СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА РАСТИТЕЛЬНОСТИ С БПЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК G01J3/44 G01N21/64 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного оперативного мониторинга состояния растительности путем определения параметров флуоресценции хлорофилла с БПЛА в ночное время.

Известен «Способ оценки функционального состояния растений in vitro без нарушения стерильности» (см. патент РФ № 2604302 МПК: A01G 7/00, A01G 1/00, G01N 21/64, Опуб. 10.12.2016 Бюл. № 34), заключающийся в определении параметров флуоресценции хлорофилла, отличающийся тем, что регистрируют динамику изменения сигнала медленной индукции флуоресценции хлорофилла в диапазоне длин волн от 670 до 760 нм в течение 10-30 секунд, рассчитывают скорость изменения сигнала МИФХ на 10-30 секунде после достижения максимального уровня флуоресценции F_M, рассчитывают значение виртуального стационарного уровня флуоресценции методом экстраполяции полученных данных для 120-300 секунды виртуальных измерений и определяют величину удельной фотосинтетической активности по формуле: при этом о функциональном состоянии растений судят по соотношению значения удельной фотосинтетической активности, полученной в результате экстраполяции, и скорости изменения сигнала МИФХ — чем выше один или оба параметра, тем лучше функциональное состояние растений in vitro.

Основным недостатком данного способа является невозможность проводить измерения за один измерительный цикл.

Наиболее близким по техническому решению и взятым за прототип является «Оптический способ оценки функционального состояния растений» (см. патент РФ № 2199730 МПК: A01G 7/04, Опубл. 27.06 2016), включающий измерение оптических параметров хлорофилл-содержащих тканей, отличающийся тем, что регистрируют динамику светорассеяния фотосинтезирующей растительной ткани в процессе засветки монохроматическим оптическим излучением синей области спектра (в зоне первого максимума поглощения хлорофилла 460-480 нм) плотностью мощности 150-800 Вт/м² в течение 20-40 секунд, затем активируют монохроматическое зондирующее излучение красной области спектра (в зоне второго максимума поглощения хлорофилла 650-660 нм) плотностью мощности 2500-6000 Вт/м² и в течение последующих 30-120 секунд продолжают регистрировать динамику светорассеяния того же самого участка ткани; о фотосинтетической активности и устойчивости к фотодеструкции судят по величине и знаку показателей α и β, которые рассчитываются по формулам: I₀₁t ^α и I₀₁t ^β где |α| — скорость изменения интенсивности светорассеяния в течение засветки оптическим излучением синей области спектра; I₀₁ — средняя интенсивность светорассеяния в первые 1-3 секунды засветки оптическим излучением синей области спектра; |β| — скорость изменения интенсивности светорассеяния в течение засветки оптическим излучением красной области спектра; I₀₂ — средняя интенсивность светорассеяния в первые 1-3 секунды засветки оптическим излучением красной области спектра; t — текущее время; при этом чем выше значение модулей данных показателей при отрицательном знаке, тем выше фотосинтетическая активность и устойчивость к фотодеструкции, и чем выше значение модулей показателей α и β при положительном знаке, тем слабее фотосинтетическая активность и устойчивость к фотодеструкции.

Основным недостатком данного способа является засветка растений монохроматическим оптическим излучением синей и красной области спектра, что существенно увеличивает время проведения измерений.

Задачей предлагаемого изобретения является сокращение времени проведения измерений и повышение ее эффективности посредством зондирования растительности с БПЛА лазерными широтно-модулированными импульсами в ночное время за один измерительный цикл.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена схема дистанционного мониторинга участка растительности — 1, поля — 2 с БПЛА;

На фиг. 2 представлена блок-схема устройства дистанционного мониторинга: где 3 — блок управления, 4 — лазер SDL-303, 5 — коллиматор, 6 — телескоп, 7 — призма полного внутреннего отражения, 8 — спектрометр, 9 — объектив ЭОУ, 10 — электронно-оптический усилитель с флеш-накопителем и фото-регистратором.

Поставленная задача решается следующим образом. Оператор подводит БПЛА к месту, где нужно провести мониторинг растительности и зависает БПЛА над площадкой 1 (фиг. 1) на высоте 10-и метров. С устройства дистанционного мониторинга, укрепленного на БПЛА, излучаются широтно-модулированные импульсы с длиной волны λ_в, общей длительностью 1550 мс возбуждающие флуоресценцию хлорофилла растительности на поле 2 (фиг. 1). Вторичное излучение с длиной волны флуоресценции λ_ф находящееся в поле зрения приемного телескопа устройства дистанционного мониторинга направляется на спектрометр и далее усиливается электронно-оптическим усилителем. Полученная информация о спектрах хранится на флеш-накопителе с дальнейшей обработкой на рабочей станции.

Устройство (фиг. 2) содержит: блок управления 3 для синхронизации работы устройства дистанционного мониторинга, полупроводниковый источник лазерного излучения 4 SDL-303 мощностью 1000 мВт с длиной волны 532 нм, коллиматор 5 с малым углом расходимости луча, для неизменной площади засветки, в качестве телескопа используется оптический прицел 6 фирмы «Discovery», призма 7 полного внутреннего отражения направляет световой поток в спектрометр 8 состоящий из монолитного акрилового тела [1], на входной поверхности которой расположена входная щель, входное зеркало, дифракционная решетка, выходное зеркало, выходная поверхность с изображением спектра, далее спектр посредством объектива 9 подается на электронно-оптический усилитель 10 прибора ночного видения (ПНВ Megaorei 3) с фото-регистратором и флеш-памятью.

Устройство работает следующим образом.

По команде с блока управления излучается первоначальный лазерный импульс длительностью 50 мс по заднему фронту которого формируется синхроимпульс для срабатывания фото-регистратора ПНВ и данный кадр запоминается на флеш-памяти, затем длительность импульса увеличивается до 100 мс и далее с шагом 100 мс до 500 мс с регистрацией кадра на каждом шаге на флеш-памяти и таким образом накапливается группа из шести кадров.

Каждый лазерный импульс зондирует выбранный участок растительности 1 (фиг. 1), при взаимодействии с хлорофилл-содержащими растительными структурами световой пучок частично рассеивается, а часть падающей световой энергии поглощается и преобразуется во вторичное излучение флуоресценции в диапазоне от 650 нм до 800 нм. Вторичное излучение флуоресценции посредством приемного телескопа и призмы полного внутреннего отражения направляется на входную щель спектрометра (фиг. 2), с выходной поверхности которого изображение спектра посредством объектива ПНВ попадает на электронно-оптический усилитель, где усиливается и запоминается на флеш-накопителе. С флеш-накопителя полученная группа из 6 кадров передается на рабочую станцию для обработки.

Источник информации

1. Патент РФ № 205270 «Мини-спектрограф для полевых измерений» М.Г. Даниловских, Л.И. Винник, В.А. Стрещук. Опуб. 07.06.2021. Бюл. № 19.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа дистанционного мониторинга растительности с БПЛА. Способ характеризуется тем, что над выбранным участком, подлежащим мониторингу, зависает БПЛА на высоте 10 метров и с устройства дистанционного мониторинга, укрепленного на БПЛА, излучаются широтно-модулированные импульсы общей длительностью 1550 мс, возбуждающие флуоресценцию хлорофилла растительности на выбранном участке поля. Вторичное излучение с длиной волны флуоресценции, находящееся в поле зрения приемного телескопа устройства дистанционного мониторинга, направляется на спектрометр и далее усиливается электронно-оптическим усилителем. Полученная информация о спектрах хранится на флеш-накопителе с дальнейшей обработкой на рабочей станции. Технический результат заключается в сокращении времени проведения измерений, повышении их эффективности и обеспечении возможности проведения измерений за один измерительный цикл. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ дистанционного мониторинга растительности с БПЛА, характеризующийся тем, что над выбранным участком, подлежащим мониторингу, зависает БПЛА на высоте 10 метров и с устройства дистанционного мониторинга, укрепленного на БПЛА, излучаются широтно-модулированные импульсы с длиной волны _в общей длительностью 1550 мс, возбуждающие флуоресценцию хлорофилла растительности на выбранном участке поля, вторичное излучение с длиной волны флуоресценции _ф, находящееся в поле зрения приемного телескопа устройства дистанционного мониторинга, направляется на спектрометр и далее усиливается электронно-оптическим усилителем, полученная информация о спектрах хранится на флеш-накопителе с дальнейшей обработкой на рабочей станции.

2. Устройство для дистанционного мониторинга растительности с БПЛА, включающее в себя блок управления для синхронизации работы устройства дистанционного мониторинга, полупроводниковый источник лазерного излучения, коллиматор с малым углом расходимости луча для неизменной площади засветки, телескоп для приема вторичного излучения флуоресценции, призму полного внутреннего отражения для направления светового потока, спектрометр для разложения светового потока в спектр и отображения его на выходной поверхности, электронно-оптический усилитель с фото-регистратором и флеш-памятью.