения). Установившаяся флуоресценция (Fs) возбуждается дистанционно диодным лазером, тогда как дополнительная лампа белого света или солнечный свет служат источниками актиничного света. Импульс Fm" генерируется дополнительным сильным источником света (импульсной лампой). Благодаря наличию ФАИ-датчика и детектированию пассивного фонового сигнала такая система детектирования флуоресценции позволяет контролировать и измерять сигналы Fs и Fm". Таким образом, ПЖ можно контролировать как функцию энергетической освещенности, отражающую ассимиляцию СО2, без использования какого-либо оборудования для газового анализа. Переключение между актиничным и насыщающим светов предпочтительно осуществлять путем модуляции одного и того же источника, переключая его с режима непрерывного фонового освещения на импульсный режим, в котором генерируются световые импульсы для освещения потоком высокой интенсивности длительностью в несколько миллисекунд. На основе предлагаемой в изобретении системы разработан новый методический подход к измерению хорошо известных физиологических параметров растений при определенных условиях с наиболее точным определением соответствующих условий измерения и окружающих условий.
Класс G01N21/64 флуоресценция; фосфоресценция