close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Remote Desktop Redirected Printer Doc;pdf

код для вставкиСкачать
УДК 504.064.36
ДИСТАНЦИОННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ
СОСТОЯНИЯ РАСТИТЕЛЬНОСТИ
Белов М.Л., Булло О.А., Городничев В.А.
НИИ радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им. Н. Э. Баумана
E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
Статья посвящена разработке лазерного флуоресцентного метода контроля состояния растений.
Приведены результаты экспериментальных исследований спектров лазерно-индуцированной флуоресценции растений. Показано, что при длине волны возбуждения флуоресценции 532 нм воздействие стрессовых факторов, вызванных механическим повреждением растений, может проявляться как в увеличении интенсивности флуоресценции, так и в изменении формы спектра флуоресценции. Измерение интенсивности и формы спектра лазерно-индуцированной флуоресценции растений может быть положено в
основу лазерного метода обнаружения стрессовых состояний растений.
Ключевые слова: лазерный метод, флуоресценция, растения, контроль состояния растений.
LASER FLUORESCENCE METHOD FOR VEGETATION MONITORING
Belov М.L., Bullo O.A., Gorodnichev V.А.
Research Institute of Moscow State Technical University n.a. Bauman
E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
Laser fluorescence method for vegetation monitoring is considered. Experimental studies results of laser-induced fluorescence spectra of plants are given. It is shown that for wavelength of fluorescence excitation
532 nm action of different stress factor by reason of presence of mechanical damage of plants may cause to both
magnification of fluorescent signal and deformation of fluorescence spectrum profile. Measurement of fluorescent signal intensity and fluorescence spectrum profile can be base of laser fluorescence method of vegetation
monitoring.
Key words: laser method, fluorescence, vegetation, vegetation monitoring.
Введение
Аналитические методы, основанные на анализе спектров лазерной индуцированной
флуоресценции, широко используются в настоящее время в науке и технике. Создание мощных лазеров позволило распространить методы флуоресцентного анализа на область дистанционного зондирования (см., например [1]).
Одной из перспективных областей использования лазерного флуоресцентного анализа
может стать дистанционный контроль состояния растительности [2-15].
Структурная схема дистанционного флуориметра (флуоресцентного лидара) для контроля состояния растительности представлена на рис. 1. Лазер флуориметра 1 облучает исследуемый растительный объект 2. При взаимодействии с растительностью лазерный пучок
частично рассеивается без изменения длины волны, а часть энергии поглощается и преобразуется в излучение флуоресценции.
Флуоресцентное излучение поступает в приемную оптическую систему 3 и направляется на вход спектрофотометра (монохроматора) 4. С выхода спектрофотометра излучение
1
по оптоволокну направляется в блок фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) 5, используемых
в качестве фотодетекторов. Далее электрические сигналы направляются на аналогоцифровой преобразователь (АЦП) 6. С выхода АЦП цифровая информация направляется в
компьютер 7, где осуществляются предварительная обработка и запись накопленных сигналов.
Рисунок 1.
Типичные характеристики приемника и лазерного источника излучения флуоресцентного лидара показаны в табл. 1.
Таблица 1.
Типичные характеристики приемника
и лазерного источника излучения флуоресцентного лидара
Длина волны регистрации, нм
400-800
Длительность импульса, нс
10-15
Расходимость пучка излучения, мрад
5-10
Энергия лазерного импульса, мДж
10-20
Диаметр приемного телескопа, см
15
Как правило дальность регистрации флуоресцентного сигнала составляет 50-150 м.
На сегодняшний день наибольшее число экспериментальных работ в области дистанционного флуоресцентного контроля растительности посвящено исследованию флуоресценции растений при использовании (для возбуждения флуоресценции) лазеров на длинах волн
337 (азотный лазер), 355 и 532 нм (третья и вторая гармоники лазера на иттрий-алюминиевом
гранате, активированном ионами неодима).
Наиболее перспективным для создания бортовой аппаратуры лазерным источником
представляется твердотельный импульсный лазер на длине волны 532 нм. Он имеет преимущество (при разработке аппаратуры для дистанционного зондирования) как перед азотным
2
лазером на 337 нм (в бортовой аппаратуре лучше использовать твердотельные лазеры), так и
перед лазером на 355 нм (третья гармоника лазера на ИАГ имеет меньшую энергию в импульсе, чем вторая). Поэтому число работ, в которых приводятся результаты дистанционных
экспериментальных исследований спектров флуоресценции здоровой растительности при
длине возбуждения 532 нм, довольно велико (см., например, [2-6,8,9,11-14]).
Для примера на рис. 2 приведен экспериментально полученный спектр флуоресценции
листьев Black cherry при длине волны возбуждения 532 нм [9].
Рисунок 2.
На рис. 2 хорошо видно, что спектр флуоресценции растения в нормальном состоянии
имеет два максимума – в области ~ 680 нм и в области ~ 740 нм. При этом для большинства
растений в нормальном состоянии отношение
R 680 / 740
интенсивностей флуоресценции на
длинах волн 680 нм и 740 нм меньше 1.
Однако, на сегодняшний день число экспериментальных работ, посвященных экспериментальным исследованиям спектров флуоресценции растений в стрессовых состояниях
при длине возбуждения 532 нм крайне мало – см. [7,8,10,15].
Статья посвящена экспериментальному исследованию лазерного метода контроля
стрессовых состояний растений для длины волны возбуждения флуоресценции 532 нм. Такая
задача представляет практический интерес для контроля состояния растительности по результатам дистанционных измерений.
Экспериментальная установка
Для исследования спектров лазерно-индуцированной флуоресценции была создана
лабораторная установка, структурная схема которой представлена на рис. 3.
3
Рисунок 3.
В качестве источника возбуждения излучения флуоресценции была выбрана вторая
гармоника YAG:Nd лазера. В лабораторной установке был используется твердотельный импульсный лазер с диодной накачкой и с удвоением частоты (с длительностью импульса 7 нс
и частотой повторения до 500 Гц).
Излучение флуоресценции собирается приемным объективом (диаметром 15 мм) и вводится в оптическое волокно, диаметр сердечника которого 600 мкм, ахроматическим адаптером оптического волокна FA-1. Адаптер оснащен оптическим разъемом типа SMA-905 для
присоединения волокна и позволяет проводить юстировку в трех плоскостях. В качестве
спектрального прибора используется полихроматор М266. Полихроматор M266 полностью
автоматизирован: смена решеток, оптических фильтров, выбор ширины входной щели осуществляется автоматически.
Спектр флуоресценции регистрируется высокочувствительным матричным детектором
с усилителем яркости.
После усилителя яркости изображение переносится оптической системой на ПЗС детектора. Детектор преобразует изображение в цифровой массив и по интерфейсу USB 2.0
передает этот массив на компьютер.
Для управления экспериментальной установкой использовалось специальное программное обеспечение, реализованное в среде визуального программирования LabVIEW.
На установке проводились измерения спектров флуоресценции в диапазоне 595 – 800
нм. Для измерения спектров флуоресценции была выбрана ширина щели полихроматора
равная 200 мкм, которая обеспечивает спектральное разрешение 5 нм.
Экспериментальные исследования проводились для быстрорастущих и неприхотливых видов растений – различные виды салата, огурцов (как пример сельскохозяйственных
культур), травы. Расстояние до исследуемых растений было порядка 1 м. Исследовались
4
спектры флуоресценции растений в нормальном состоянии и при механических повреждениях растений (повреждение корневой системы, обрезание и примятие растений).
Обсуждение результатов
На рис. 4, 5 приведены характерные примеры измеренных спектров флуоресценции
растений в различных стрессовых состояниях.
Спектр флуоресценции растений в стрессовых состояниях отличается от спектра флуоресценции растений в нормальном состоянии. Причем, при воздействии стрессового фактора, вызванного различными механическими повреждениями разных растений, искажение
спектра флуоресценции может проявляться в зависимости от вида растения как в увеличении
интенсивности лазерно-индуцированной флуоресценции, так и в изменении формы спектра
флуоресценции.
Увеличение интенсивности флуоресценции характерно для большинства данных измерений спектров при механическом повреждении растений на других длинах волн возбуждения. Этот эффект для механических повреждений растений показывают и наши измерения для длины волны возбуждения 532 нм.
Для примера на рис. 4 приведены спектры лазерно-индуцированной флуоресценции
травы (выращенной из смеси Декора Aros) в стрессовом и нормальном состоянии. Стресс
был вызван сильным примятием травы.
На рис. 4 – спектр 1 соответствует усредненному (по разным измерениям) спектру
флуоресценции сразу (в течении 10-15 минут) после механического повреждения (сильного
примятия), а спектр 2 - усредненному (по разным измерениям) спектру флуоресценции в
нормальном состоянии (до механического воздействия). Усреднение данных для рисунка 4
проводилось по времени измерения и по разным образцам растений – по 12 измерениям для
контрольных экземпляров и по 6 – для стрессового состояния.
Рисунок 4.
5
Из рис. 4 видно, что для стрессового состояния растительности спектр флуоресценции
характеризуются большей интенсивностью по сравнению со спектром флуоресценции растительности в нормальном состоянии.
В тоже время по имеющимся экспериментальным данным (для других длин волн возбуждения) для растений в стрессовом состоянии колебания активности фотосистемы II могут
приводить к изменениям отношения интенсивностей флуоресценции в красной (на длине
волны 680 нм) и дальней красной области (на длине волны 740 нм). Этот эффект изменения
формы спектра лазерно-индуцированной флуоресценции для механических повреждений
растений и длины волн возбуждения 532 иллюстрирует рис. 5.
Рисунок 5.
На рис. 5 приведены спектры лазерно-индуцированной флуоресценции кресс-салата в
нормальном состоянии и стрессовом состоянии, вызванном обрезанием листьев салата.
На рис. 5 – спектр 1 соответствует усредненному (по разным измерениям) спектру
растения в нормальном состоянии; 2 - усредненному (по разным измерениям) спектру растения в стрессовом состоянии (в интервале времени от 20 мин до 40 минут после механического повреждения).
Из рис. 5 хорошо видно, что влияние стрессового фактора (в данном случае вызванного обрезанием листьев) проявляется в изменении формы спектра флуоресценции. Отношение
R 680 / 740
интенсивностей флуоресценции на длинах волн 680 нм и 740 нм для растения в
стрессовом состоянии порядка единицы, а величина
R 680 / 740
для растения в нормальном
состоянии заметно меньше единицы. При этом уровень флуоресценции для растения в стрессовом состоянии даже меньше уровня флуоресценции для растения в нормальном состоянии.
Таким образом, экспериментальные исследования показывают, что при длине волны
возбуждения флуоресценции 532 нм воздействие стрессового фактора, вызванного различными механическими повреждениями разных растений, может проявляться в зависимости от
6
вида растения как в увеличении интенсивности лазерно-индуцированной флуоресценции, так
и в изменении формы спектра флуоресценции. Измерение интенсивности и формы спектра
лазерно-индуцированной флуоресценции растений может быть положено в основу дистанционного лазерного флуоресцентного метода контроля состояния растений.
Заключение
Проведенные экспериментальные исследования показывают, что при длине волны возбуждения флуоресценции 532 нм воздействие стрессового фактора, вызванного различными
механическими повреждениями разных растений, может проявляться в зависимости от вида
растения как в увеличении интенсивности лазерно-индуцированной флуоресценции, так и в
изменении формы спектра флуоресценции. Измерение интенсивности и формы спектра лазерно-индуцированной флуоресценции растений может быть положено в основу дистанционного лазерного флуоресцентного метода контроля состояния растений.
Список литературы:
1. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М.: Мир, 1987. 550 с.
2. Visualization of laser-induced fluorescence of plants influenced by environmental stress
with a microfluorescence imaging system and a fluorescence imaging lidar system / Saito Y.,
Takahashi K., Nomura E., Mineuchi K., Kawahara T.D., Nomura A., Kobayashi S., Ishi H. // SPIE.
1997. Vol. 3059. Р. 190 - 198.
3. Hristov H.A., Borisova E.G., Avramov L.A., Kolev I.N. Applications of laser-induced fluorescence for remote sensing // Proceedings of SPIE. 2001. Vol. 4397. Р. 496 - 500.
4. Helicopter-based lidar system for monitoring the upper ocean and terrain surface / Lee
K.J., Park Y., Bunkin A., Nunes R., Pershin S., Voliak K. // Applied Optics. 2002. Vol. 41. No 3. Р.
401-406.
5. Fluorescence sensing systems: In vivo detection of biophysical variations in field corn
due to nitrogen supply / Corp L.A., McMurtrey J.E., Middleton E.M., Mulchi C.L., Chappelle E.W.,
Daughtry C.S.T. // Remote Sensing of Environment. 2003. Vol. 86. Р. 470-479.
6. Grishaev M.V., Zuev V.V., Kharchenko O.V. Fluorescent channel of the Siberian Lidar
Station // Proc. of SPIE. 2006. Vol. 6580. Р. 65800U-1 - 65800U-6.
7. Matvienko G., Timofeev V., Grishin A., Fateyeva N. Fluorescence lidar method for remote
monitoring of effects on vegetation // Proc. of SPIE. 2006. Vol. 6367. Р. 63670F-1 - 63670F-8.
8. Belasque J., Gasparoto M.C.G., Marcassa L.G. Detection of mecanical and disease
stresses in citrus plants by fluorescence spectroscopy // Applied Optics. 2008. Vol. 47. No 11, Р.
1922-1926.
7
9. Hoge F.E., Swift R. N., Yungel J. K. Feasibility of airborne detection of laser-induced fluorescence emissions from green terrestrial plants // Applied Optics. 1983. Vol. 22. No 19. P. 2991 3000.
10. Optical and fluorescence properties of corn leaves from different nitrogen regimes / E.
Middleton, J.E. McMurtrey, P.K. Entcheva Campbell, L.A. Corp, L.M. Butchera, E.W. Chappellea
// Proc. of SPIE. 2003. Vol. 4879. Р. 72 - 83.
11. Grishaev M. V., Sal’nikova N. S. A Setup for Remote Recording of the Spectrum of Laser-Induced Fluorescence from Crowns of Woody Plants // Instruments and Experimental Techniques. 2010. Vol. 53. No 5. P. 746–749.
12. Performance Check of Vegetation Fluorescence Imaging Lidar through In Vivo and Remote Estimation of Chlorophyll Concentration Inside Plant Leaves / Y.Saito, R.Saito, E. Nomura,
T.D. Kawahara, A. Nomur, S. Takaragaki, K. Ida, S. Takeda // Optical Review. 1999. Vol. 6. No 2.
Р. 155-159.
13. Лабораторные и лидарные измерения спектральных характеристик листьев березы
в различные периоды вегетации / А.В. Афонасенко, А.И. Иглакова, Г.Г. Матвиенко, В.К.
Ошлаков, В.Е. Прокопьев // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25. № 3. С. 237 - 243.
14. Бункин Ф.В., Бункин А.Ф. Лидарное зондирование водоемов, почвы и растительности // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. № 1. С. 63 - 68.
15. Laser remote monitoring of the plant photosynthetic activity / R. Barbini, F. Colao, R.
Fantom, F. Palucci, S. Ribezzo // SPIE. 1995. Vol. 2585. Р. 57 - 65.
8
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа