Система детектування флуоресценції для визначення значущих параметрів рослинності

1. Система детектування флуоресценції для визначення значущих параметрів рослинності, яка має джерело (1) збудження, що являє собою малопотужний лазер, призначений для генерування збуджувального випромінювання в червоній ділянці спектра, променетвірний оптичний пристрій (2), дихроїчний подільник (5) променя, базовий детектор (3) флуоресценції, що включає вхідний оптичний пристрій (4), призначений приймати випромінювання флуоресценції, яке пройшло через дихроїчний подільник (5) променя, і інтерференційний світлофільтр (10), що затримує сигнал пружно розсіяного в зворотному напрямку світла, а також має електронний вимірювальний блок (7), призначений для детектування сигналу флуоресценції, і електронний блок (6) запуску і синхронізації, яка відрізняється тим, що малопотужний лазер, використовуваний як джерело (1) збудження, являє собою імпульсний лазер з високою частотою повторення імпульсів тривалістю в декілька наносекунд, що генерує збуджувальне випромінювання оптимально в червоній ділянці спектра з довжиною хвилі оптимально 670 нм, дихроїчний подільник (5) променя служить для спрямовування сформованого збуджувального променя без використання світловодів коаксіально до оптичної осі (9) приймальної оптики на рослинну мішень, що є досліджуваним об'єктом, базовий детектор (3) флуоресценції служить для формування зображення плями збуджувального випромінювання на чутливій поверхні детектора, електронний вимірювальний блок (7) виконаний з можливістю роботи на частоті, яка дорівнює подвоєній частоті повторення імпульсів лазерного джерела (1) збудження, і дискретизації активного сигналу флуоресценції синхронно з лазерним випромінюванням, з одного боку, і пасивного фонового сигналу з фіксованою затримкою в мікросекундному інтервалі перед чи після активного сигналу, з другого боку, шляхом реєстрації цих сигналів за допомогою швидкодійної схеми з дискретизацією і збереженням відліків, пов'язаної з аналого-цифровим перетворювачем, що забезпечує цифрову обробку сигналів, при цьому зазначений електронний вимірювальний блок (7) має також засоби для виділення чистого сигналу флуоресценції шляхом віднімання фонового сигналу від активного сигналу флуоресценції засобами електроніки або при подальшому оброблянні, і електронний блок (6) запуску та синхронізації служить для синхронізації лазерних імпульсів з інтервалами дискретизації електронного вимірювального блока (7).

2. Система детектування флуоресценції за п. 1, яка відрізняється тим, що лазер (1) є діодним лазером, який працює в червоній ділянці спектра.

3. Система детектування флуоресценції за п. 1 чи 2, яка відрізняється тим, що максимальна потужність лазера (1) перевищує 0,5 Вт.

4. Система детектування флуоресценції за п. 1, яка відрізняється тим, що променетвірний пристрій (2) має лінзу з корекцією астигматизму, тобто циліндричну лінзу, і блок розширення/стиску пучка в точкову пляму.

5. Система детектування флуоресценції за п. 1, яка відрізняється тим, що детектор (3) флуоресценції є фотоелектронним помножувачем, який працює в безперервному режимі.

6. Система детектування флуоресценції за п. 1, яка відрізняється тим, що

детектор (3) флуоресценції є лавинним діодом.

7. Система детектування флуоресценції за п. 1, яка відрізняється тим, що детектор (3) флуоресценції є звичайним фотодіодом.

8. Система детектування флуоресценції за п. 1, яка відрізняється тим, що вхідний оптичний пристрій (4) має як вхідну апертуру сферичну лінзу, що служить для формування зображення плями збуджувального випромінювання на екранованій чутливій поверхні детектора (3) флуоресценції.

9. Система детектування флуоресценції за п. 1, яка відрізняється тим, що центральна довжина хвилі і ширина смуги пропускання інтерференційного світлофільтра (10) вибираються відповідним чином у діапазоні від 680 до 740 нм, при цьому якість затримування випромінювання поза смугою пропускання становить більш ніж 10-3.

10. Система детектування флуоресценції за п. 1, яка відрізняється тим, що схема дискретизації зі збереженням відліків має вибрану відповідним чином аналогову ширину смуги пропускання в діапазоні від 40 до 200 МГц.

11. Система детектування флуоресценції за п. 1, яка відрізняється тим, що базовий детектор (3) флуоресценції оснащений додатковими детекторами (13), а на оптичній осі (12) на приймальному боці встановлені додаткові дихроїчні подільники променя для формування вимірювальних каналів детектування характерної флуоресценції, кількість, центральні довжинихвиль і ширина смуг пропускання яких залежать від цілей і обсягу досліджень.

12. Система детектування флуоресценції за будь-яким із пп. 1-3, яка відрізняється тим, що для контролю синьої і/або зеленої флуоресценції передбачений другий лазер, генероване яким випромінювання має фіксовану довжину хвилі в діапазоні від 350 до 400 нм і енергетичні та часові характеристики якого аналогічні з такими в червоному лазерному джерелі збудження.

13. Система детектування флуоресценції за п. 1, яка відрізняється тим, що наявні два додаткові детектори, що реєструють сигнали пружно розсіяного в зворотному напрямку світла на довжинах хвиль випромінювання лазерних джерел збудження.

14. Система детектування флуоресценції за будь-яким із попередніх пунктів, яка відрізняється тим, що наявний додатковий фотодіод, установлений на оптичному шляху з боку джерела збудження для контролю енергії лазерних імпульсів.

15. Система детектування флуоресценції за будь-яким із попередніх пунктів, яка відрізняється тим, що наявний давач фотосинтетично активного випромінювання (ФАВ-давача), розміщений вище відносно досліджуваного об'єкта, для контролю навколишніх умов освітлення.

16. Система детектування флуоресценції за будь-яким із попередніх пунктів, яка відрізняється тим, що наявний генератор горизонтально зорієнтованої світлової смуги, рухомої у вертикальному напрямку, для визначення верхнього рівня рослинного покриву і тим самим висоти рослин, при цьому положення по вертикалі детекторного вузла, що може бути рухомим чи нерухомим щодо світлової смуги, пов'язано з її положенням.

17. Система детектування флуоресценції за п. 15 чи п. 16, яка відрізняється тим, що як приводи для переміщення світлової смуги, а також детекторного вузла використовуються гідравлічні, пневматичні або механічні пристрої.

18. Система детектування флуоресценції за будь-яким із пп. 1-10, яка відрізняється тим, що вона призначена для виявлення хлорофіловмісних рослин або їхніх органів (для розпізнавання рослин) і має для виявлення зеленої рослинності один діодний лазер, що генерує збуджувальне випромінювання на довжині хвилі 670 нм, і детекторний модуль з інтерференційним світлофільтром, що пропускає випромінювання з довжиною хвилі в діапазоні від 680 до 740 нм при ширині смуги пропускання від 5 до 25 нм, при цьому для розпізнавання рослинності задана деяка гранична величина, причому контраст між рослинною і нерослинною мішенями настільки великий, що розпізнавання здійснюється без якого-небудь подальшого обробляння сигналів.

19. Система детектування флуоресценції за п. 18, яка відрізняється тим, що за наявності керованого руху платформи-носія по двох чи трьох координатах положення рослини визначається щодо положення детекторної головки, а також визначається розподіл рослинного матеріалу.

20. Система детектування флуоресценції за п. 18 чи 19, яка відрізняється тим, що сферою її застосування є слідкуючі системи для робототехнічних пристроїв, використовуваних у тепличному господарстві або садівництві.

21. Система детектування флуоресценції за п. 18 чи 19, яка відрізняється тим, що сферою її застосування є системи виявлення рослин (бур'янів) з наступним їх знищенням.

22. Система детектування флуоресценції за п. 11, яка відрізняється тим, що вона призначена для визначення концентрацій хлорофілу і має два детектори з вимірювальними каналами детектування випромінювання з довжинами хвиль 680 - 690 ±5 нм і 720 - 740 ±5 чи 10 нм, при цьому ділення скоректованих на фон сигналів один на одного дозволяє визначити відносну зміну в умісті хлорофілу по листовій площі, а множення отриманого відношення на заданий калібрований коефіцієнт дає змогу одержати абсолютні значення концентрації хлорофілу.

23. Система детектування флуоресценції за п. 22, яка відрізняється тим, що сферою її застосування є використовувані в теплицях роботи, призначені для реєстрації рівня хлорофілу в рослинах і тим самим для визначення стадії росту рослин або умов довгострокового стресу.

24. Система детектування флуоресценції за п. 22, яка відрізняється тим, що сферою її застосування є визначення стиглості будь-якого хлорофіловмісного матеріалу по втраті конкретними плодами (наприклад вишнею, бананами, яблуками, горіхами і т.ін.) характерного для них зеленого забарвлення.

25. Система детектування флуоресценції за п. 22, яка відрізняється тим, що сферою її застосування є спостереження за змінами в концентрації хлорофілу в будь-якому хлорофіловмісному матеріалі, що дозволяє контролюватипсування свіжих плодів (якщо в їхній шкірці або шкірочці є хлорофіл) і розвиток рослин (наприклад огірків, деяких типів яблук або листя салату).

26. Система детектування флуоресценції за п. 22, яка відрізняється тим, що вона призначена для керування спрямованим унесенням добрив на підставі того факту, що концентрація хлорофілу в листі залежить і тим самим корелює з умістом азоту і сірки у всій рослині, і тому нестача живильних речовин, унесених з добривами, виявляється в характерному зниженні концентрації хлорофілу й у зміні його розподілу, що супроводжується уповільненням росту рослини і характерною зміною в щільності стояння рослин (пов'язаної з густотою листяного покриву), і має детекторну головку, яка для можливості проведення вимірювань на просторових структурах установлена на рухливій механічній руці (що забезпечує переміщення по двох координатах X-Y), змонтованій на рухливій платформі (наприклад, на транспортному засобі), рухом якої визначається третя координата (координата Z).

27. Система детектування флуоресценції за п. 26, яка відрізняється тим, що вертикальне положення механічної руки регулюється світловою смугою, що визначає фактичне положення верхнього рівня рослинного покриву, при цьому детекторна головка встановлена у певне положення щодо цього верхнього рівня рослинного покриву або переміщається між землею і рівнем цієї поверхні.

28. Система детектування флуоресценції за п. 26 чи 27, яка відрізняється тим, що з урахуванням горизонтального руху платформи-носія (трактора) одержують тривимірний профіль значущих параметрів рослин.

29. Система детектування флуоресценції за п. 26, яка відрізняється тим, що вона призначена для розрізнення між однодольними і дводольними рослинами на підставі того факту, що однодольні (ОД) і дводольні (ДД) рослини розрізняються характерними для них спектрами флуоресценції в діапазоні від 400 до 750 нм, що виявляється при вимірюванні інтенсивності синьої флуоресценції щодо інтенсивності випромінювання, яке випускається молекулами хлорофілу, в червоній ділянці спектра, і має додаткове джерело збудження, призначене для ефективного збудження синьої флуоресценції і взаємного калібрування обох джерел збудження для нормування інтенсивностей флуоресценції на потужність збуджувального імпульсу, а також має додатковий детекторний модуль, настроєний на роботу в діапазоні довжин хвиль від 430 до 460 нм (Dl= 10-50 нм).

30. Система детектування флуоресценції за п. 29, яка відрізняється тим, що додатковим джерелом збудження є лазер на ітрій-алюмінієвому гранаті з неодимом з генератором третьої гармоніки на довжині хвилі випромінювання 355 нм.

31. Система детектування флуоресценції за п. 29 чи 30, яка відрізняється тим, що наявні додаткові детекторні модулі для контролю, наприклад, зеленої флуоресценції (500-550 нм; Dl = 10-50 нм) з метою одержання повнішої інформації про спектральні характеристики випромінювання наявних типів рослин.

32. Система детектування флуоресценції за п. 29, яка відрізняється тим, що наявний тільки один вимірювальний канал за п. 18 для оцінювання червоної флуоресценції молекул хлорофілу.

33. Система детектування флуоресценції за п. 29, яка відрізняється тим, що наявний ФАВ-давач для контролю навколишньої освітленості і тим самим для інтерпретації відношення інтенсивностей смуг з урахуванням умов навколишньої освітленості.

34. Система детектування флуоресценції за п. 29, яка відрізняється тим, що передбачено використання заданої граничної величини відношення інтенсивностей, яка дає змогу визначити, стосується сигнал ОД- чи ДД-рослини.

35. Система детектування флуоресценції за п. 29, яка відрізняється тим, що для програмованого подальшого обробляння сигналів передбачено класифікаційний алгоритм, який дозволяє визначити, стосується сигнал ОД- чи ДД-рослини.

36. Система детектування флуоресценції за будь-яким із пп. 29-35, яка відрізняється тим, що сферою її застосування є селективна обробка гербіцидами з урахуванням місця розташування і типу бур'янів.

37. Система детектування флуоресценції за п. 29, яка відрізняється тим, що в ній передбачено другий вимірювальний канал для детектування випромінювання флуоресценції в другій смузі червоної ділянки спектра та один детектор сигналу пружно розсіяного в зворотному напрямку світла, і вона призначена для виявлення зараження рослин різними грибами.

38. Система детектування флуоресценції за п. 37, яка відрізняється тим, що вплив на фотосинтезувальну систему розпізнається по зміні інтенсивності флуоресценції.

39. Система детектування флуоресценції за п. 37, яка відрізняється тим, що зміни в морфологічній структурі листя, повне руйнування клітин або зміни в складі пігментів рослини визначаються за відношенням сигналів у вимірювальних каналах детектування смуг випромінювання червоної флуоресценції, а нерівномірне ураження грибами (наприклад, іржею) і їхній характерний розподіл по всій поверхні листя або по рослинному покриві є додатковими (кількісними) ідентифікаційними критеріями аналізу.

40. Система детектування флуоресценції за п. 37, яка відрізняється тим, що зміни в складі пігментів, що випускають синю і/або зелену флуоресценцію, в результаті зараження рослини виявляються за характеристиками сигналів у вимірювальних каналах у цих ділянках спектра, при цьому деякі гриби (наприклад, борошниста роса) самі є джерелами характерної синьої і/або зеленої флуоресценції, по якій їх і можна знайти.

41. Система детектування флуоресценції за п. 37, яка відрізняється тим, що за можливої наявності на поверхні листя додаткового шару тканин (наприклад, міцелію борошнистої роси) відбивна здатність поверхні листя істотно зростає, що визначається за сигналом пружно розсіяного в зворотному напрямку світла на довжинах хвиль як червоного, так і УФ-збуджувального випромінювання.

42. Система детектування флуоресценції за будь-яким із пп. 37-41, яка відрізняється тим, що сферою її застосування є спрямована обробка фунгіцидами з урахуванням місця розташування і типу грибів.

43. Система детектування флуоресценції за п. 18, яка відрізняється тим, що вона призначена для контролю фотосинтезуючої активності рослинності при циклічному чи періодичному проведенні вимірювань, коли досліджувана мішень нерухома, а спостережувані зміни залежать тим самим тільки від часу.

44. Система детектування флуоресценції за п. 22, яка відрізняється тим, що вона призначена для контролю фотосинтетичної активності рослинності при циклічному чи періодичному проведенні вимірювань, коли положення досліджуваної мішені змінюється (нормування на відносний вміст хлорофілу).

45. Система детектування флуоресценції за п. 43 чи п. 44, яка відрізняється тим, що в ній наявний ФАВ-давач для визначення умов навколишнього освітлення.

46. Система детектування флуоресценції за п. 43 чи п. 44, яка відрізняється тим, що оцифровані значення інтенсивностей флуоресценції інтерпретуються при подальшому оброблянні сигналів з урахуванням відповідних умов освітленості і її змін у часі.

47. Система детектування флуоресценції за будь-яким із пп. 43-46, яка відрізняється тим, що сферою її застосування є наукові дослідження довгострокових процесів, коли досліджується взаємодія рослин зі змінними навколишніми умовами.

48. Система детектування флуоресценції за будь-яким із пп. 43-46, яка відрізняється тим, що сферою її застосування є наукові дослідження кінетики Кауцького і всіх відповідних параметрів, які можна виміряти тільки в рослин, які адаптовані до темноти і мають фіксоване положення.

49. Система детектування флуоресценції за п. 48, яка відрізняється тим, що джерелом актинійного світла є саме джерело збудження флуоресценції, якщо частота повторення його імпульсів збільшена до рівня, при якому ініціюються актинійні реакції.

50. Система детектування флуоресценції за п. 48, яка відрізняється тим, що джерелом актинійного світла є вмикане джерело білого світла, близького за своїм спектральним складом до ідеального білого світла, при цьому таке джерело білого світла освітлює рослину в задані моменти часу.

51. Система детектування флуоресценції за будь-яким із пп. 43-46, яка відрізняється тим, що сферою її застосування є наукові дослідження показника Женті, що його можна визначити вимірюванням флуоресценції у стані сталості, а також флуоресценції у стані сталості, на яку накладено насичувальний світловий імпульс.

52. Система детектування флуоресценції за п. 51, яка відрізняється тим, що стала флуоресценція (Fs) збуджується дистанційно діодним лазером, тоді як додаткова лампа білого світла або сонячне світло служать джерелами актинійного світла, а насичувальне світлове випромінювання (Fm') генерується додатковим джерелом світла, наприклад імпульсною лампою, таким чином, щоб завдяки детектуванню пасивного фонового сигналу ця система була здатна контролювати величини Fs і F m', а також інтенсивність насичувального світлового випромінювання.