專利名稱：用于測量植物在其自然環境中水化作用的光電子測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及估計和跟隨植被水化狀態的領域，更具體地說，涉及以光電子技術測
量植物樣品水狀態的方法。 它旨在提出一種可以測量植物的含水量而不對其造成損害或破壞用的光電子裝 置，以及實時地估計和跟蹤其水狀態用的儀器。其目標同樣在于提出一種使用所述裝置和 所述儀器的方法，特別是實時地監測廣闊的植被的水化狀態用的方法。 植被的含水量在生理調節機理和環境因素結合的作用下變化。這些變化直接和逐 漸地對植物的生產水平和脆弱性施加影響。因而，掌握缺水的出現周期、強度和期限的知 識，為干旱時期對農作物的作用預先準備，或者進一步估計森林、叢林或荒地地區火災的危 險，構成必不可少的步驟。此外，水化速率的測量是在預測方法中要考慮的重要參數，以便 在缺水未達到臨界之前對灌溉作業進行自動控制，或者例如，為了以這種缺水報警的形式 發信號。當人們知道干旱是大量的森林火災和農業生產巨大損失的基本原因時，便能權衡 這些預測的重要性。 人們利用了不同的直接或間接的檢測和跟蹤方法。人們知道基于諸如空氣和地面 的溫度、濕度、光線強度、降水或風等環境測量的外推值的傳統的農業氣象學傳統的方法。 最近，為了地圖繪制和農業監測的目的，開發了遙感技術。今天，由于人造衛星信息成像和 地理信息系統，這些技術提供快速而可靠地研究領土的可能性。但是，它們對該領土面積 給出總的評價，然而不提供允許考慮植物的性質、土壤的類型、地形的關鍵點。此外，還很 顯然，在經濟上只有在大規模，特別是為了達到領土整理的目標，展開這樣的裝置才是正當 的。 因而，廣泛利用一些比較適合點測量和更專門的測量方法。可以列舉基于植物葉 子電導測量的技術，諸如US 5 334 942或者FR 2 753 272。例如，FR 2 753272描述了一 種借助于包括連接至電子電路的兩個電極的傳感器的葉子上液體存在的傳感器。人們還從 W083/02326知道一種利用從待測材料內部的光源發射紅外輻射的反散射的方法。出版物 CA 960 308或JP 5 313 898描述通過微波吸收測量濕度的儀器。 在實驗室中還使用一些光度方法。例如，JP2005 308 733描述一種評價水應力 (stress hydrique)的方法，它包括從葉子和白小板反射和吸收的光強度差出發計算光譜 反射率。人們提出了一些基于含水量對近紅外的選擇性吸收的解決方案。但是，為了獲得 令人滿意的信噪比和精度，它們需要實施準直光學組件和/或比較復雜的集成系統。
—般說來，所有這些方法都有設備易碎或者實施測量時顯得笨重不太適合實現野 外測量的缺點。大部分都意味著每次測量都要破壞植物材料，這使之無法跟蹤同質的材料， 另外，還要求在大自然中無法再現的可控照明環境中進行。 因而，為了保證農業和森林資源的有效和持久的管理，提出一種就地直接和瞬間 測量植被水化作用的系統，看來是一個重大的挑戰。 本發明的目的是，提出一種對植物的水化速率進行直接的非破壞性和瞬間的測量 用的裝置及使用此裝置的方法。本發明的另一個目的在于，提供一種活體和就地測量的裝 置，它不應該受到環境條件，特別是太陽光的影響。其目的還在于，提出一種允許連續地對植被水狀態演變過程進行測量的跟蹤方法。本發明的另一個目的是實時地獲得關于一個或 幾個可能彼此遠離的確定的植被區域的信息。本發明的另一個目標是，提出一種方法，其中 測量是自動進行的，而且最好還對該裝置和測量結果的處理進行控制。最后，該裝置力求小 型、堅固，特別是能夠面對不利的，甚至惡劣的氣候條件，在能量和數據處理上有自主能力， 而且不太昂貴。 這些目標由于本發明的目標裝置而得以實現，它包括集成的光學傳感器，利用葉 子在紅外介質中的光學特性，提供有關葉子樣品水化作用水平的瞬間的和準確的定量信 息。事實上，透射光的部分與葉子中所含的水所吸收的部分相關，含水量越大，吸收部分就 越大，透射部分越小，于是，測量變量明顯與葉子含水量相關。從一個或幾個合理地固定在 自然空間中的遙控的傳感器收集的這個信息，可以提供行為模型，并跟蹤處于水約束中的 植被，以便建立快捷而實用的預測。另外，這樣的一個系統允許考慮當地的物理和氣象條 件。 于是，這帶來對所識別的主要技術、運行和經濟約束的有效響應。其新型特征帶來 一種測量方法，它保證可以不受一般是不利的環境條件，諸如周圍照度或溫度的影響，并在 不破壞樣品的情況下允許自動實現連續的測量。這還由于該裝置是一個性能良好的、集成 的、小型化的和便攜式的野外儀器，成本相對較低。這些特征的結合有助于使對一個現場的 樣品進行連續測量成為可能，于是，開辟了一條從在現場固定安裝并形成網絡的一個或幾 個儀器出發，在空間和時間上進行跟蹤的途徑。 所謂"植物構件"或"樣品"，指的是植物的一部分，其含水量表征整個植物的水狀 態，而且其厚度薄，適宜于進行光透射測量。 一般指的是葉子。監視一個栽種區域時，該植 物可能是培植品種，或者是野生品種，最常見的是為了防止火災。該構件或樣品最好具有持 久的特性，至少在監測期限內是如此。 更準確地說，本發明旨在提供一種植物構件在其自然環境中的水化速率的測定裝 置，包括光電子探測器，所述光電子探測器與測量外殼相結合能夠進行光透射系數的測量， 所述探測器包括 i)第一光源，所述第一光源在對應于水強吸收帶的波長下發射光； ii)可選地，第二光源，所述第二光源在接近第一光源且水弱吸收的波長下發射
光；和 iii)光接收器，其光譜響應對應于第一和第二光源的發射帶， 其特點在于，所述測定裝置包括以確定的頻率對由所述光源發射的平均光功率進 行調制的裝置，以及同步檢波裝置，所述同步檢波裝置對光接收器所接收的光進行同步檢 波，使得透過植物構件并被光接收器接收的給出有用信息的光是由所述光源發射的光的交 變分量。 于是，該裝置免除了環境光所產生的光電流的重大平均分量。太陽直接產生的或 者由漫射光產生的平均照度，和由地面和熱材料發射黑體類型的光線，在光接收器上產生 一個非常強的光電流平均分量，它可能是光源所發出的103至104倍以上。按照本發明，只 有包含在透過該植物發射的光的交變分量中的有用信息，才被該光接收器接收并被測量回 路放大。 第二光源的使用是任意的，但能改善該測量。通過發射一個波長約等于第一光源波長，但水對其吸收弱的光，它允許設置一個與其含水量無關的植物構件透射率的值，并通 過比較得到僅僅含水量對透射率的貢獻。 該測量外殼專門用來容納信號處理的電子部件、至于探測器，除已經提到的光電 部件外，它還包括檢測電子部件。這種分配并非總是硬性的，某些部件可以不在其中，構成 功能模塊的電路和這些模塊本身可以由本專業技術人員以不同的方法根據所接受的規格 設計和安排。 一般說來，傳感器的體系結構按照自動或手動的運行模式、實施方式或按照加 入的功能可以有所不同。不同的實施方式可以在本發明的范圍內從對于本領域技術人員顯 而易見的方案出發構成。 該第一光源在對應于水強吸收帶的光譜間隔中發射光。最好利用光譜中心在 1940nm的光源。同樣可以使用中心在1450nm左右的光源，特別地對于含水量高的植物。作 為標定裝置的非強制性地利用的第二光源，例如，其中心在1300nm上。對光源所發射的平 均光功率的調制是以一個確定的固定的或可變的頻率實現。 按照本發明，該裝置一方面包括對光源的調諧在調制頻率(或多個頻率)上的光 電信號交變分量進行放大的裝置，而另一方面包括所述信號的同步檢波裝置。為此，可以利 用狹帶濾波器，它可以減小有用的信號的通帶以外的噪聲，還調整同步檢波器輸入端上同 相(或反相)的光電信號和基準信號用的前置放大回路的相位差。同步檢波對交變信號進 行檢波，以便提供一個其平均值與光電信號的振幅成正比的連續信號。于是，獲得一個與透 過植物構件的光功率成正比的連續信號。 按照其概念上更現代化的另一個解決方案，模擬回路的一部分可以用與數字信號 處理器(DSP)相聯系的數模轉換器(A/D)代替。前置放大之后，該光電交變信號以及基準 信號都是數字信號，該兩信號與時鐘信號是相干的。數字處理重構光電信號的基波(或一 個諧波)。由于DSP內部基準信號的存在，很容易消除非相干(噪聲)信號，并縮小串音的 貢獻。通過計算數字濾波的光電信號有效值(或RMS)，以數字形式推導出有用信息。
按照本發明的裝置一個推薦的實施例，該探測器包括能夠維持該第一光源結溫 度，而且最好也維持光接收器結溫度恒定的溫度調節裝置。事實上，為了把發射光譜完美地 調諧在水吸收線上，最好穩定光源的溫度。另一方面，在三伏天，光接收器的溫度最好應該 相對較低，以便縮小暗電流，并調整光譜響應最大截止波長。 按照本發明，例如，光源可以是電致發光二極管(LED)、單頻帶型激光二極管或者
面發射激光二極管。該光接收器可由本專業技術人員用已知的方法選定。例如，這是光電
導體，或者最好是異質結光電二極管。該光電二極管的特征在于線性動態范圍非常大。因
此，包含有用信息的交變電流的低振幅，在沒有畸變和沒有明顯壓縮的情況下，重迭在環境
光產生的非常強的平均分量上。另一方面，該光接收器可以與一個能夠維持其恒定偏壓的
互阻抗(transimpedance)電路相結合，以便使所述光接收器保持線性狀態。 為了改善該測量的精度，光源照射該葉子較大面積是有意義的。于是，按照
Lambert定律(擴展光源)，其輻射透過植物構件的漫射光部分的透射被呈現大視界的光接
收器截獲，這允許通過實現在一個大的面積上求平均，考慮植物構件的瑕疵和不規則性。這
使得植物構件需要在所有區域上都同樣地被照射。 這就是為什么按照本發明一個有意義的特征，該裝置包括一個能夠保證用光源非 常寬闊而均勻地照亮植物構件的光學組件。例如，人們可以求助于一組棱鏡(或反射鏡)，其中反射面與入射光和透鏡成45度角；并設置在植物構件兩側，用以確定第一光源發射的
光的方向，并沿著緊湊的裝置內部短的光學行程，將其聚焦在該光接收器上。
因而，人們希望該配置的尺寸盡可能小，與其集成在便攜式測量裝置中相兼容，
但又不會因此而損害測量精度。為此目的巧妙地利用包含兩個設置在植物構件兩側的
Fresnel棱鏡的配置。在這種情況下，反射面不是一個45度的平表面，而是包括安排成階梯
形的多個小平面，每一個小平面與入射光線成45度角。于是，棱鏡的厚度減小，人們獲得一
個厚度小型化的光學組件，在一個寬闊的區域上用準直的光照射植物。 在按照本發明裝置一個特別有意義的實施方案中，探測器由包括兩顎的移動機構
承載。兩顎中的一個支持光源，而另一個則支持光接收器，所述兩顎相隔一段距離，使得測
量時光源和該光接收器設置在植物構件的兩側。于是，樣品無壓力接觸地置于兩顎之間。在
測量期間該光學部件彼此固定在一個確定的距離上。 在一個推薦的實現模式中，當按照本發明的裝置處于測量位置時，該光接收器設 置于上顎，以便限制太陽的直接照射，而光源設置于下顎，向上發射其光通量。該發射部件 和檢測部件可以用對所考慮的波長透明的保護板保護，使之免受雜物(灰塵、水等)侵害。 添加不透明的柔性塑料制可移動保護外套，還可以限制外部照度信號的貢獻。
按照本發明一個有利的方案，該兩顎裝有鉸接軸允許其張開。當用自動或手動的 移動機構對植物構件實現一系列測量時，這樣安排有一個明顯的優點。那時兩顎張開到最 大，接著使其重新回到測量位置，該探測器可以設置在植物構件的水平上。該兩顎的中性位 置(靜止時)，在自動模式下可以推薦關閉位置，或者在手動模式下推薦打開位置。按照所 選定的模式，該中性位置的保持可以用拉伸彈簧或板簧保證。 在所有這些情況下，該裝置最好包括一個與該兩顎協調的可調整撞塊，用以把該 兩顎的間隔調節到最優的測量位置。例如，令人滿意的間隔約為5mm至25mm。當希望實現 對植物構件一個寬闊的區域進行照射時，推薦大的間隔，至少10mm。 當利用一個設有移動機構的裝置時，移動機構最好還包括與測量外殼電連接的裝 置以及與光接收器相結合的檢測電子電路裝置和至少該第一光源和最好還有光接收器用 的溫度調節裝置。部件的電氣布線包括在相應的顎內。 本發明的目標還在于，提出一種植物構件水化狀態檢測儀，它按將要描述的方法
集成測量裝置，并且另一方面能夠保證與在更大的時間和/或空間規模上力求達到與結果
的實現協調的互補功能。于是，請求一種植物構件水化狀態檢測儀，它包含 參上述裝置，能夠實現對植物構件在其自然環境中光透射系數的連續測量； 參把植物構件保持在非約束的位置中的裝置； 參與控制模塊通信的裝置。 控制模塊是作為主組合件的中央單元，特別是包括母板和電池組，可以位于儀器 中或者部分地在遠方，采取一種適宜于本發明目標儀器的功能的結構，并按照本領域技術 人員已知的技術規則設計。 把植物構件保持在非約束的位置上的裝置可以是任何類型，只要它允許以一定的 時間間隔對同樣的材料反復進行測量。這一方面意味著植物材料在整個檢測現場上保持良 好的狀態，而另一方面對測量機構保持相同的定位。誠然不難理解，在原野上，植物并非不 動的，它隨著發育而改變尺寸，并隨風飄動。所謂非約束位置，是指適當選擇保持裝置，以保證植物保持在給定的位置中而不被損壞、不被改變，更不受破壞，因而不產生會改變植物構 件水狀態的應力。按照本發明的一個特征，該植物構件保持裝置可以包括一個設置在探測 器高度上的橫架，和至少一個捆綁固定承載所述植物構件的植物的一部分。例如，這樣的部 分是植物構件在其上發育的并呈現一定剛度，允許使之保持不動，就是說允許沒有壓力地 封閉的桿或者枝杈。 按照本發明的另一個特征，該儀器可以包括移動機構的內部保護凹槽和在進行測 量之前把所述機構移動到植物構件的裝置。于是，可能在兩次測量之間把探測器的部件收 進防惡劣的天氣和灰塵的保護罩中，而受測試的葉子本身則依然處于日曬或雨淋的正常條 件下。按照本發明一個特定的方案，該儀器包括探測器移動和控制兩顎運動的自動機構。
按照本發明的儀器最好還包括數據采集裝置，采集有關氣候環境和/或植物構件 地理位置的數據。例如，它可以具有一個包括雨量計、溫濕度計和風速計的外置單元(unite d印ortee)。在按照本發明儀器一個推薦的實現模式中，它包括下列一個或幾個模塊
參微控制器模塊，控制電子電路和機械自動裝置的功能；
參通信接口模塊，配有本地輸出和/或遠程輸出；
參移動機構的自動裝置模塊；
參電源模塊，包含自主式能源。 該適當的電子電路是按照技術規則設計的，并與這些模塊相結合。它尤其包括各 種板卡和需要的電子部件，特別是可以裝在測量移動機構以外的檢測部件、溫度調節的電 子電路、發射塊和時鐘電子電路、放大、濾波和檢領U、探測器卡、保證探測器卡和控制/測量 信號結合的模擬主電路卡。 下面將要描述的裝置和儀器特別適宜于實施植物構件在其自然環境中水化速率 測定的方法。于是，請求一種借助于按照本發明的裝置或儀器實現光透射系數測量的方法。
本發明的目標還在于，提出一種借助于光電子探測器測量光透射系數，以便測定 植物構件在其自然環境中的水化速率的方法，它主要包括下列步驟 參從第一光源發射波長對應于水強吸收帶的光，和可選地，從第二光源發射其波
長約等于第一光源波長的水吸收弱的允許對光透射測量進行標定的光； 參按照一個確定的頻率調制該一個或多個光源發射的光，以便獲得所述光的一個
交變分量； 參用該發射光的所述交變分量照射植物構件； 參在光接收器上接收該光透過植物構件的所述交變分量，并對光電信號進行同步檢波。 在該自動化配置中，該儀器非常自然地固定在參照植物附近。所選定的安裝方法 最好是這樣的，使之允許在可達數月的較長和較短時間里自主地和自動地進行連續測量。 第二光源的使用是任意的，但可改善測量，因為它允許設置一個與其含水量無關的植物構 件透射率值。 該方法包括放大被該光接收器接收的調諧在光源調制頻率上的光的所述交變分 量，并對光電信號進行同步檢波，以便獲得一個與透穿過植物構件的光功率成正比的信號 的步驟。對所獲得的光電信號的處理模式可以是模擬的或數字的。 若利用模擬回路(帶通濾波器和同步檢波)，則在輸出端獲得一個與透過植物構件的光功率成正比的連續信號。狹帶濾波器允許減小有用信號通帶以外的噪聲信號，并調 整前置放大回路的相位差，使光電信號和基準信號在同步檢波器輸入端同相(或反相)。對 交變信號進行檢波以便提供一個連續信號。若使用數模轉換器(A/D)與數字信號處理器相 聯系，則在輸出端獲得一個與透過植物構件的調制光功率分量成正比的數字信號和一個與 該光電信號有效值成正比的數字值。在這后一種情況下，對被該光接收器接收的光的所述 交變分量進行放大之后，把模擬信號轉換為數字信號，并以數字信號處理器(DSP)產生的 與光源調制信號相干的時鐘信號作為基準進行處理。 按照所請求的方法的另一個推薦的特征，把第一光源，最好還把光接收器的結溫 度維持在一個完美地對應于植物中水吸收線的恒定值上。測量時光接收器的偏壓同樣最好 維持恒定。 按照本發明一個有意義的特征，該一個或多個光源所發射的光穿過一個能夠寬闊
而均勻地照射植物構件的光學組件。它可以穿過一組棱鏡，其中該反射面與入射光線和透
鏡成45度角，設置在植物構件的兩側。例如，它穿過植物構件上游的第一透鏡和第一棱鏡，
接著在下游，穿過第二棱鏡和第二透鏡，以便把透射的光聚焦在該光接收器上。 按照一個對小型化而不損失圖像精度的特別有意義的實施方案，該一個或多個光
源所發射的光穿過兩個Fresnel棱鏡，其反射面包括多個與入射光線成45度角的小平面，
所述棱鏡設置在植物構件的兩側。 在按照本發明的方法一個特定的實施模式中，利用一個由包括相距一段距離的兩 顎的移動機構承載的探測器，面對面地兩顎中一個支持該一個或多個光源，而另一個支持 光接收器，并在進行測量之前預先把所述兩顎設置在植物構件的兩側。在這種情況下，當把 兩顎放置在植物構件的兩側時，最好所述兩顎張開，接著關閉到調整兩顎間隔的撞塊的測 量位置上。 在借助于由所述移動機構承載的所述探測器對植物構件的光透射系數進行連續 測量時，在兩次測量之間移動機構最好縮回儀器的內部凹槽中。按照本發明目標方法一個 有意義的實施模式，通過固定承載所述植物構件的植物的一部分，把植物構件持久地維持 在一個非約束的位置上，使之能夠伸入承載該探測器的移動機構。 按照本發明的方法還可以包括一個或幾個操作，包括采集有關氣候環境和/或所
述植物構件地理位置的數據。最后，本方法可以包括至少一個由本地自動化系統或者遠程
指令管理的下列操作 參測量的起動和實現； 參控制電子電路和機械的功能； 參通信的管理； 參數據的采集、存儲和傳輸； 參自主式能源供應。 如上所述，可以對同樣的植物構件實現幾個連續的測量，以便測量所述植物構件 含水量的演變。同樣可以設想在對占據較大和較小區域的植被的不同點上實現多個測量。 這些測量可以由一個配有按照本發明的便攜式裝置的操作人員實現，從所研究的區域的一 個點移動到另一個點。而且，還可以借助于幾個永久地安裝在所研究的植被的不同點上的 儀器在自動模式下實現。還請求先前所描述的植物構件在其自然環境中的水化速率測定裝置，或者同樣上述檢驗植物構件在其自然環境中的水化速率的儀器，在估計和跟蹤植被水 化狀態隨著時間的變化的用途。 還請求先前所描述的測量光透射系數來測定水化速率的方法，在估計和跟蹤植被 水化狀態隨著時間變化的用途。這假定組成所述方法的步驟可以以選定的時間間隔，最好 在所監測的植被區域的不同點，反復進行，于是按照本發明通過與組織成網絡并遠程控制 的實施裝置相聯系便成為可能。 在不同的時刻對同樣的樣品重復地進行測量，便可以以植物生長周期或季節的規 模，建立葉片水狀態的準確而有意義的動態曲線。這可以免除與在一個給定瞬間兩個葉子 之間，或者甚至兩棵相鄰植株之間，可能觀察到的狀態異質性相聯系的噪聲。最后，這可以 使在破壞性測量的情況下不易察覺的不顯著的水狀態變化變得顯著。 借助于說明特定的實現模式但不限制其范圍的示例和附圖，會更好地理解本發 明。
圖1是按照本發明的植物構件光度測量裝置的功能示意圖，包含探測器和測量外 殼； 圖la示意地表示寬闊地照射植物構件用的包含一組透鏡和平面棱鏡的光學組 件； 圖lb示意地表示寬闊地照射植物構件用的包含兩個Fresnel棱鏡的光學組件；
圖2是按照本發明估計和跟蹤植被水化狀態的儀器的功能示意圖；
圖3表示承載探測器的移動機構，帶有由拉伸彈簧驅動的鉸接顎；而
圖4是按照本發明的儀器的流程圖，說明按照自動化模式的運行方法。
示例1 :植物構件光度測量裝置 植物構件在其自然環境中的水化速率測定裝置在這里包括與測量外殼2相聯系 的光電子探測器1。探測器1包括兩個LED，發射狹帶光譜LED 3發射波長為1940nm對應 于水強吸收帶的光；而LED 4，發射1300nm，水弱吸收的光。還包括耦合到其放大器的光電 二極管5，其光譜響應對應于該兩個LED的發送帶。外殼2包含主電子電路卡，集成電子實 施的主要部分。外殼2和探測器1形成兩個分開的但在物理上被電纜或扁平電纜(n即pe) 連接的部件。LED 3的中央發射波長的調整是由結溫度調節器9a實現的。中心位于1300nm 的LED 4，允許通過測定與樣品含水量無關的信號的衰減，對樣品的光透射測量進行標定。 不調節該LED的溫度。 為了消除周圍照度給該光電二極管造成的非常強的光電流平均分量，以一個由時 鐘11確定的頻率對LED發射的平均功率進行調制。只有光電流的這個包含信息的交變分 量才接著被檢測回路處理。 光電二極管5在溫度上被集成在該光電二極管的外殼中的調節器9b調節。為了 達到所希望的光譜響應，需要采取半導體技術，但后果是光電二極管呈現巨大的暗電流。為 了縮小暗電流，采取了兩種技術 參由互阻抗(transimpedance)電路(未示出)強制造成OV偏壓；
參把溫度調節到低于周圍溫度。 光電二極管5的特征在于線性動態范圍非常大。因此，包含信息的微弱的交變電 流振幅，在不畸變、不明顯壓縮的情況下，重迭在環境光產生的非常強的平均分量上。于是不得不使用互阻抗電路來保持使光電二極管處于線性狀態的恒定偏壓。該平均電流通過產 生一個其二次譜密度恒定的(白噪聲源)散彈噪聲電流，使光電信號的信噪比退化。為了 使信噪比達到最優，進行調諧在調制頻率上的選擇性放大(借助于放大器7)，避免同步檢 波器8輸入噪聲超載。采用電壓增益可編程的放大器12，以便調整同步檢波器8的動態范 圍。同步檢波輸出上的低通濾波器13的時間常數，使通帶等價于回路噪聲。同步檢波對其 平均值與光電信號振幅成正比的交變信號進行檢波。這就是人們要測量的平均分量。
圖1 描述測量模擬回路。所用的電子部件都是可以獲得的標準部件并在市場上可以輕易購得。 只要滿足組件所需的功能，就可以設想替換解決方案。 探測器1可以配備圖la所示的光學組件40。第一 LED 3發射1940nm的光，標定 LED 4發射1300nm的光。該光穿過第一透鏡41，接著穿過平面棱鏡42。于是，在第一棱鏡 42的輸出上該均勻的光束照射在植物構件10 —個寬闊的區域上。透射的光被第二平面棱 鏡43接收，接著被第二透鏡44聚焦在光接收器5上。作為替代方案，而且從小型化可能性 的觀點上性能更好，平面棱鏡42， 43和透鏡41 ，44用配有多個安排成"階梯形"與入射光束 成45度的小平面48的兩個Fresnel棱鏡46， 47代替，使光束按照與Fresnel透鏡相同的 原理照射。 在這兩種情況下，人們獲得對植物構件10的均勻而且寬闊的照射(光束45的光
學行程用細線表示)。配置40具有最小的外廓尺寸并易于集成在緊湊的裝置中，從而使之
能夠小型化，但仍與優異的測量精度兼容。 示例2 :帶有支持探測器的移動機構的裝置 在圖3上示例1所描述的裝置的探測器1由移動機構20支持，包括兩顎21和22， 可圍繞鉸接軸24移動并相隔一段距離23。該機構允許
參接納光度檢測的電子電路； 參保證LED 3和4以及光電二極管5在該測量配置中的定位的保持；
參通過適當的功效學保證對植物樣品活體透射測量的實現和重復。
移動機構20(開/閉)的實施可以自動或手動實現。顎21，22的中性位置由彈簧 28的動作保證，并按照自動或手動模式而變化。在自動模式下，中性位置是由拉伸彈簧維持 的關閉位置；在手動模式下，該中性位置是由板簧保證的打開位置。測量電子電路堅固地安 裝在顎21，22的兩個端部，通過固定該兩顎而直接面對面。光電二極管5位于上顎21，以便 限制太陽的直接照射。LED 3，4位于下顎22，向上發射其光通量。可以用兩塊對所考慮的 波長透明的保護板(未示出)保護發射部件和檢測部件3， 4， 5，以免雜物(粉塵、水等)侵 入。兩顎21，22之間的間隔為15mm，并構成樣品10插入區域。 發射部件和檢測部件的電氣布線每一個都集成在該顎形支架上。LED 3，4和光電 二極管5之間的間隔是恒定的，為5mm(部件邊緣至邊緣)；設置在移動機構20的原點上的 可調整的撞塊25可以很好地面對面地定位這些部件。照射面積(在樣品水平上)在2cm2 的數量級，并可以用保護板一部分進行圓形擋光加以縮小。添加柔性塑料制成的可移動保 護外套可以限制外部照度的貢獻。樣品10無壓力接觸地裝在該兩顎21，22之間。在測量 期間，光學部件固定得彼此相隔 一個確定的距離。
示例3 :跟蹤植被水化狀態的儀器 圖2所示的儀器用分別用示例1和2中描述的裝置和移動機構實現。在這里呈現的儀器具有自動運行模式。它包括把植物樣品保持在非約束位置上用的裝置；和用布線26連接與控制模塊30通信的裝置31。
3. 1)樣品的保持 橫架27由圓形桿構成，其幾何形狀可按照樣品和承載該樣品的植物(木本或非木本植物)的形態(葉的面積、長/寬比等)而變化。它具有標準端接作用，例如，兩個平行的插針，允許插入儀器體內。固定的捆綁允許對植物不改變和非破壞性的懸掛，包括
參在橫架上一個或兩個固定點，位置可通過滑動調整，并用固定螺釘固定；
參植物(枝或桿)的栓系點。 捆綁的數目隨植物(植物的類型、葉子的特征等)和環境條件，特別是風而變化。
3. 2)環境系統 圖4所示的環境系統允許固定地安裝在自然介質中，遠程管理和測量周期的自動化，特別是測量電子電路的自動標定、測量時探測器在樣品上定位的伺服裝置和測量結果的遠程傳輸，都由其實現確定。它包括一個作為主組合件的中央單元，特別是包括母板和電池組，并可以位于儀器本機中，或者部分地在遠處，按照適合本發明的目標儀器的功能結構，按照本領域技術人員已知技術的規則設計。
3. 2. 1)控制模塊或微控制器
該模塊30具有以下功能 參單獨控制包含于測量周期的實施中的不同模塊并協調其動作； 參管理測量的自動編程； 參優化探測器1的能量管理； 參采集、處理、存儲，接著恢復不同的測量分量； 參保證測量回路的完整性。 它采取帶有位于中央單元的微控制器的電子電路卡的形式，按照外廓尺寸面積小的邏輯設計。 3.2.2)"通信接口"模塊 這是一個組合件31，由兩個專用于本機通信31 (a)和遠程通信31 (b)的子模塊組成。它具有以下功能 參接收和管理本地用戶發出的起動測量周期的命令(手動模式)或遠程請求(自動模式)； 參通過顯示或傳輸向該本地用戶或該遠程請求發送測量結果；
參允許選擇該裝置的參數。 遠程通信子模塊31(b)是一個通信卡上的GSM型無線通信模塊。它有一條外部天線，定位于中央單元的上層模塊。所選定的測量周期的起動模式決定GSM鏈路的特色
參在排他性自動模式下，該微控制器按時鐘程序自動地啟動測量周期GSM-檢測器用來向GSM-管理商傳遞測量結果。 參在非排他性自動模式下，測量周期通過從GSM用戶向GSM檢測器發送SMS來起動。收到SMS后，GSM-檢測器的傳感器向微控制器發送信息，啟動該次測量，接著向GSM管理商發送測量結果。 參在混合模式下，同時由用戶和裝置(編程)實現起動。后兩個方式意味著GSM
13檢測器應該總在監聽。 3.2.3)"電源"模塊 該模塊34具有以下功能 參在手動啟動探測器1的情況下，保證微控制器30和測量裝置良好運行相適應的和需要的供電，以及在裝置自動啟動的情況下通信模塊31和移動機構20的自動裝置的供電； 參在該第二種情況下，在與地面用戶表達的需求兼容的期限內保證裝置的自治。 對于手動和自動方式，它包括電池組或干電池類型內部電源，對于自動模式，用光伏打太陽電池板類型的外部電源補充。
3.2.4)"探測器自動裝置"模塊
該模塊33具有下列功能 參允許在測量周期起動時把探測器1臨時定位在樣品10上，以便進行測量， 一旦測量完成便將其退回；禾口 參不進行測量時，將探測器1收入保護罩中，以防外部侵蝕(灰塵、光線、雨等)。 它在接納基座包括一個特定的凹槽以及移動機構20展開/褶回的自動裝置。移
動機構20的展開/褶回系統包括一個線性移動伺服裝置。它是借助于線性步進馬達實現
的。該電動機與機構20連成一體(在后表面)，而螺釘的前端固定在接納基座上。該電動
機由微控制器30控制。 3.2.5)"氣象環境參數"模塊 這是一個外置模塊32，具有以下功能 參測出圍繞光譜測量的氣象環境特征，例如，通過登記最近24小時的累計降水
量，和最近下雨事件的自動日期時間記錄；測量時刻保護罩下的周圍溫度；測量時刻保護罩下的空氣相對濕度；測量時刻平均風速和風向；禾口
參按日期和時間向微控制器30返送信息。
示例4 :測量的實現_方法 在手動配置下，該測量是由出現在現場操作人員實現。操作人員使裝置上電，開始測試階段(輸入端電壓和發射/接收鏈接清單)并實現一次空測量(沒有樣品)。接著，將移動機構20手動定位于待測葉子10上面，以便進行透射測量。微控制器30接著計算透射率并編纂要向本地和/或遠方發回的信息(裝置的參數)、透射率測量值。接著撤去該裝置的電壓。 在自動配置下，該測量由先前描述的儀器按照一個運行模式使圖4的模塊投入運行而實現。不處于測量階段時，安裝在要考察的植物附近的儀器處于監聽狀態。它的激活和一次測量的起動是在收到一個遠程指令時或由程序自動起動實現。把該信息傳輸到微控制器30，后者本身同時控制"探測器自動裝置"模塊33和光度計裝置1，2。記錄動作的日期時刻如下 參光度計裝置完整性測試階段(輸入端電壓和發射/接收鏈接清單)；
參在顎21， 22的中性位置上實現一次空測量；
參移動機構20平移并把探測器1定位在樣品10上；
參實現葉子的透射率測量；
攀控制移動機構20收回。 微控制器模塊30接著進行透射率計算，接著編纂要發送的信息(氣象學數據、探測器的參數和透射率測量(結果))。向接收中心35進行遠程發送。周期結束時，該儀器回到其監聽狀態。
權利要求
一種植物構件(10)在其自然環境中的水化速率的測定裝置，包括光電子探測器(1)，所述光電子探測器與測量外殼(2)相結合能夠進行光透射系數的測量，所述探測器包括i)第一光源(3)，所述第一光源在對應于水強吸收帶的波長下發射光；ii)可選地，第二光源(4)，所述第二光源在接近第一光源且水弱吸收的波長下發射光；和iii)光接收器(5)，其光譜響應對應于第一和第二光源(3，4)的發射帶，其特征在于，所述測定裝置包括以確定的頻率對由所述光源(3，4)發射的平均光功率進行調制的裝置(6)，以及同步檢波裝置(8)，所述同步檢波裝置對光接收器所接收的光進行同步檢波，使得透過植物構件(10)并被光接收器(5)接收的給出有用信息的光是由所述光源(3，4)發射的光的交變分量。
2. 如權利要求l所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括對調諧在所述光源(3，4)的調 制頻率下的光電信號的交變分量進行放大的裝置(7)。
3. 如上述權利要求中的任何一項權利要求所述的裝置，其特征在于，所述探測器(1) 包括溫度調節裝置(9a，9b)，所述溫度調節裝置能夠維持第一光源(3)和最好也維持光接 收器(5)的結溫度恒定。
4. 如上述權利要求中的任何一項權利要求所述的裝置，其特征在于，所述光源(3，4) 是電致發光的二極管、單頻帶激光二極管或面發射激光二極管。
5. 如上述權利要求中的任何一項權利要求所述的裝置，其特征在于，所述探測器(1) 包括光學組件(40)，所述光學組件能夠保證所述光源(3，4)寬闊且均勻地照射植物構件 (10)。
6. 如上述權利要求所述的裝置，其特征在于，所述光學組件(40)包括一組棱鏡(42， 43)，其反射面與入射光線和透鏡(41,44)成45度角，放置在植物構件(10)的兩側，或者兩 個Fresnel棱鏡(46， 47)，其反射面包括多個與入射光線成45度角的小平面(48)。
7. 如上列權利要求中的任何一項權利要求所述的裝置，其特征在于，所述探測器(1) 由移動機構(20)承載，所述移動機構具有兩顎(21,22)，所述兩顎彼此面對面且其中一個 支持所述光源(3，4)，而另一個則支持所述光接收器(5)，所述兩顎相隔一段距離(23)，使 得測量時所述光源(3，4)和所述光接收器(5)設置在所述植物構件(10)的兩側。
8. 前一項權利要求所述的裝置，其特征在于，在測量位置上，所述光接收器(5)設置于 上顎(21)，而所述光源(3，4)則設置于下顎(22)。
9. 如權利要求7或8所述的裝置，其特征在于，兩顎(3，4)裝有鉸接軸(24)，以便允許 所述兩顎打開。
10. 如權利要求7至9中的任何一項權利要求所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括 可調整的撞塊(25)，所述撞塊與所述兩顎合作，用以把所述兩顎的間隔調節到最優的測量位置。
11. 如權利要求7至10中的任何一項權利要求所述的裝置，其特征在于，所述移動機構 (20)還包括用于與測量外殼(2)電連接的裝置(26)、與光接收器(5)相結合的檢測電子電 路裝置以及至少所述第一光源和光接收器的溫度調節裝置。
12. —種植物構件水化狀態的檢測儀(IO)，其特征在于，它包括參如權利要求1至10中的任何一項權利要求所述的裝置，所述裝置能夠實現所述植物 構件在其自然環境中光透射系數的連續的測量；參把植物構件(10)保持在非約束位置上的裝置(27);禾口 參與控制裝置(30)通信的裝置(31)。
13. 如權利要求12所述的儀器，其特征在于，所述植物構件(10)的保持裝置(27)包括 設置在所述探測器(2)的頂上的橫架以及用于捆綁固定所述承載植物構件(10)的植物的 一部分的至少一條條帶。
14. 如權利要求12或13所述的儀器，其特征在于，它包括移動機構(20)的內部保護凹 槽和測量時用以把所述機構移動到植物構件(10)的裝置。
15. 如前一項權利要求所述的儀器，其特征在于，它包括移動探測器(2)和控制兩顎 (21,22)運動的自動機構。
16. 如權利要求12至15中的任何一項權利要求所述的儀器，其特征在于，它還包括有 關氣候環境和/或植物構件地理位置的數據采集裝置(32)。
17. 如權利要求12至16中的任何一項權利要求所述的儀器，其特征在于，它包括一個 或幾個下列模塊參微控制器模塊(30)，用于控制電子電路功能和機械自動裝置； 參通信接口模塊(31)，配備有本地輸出和/或遠程輸出； 參移動機構的自動裝置模塊(33); 參電源模塊(34)，包含自主式能源。
18. —種用于借助于光電子探測器(2)測量光透射系數來測定植物構件(10)在其自然 環境中水化速率的方法，它基本包括以下步驟參從第一光源(3)發射波長對應于水強吸收帶的光，和可選地，從第二光源(4)發射波 長約等于第一光源波長的水弱吸收的允許對光透射測量進行標定的光；參以確定的頻率調制所述光源(3，4)發射的光，以便獲得所述光的交變分量；參用發射的光的所述交變分量照射植物構件(10);禾口參在光接收器(5)上接收該光透過植物構件(10)的所述交變分量，并對光電信號進行 同步檢波。
19. 如前一項權利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括放大所述光接收器(5) 所接收的調諧在光源(3，4)的調制頻率上的光的所述交變分量，以便在輸出端獲得與透過 植物構件(10)的光功率成正比的信號的步驟。
20. 如前一項權利要求所述的方法，其特征在于，實現該光接收器(5)所接收的光的所 述交變分量的放大之后，把該模擬信號轉換為數字信號，并用數字信號處理器產生的與光 源(3，4)調制信號相干的時鐘信號作為基準進行處理，在輸出端獲得與透過植物構件(10) 的調制光功率分量成正比的數字信號。
21. 如權利要求18至20中的任何一項權利要求所述的方法，其特征在于，維持第一光 源(3)的結溫度恒定，最好也維持光接收器(5)的結溫度恒定。
22. 如權利要求18至21中的任何一項權利要求所述的方法，其特征在于，所述光源 (3，4)發射的穿過光學組件(40)的光能夠保證寬闊且均勻地照射植物構件(10)。
23. 如前一項權利要求所述的方法，其特征在于，所述光源(3，4)發射的光穿過一組棱鏡(42，43)，其反射面與入射光線和透鏡(41，44)成45度角，所述棱鏡設置在植物構件 (10)的兩側。
24. 如權利要求22所述的方法，其特征在于，所述光源(3，4)發射的光穿過兩個 Fresnel棱鏡(46， 47)，其反射面包括多個與入射光線成45度角的小平面(48)，所述棱鏡設 置在植物構件(10)的兩側。
25. 如權利要求18至24中的任何一項權利要求所述的方法，其特征在于，利用由移 動機構(20)承載的探測器(2)，所述移動機構包括兩顎(21，22)，所述兩顎相隔一段距離 (23)，所述兩顎彼此面對面，且其中一個支持所述光源(3，4)，而另一個則支持光接收器 (5)，測量時預先把所述兩顎放置植物構件(10)的兩側。
26. 如前一項權利要求所述的方法，其特征在于，當兩顎(21,22)放置在植物構件(10) 的兩側時，所述兩顎張開，接著關閉直至兩顎的間隔調整撞塊(25)處于測量位置為止。
27. 如權利要求25或26所述的方法，其特征在于，在借助于所述移動機構所承載承載 的所述探測器，實現植物構件(10)光透射系數的連續測量時，兩次測量之間兩顎縮回儀器 內部凹槽中。
28. 如權利要求25至27中的任何一項權利要求所述的方法，其特征在于，通過固定承 載所述植物構件的植物的一部分，使植物構件(10)持久地保持在非約束位置上，使之伸入 承載該探測器(2)的移動機構(20)中。
29. 如權利要求18至28中的任何一項權利要求所述的方法，其特征在于，所述方法還 包括實現有關氣候環境和/或所述植物構件的地理位置的數據采集。
30. 如權利要求18至29中的任何一項權利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包 括由本地自動系統或者遠程指令管理的至少一個下列操作參控制電^電路和機械的功能； 參管理通信；參數據的采集、存儲和傳輸； 參自主式能源的電源；
31. 如權利要求1至11中的任何一項權利要求所述的植物構件在其自然環境中水化速 率的測定裝置，或如權利要求12至17中的任何一項權利要求所述的檢驗植物構件在其自 然環境中的水化速率的儀器，在隨著時間估計和跟蹤植被的水化狀態的用途。
32. 如權利要求18至30中的任何一項權利要求所述的方法，在隨著時間估計和跟蹤植 被水化狀態的用途。
全文摘要
本發明涉及植物構件(10)中含水量測量用的光電子裝置以及實時估計和跟蹤植被(10)水化狀態用的儀器。它們允許以一個時間間隔對同一材料進行反復的測量，而不會對其造成損害或破壞。該裝置包括與測量外殼(2)相結合的光電子探測器(1)，該探測器(1)包括i)第一光源(3)，發射波長對應于水強吸收帶的光；ii)可選地，第二光源(4)，發射波長約在第一光源(3)附近并被水弱吸收的光；和iii)光接收器(5)，其光譜響應對應于第一光源(3)和第二光源(4)的發送帶，該裝置包含以確定的頻率調制光源(3，4)發射的平均光功率用的裝置(16)；和對光接收器(5)所接收的光進行同步檢波用的裝置(8)。該探測器(1)可由移動機構承載，后者包括兩顎(21，22)，樣品無壓力接觸地夾在該兩顎之間。
文檔編號A01G7/00GK101784882SQ200880023222
公開日2010年7月21日 申請日期2008年7月1日 優先權日2007年7月6日
發明者J·F·蓋爾蒂, M·萊斯庫雷 申請人:法國圖盧茲第二大學;國立圖盧茲綜合理工學院(Inpt)