способ определения содержания влаги в листьях растений in vivo

Формула изобретения

Способ определения содержания влаги в листьях растений in vivo, включающий зондирование листа оптическим пучком с длиной волны в ближнем ИК диапазоне, измерение интенсивности оптического излучения на входе (I_i) и после взаимодействия с листом (I_o) на выходе, отличающийся тем, что одновременно соосно зондируют лист оптическим пучком на двух длинах волн ближнего ИК диапазона, соответствующих максимуму поглощения воды на обертонах колебаний молекулы воды 1400 нм _w 1500 нм либо 1870 нм _w 2000 нм и минимуму поглощения хлорофилла и воды в диапазоне 800 нм w 1200 нм, определяют интенсивность прошедшего лист оптического ИК излучения или соответствующую оптическую плотность D _{w, m} на этих длинах волн, при этом содержание воды в листе in vivo определяют из соотношения:



где N_w - процентное содержание молекул воды в листьях;

D _w и D _m - локальная оптическая плотность листа на длине волны _w и _m;

D* _w, и D* _m - оптическая плотность, соответствующая поглощению молекулами воды ИК излучения на длине волны _w и _m в кювете толщиной L;

(I_i ) _{w, m} - интенсивность входного ИК излучения на длине волны _w и _m;

(I₀) _{w, m} - интенсивность прошедшего лист ИК излучения на длине волны _w и _m;

(I_i)* _{w, m} - интенсивность входного ИК излучения на длине волны _w, и _m при зондировании кюветы толщиной L с водой;

(I₀)* _{w, m} - интенсивность ИК излучения на длине волны _w и _m прошедшего кювету с водой толщиной L;

d - толщина листа растения в области оптического зондирования.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к аграрным технологиям и может быть использовано в мелиорации для контролируемого и оптимального орошения растений независимо от типа почв как в полевых условиях, так и в теплицах. Неинвазивный контроль в реальном времени содержания влаги в листьях живых растений позволяет создавать энергосберегающие технологии при оптимальном расходе влаги при автоматическом режиме полива.

Известен способ определения содержания влаги (воды) в листьях, включающий взвешивание оторванного от растения листа, его высушивание и повторное взвешивание анализатором влажности ЭВЛАС-2М, который соединяет в себе электронные весы, сушильный шкаф с тороидальной формой встроенного инфракрасного нагревательного элемента, позволяющего равномерно высушивать пробу, эксикатор для охлаждения и калькулятор для расчетов. "ЭВЛАС-2М" представляет собой компактный, доступный и высокоточный анализатор влаги. Область применения этого анализатора влажности: контроль содержания влаги в сырье, продуктах и полуфабрикатах пищевой и перерабатывающей промышленности, химических веществах, фармацевтической продукции, строительных материалах и прочих материалах (http://spblab.ru/vlagomer_evlas2m).

Однако такой простой способ требует время на процесс высушивания, кроме того, не позволяет автоматизировать процесс контроля полива растений и не позволяет определять содержание влаги в живом листе растения.

Известен способ определения содержания влаги (воды) в листьях чая на основе диэлькометрического изменения электрической емкости массы листьев и их взвешивания (см. патент JP № 56070453, МПК G01N 27/22).

Однако данный способ не позволяет измерить содержание влаги в листьях живых растений и оптимизировать процесс полива.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения содержания влаги (воды) в листьях (см. патент WO № 2007129648, МПК G01N 21/31; A01G 7/00). В основе неинвазивного способа определения содержания воды в листьях лежит измерение спектрального коэффициента отражения света от зондируемых листьев в инфракрасной области.

Основным недостатком данного способа является невозможность учета эффектов рассеяния ИК-излучения в листьях растений, которые при зондировании представляют собой оптически неоднородную среду и сильную зависимость коэффициента отражения от процессов рассеяния ИК-излучения в листьях и соответственно необходимость построения модели, что приводит к значительным погрешностям определения содержания воды в различных по структуре листьев растений.

Задачей изобретения является возможность неинвазивного контроля содержания влаги в живых листьях независимо от типа растения и оптимизации расхода воды при искусственном орошении, а также автоматизация расхода воды для промышленного полива растений при использовании компактных переносных оптических датчиков.

Технический результат заключается в возможности определения содержания влаги (воды) в листьях in vivo в реальном времени на основе двухволнового резонансного зондирования ИК-излучением ИК светодиодов или инжекционных лазерных диодов и измерением интенсивности прошедшего излучения.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения содержания влаги в листьях растений in vivo, включающем зондирование листа оптическим пучком с длиной волны в ближнем ИК диапазоне, измерение интенсивности оптического излучения на входе (I_i) и после взаимодействия с листом (I_o) на выходе, согласно решению одновременно соосно зондируют лист оптическим пучком на двух длинах волн ближнего ИК диапазона, соответствующих максимуму поглощения воды на обертонах колебаний молекулы воды 1400 нм _w 1500 нм либо 870 нм _w 2000 нм и минимуму поглощения хлорофилла и воды в диапазоне 800 нм _m 1200 нм, определяют интенсивность прошедшего лист оптического ИК-излучения или соответствующую оптическую плотность D _{w, m} на этих длинах волн, при этом содержание воды в листе in vivo определяют из соотношения

где N_w - процентное содержание молекул воды в листьях;

D _w и D _m - локальная оптическая плотность листа на длине волны _w и _m;

D* _w и D* _m - оптическая плотность, соответствующая поглощению молекулами воды ИК излучения на длине волны _w и _m в кювете толщиной L;

(I _i) _w, _m - интенсивность входного ИК-излучения на длине волны _w и _m;

(I_o) _w, _m - интенсивность прошедшего лист ИК-излучения на длине волны _w и _m;

(I_i)* _w, _m - интенсивность входного ИК-излучения на длине волны _w и _m при зондировании кюветы толщиной L с водой;

(I_o)* _w, _m - интенсивность ИК-излучения на длине волны _w и _m прошедшего кювету с водой толщиной L;

d - толщина листа растения в области оптического зондирования.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа определения содержания влаги в листьях растений in vivo, на фиг.2 представлена спектральная зависимость оптической плотности воды в видимой и ближней инфракрасной области спектра 400 нм-2500 нм для кюветы толщиной 1 см, измеренные с помощью спектрофотометра Cary-4525, на фиг.3 представлены типичные спектральные зависимости поглощения хлорофиллом (а, b) оптического излучения в видимой области спектра 390 нм-690 нм, на фиг.4 представлена экспериментальная зависимость оптического спектра пропускания в ультрафиолетовой, видимой и ИК области спектра зеленого листа растения (тополь) in vitro: свежесорванного (1) и высушенного (2) при комнатной температуре в течение 3-х дней, измеренного на спектрометре Perkin Elmer-Lambda 950,

где

1 - генератор низкочастотных колебаний для импульсной модуляции интенсивности излучения светодиодов или инжекционных полупроводниковых лазеров 2 и 3;

2 - светодиод или инжекционный полупроводниковый лазер, максимум излучения которого соответствует спектральной области 800 нм _m 1200 нм;

3 - светодиод или инжекционный полупроводниковый лазер, максимум излучения которого соответствует спектральной области 1400 нм _w 1500 нм или 1870 нм _w 2000 нм, совпадающей с колебательными пиками поглощения молекулы воды;

4, 5 - микролинзы, формирующие зондирующие оптические пучки;

6 - оптический смеситель соосных оптических пучков;

7 - зондируемый «живой» лист растения 12;

8 - делитель оптического пучка;

9 - кремниевый фотодиод, детектирующий ИК-излучение излучателя 2 в диапазоне 800-1200 нм;

10 - германиевый фотодиод, детектирующий излучение излучателя 2 в диапазоне 1400-1500 нм при наличии фильтра из кремния, пропускающего ИК-излучение с длиной волны больше 1200 нм; либо ИК фотосопротивление для детектирования излучения в диапазоне 1870 нм-2000 нм;

11 - измеритель фототока и микропроцессор для вычисления концентрации воды в листе в соответствии с соотношением (1).

Способ реализуется с помощью устройства, состоящего из генератора, низкочастотных колебаний 1, который осуществляет импульсную низкочастотную модуляцию интенсивности излучения светодиодов или инжекционных полупроводниковых лазеров 2 и 3, вследствие модуляции их тока инжекции. Микролинзы 4 и 5, формирующие ИК оптические пучки с помощью оптического смесителя 6, создают соосные оптические пучки, зондирующие исследуемый лист 7 растения 12 in vivo. ИК оптическое излучение, прошедшее лист 7, с помощью делителя 8 направляется на кремниевый 9 и германиевый фотодиоды или фотосопротивления 10, селективно детектирующие это излучение. При этом кремниевый фотодиод 9 детектирует ИК-излучение только светодиода или инжекционного полупроводникового лазера 2 с диапазоном 800 нм _m 1200 нм, а германиевый фотодиод 10, детектирующий излучение излучателя 3 в диапазоне 1400-1500 нм при наличии фильтра из кремния, пропускающее ИК-излучение с длиной волны больше 1200 нм либо фотосопротивление, детектирующее соответствующее ИК излучение в диапазоне 1870 нм-2000 нм. Фототок фотодиодов 9 и 10, пропорциональный прошедшей лист интенсивности ИК-излучения, используется в микропроцессоре 11 для вычисления содержания влаги в листе растений в соответствии с рабочей формулой (1).

Способ осуществляется следующим образом.

В каждом из двух полупроводниковых инжекционных лазерных диодах или светодиодах 2, 3 устанавливают, выбором соответствующего тока инжекции диодов, постоянное значение выходной оптической мощности в двух выбранных спектральных диапазонах в ближней инфракрасной области (I_i) _w, _m. С помощью генератора 1 осуществляется низкочастотная импульсная модуляция тока инжекции диодов со скважностью, равной двум, что приводит к импульсной модуляции оптической мощности излучения диодов. Микролинзы 4, 5 формируют зондирующие оптические пучки, а оптический смеситель 6 позволяет создать соосный оптический пучок, с помощью которого просвечивают исследуемый лист 7 растения 12 in vivo. Оптическое ИК-излучение, прошедшее исследуемый лист 7 с помощью делителя оптического пучка 8, направляется на два фотодетектора, представляющего собой кремниевый фотодиод 9 для детектирования ИК-излучения излучателя 2 в диапазоне 800 нм-1200 нм и германиевый фотодиод 10 или ИК фотосопротивление, детектирующее излучение излучателя 3 в диапазоне 1400 нм-1500 нм или 1870 нм-2000 нм. Измеритель фототоков диодов 9 и 10, пропорциональных оптической интенсивности для каждой из двух длин волн, используется микропроцессором 11 для вычисления по соотношению (1) концентрации воды в зондируемом листе в реальном времени.

В основе способа определения воды в листьях in vivo лежат спектральные зависимости коэффициентов поглощения воды в ближней инфракрасной области, представленные на фиг.2, и спектры поглощения хлорофилла в зеленых листьях, представленные на фиг.3, а также экспериментальные исследования спектра пропускания в ультрафиолетовой, видимой и ИК области спектра in vitro, проведенного авторами, свежесорванного (1) и высушенного (2) зеленого листа растения (тополь) и представленные на фиг.4.

Для оптического сигнала, несущего информацию о концентрации воды в данном способе, используется ИК колебательная спектроскопия, в частности, измеряется селективное поглощение на обертонах основного характеристического колебания трехатомной молекулы воды на длине волны 2,93 мкм с шириной полосы 2,77 мкм-3,14 мкм. Из литературных данных и измерений известно, что коэффициент поглощения в этой резонансной спектральной области превышает 10⁴ см^-1, т.е. на толщине слоя воды в 1 микрон сигнал уменьшается в 2,7 раза, а при толщине в 10 микрон интенсивность света уменьшается в 5·10⁵ раз. Поэтому для практической реализации данного способа использовать зондирование оптическим пучком с длиной волны, соответствующей 2,93 микрона, не представляется возможным, вследствие очень сильного поглощения.

В заявляемом способе предлагается использовать резонансное поглощение, обусловленное нелинейными свойствами колебаний молекул, в частности поглощение на обертонах основных характеристических колебаний молекул воды, так как коэффициент поглощения уже на первом обертоне на два порядка меньше и составляет величину порядка 10^-2 см^-1, поэтому на толщине 100 микрон прошедшее оптическое излучение уменьшится в 2.7 раза. Так как анализируемая вода находится в жидкой фазе, то полоса поглощения на обертонах молекулы воды достаточно широка от 1400 нм до 1500 нм, с максимумом на длине волны 1450 нм, а также полоса поглощения воды в диапазоне 1870 нм _w 2000 нм с максимумом на длине волны 1935 нм, что и определяет выбор зондируемой длины волны _w для детектирования влаги в листьях в зависимости от толщины листьев зондируемого растения, причем при более толстых листьев используется диапазон от 1400 нм до 1500 нм. В отличие от измерений поглощения в воде при детектировании оптического излучения в листе растений, обладающем клеточной пространственной неоднородностью, возникает существенная проблема рассеяния оптического излучения. При зондировании оптическим излучением тонкой среды (листа растений толщиной d) выходная интенсивность (I_o) _w, _m=(I_i) _w, _m ·e^-µd будет определяться коэффициентом экстинкции µ, зависящем как от коэффициента поглощения на данной длине волны µ_a, так и от коэффициента рассеяния µ_s, причем µ=µ_а +µ_s. Авторами предлагается для исключения влияния эффекта рассеяния использовать оптическое зондирование на второй длине волны, которая не попадает в полосу поглощения молекул воды, а также в ИК полосу поглощения хлорофилла (с максимумом 670 и 650 нм, а также 430 и 470 нм и минимумом с длиной волны 555 нм, см. фиг.3, но достаточна близка по спектральному диапазону к _w). В предлагаемом способе вследствие близости длин волн ближнего ИК диапазона _w и _m по сравнению с характерными размерами неоднородности в листьях коэффициент рассеяния µ_s на двух длинах _m и _w волн будет практически одинаков, поэтому при оптическом зондировании листа растения должны выполняться следующие соотношения:

из которых нетрудно получить рабочую формулу (1), предварительно измерив спектральный коэффициент сечения поглощения воды ( _w) _w, _m (см²) в ИК диапазоне на длине волны _w и _m в кювете с фиксированной толщиной L для концентрации молекул воды N_w (см^-3). Следует отметить, что калибровку, т.е. определение соответствующего значения селективного коэффициента поглощения воды на волнах _w и _m можно осуществлять предварительно, в лабораторных условиях, и соответствующие значения ввести в микропроцессор 11. Для получения максимальной чувствительности предлагаемым методом калибровку поглощения воды необходимо проводить при толщине кюветы, соизмеримой с толщиной листа растения.

Экспериментальные результаты измерения спектра пропускания зеленого листа растения в УФ, видимой и ближней и средней ИК области, представленные на фиг.4, подтверждают возможность и обоснованность соответствующего спектрального выбора длин волн для дискретного зондирования на двух длинах волн для определения содержания воды в листьях живых растений. Для свежесорванного листа минимальное пропускание достигает 7,9% на длине волны 1930 нм, а на другом обертоне поглощения воды минимальное пропускание составляет 26,6% на длине волны 1475 нм. Однако при высушивании листа в течение 3-х дней пропускание на этих длинах волн возрастает до 52% и 56% соответственно. Из фиг.4 видно, что изменение спектров пропускания в области поглощения хлорофилла (а) и (б) за это время не произошло, в то время как возрастание коэффициента пропускания в соответствующих спектральных полосах 1400 нм до 1500 нм и 1870 нм _w 2000 нм обусловлено изменением концентрации воды и соответственно поглощения воды в зондируемом сухом листе. Остаточное поглощение воды в соответствующей спектральных областях связано с внутриклеточной связанной водой. Зондирование в ИК спектральной области, не связанной поглощением воды и хлорофилла, 800 нм _m 1200 нм позволяет учесть процессы рассеяния света на клеточных неоднородностях и влияние на них воды.

Таким образом, при ИК оптическом бесконтактном зондировании листа 7 растения 12 измеряется интенсивность входного пучка (измерение без листа) на двух длинах волн _w и _m и интенсивность прошедшего пучка после помещения листа между оптическим излучателем и приемником, при этом зондирование на двух длинах волн _w и _m позволяет определить концентрацию воды в листьях при типичном уровне содержания влаги с учетом эффектов рассеяния в пространственно-неоднородной клеточной структуре листа растений.

Для технической реализации способа существуют недорогие и компактные оптические излучатели типа ИК инжекционных полупроводниковых лазеров или светодиодов, а также существуют недорогие, долговечные, быстродействующие фотоприемники - фотодиоды на основе кремния и германия.