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WO2009007269A1 - Dispositif de mesure optoelectronique de l'hydratation d'un vegetal dans son environnement naturel - Google Patents

Dispositif de mesure optoelectronique de l'hydratation d'un vegetal dans son environnement naturel Download PDF

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Publication number
WO2009007269A1
WO2009007269A1 PCT/EP2008/058419 EP2008058419W WO2009007269A1 WO 2009007269 A1 WO2009007269 A1 WO 2009007269A1 EP 2008058419 W EP2008058419 W EP 2008058419W WO 2009007269 A1 WO2009007269 A1 WO 2009007269A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
plant element
light
plant
probe
light source
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/058419
Other languages
English (en)
Inventor
Jean François GALTIE
Marc Lescure
Original Assignee
Universite De Toulouse Ii Le Mirail
Institut National Polytechnique De Toulouse (Inpt)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite De Toulouse Ii Le Mirail, Institut National Polytechnique De Toulouse (Inpt) filed Critical Universite De Toulouse Ii Le Mirail
Priority to CN200880023222A priority Critical patent/CN101784882A/zh
Priority to US12/667,896 priority patent/US8228504B2/en
Priority to AU2008274385A priority patent/AU2008274385A1/en
Priority to EP08774569A priority patent/EP2165179A1/fr
Publication of WO2009007269A1 publication Critical patent/WO2009007269A1/fr

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    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0098—Plants or trees

Definitions

  • the present invention belongs to the field of the evaluation and monitoring of hydration state of plant covers, and more particularly to methods using the measurement of the water status of plant samples by optoelectronic techniques.
  • It relates to an optoelectronic field device for measuring the water content in a plant without damaging or destroying it, and an apparatus for evaluating and monitoring in real time its water status. It also relates to a method implementing said device and said apparatus, in particular for real-time monitoring of the hydration state of an extensive plant cover.
  • the water content of plant covers varies over time under the combined action of physiological regulation mechanisms and environmental factors. These variations exert a direct and gradual influence on the level of production and the vulnerability of plants. Knowledge of the period of occurrence, intensity and duration of water deficiency is therefore an essential step to anticipate the effects of drought periods on agricultural crops or to assess the risk of fire in an area. forest, maquis or fallow land. Measurement of hydration rate is an essential parameter that is taken into account in predictive methods, in order to automatically control irrigation operations before the water deficit becomes critical, or at least to report in the form of water. warning for example, this water deficit. The importance of these predictions is measured by the fact that drought is the main cause of many forest fires and huge losses in agricultural production.
  • FR 2 753 272 describes a sensor for the presence of a liquid on a sheet of paper. using a detector comprising two electrodes connected to an electronic circuit. It is also known from WO83 / 02326 a method using the backscattering of infrared radiation emitted by a source inside the material to be examined. Publications CA 960 308 or JP 5 313 898 describe humidity-absorbing moisture measuring devices.
  • JP2005 308 733 discloses a water stress assessment method of calculating the spectral reflectance from differences in light intensity, reflected and absorbed by a sheet and a white panel. Solutions based on the selective absorption of the water content in the near infrared have been proposed. However, they require the implementation of devices with collimating optics and / or relatively complex integration systems to obtain a signal-to-noise ratio and satisfactory accuracy.
  • the object of the present invention is to provide a device and a method implementing said device, for the direct, non-destructive and instantaneous measurement of the hydration rate of a plant. It is another object of the invention to provide an in vivo and in situ measurement means which is unaffected by environmental conditions, in particular by sunlight. It also aims to propose a monitoring method to continuously monitor the evolution of water status of a plant cover. Another object of the present invention is to obtain real-time information on one or more specific plant areas that can be separated from each other.
  • Another object of the invention is to provide a method in which the measurement is automated, as well as preferably also the control of the device and the processing of the measurement result. Finally, it is sought a device of small size, robust, in particular vis-à-vis adverse weather conditions even hostile, autonomous energy and data processing, and inexpensive.
  • the device of the invention comprising an integrated optical sensor which, by using the optical properties of the sheets in the mid-infrared, delivers an instantaneous and accurate quantitative information on the level of hydration of a leaf sample.
  • the fraction of transmitted light being directly connected to the fraction absorbed by the water contained in the sheet - the greater the water content, the greater the absorbed fraction and the reduced fraction - the measured quantity is thus significantly connected. the water content of the leaf.
  • This information collected from one or more remotely located remote sensing sensors in the natural space, can feed patterns of behavior and monitoring of vegetated canopies, with a view to establishing rapid forecasts. and operational. Such a system also makes it possible to take into account the local physical and weather conditions.
  • plant element or “sample” is meant a part of a plant whose water content is characteristic of the water status of the whole plant, and whose small thickness is adapted to an optical transmittance measurement. This is usually a leaf.
  • the plant can be a cultivated species when an agricultural zone is being watched, or a wild one most often for the prevention of fires.
  • the element or sample preferably has a persistent character, at least for the duration of the monitoring period.
  • the subject of the present invention is a device for determining the degree of hydration of a plant element in its natural environment, comprising an optoelectronic probe capable of measuring the optical transmission coefficient associated with a measurement box.
  • the probe comprising: i) a first light source emitting at a wavelength corresponding to a band of high water absorption, ii) optionally a second light source emitting at a wavelength close to the first source and weakly absorbed by water, and iii) a photoreceptor whose spectral response corresponds to the emission bands of the first and second light sources, the device comprising means for modulating the average optical power emitted by the or the light sources according to a predetermined frequency and synchronous detection means of the light received by the photoreceptor, of fate e that the light giving the useful information passing through the plant element and which is received by the photoreceptor is an alternative component of the light emitted by the light source or sources.
  • the device thus eliminates the significant average component of the photoelectric current generated by the ambient light.
  • the average illumination generated by the sun, directly or in diffused light, and the radiation of the black body type emitted by the ground and the hot materials generate a very strong average component of the photoelectric current of the photoreceptor, which can be 10 3 at 10 4 times larger than that from the sources.
  • the useful information contained in the component alternative of the emitted light or lights that has passed through the plant is received by the photoreceptor and is amplified by the measurement chain.
  • the use of a second light source is optional, but improves the measurement.
  • the measuring box is dedicated to contain the electronic signal processing components, the probe containing, in addition to the photoelectric components already mentioned, electronic detection components.
  • This distribution is however not rigid and some components can be deported, the circuits forming functional modules and the modules themselves can be designed and arranged in different ways by those skilled in the art, depending on the specifications.
  • the architecture of the sensor may differ according to the operating mode, automatic or manual, implemented, or according to the integrated functions.
  • the different embodiments thereof are variants that are obvious to those skilled in the art, which are included within the scope of the present invention.
  • the first light source emits in a spectral interval corresponding to one of the bands of strong absorption of water.
  • a source whose spectrum is centered on 1940 nm is advantageously used.
  • a source centered at 1450 nm can also be used, especially for plants with a high water content.
  • the second source optionally used as calibration means may be centered for example on 1300 nm.
  • the modulation of the average optical power emitted by the light source (s) is carried out at a determined frequency, fixed or variable.
  • the device comprises, on the one hand, means for amplifying the alternating component of the photoelectric signal, tuned to the modulation frequency (or to a multiple frequency) of the light source or sources, and on the other hand part of the synchronous detection means of said signal.
  • a narrow-band filter can be used to reduce the noise signals out of the bandwidth of the wanted signal, and also to adjust the phase shift of the pre-amplification chain so that the photoelectric signal and the reference are in phase (or in opposition phase) at the input of the synchronous detector.
  • Synchronous detection rectifies the AC signal to provide a continuous signal whose average value is proportional to the amplitude of the photoelectric signal. This gives a continuous signal proportional to the optical power passing through the plant element.
  • part of the analog chain can be replaced by an analog digital converter (ADC) associated with a digital signal processor (or Digital Signal Processor, DSP).
  • ADC analog digital converter
  • DSP Digital Signal Processor
  • the photoelectric alternating signal is digitized as well as the reference signal, the two signals being coherent with that coming from a clock.
  • the digital processing reconstructs the fundamental (or a harmonic) of the photoelectric signal. Thanks to the presence of the reference signal internal to the DSP, it is easy to suppress the non-coherent signals (noises) and to reduce the contribution of the crosstalk.
  • the useful information is deduced in digital form by the determination of the RMS value of the digitally filtered photoelectric signal.
  • the probe comprises thermal regulation means able to keep the temperature of the junction of the first light source, and also that of the photoreceptor, constant. It is indeed preferable to stabilize the light source temperature to perfectly match the emission spectrum to the absorption line of water. Furthermore, it is advantageous that the temperature of the photoreceptor is relatively low on hot days, to reduce the dark current and adjust the longer cutoff wavelength of the spectral response.
  • the source or light sources may be, for example, light-emitting diodes (LEDs), single-band type laser diodes, or surface-emitting laser diodes.
  • the photoreceptor is chosen in a manner known to those skilled in the art. It is for example a photoconductor, or preferably a heterojunction photodiode.
  • the photodiode is characterized by a very great dynamic in linearity. As a result, the small amplitude of the alternating current that contains the useful information is superimposed without deformation or noticeable compression at the very high average component generated by the ambient light.
  • the photoreceptor may also be associated with a transimpedance circuit capable of maintaining its constant polarization voltage, so that said photoreceptor maintains a linear regime.
  • the light source (s) illuminate a relatively large area of the sheet.
  • the transmission of a fraction of the diffuse light, which radiates from the plant element according to Lambert's law (extended source) is then picked up by the photoreceptor which has a wide field of view, which makes it possible to take into account the defects and irregularities of the plant element by averaging over a large area. In doing so, it is necessary that the plant element is lit in the same way throughout the area.
  • the device comprises an optical assembly adapted to ensure wide uniform illumination of the plant element by the light source or sources.
  • the light source or sources For example, we can use a set of prisms (or mirrors) whose reflective surface forms a 45-degree angle with the incident ray and lenses placed on either side of the plant element to orient the light emitted by the first source and focus on the photoreceptor in a short optical path inside a compact device.
  • the assembly has the smallest possible dimensions, compatible with its integration into a portable measuring device, without however the accuracy of the measurement suffers. It is clever to use for this purpose an assembly comprising two Fresnel prisms placed on either side of the plant element.
  • the reflective surface is not a 45 degree flat surface, but comprises a plurality of facets arranged in steps, each at an angle of 45 degrees to the incident ray. The thickness of the prisms being thus reduced, there is a miniaturized optical assembly in thickness, producing an illumination of the plant by a light collimated over a wide area.
  • the probe is carried by a movable member having two jaws.
  • One of the jaws supports the one or more light sources and the other jaw the photoreceptor, said jaws being spaced apart so that the light source (s) and the photoreceptor are placed on either side of the jaw. plant element when taking a measurement.
  • the sample is thus engaged without compressive contact between the two jaws.
  • the optical components are at a fixed distance from one another during the measurements.
  • the photoreceptor when the device according to the invention is in measurement position, the photoreceptor is placed on the upper jaw so as to limit the direct solar illumination, and the light source (s) are placed on the jaw lower emitting their luminous flux upwards.
  • the emission and detection elements can be protected from foreign bodies (dust, water, etc.) by transparent protection plates at the wavelengths considered.
  • the addition of removable protective skirts in opaque flexible plastic also makes it possible to limit the contributions to the external illumination signal.
  • the jaws are provided with a hinge allowing their opening.
  • This arrangement has a significant advantage when a succession of measurements is performed on a plant element by a mobile device, automated or manual.
  • the probe can then be placed at the level of the plant element with a maximum opening of the jaws, which are then tightened to the measuring position.
  • the neutral position (at rest) of the jaws may be the closed position, preferred in automatic mode, or the preferred open position in manual mode.
  • the neutral position can be maintained by a tension spring or flat springs depending on the mode chosen.
  • the device comprises an adjustable stop cooperating with the jaws to adjust the spacing of the latter in an optimum measurement position.
  • a satisfactory gap is for example close to 5 mm to 25 mm.
  • a large spacing of at least 10 mm is preferred.
  • the latter advantageously furthermore comprises electrical connection means with the measuring box, as well as electronic detection means associated with the photoreceptor and means of thermal regulation at least of the first light source and preferably also the photoreceptor.
  • the electrical wiring of the elements is conveniently included in the corresponding jaw.
  • the subject of the present invention is also an apparatus for controlling the hydration state of a plant element incorporating the measuring device as just described and capable of providing other complementary functions contributing to the production result searched on a larger scale of time and / or space.
  • a device for monitoring the hydration state of a plant element comprising:
  • a device as described above suitable for performing successive measurements of the optical transmission coefficient of a plant element in its natural environment, means for holding the plant element in a non-binding position,
  • control module means of communication with a control module.
  • the control module constitutes a central unit which is the master unit including notably the motherboard and the batteries, and can be located locally in the apparatus or partially at a distance, according to a structure adapted to the operation of the apparatus object of the invention. invention and designed in the state of the art known to those skilled in the art.
  • the means for holding the plant element in a non-binding position may be of any type, provided that they allow repeated measurement at intervals of time on the same equipment. This implies firstly that the plant material is kept in good condition throughout the monitoring campaign, and secondly that it maintains an identical positioning with respect to the measuring device. Now it is clear that under the conditions of the open field, the plant is not immobile, it changes size by developing and moving according to the wind.
  • non-binding position it is understood that the selected means of maintenance ensure the maintenance of the plant in a given position without damaging it, altering it, or even more destroying it, therefore without generating stress that can modify the water status of the plant. the plant element.
  • the means for holding the plant element may consist of a gantry placed at the height of the probe, and at least one immobilization attachment of a portion of the plant carrying said element. vegetal.
  • a part is for example a stem or a branch on which the plant element develops and which has a rigidity for immobile holding, that is to say firm but without pressure.
  • the apparatus may comprise an internal housing for protecting the movable member and means for moving said member to the plant element before taking a measurement. It is thus possible between two measurements, to protect the probe components from the weather and dust, the sheet under test remains subject to normal conditions of sunshine or rain.
  • the apparatus includes an automatic mechanism for moving the probe and controlling the movement of the jaws.
  • the apparatus according to the invention preferably also comprises means for acquiring data relating to the climatic and / or geographical environment of the plant element. It may for example include a remote unit including a rain gauge, a thermohygrometer and an anemometer. In a preferred embodiment of the apparatus according to the invention, it comprises one or more of the following modules:
  • microcontroller module for controlling electronic functions and mechanical automatisms
  • a communication interface module provided with a local and / or remote output
  • a power supply module comprising an autonomous energy source.
  • the appropriate electronic circuits are associated with these modules. They include, in particular, the cards and the necessary electronic components, in particular the detection components that can be deported in the mobile measuring device, the temperature control electronics, the transmission and clock block electronics, the amplification, the filtering and detection, a probe card, the analog main board providing the link card probe and control / measurement signals.
  • the device and the apparatus as just described are particularly suitable for implementing a method for determining the hydration rate of a plant element in its natural environment.
  • a method is claimed in which a measurement of the optical transmission coefficient is carried out using a device or an apparatus according to the invention.
  • Also subject of the present invention is a method for determining the hydration rate of a plant element in its natural environment by measuring the optical transmission coefficient using an optoelectronic probe, which essentially comprises the steps of :
  • the device In the automatic configuration, the device is located in nature near the reference plant.
  • the implantation chosen is advantageously such that it makes it possible to carry out successive measurements autonomously and automatically during a longer or shorter period of up to several months.
  • the use of a second light source is optional, but improves the measurement, because it allows to have a value of the transmittance of the plant element independent of its water content.
  • the method comprises the steps of: amplifying said AC component of light received by the photoreceptor tuned to the modulation frequency of the light sources, and synchronous detection of the photoelectric signal, to obtain at the output a signal proportional to the optical power having passed through the plant element.
  • the processing mode of the photoelectric signal obtained can be analog or digital.
  • an analog channel band pass filter and synchronous detection
  • a continuous signal is output that is proportional to the optical power that has passed through the plant element.
  • the narrow-band filter reduces the noise signals out of the useful signal bandwidth and adjusts the phase shift of the pre-amplification chain so that the photoelectric signal and the reference signal are in phase (or in opposition) phase) at the input of the synchronous detector. This performs rectification of the AC signal to provide a continuous signal.
  • ADC analog-to-digital converter
  • a digital signal is obtained which is proportional to the component of the modulated optical power that has passed through the plant element and a numerical value proportional to the rms value. this photoelectric signal.
  • the analog signal is converted into a signal digital and processed by reference to a clock signal produced by a DSP digital signal processor, consistent with the modulation signal of the light sources.
  • the temperature at the junction of the first light source, and preferably that of the photoreceptor is maintained at a constant value, corresponding perfectly to the water absorption line in the vegetal. Also preferably, the polarization voltage of the photoreceptor is kept constant during the measurement.
  • the light emitted by the light source (s) passes through an optical assembly capable of ensuring wide uniform illumination of the plant element. It can cross a set of prisms whose reflective surface forms a 45-degree angle with the incident ray and lenses, placed on either side of the plant element. For example, it passes through a first lens and a first prism upstream of the plant element, then downstream thereof, a second prism and a second lens for focusing the light transmitted on the photoreceptor.
  • the light emitted by the light source (s) passes through two Fresnel prisms whose reflecting surface comprises a plurality of facets forming an angle of 45 degrees with the incident ray, said prisms being placed on either side of the plant element.
  • a probe carried by a movable member having two jaws separated by a spacing, supporting vis-à-vis, one or the light sources and the other the photoreceptor, and that place said jaws on either side of the plant element prior to taking a measurement.
  • said jaws are spaced apart and then closed up to an adjustment stop of the spacing of the latter in position of measured.
  • the plant element is permanently maintained in a non-binding position by immobilization of a part of the plant carrying said element, such that it is accessible to the plant. movable member carrying the probe.
  • the method according to the invention may further comprise one or more operations consisting in acquiring data relating to the climatic and / or geographical environment of said plant element.
  • the present method may comprise at least one of the following operations, managed by a local automatic system or controlled remotely:
  • FIG. 1 is a block diagram of the photometric measuring device of a plant element according to the invention comprising a probe and a measuring case.
  • Fig. 1 a schematically represents an optical assembly for the broad illumination of a plant element, comprising a set of lenses and flat prisms.
  • Fig. 1 b schematically represents an optical assembly for the broad illumination of a plant element, comprising two Fresnel prisms.
  • Fig.2 is a block diagram of an apparatus for evaluating and monitoring the state of hydration of a plant cover according to the invention.
  • Fig.3 shows a movable member carrying a probe, with articulated jaws actuated by a tension spring.
  • Fig.4 is a flowchart of an apparatus according to the invention, illustrating a method of operation according to an automated mode.
  • EXAMPLE 1 Device for photometric measurement of a plant element
  • the device for determining the hydration rate of a plant element in its natural environment here comprises the optoelectronic probe 1, associated with the measurement housing 2.
  • the probe 1 comprises two LEDs emitting a narrow-band spectrum: the LED 3 emitting at the wavelength of 1940 nm which corresponds to a band of strong water absorption, as well as the LED 4, emitting at 1300 nm, weakly absorbed by water . It also includes the photodiode 5 coupled to its amplifier, whose response spectral corresponds to the emission bands of the two LEDs.
  • the housing 2 contains a main electronic card incorporating most of the electronics implemented.
  • the housing 2 and the probe 1 form two separate elements and physically connected by a cable or a sheet.
  • the adjustment of the central emission wavelength of the LED 3 is carried out by the temperature regulator 9a of the junction.
  • the LED 4 centered on 1300 nm allows a calibration of the optical transmission measurement of the sample by determining an attenuation of the signal independent of the water content of the sample. This LED is not regulated in temperature.
  • the average power emitted by the LEDs is modulated at a given frequency imposed by the clock 11. Only this alternative component of the photoelectric current containing the information is then processed by the detection chain.
  • the photodiode 5 is regulated in temperature by the regulator 9b integrated in the housing of the photodiode.
  • the semiconductor technology necessary to give the desired spectral response results in this photodiode having a large dark current. To reduce this current of darkness, two techniques are used:
  • the photodiode 5 is characterized by a very great dynamic in linearity. As a result, the small amplitude of the alternating current that contains the information is superimposed, without deformation, nor significant compression to the very large average component generated by the ambient light. In doing so, it is necessary that the transimpedance circuit which maintains the polarization voltage of the photodiode constant remains a linear regime. This average current degrades the photoelectric signal-to-noise ratio by generating a shot noise current, whose quadratic spectral density is constant (white noise source). In order to optimize the signal-to-noise ratio, selective amplification (with the aid of the amplifier 7) is applied to the modulation frequency which avoids overloading the input of the synchronous detector 8 with noise.
  • the amplifier 12 whose voltage gain is programmable is introduced to adjust the dynamics of the synchronous detector 8.
  • the time constant of the low-pass filter 13 at the output of the synchronous detection imposes the equivalent bandwidth of the noise of the string.
  • Detection synchronous rectifies the AC signal whose average value is proportional to the amplitude of the photoelectric signal. It is this average component that we measure.
  • the analog chain of measurement is described in Figure 1.
  • the electronic components implemented are standard components available and easily available on the market. Alternatives may be considered provided that the expected functionality of the component is met.
  • the probe 1 can be equipped with the optical assembly 40, represented in FIG. 1a.
  • the light is emitted by the first LED 3 at 1940 nm, and by the calibration LED 4 at 1300 nm.
  • the light passes through the first lens 41 and the flat prism 42.
  • the uniform beam at the output of the first prism 42 then irradiates the plant element 10 over a wide area.
  • the transmitted light is received by the second flat prism 43 and then focused by the second lens 44 on the photoreceptor 5.
  • the flat prisms 42, 43 and the lenses 41, 44 are replaced by two Fresnel prisms 46, 47, provided with a plurality of facets 48 arranged at 45 degrees with respect to the incident beam and in "steps of staircase", deflecting the light beam according to the same principle as lenses of Fresnel.
  • the assembly 40 has a minimum footprint and can easily be integrated into a compact device, which allows its miniaturization while remaining compatible with excellent measurement accuracy.
  • EXAMPLE 2 Device with movable member supporting the probe
  • the probe 1 of the device described in example 1 is carried by the movable member 20, comprises the two jaws 21 and 22, mobile around the joint 24 and separated by the spacing 23. This organ allows:
  • the implementation of the movable member 20 can be performed automatically or manually.
  • the neutral position of the jaws 21, 22 is ensured by the action of springs 28 and varies according to the automatic or manual mode. In automatic mode, the neutral position is the closed position maintained by traction springs; in manual mode, the neutral position is the open position provided by flat springs.
  • the measurement electronics is integrally mounted at both ends of the jaws 21, 22 in direct vis-à-vis by clamping said jaws.
  • the photodiode 5 is located on the upper jaw 21 so as to limit direct sunlight.
  • the LEDs 3, 4 are located on the lower jaw 22, emitting their luminous flux upwards.
  • the emission and detection elements 3, 4, 5 can be protected from the insertion of foreign bodies (dust, water, etc.) by two transparent protection plates at the wavelengths considered (not shown).
  • the spacing between the two jaws 21, 22 is 15 mm and constitutes the insertion zone of the sample 10.
  • the electrical wiring of the emission and detection elements is each integrated for its part in the support jaw.
  • the spacing between the LEDs 3, 4 and the photodiode 5 is constant, ie 5 mm (edge on board of the components); the adjustable abutment 25 placed at the origin of the movable member 20 allows the proper positioning vis-à-vis these elements.
  • the illuminated surface (at the level of the sample) is of the order of 2 cm 2 and can be reduced by circular opacification of a portion of the protection plate.
  • the addition of removable protective skirts made of flexible plastic makes it possible to limit the contributions of external illumination.
  • the sample 10 is engaged without compressive contact between the two jaws 21, 22.
  • the optical components are at a determined fixed distance from one another during the measurements.
  • EXAMPLE 3 Apparatus for monitoring the hydration state of a plant cover
  • the apparatus shown in Figure 2 is made with a device and a movable member as described in Examples 1 and 2 respectively.
  • the apparatus presented here has an automatic mode of operation. It comprises means for holding the plant sample in a non-binding position, and communication means 31 with a control module 30, connected by the wiring 26. 3.1) Maintaining the sample
  • the gantry 27 is constituted by a circular rod of variable geometry according to the morphology of the sample (leaf area, length / width ratio ...) and the plant that carries it (woody or non-woody plant). It has a standard termination, for example two parallel pins, allowing its insertion into the body of the device. of the fastening fasteners allowing the non-altering and nondestructive attachment of the plant, consist of:
  • the number of fasteners varies depending on the plant (type of plant, leaf characteristics %) and environmental conditions, including wind.
  • the system environment represented in FIG. 4 allows the fixed implantation in a natural environment, a remote management and an automation of the measurement cycle, in particular the self-calibration of the measurement electronics, the servocontrol of the positioning of the probe on the sample during the measurement, and the teletransmission of the measurement at the end of its realization.
  • It constitutes a central unit which is the master unit including in particular the motherboard and the batteries, and can be located locally in the apparatus or partially at a distance, according to a structure adapted to the operation of the apparatus object of the invention and designed in the state of the art known to those skilled in the art.
  • This module 30 has the following functions: to control individually the different modules involved in the implementation of measurement cycles and to coordinate their actions;
  • the "communication interface” module This is a set 31 composed of two submodules dedicated to the local communication 31 (a) and the remote communication 31 (b). Their functions are:
  • the remote communication sub-module 31 (b) is a GSM wireless communication module on the communication card. It has an external antenna positioned on the upper block of the central unit.
  • the triggering mode of the selected measurement cycle determines the appearance of the GSM link:
  • the microcontroller automatically triggers measurement cycles at the programmed times: the GSM-probe is used to transmit the result of the measurement to the GSM-administrator.
  • the triggering of a measuring cycle involves the sending of an SMS message from the GSM-user to the GSM-probe.
  • the GSM-probe sensor On receipt of the SMS, the GSM-probe sensor transmits the information to the microcontroller that triggers the measurement, then transmits the measurement result to the GSM-administrator.
  • the triggers are performed simultaneously by the user and by the device (programming). The last two modes imply that the GSM-probe is in permanent standby.
  • This module 34 has the following functions:
  • This module 33 has the following functions:
  • the deployment / refolding system of the movable member 20 is a servo on a linear displacement. It is realized by means of a linear stepper motor. The motor is secured to the member 20 (rear side) and the front end of the screw is fixed to the home base. The motor is controlled by the microcontroller 30.
  • the measurement is carried out by an operator present on the site.
  • the operator turns on the device, starts the test phase (input voltage and send / receive link budget) and performs a blank measurement (without sample).
  • the movable member 20 is then manually positioned on the test sheet 10 to perform the transmittance measurement.
  • the microcontroller 30 then calculates the transmittance and compiles the information to be returned (the device parameters) and the transmittance measurements, locally and / or remotely. The device is then turned off.
  • the measurement is performed by an apparatus as described above, according to a mode of operation implementing the modules of FIG. 4. Outside the measurement phases, the apparatus installed near the monitored plant is in standby position. Its activation and the triggering of a measurement are carried out on receipt of a remote command or by programmed automatic triggering.
  • the information is communicated to the microcontroller 30 which, in turn, commands simultaneously the module "automatic probe" 33 and the photometric device 1, 2.
  • the chronology of actions is as follows:
  • the microcontroller module 30 then calculates the transmittance and compiles the information to be returned (weather data, probe parameters and transmittance measurements).
  • the sending is carried out remotely to a reception center 35. At the end of the cycle, the device returns to its standby state.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif optoélectronique de mesure de la teneur en eau dans un élément végétal (10), ainsi qu'un appareil destiné à évaluer et à suivre en temps réel l'état d'hydratation des couverts végétaux (10). Il permet une prise de mesure répétée à intervalle de temps sur un même matériel sans le détériorer ou le détruire. Le dispositif comprend une sonde optoélectronique (1) associée à un bo*tier de mesure (2), la sonde (1) comportant i) une première source de lumière (3) émettant à une longueur d'onde correspondant à une bande de forte absorption de l'eau, ii) éventuellement une seconde source de lumière (4) émettant à une longueur d'onde voisine de la première source (3) et faiblement absorbée par l'eau, et iii) un photorécepteur (5) dont la réponse spectrale correspond aux bandes d'émission de la ou des première (3) et seconde (4) sources de lumière, le dispositif comprenant des moyens (16) de modulation de la puissance optique moyenne émise par la ou les sources (3,4) de lumière selon une fréquence déterminée et des moyens de détection synchrone (8) de la lumière reçue par le photorécepteur (5). La sonde (1) peut être portée par un organe mobile comportant deux mâchoires (21,22) entre lesquelles l'échantillon (10) est engagé sans contact compressif.

Description

DISPOSITIF DE MESURE OPTOELECTRONIQUE DE L'HYDRATATION D'UN VEGETAL DANS SON ENVIRONNEMENT NATUREL
La présente invention appartient au domaine de l'évaluation et du suivi de l'état d'hydratation des couverts végétaux, et plus particulièrement aux méthodes faisant appel à la mesure de l'état hydrique d'échantillons végétaux par les techniques optoélectroniques.
Elle a pour objet un dispositif optoélectronique de terrain permettant de mesurer la teneur en eau dans un végétal sans le détériorer ou le détruire, ainsi qu'un appareil destiné à évaluer et à suivre en temps réel son statut hydrique. Elle a également pour objet un procédé mettant en œuvre ledit dispositif et ledit appareil, notamment pour la surveillance en temps réel de l'état d'hydratation d'un couvert végétal étendu.
Le contenu en eau des couverts végétaux varie au cours du temps sous l'action combinée de mécanismes de régulation physiologique et de facteurs mésologiques. Ces variations exercent une influence directe et graduelle sur le niveau de production et la vulnérabilité des végétaux. La connaissance de la période d'occurrence, de l'intensité et de la durée des déficiences hydriques constitue donc une étape indispensable pour anticiper les effets de périodes de sécheresse sur les cultures agricoles ou encore pour évaluer les risques d'incendie d'une zone forestière, d'un maquis ou d'une friche. La mesure du taux d'hydratation est un paramètre essentiel qui est pris en compte dans les méthodes prédictives, en vue de commander automatiquement des opérations d'irrigation avant que le déficit en eau ne devienne critique, ou pour le moins de signaler sous forme d'alerte par exemple, ce déficit en eau. On mesure l'importance de ces prévisions quand on sait que la sécheresse est à la cause essentielle de nombreux feux de forêt et de pertes énormes de productions agricoles.
Différentes méthodes de détection et de suivi, directes ou indirectes, ont été utilisées. On connaît les méthodes agro-météorologiques traditionnelles, basées sur l'extrapolation de mesures environnementales telles que la température, l'humidité de l'air et du sol, l'intensité du rayonnement, les précipitations ou le vent. Plus récemment, la télédétection s'est développée à des fins de cartographie et de surveillance agricole. Aujourd'hui, ces technologies offrent la possibilité d'étudier les territoires de manière rapide et fiable grâce à l'association de l'imagerie satellitaire à l'informatique et aux systèmes d'information géographique. Cependant, elles donnent une appréciation globale pour la surface d'un territoire, mais ne fournissent pas les points critiques permettant de prendre en compte la nature des végétaux, les types de sols, les reliefs. Il est bien évident en outre que le déploiement de tels moyens ne se justifie économiquement qu'à une échelle importante, notamment pour répondre à des objectifs d'aménagement du territoire.
Des méthodes mieux adaptées à des mesures ponctuelles et ciblées sont aussi largement utilisées. On peut citer des techniques basées sur la mesure de conductivité des feuilles du végétal, comme dans US 5 334 942 ou FR 2 753 272. Par exemple, FR 2 753 272 décrit un capteur de présence d'un liquide sur une feuille à l'aide d'un détecteur comportant deux électrodes reliées à un circuit électronique. On connaît aussi d'après WO83/02326 un procédé utilisant la rétrodiffusion de la radiation infrarouge émise par une source à l'intérieur du matériau à examiner. Les publications CA 960 308 ou JP 5 313 898 décrivent quant à eux des appareils de mesure de l'humidité par absorption de micro- ondes.
Des méthodes photométriques sont aussi employées au laboratoire. Par exemple JP2005 308 733 décrit une méthode d'appréciation du stress hydrique consistant à calculer la réflectance spectrale à partir des différences d'intensité lumineuse, réfléchie et absorbée par une feuille et un panneau blanc. Des solutions basées sur l'absorption sélective de la teneur en eau dans le proche infrarouge ont été proposées. Toutefois, elles requièrent la mise en œuvre de dispositifs dotés d'optiques de collimation et/ou de systèmes d'intégration relativement complexes pour obtenir un rapport signal sur bruit et une précision satisfaisants.
De manière générale, toutes ces méthodes présentent l'inconvénient d'être mal adaptées à la réalisation de mesures de terrain, du fait de la fragilité des équipements ou de la lourdeur de mise en œuvre des mesures. La plupart impliquent la destruction du matériel végétal à chaque mesure, ce qui empêche un suivi sur un matériel homogène et sont en outre réalisées dans un environnement lumineux contrôlé qui ne peut pas être reproduit dans la nature.
Il est donc apparu comme un enjeu majeur pour assurer une gestion efficace et durable de la ressource agricole et forestière, de disposer d'un système de mesure in situ directe et instantanée de l'hydratation du couvert végétal. Le but de la présente invention est de proposer un dispositif et un procédé mettant en œuvre ledit dispositif, pour la mesure directe, non destructive et instantanée du taux d'hydratation d'un végétal. L'invention a pour autre but de fournir un moyen de mesure in vivo et in situ, qui ne soit pas affecté par les conditions environnementales, en particulier par la lumière du soleil. Elle a aussi pour but de proposer une méthode de suivi permettant de contrôler en continu l'évolution du statut hydrique d'un couvert végétal. Un autre but de la présente invention est d'obtenir des informations en temps réel sur une ou plusieurs zones végétales déterminées pouvant être éloignées les unes des autres. Un autre objectif de l'invention est de disposer d'une méthode dans laquelle la prise de mesure est automatisée, ainsi que de préférence également le pilotage du dispositif et le traitement du résultat des mesures. Enfin, il est recherché un dispositif de petite taille, robuste, en particulier vis-à-vis de conditions climatiques défavorables voire hostiles, autonome en énergie et en traitement des données, et peu onéreux.
Ces objectifs sont réalisés grâce au dispositif objet de l'invention comprenant un capteur optique intégré qui, en utilisant les propriétés optiques des feuilles dans le moyen infrarouge, délivre une information quantitative instantanée et précise sur le niveau d'hydratation d'un échantillon foliaire. En effet la fraction de lumière transmise étant directement reliée à la fraction absorbée par l'eau contenue dans la feuille - plus grande est la teneur en eau, plus grande est la fraction absorbée et réduite la fraction transmise - la grandeur mesurée est ainsi significativement reliée au contenu en eau de la feuille. Cette information, collectée à partir d'un ou de plusieurs capteurs télécommandés implantés de manière judicieuse dans l'espace naturel, peut alimenter les modèles de comportement et de suivi des couverts végétaux soumis à une contrainte hydrique, en vue d'établir des prévisions rapides et opérationnelles. Un tel système permet en outre de prendre en compte les conditions physiques et météorologiques locales.
Il apporte ainsi une réponse fonctionnelle aux principales contraintes techniques, opératoires et économiques identifiées. Son caractère novateur tient au procédé de mesure qui assure une indifférence aux conditions environnementales généralement pénalisantes, telles que l'éclairement ambiant ou la température, et qui permet une réalisation automatique de prises de mesures successives sans détérioration de l'échantillon. Il tient également au fait que le dispositif constitue un instrument de terrain performant, intégré, miniaturisé et portable, à faible coût relatif. L'ensemble de ces caractéristiques contribue à rendre possible des mesures successives sur un échantillon in situ, ouvrant ainsi la voie à un suivi performant dans l'espace et dans le temps, à partir d'un ou de plusieurs appareils installés en sites fixes et en réseau.
Par "élément végétal" ou "échantillon", on entend une partie d'une plante dont la teneur en eau est caractéristique du statut hydrique de la plante entière, et dont la faible épaisseur est adaptée à une mesure de transmittance optique. Il s'agit généralement d'une feuille. La plante peut être une espèce cultivée lorsqu'on surveille une zone agricole, ou sauvage le plus souvent pour la prévention des incendies. L'élément ou échantillon a de préférence un caractère persistant, au moins pour la durée de la période de surveillance.
Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif de détermination du taux d'hydratation d'un élément végétal dans son environnement naturel, comprenant une sonde optoélectronique apte à effectuer une mesure du coefficient de transmission optique, associée à un boîtier de mesure, la sonde comportant : i) une première source de lumière émettant à une longueur d'onde correspondant à une bande de forte absorption de l'eau, ii) éventuellement une seconde source de lumière émettant à une longueur d'onde voisine de la première source et faiblement absorbée par l'eau, et iii) un photorécepteur dont la réponse spectrale correspond aux bandes d'émission de la ou des première et seconde sources de lumière, le dispositif comprenant des moyens de modulation de la puissance optique moyenne émise par la ou les sources de lumière selon une fréquence déterminée et des moyens de détection synchrone de la lumière reçue par le photorécepteur, de sorte que la lumière donnant l'information utile qui traverse l'élément végétal et qui est reçue par le photorécepteur est une composante alternative de la lumière émise par la ou les sources de lumière.
Le dispositif s'affranchit ainsi de l'importante composante moyenne du courant photoélectrique générée par la lumière ambiante. Or, l'éclairement moyen généré par le soleil, directement ou en lumière diffuse, et le rayonnement du type corps noir émis par le sol et les matériaux chauds, génèrent une très forte composante moyenne du courant photoélectrique du photorécepteur, qui peut être 103 à 104 fois plus important que celui issu des sources. Selon l'invention, seule l'information utile contenue dans la composante alternative de la ou des lumières émises qui a traversé le végétal, est reçue par le photorécepteur et est amplifiée par la chaîne de mesure.
L'emploi d'une seconde source de lumière est facultative, mais améliore toutefois la mesure. En émettant à une longueur d'onde voisine de la première mais faiblement absorbée par l'eau, elle permet de disposer d'une valeur de la transmittance de l'élément végétal indépendante de sa teneur en eau, et par comparaison d'accéder à la contribution de la seule teneur en eau sur la transmittance.
Le boîtier de mesure est dédié à contenir les composants électroniques de traitement du signal, la sonde contenant quant à elle, outre les composants photoélectriques déjà mentionnés, des composants électroniques de détection. Cette répartition n'est toutefois pas rigide et certains composants peuvent être déportés, les circuits formant des modules fonctionnels et les modules eux-mêmes pouvant être conçus et agencés de différentes manières par l'homme de l'art, en fonction des spécifications retenues. De manière générale, l'architecture du capteur peut différer selon le mode opératoire, automatique ou manuel, mis en œuvre, ou selon les fonctions intégrées. Les différents modes de réalisation en découlant constituent des variantes évidentes pour l'homme du métier, qui sont comprises dans le cadre de la présente invention.
La première source de lumière émet dans un intervalle spectral correspondant à une des bandes de forte absorption de l'eau. Une source dont le spectre est centré sur 1940 nm est avantageusement utilisée. Une source centrée vers 1450 nm peut également être employée, en particulier pour les végétaux à forte teneur en eau. La deuxième source utilisée facultativement comme moyen de calibration peut être centrée par exemple sur 1300 nm. La modulation de la puissance optique moyenne émise par la ou les sources de lumière est réalisée à une fréquence déterminée, fixe ou variable.
Selon l'invention, le dispositif comprend d'une part des moyens d'amplification de la composante alternative du signal photoélectrique, accordée sur la fréquence de modulation (ou sur une fréquence multiple) de la ou des sources de lumière, et d'autre part des moyens de détection synchrone dudit signal. On peut utiliser pour cela un filtre à bande étroite qui permet de réduire les signaux de bruit hors de la bande passante du signal utile, et également d'ajuster le déphasage de la chaîne de pré-amplification pour que le signal photoélectrique et le signal de référence soient en phase (ou en opposition de phase) à l'entrée du détecteur synchrone. La détection synchrone effectue le redressement du signal alternatif pour fournir un signal continu dont la valeur moyenne est proportionnelle à l'amplitude du signal photoélectrique. On obtient alors un signal continu proportionnel à la puissance optique traversant l'élément végétal.
Selon une autre solution plus moderne dans son concept, une partie de la chaîne analogique peut être remplacée par un convertisseur analogique numérique (CAN) associé à un processeur de signal numérique (ou Digital Signal Processor, DSP). Après pré-amplification, le signal alternatif photoélectrique est numérisé ainsi que le signal de référence, les deux signaux étant cohérents avec celui issu d'une horloge. Le traitement numérique reconstitue le fondamental (ou une harmonique) du signal photoélectrique. Grâce à la présence du signal de référence interne au DSP, il est facile de supprimer les signaux non cohérents (bruits) et de réduire la contribution de la diaphonie. L'information utile est déduite sous forme numérique par la détermination de la valeur efficace (ou RMS) du signal photoélectrique filtré numériquement.
Selon un mode de réalisation préféré du dispositif selon l'invention, la sonde comprend des moyens de régulation thermique aptes à maintenir constante la température de la jonction de la première source de lumière, et de préférence aussi celle du photorécepteur. II est en effet préférable de stabiliser la source de lumière en température pour accorder parfaitement le spectre d'émission à la raie d'absorption de l'eau. Par ailleurs, il est avantageux que la température du photorécepteur soit relativement faible les jours de canicule, pour réduire le courant d'obscurité et ajuster la plus grande longueur d'onde de coupure de la réponse spectrale.
Selon l'invention, la source ou les sources de lumière peuvent être par exemple des diodes électroluminescentes (LED), des diodes laser de type mono-ruban, ou des diodes laser à émission par la surface. Le photorécepteur est choisi de manière connue par l'homme de l'art. C'est par exemple un photoconducteur, ou de préférence une photodiode à hétérojonction. La photodiode est caractérisée par une très grande dynamique en linéarité. De ce fait, la faible amplitude du courant alternatif qui contient l'information utile est superposée sans déformation ni compression notable à la très forte composante moyenne générée par la lumière ambiante. Le photorécepteur peut être par ailleurs associé à un circuit transimpédance apte à maintenir sa tension de polarisation constante, afin que ledit photorécepteur conserve un régime linéaire. Afin d'améliorer la précision de la mesure, il est intéressant que la ou les sources de lumière éclairent une surface relativement grande de la feuille. La transmission d'une fraction de la lumière diffuse, qui rayonne depuis l'élément végétal selon la loi de Lambert (source étendue), est alors captée par le photorécepteur qui présente un large champ de vision, ce qui permet de prendre en compte les défauts et irrégularités de l'élément végétal en réalisant une moyenne sur une grande surface. Ce faisant, il est nécessaire que l'élément végétal soit éclairé de la même manière sur toute la zone.
C'est pourquoi, selon une caractéristique intéressante de l'invention, le dispositif comprend un montage optique apte à assurer un éclairage uniforme large de l'élément végétal par la ou les sources de lumière. On peut par exemple avoir recours à un jeu de prismes (ou de miroirs) dont la surface réfléchissante forme un angle de 45 degrés avec le rayon incident et de lentilles, placés de part et d'autre de l'élément végétal pour orienter la lumière émise par la première source et la focaliser sur le photorécepteur selon un parcours optique court à l'intérieur d'un dispositif compact.
On souhaite aussi que le montage ait des dimensions les plus réduites possible, compatibles avec son intégration dans un dispositif de mesure portable, sans toutefois que la précision de la mesure en pâtisse. Il est astucieux d'utiliser dans ce but un montage comprenant deux prismes de Fresnel placés de part et d'autre de l'élément végétal. Dans ce cas, la surface réfléchissante n'est pas une surface plane à 45 degrés, mais comprend une pluralité de facettes disposées en marches d'escalier, chacune avec un angle de 45 degré par rapport au rayon incident. L'épaisseur des prismes étant ainsi réduite, on a un montage optique miniaturisé en épaisseur, produisant un éclairement du végétal par une lumière collimatée sur une large zone.
Dans une variante d'exécution particulièrement intéressante du dispositif selon l'invention, la sonde est portée par un organe mobile comportant deux mâchoires. L'une des mâchoires supporte la ou les sources de lumière et l'autre mâchoire le photorécepteur, lesdites mâchoires étant séparées par un espacement de sorte que la ou les sources de lumière et le photorécepteur sont placés de part et d'autre de l'élément végétal lors d'une prise de mesure. L'échantillon est ainsi engagé sans contact compressif entre les deux mâchoires. Les composants optiques sont à une distance déterminée fixe l'un de l'autre durant les mesures. Dans un mode de réalisation préféré, lorsque le dispositif selon l'invention est en position de mesure, le photorécepteur est placé sur la mâchoire supérieure de sorte à limiter l'éclairement solaire direct, et la ou les sources de lumière sont placées sur la mâchoire inférieure émettant leur flux lumineux vers le haut. Les éléments d'émission et de détection peuvent être protégés des corps étrangers (poussières, eau...) par des plaques de protection transparentes aux longueurs d'onde considérées. L'adjonction de jupes de protection amovibles en plastique souple opaque permet en outre de limiter les contributions au signal de l'éclairement extérieur.
Selon une variante avantageuse de l'invention, les mâchoires sont dotées d'une articulation autorisant leur ouverture. Cette disposition présente un avantage notable lorsqu'une succession de mesures est réalisée sur un élément végétal par un organe mobile, automatisé ou manuel. La sonde peut alors être placée au niveau de l'élément végétal avec une ouverture maximum des mâchoires, celles-ci étant ensuite resserrées en position de mesure. La position neutre (au repos) des mâchoires peut être la position fermée, préférée en mode automatique, ou la position ouverte préférée en mode manuel. Le maintien en position neutre peut être assuré par un ressort de traction ou des ressorts plats selon le mode choisi.
Dans tous les cas, il est avantageux que le dispositif comprenne une butée ajustable coopérant avec les mâchoires pour régler l'écartement de ces dernières dans une position de mesure optimale. Un écartement satisfaisant est par exemple voisin de 5 mm à 25 mm. Lorsque l'on souhaite réaliser un éclairement sur une grande zone de l'élément végétal, on préfère un écartement important, d'au moins 10 mm.
Lorsque l'on utilise un dispositif doté d'un organe mobile, ce dernier comprend avantageusement en outre des moyens de liaison électrique avec le boitier de mesure, ainsi que des moyens électroniques de détection associés au photorécepteur et des moyens de régulation thermique au moins de la première source de lumière et de préférence aussi du photorécepteur. Le câblage électrique des éléments est commodément inclus dans la mâchoire correspondante.
Est également objet de la présente invention un appareil de contrôle de l'état d'hydratation d'un élément végétal intégrant le dispositif de mesure tel qu'il vient d'être décrit et apte à assurer d'autres fonctions complémentaires concourant à la réalisation du résultat recherché sur une plus grande échelle de temps et/ou d'espace. Est ainsi revendiqué un appareil de contrôle de l'état d'hydratation d'un élément végétal comprenant :
- un dispositif tel que décrit ci-dessus, apte à réaliser des mesures successives du coefficient de transmission optique d'un élément végétal dans son environnement naturel, - des moyens de maintien de l'élément végétal dans une position non contraignante,
- des moyens de communication avec un module de pilotage.
Le module de pilotage constitue une unité centrale qui est l'ensemble maître incluant notamment la carte mère et les batteries, et peut être située localement dans l'appareil ou partiellement à distance, selon une structure adaptée au fonctionnement de l'appareil objet de l'invention et conçue dans les règles de l'art connues de l'homme du métier.
Les moyens de maintien de l'élément végétal dans une position non contraignante peuvent être de tout type, pourvu qu'ils permettent une prise de mesure répétée à intervalle de temps sur un même matériel. Ceci implique d'une part que le matériel végétal soit conservé en bon état durant toute la campagne de surveillance, et d'autre part qu'il conserve un positionnement identique par rapport à l'organe de mesure. Or on comprend bien que dans les conditions du plein champ, le végétal n'est pas immobile, il change de taille en se développant et se meut au gré du vent. Par position non contraignante, on entend que les moyens de maintien choisis assurent le maintien du végétal dans une position donnée sans l'endommager, l'altérer, ni à plus forte raison le détruire, donc sans générer de stress pouvant modifier le statut hydrique de l'élément végétal. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens de maintien de l'élément végétal peuvent être constitués d'un portique placé à hauteur de la sonde, et d'au moins une attache d'immobilisation d'une partie du végétal portant ledit élément végétal. Un telle partie est par exemple une tige ou un rameau sur lequel se développe l'élément végétal et qui présente une rigidité permettant un maintien immobile, c'est-à-dire ferme mais sans pression.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'appareil peut comprendre un logement interne de protection de l'organe mobile et des moyens pour déplacer ledit organe jusqu'à l'élément végétal avant une prise de mesure. Il est ainsi possible entre deux prises de mesure, de mettre les composants de la sonde à l'abri des intempéries et des poussières, la feuille sous test demeurant quant à elle soumise à des conditions normales d'ensoleillement ou de pluie. Selon une variante particulière de l'invention, l'appareil comprend un mécanisme automatique de déplacement de la sonde et de commande du mouvement des mâchoires.
L'appareil selon l'invention comprend de préférence en outre des moyens d'acquisition de données relatives à l'environnement climatique et/ou géographique de l'élément végétal. Il peut par exemple comporter une unité déportée incluant un pluviomètre, un thermohygromètre et un anémomètre. Dans un mode de réalisation préféré de l'appareil selon l'invention, celui-ci comprend un ou plusieurs des modules suivants :
- un module microcontrôleur de pilotage des fonctions électroniques et des automatismes mécaniques,
- un module interface de communication, dotée d'une sortie en local et/ou à distance,
- un module automatisme de l'organe mobile,
- un module d'alimentation comprenant une source d'énergie autonome.
Les circuits électroniques adéquats, conçus selon les règles de l'art, sont associés à ces modules. Ils comprennent notamment les cartes et les composants électroniques nécessaires, notamment les composants de détection qui peuvent être déportés dans l'organe mobile de mesure, l'électronique de régulation en température, l'électronique du bloc émission et horloge, l'amplification, le filtrage et la détection, une carte sonde, la carte principale analogique assurant la liaison carte sonde et signaux contrôle/mesure.
Le dispositif et l'appareil tels qu'ils viennent d'être décrits sont particulièrement adaptés à la mise en œuvre d'un procédé de détermination du taux d'hydratation d'un élément végétal dans son environnement naturel. Est ainsi revendiqué un procédé selon lequel on réalise une mesure du coefficient de transmission optique à l'aide d'un dispositif ou d'un appareil selon l'invention.
Est également objet de la présente invention, un procédé de détermination du taux d'hydratation d'un élément végétal dans son environnement naturel par mesure du coefficient de transmission optique à l'aide d'une sonde optoélectronique, qui comprend essentiellement les étapes consistant à :
- émettre de la lumière à partir d'une première source à une longueur d'onde correspondant à une bande de forte absorption de l'eau, et éventuellement à partir d'une seconde source émettant à une longueur d'onde voisine de la première et faiblement absorbée par l'eau pour permettre la calibration de la mesure de transmittance optique, - moduler la lumière émise par la ou les sources selon une fréquence déterminée pour obtenir une composante alternative de ladite lumière,
- irradier l'élément végétal avec ladite composante alternative de la lumière émise,
- et recevoir ladite composante alternative de la lumière ayant traversé l'élément végétal sur un photorécepteur et effectuer une détection synchrone du signal photoélectrique.
Dans la configuration automatique, l'appareil est implanté en pleine nature à proximité du végétal de référence. L'implantation choisie est avantageusement telle qu'elle permet d'effectuer des mesures successives de façon autonome et automatique durant une période plus ou moins longue, pouvant aller jusqu'à plusieurs mois. L'emploi d'une seconde source de lumière est facultative, mais améliore toutefois la mesure, car elle permet de disposer d'une valeur de la transmittance de l'élément végétal indépendante de sa teneur en eau.
Le procédé comprend les étapes consistant à réaliser une amplification de ladite composante alternative de la lumière reçue par le photorécepteur accordée sur la fréquence de modulation des sources de lumière, et une détection synchrone du signal photoélectrique, pour obtenir à la sortie un signal proportionnel à la puissance optique ayant traversé l'élément végétal. Le mode de traitement du signal photoélectrique obtenu peut être analogique ou numérique.
Si on utilise une chaîne analogique (filtre passe bande et détection synchrone) on obtient en sortie un signal continu proportionnel à la puissance optique ayant traversé l'élément végétal. Le filtre à bande étroite permet de réduire les signaux de bruit hors de la bande passante du signal utile et d'ajuster le déphasage de la chaîne de pré-amplification pour que le signal photoélectrique et le signal de référence soient en phase (ou en opposition de phase) à l'entrée du détecteur synchrone. Celui-ci effectue le redressement du signal alternatif pour fournir un signal continu. Si on emploie un convertisseur analogique numérique (CAN) associé à un processeur de signal numérique, on obtient en sortie un signal numérique proportionnel à la composante de la puissance optique modulée ayant traversé l'élément végétal et une valeur numérique proportionnelle à la valeur efficace de ce signal photoélectrique. Dans ce dernier cas, après avoir réalisé l'amplification de ladite composante alternative de la lumière reçue par le photorécepteur, on convertit le signal analogique en signal numérique et on le traite en prenant pour référence un signal d'horloge produit par un processeur de signal numérique DSP, cohérent avec le signal de modulation des sources de lumière.
Selon une autre caractéristique préférée du procédé revendiqué, la température à la jonction de la première source de lumière, ainsi que de préférence celle du photorécepteur, sont maintenues à une valeur constante, correspondant parfaitement à la raie d'absorption de l'eau dans le végétal. De préférence également, la tension de polarisation du photorécepteur est maintenue constante durant la mesure.
Selon une caractéristique intéressante de l'invention, la lumière émise par la ou les sources de lumière traverse un montage optique apte à assurer un éclairage uniforme large de l'élément végétal. Elle peut traverser un jeu de prismes dont la surface réfléchissante forme un angle de 45 degrés avec le rayon incident et de lentilles, placés de part et d'autre de l'élément végétal. Par exemple elle traverse une première lentille et un premier prisme en amont de l'élément végétal, puis en aval de celui-ci, un second prisme et une seconde lentille pour focaliser la lumière transmise sur le photorécepteur.
Selon une variante d'exécution particulièrement intéressante du fait de la miniaturisation qu'elle permet sans perte de précision de l'image, la lumière émise par la ou les sources de lumière traverse deux prismes de Fresnel dont la surface réfléchissante comprend une pluralité de facettes formant un angle de 45 degrés avec le rayon incident, lesdits prismes étant placés de part et d'autre de l'élément végétal.
Dans un mode de réalisation particulier du procédé selon l'invention, on utilise une sonde portée par un organe mobile comportant deux mâchoires séparées par un espacement, supportant en vis-à-vis, l'une la ou les sources de lumière et l'autre le photorécepteur, et qu'on place lesdites mâchoires de part et d'autre de l'élément végétal préalablement à une prise de mesure. Dans ce cas, de préférence, lors du placement des mâchoires de part et d'autre de l'élément végétal, lesdites mâchoires sont écartées, puis on les referme jusqu'à une butée de réglage de l'écartement de ces dernières en position de mesure.
De manière avantageuse, lorsqu'on réalise des mesures successives du coefficient de transmission optique d'un élément végétal à l'aide de ladite sonde portée par ledit organe mobile, celui-ci est rétracté dans un logement interne de l'appareil entre deux prises de mesure. Selon un mode d'exécution intéressant du procédé objet de l'invention, l'élément végétal est maintenu en permanence dans une position non contraignante par immobilisation d'une partie du végétal portant ledit élément, telle que celui-ci soit accessible à l'organe mobile portant la sonde.
Le procédé selon l'invention peut comprendre en outre une ou plusieurs opérations consistant à réaliser l'acquisition de données relatives à l'environnement climatique et/ou géographique dudit élément végétal. Enfin, le présent procédé peut comprendre au moins une des opérations suivantes, gérées par un système automatique local ou commandées à distance :
- déclenchement et réalisation des prises de mesure,
- pilotage des fonctions électroniques et mécaniques,
- gestion des communications,
- acquisition, sauvegarde et transfert des données, - alimentation en énergie par une source autonome.
Comme indiqué plus haut, il est possible de réaliser plusieurs mesures successives d'un même élément végétal afin de contrôler l'évolution de la teneur en eau dudit élément. Il est également envisagé de réaliser une pluralité de mesures en différents points d'un couvert végétal occupant une zone plus ou moins étendue. Ces mesures peuvent être réalisées par un opérateur doté d'un dispositif portable selon l'invention et se déplaçant d'un point à un autre de la zone à étudier. Elles peuvent aussi être réalisées à l'aide de plusieurs appareils en mode automatique installés de manière permanente en différents points du couvert végétal étudié. Est ainsi revendiquée l'application d'un dispositif de détermination du taux d'hydratation d'un élément végétal dans son environnement naturel tel qu'il a été décrit précédemment, ou d'un appareil de contrôle du taux d'hydratation d'un élément végétal dans son environnement naturel également décrit plus haut, à l'évaluation et au suivi dans le temps de l'état d'hydratation d'un couvert végétal.
Est également revendiqué l'application d'un procédé de détermination du taux d'hydratation d'un élément végétal par mesure du coefficient de transmission optique tel que décrit précédemment, à l'évaluation et au suivi dans le temps de l'état d'hydratation d'un couvert végétal. Cela suppose que les étapes constituant ledit procédé peuvent être répétées à intervalle de temps choisi, et de préférence en différents points de la zone végétale à surveiller, ce qui est rendu possible selon la présente invention par l'association des moyens mis en œuvre, qui sont susceptibles d'être organisés en réseau et pilotés à distance.
La répétition d'une mesure sur un même échantillon à des moments différents permet d'établir, à l'échelle d'un cycle végétatif ou d'une saison, un profil dynamique précis et significatif de l'état hydrique foliaire. Elle permet de s'affranchir du bruit lié à l'hétérogénéité d'état observable à un instant donné entre deux feuilles, ou même entre deux végétaux voisins. Elle permet enfin de mettre en évidence des variations d'état hydrique de faible importance qui ne seraient pas perceptibles dans le contexte de bruitage d'une mesure destructive.
La présente invention sera mieux comprise à l'aide des exemples et des figures illustrant un mode particulier de réalisation, sans en limiter la portée La fig.1 est un schéma fonctionnel du dispositif de mesure photométrique d'un élément végétal selon l'invention comprenant une sonde et un boîtier de mesure.
La fig. 1 a représente schématiquement un montage optique pour l'éclairage large d'un élément végétal, comprenant un jeu de lentilles et de prismes plans.
La fig. 1 b représente schématiquement un montage optique pour l'éclairage large d'un élément végétal, comprenant deux prismes de Fresnel.
La fig.2 est un schéma fonctionnel d'un appareil d'évaluation et de suivi de l'état d'hydratation d'un couvert végétal selon l'invention.
La fig.3 représente un organe mobile portant une sonde, avec mâchoires articulées actionnées par un ressort de traction. La fig.4 est un organigramme d'un appareil selon l'invention, illustrant un procédé de fonctionnement selon un mode automatisé.
EXEMPLE 1 : Dispositif de mesure photométrique d'un élément végétal Le dispositif de détermination du taux d'hydratation d'un élément végétal dans son environnement naturel comprend ici la sonde optoélectronique 1 , associée au boîtier de mesure 2. La sonde 1 comporte deux LEDs émettant un spectre à bande étroite : la LED 3 émettant à la longueur d'onde de 1940 nm qui correspondant à une bande de forte absorption de l'eau, ainsi que la LED 4, émettant à 1300 nm, faiblement absorbée par l'eau. Elle comprend aussi la photodiode 5 couplée à son amplificateur, dont la réponse spectrale correspond aux bandes d'émission des deux LEDs. Le boîtier 2 contient une carte électronique principale intégrant l'essentiel de l'électronique mise en œuvre. Le boîtier 2 et la sonde 1 forment deux éléments séparés et reliés physiquement par un câble ou une nappe. L'ajustement de la longueur d'onde centrale d'émission de la LED 3 est réalisée par le régulateur 9a de température de la jonction. La LED 4 centrée sur 1300 nm permet une calibration de la mesure de transmission optique de l'échantillon par détermination d'une atténuation du signal indépendante du contenu en eau de l'échantillon. Cette LED n'est pas régulée en température.
Pour s'affranchir de la très forte composante moyenne du courant photoélectrique de la photodiode dû à l'éclairement ambiant, la puissance moyenne émise par les LEDs est modulée à une fréquence déterminée imposée par l'horloge 11. Seule cette composante alternative du courant photoélectrique contenant l'information est ensuite traitée par la chaîne de détection.
La photodiode 5 est régulée en température par le régulateur 9b intégré dans le boîtier de la photodiode. La technologie du semi-conducteur nécessaire pour donner la réponse spectrale souhaitée a pour conséquence que cette photodiode présente un courant d'obscurité important. Pour réduire ce courant d'obscurité, on met en œuvre deux techniques :
- une polarisation à 0V, imposée par un circuit transimpédance (non représenté) ;
- une régulation à une température plus basse que l'ambiante.
La photodiode 5 est caractérisée par une très grande dynamique en linéarité. De ce fait, la faible amplitude du courant alternatif qui contient l'information est superposée, sans déformation, ni compression notable à la très forte composante moyenne générée par la lumière ambiante. Ce faisant, il faut que le circuit transimpédance qui maintient constante la tension de polarisation de la photodiode demeure un régime linéaire. Ce courant moyen dégrade le rapport signal photoélectrique sur bruit par la génération d'un courant de bruit de grenaille, dont la densité spectrale quadratique est constante (source de bruit blanc). C'est pour rendre optimal le rapport signal sur bruit, qu'on effectue une amplification sélective (à l'aide de l'amplificateur 7), accordée sur la fréquence de modulation qui évite de surcharger en bruit l'entrée du détecteur synchrone 8. On introduit l'amplificateur 12 dont le gain de tension est programmable pour ajuster la dynamique du détecteur synchrone 8. La constante de temps du filtre passe-bas 13 en sortie de la détection synchrone impose la bande passante équivalente de bruit de la chaîne. La détection synchrone effectue le redressement du signal alternatif dont la valeur moyenne est proportionnelle à l'amplitude du signal photoélectrique. C'est cette composante moyenne que l'on mesure. La chaîne analogique de la mesure est décrite par la figure 1. Les composants électroniques mis en œuvre sont des composants standard disponibles et facilement accessibles sur le marché. Des solutions de remplacement peuvent être envisagées à condition que la fonctionnalité attendue du composant soit respectée.
La sonde 1 peut être équipée du montage optique 40, représenté figure 1a. La lumière est émise par la première LED 3 à 1940 nm, et par la LED de calibrage 4 à 1300 nm. La lumière traverse la première lentille 41 puis le prisme plan 42. Le faisceau uniforme en sortie du premier prisme 42 irradie alors l'élément végétal 10 sur une large zone. La lumière transmise est reçue par le second prisme plan 43 puis focalisée par la seconde lentille 44 sur le photorécepteur 5. De manière alternative et plus performante du point de vue des possibilités de miniaturisation, les prismes plans 42, 43 et les lentilles 41 , 44, sont remplacés par deux prismes de Fresnel 46, 47, dotés d'une pluralité de facettes 48 disposées à 45 degrés par rapport au faisceau incident et en "marches d'escalier", déviant le faisceau lumineux selon le même principe que des lentilles de Fresnel.
On obtient dans les deux cas un éclairage uniforme et large de l'élément végétal 10 (le parcours optique du faisceau 45 est représenté en traits fins). Le montage 40 a un encombrement minimum et peut aisément être intégré dans un dispositif compact, ce qui permet sa miniaturisation en restant compatible avec une excellente précision de mesure.
EXEMPLE 2 : Dispositif avec organe mobile supportant la sonde Sur la figure 3, la sonde 1 du dispositif décrit à l'exemple 1 , est portée par l'organe mobile 20, comporte les deux mâchoires 21 et 22, mobiles autour de l'articulation 24 et séparées par l'espacement 23. Cet organe permet :
- d'accueillir l'électronique de détection du photomètre ;
- d'assurer le positionnement et le maintien des LEDs 3 et 4 et de la photodiode 5 dans la configuration de mesure ;
- d'assurer, par une ergonomie adaptée, la réalisation et la répétition des mesures de transmittance in vivo sur des échantillons de végétation.
La mise en œuvre de l'organe mobile 20 (ouverture/fermeture) peut-être réalisée de façon automatique ou manuelle. La position neutre des mâchoires 21 , 22 est assurée par l'action de ressorts 28 et varie selon le mode automatique ou manuel. En mode automatique, la position neutre est la position fermée maintenue par des ressorts de traction ; en mode manuel, la position neutre est la position ouverte assurées par des ressorts plats. L'électronique de mesure est montée solidairement aux deux extrémités des mâchoires 21 , 22 en vis-à-vis direct par serrage desdites mâchoires. La photodiode 5 est située sur la mâchoire supérieure 21 de façon à limiter l'éclairement solaire direct. Les LEDs 3, 4 sont situées sur la mâchoire inférieure 22, émettant leur flux lumineux vers le haut. Les éléments d'émission et de détection 3, 4, 5, peuvent être protégés de l'insertion de corps étrangers (poussières, eau...) par deux plaques de protection transparentes aux longueurs d'onde considérées (non représentées). L'écartement entre les deux mâchoires 21 , 22 est de 15 mm et constitue la zone d'insertion de l'échantillon 10.
Le câblage électrique des éléments d'émission et de détection est intégré chacun pour sa partie à la mâchoire support. L'écartement entre les LED 3, 4 et la photodiode 5 est constant, soit 5 mm (bord à bord des composants) ; la butée 25 ajustable placée à l'origine de l'organe mobile 20 permet le bon positionnement en vis-à-vis de ces éléments. La surface éclairée (au niveau de l'échantillon) est de l'ordre de 2 cm2 et peut être réduite par opacification circulaire d'une partie de la plaque de protection. L'adjonction de jupes de protection amovibles en plastique souple permet de limiter les contributions de l'éclairement extérieur. L'échantillon 10 est engagé sans contact compressif entre les deux mâchoires 21 , 22. Les composants optiques sont à une distance déterminée fixe l'un de l'autre durant les mesures. EXEMPLE 3 : Appareil de suivi de l'état d'hydratation d'un couvert végétal
L'appareil représenté sur la figure 2 est réalisé avec un dispositif et un organe mobile tels que décrits aux exemples 1 et 2 respectivement. L'appareil ici présenté a un mode opératoire automatique. Il comprend des moyens de maintien de l'échantillon végétal dans une position non contraignante, et des moyens de communication 31 avec un module de pilotage 30, reliés par le câblage 26. 3.1) Maintien de l'échantillon
Le portique 27 est constitué par une tige circulaire de géométrie variable selon la morphologie de l'échantillon (surface foliaire, ratio longueur/largeur...) et du végétal qui le porte (ligneux ou plante non ligneuse). Il présente une terminaison standard, par exemple deux broches parallèles, permettant son insertion dans le corps de l'appareil. Des attaches de fixation permettant l'accrochage non altérant et non destructif du végétal, se composent :
- d'un ou de deux points de fixation au portique, ajustables en position par coulissage et immobilisation par vis de serrage ; - d'un point d'amarrage du végétal (branches ou tiges).
Le nombre d'attaches varie selon le végétal (type de végétal, caractéristiques des feuilles...) et les conditions d'environnement, notamment le vent.
3.2) L'environnement système
L'environnement système représenté figure 4 permet l'implantation fixe en milieu naturel, une gestion à distance et une automatisation du cycle de mesure, notamment l'autocalibration de l'électronique de mesure, l'asservissement du positionnement de la sonde sur l'échantillon durant la mesure, et la télétransmission de la mesure à l'issue de sa réalisation. Il constitue une unité centrale qui est l'ensemble maître incluant notamment la carte mère et les batteries, et peut être située localement dans l'appareil ou partiellement à distance, selon une structure adaptée au fonctionnement de l'appareil objet de l'invention et conçue dans les règles de l'art connues de l'homme du métier.
3.2.1) Le module de pilotage ou microcontrôleur
Ce module 30 a pour fonctions : - de piloter individuellement les différents modules impliqués dans la mise en œuvre des cycles de mesure et de coordonner leurs actions ;
- de gérer la programmation automatique des mesures ;
- d'optimiser la gestion énergétique de la sonde 1 ;
- d'acquérir, traiter, stocker puis restituer les différentes composantes de la mesure ; - de s'assurer de l'intégrité de la chaîne de mesure.
Il prend la forme d'une carte électronique à microcontrôleur logée dans l'unité centrale, qui est conçue dans une logique de surface d'encombrement réduite.
3.2.2) Le module "interface communication" C'est un ensemble 31 composé de deux sous-modules dédiés à la communication locale 31 (a) et à la communication distante 31 (b). Ils ont pour fonctions :
- de réceptionner et de gérer les ordres de déclenchement de cycles de mesure émanant d'un utilisateur local (mode manuel), ou d'un requérant distant (mode automatique) ; - de restituer à cet utilisateur local ou au requérant distant le résultat de la mesure, par affichage ou transmission ;
- de permettre le paramétrage du dispositif.
Le sous-module de communication distante 31 (b) est un module de communication sans fil du type GSM sur la carte communication. Il est doté d'une antenne externe positionnée sur le bloc supérieur de l'unité centrale. Le mode de déclenchement du cycle de mesure choisi conditionne la physionomie de la liaison GSM :
- en mode automatique exclusif, le microcontrôleur déclenche automatiquement les cycles de mesure aux horaires programmés : le GSM-sonde est utilisé pour transmettre le résultat de la mesure au GSM-administrateur.
- en mode non automatique exclusif, le déclenchement d'un cycle de mesure passe par l'envoi d'un SMS depuis le GSM-utilisateur vers le GSM-sonde. A réception du SMS, le capteur GSM-sonde transmet l'information au microcontrôleur qui déclenche la mesure, puis transmet le résultat de la mesure au GSM-administrateur. - en mode mixte, les déclenchements sont réalisés simultanément par l'utilisateur et par le dispositif (programmation). Les deux derniers modes impliquent que le GSM-sonde soit en veille permanente.
3.2.3) Le module "alimentation"
Ce module 34 a pour fonctions :
- d'assurer l'alimentation électrique adaptée et nécessaire au bon fonctionnement microcontrôleur 30 et du dispositif de mesure dans le cas de la mise œuvre manuelle de la sonde 1 , ainsi que des modules de communication 31 et d'automatisme de l'organe mobile 20 dans le cas d'une mise œuvre automatique du dispositif ;
- d'assurer, dans ce deuxième cas, une autonomie du dispositif pour une durée compatible avec les besoins exprimés par les utilisateurs de terrain.
Il consiste en une alimentation interne de type batteries ou piles pour les modes manuel et automatique, complétée par une alimentation externe de type solaire avec panneau photovoltaïque pour le mode automatique.
3.2.4) Le module "automatisme de la sonde"
Ce module 33 a pour fonctions :
- de permettre, au déclenchement d'un cycle de mesure, le positionnement temporaire de la sonde 1 sur l'échantillon 10 pour la mesure et son retrait une fois la mesure réalisée ; - de mettre la sonde 1 à l'abri des agressions extérieures (poussières, rayonnement, pluie...) en dehors des phases de mesure.
Il comprend un logement spécifique dans la base d'accueil, ainsi qu'un automatisme de déploiement/reploiement de l'organe mobile 20. Le système de déploiement/reploiement de l'organe mobile 20 consiste en un asservissement sur un déplacement linéaire. Il est réalisé au moyen d'un moteur pas à pas linéaire. Le moteur est solidaire de l'organe 20 (en face arrière) et l'extrémité avant de la vis est fixée à la base d'accueil. Le moteur est piloté par le microcontrôleur 30.
3.2.5) Le module "paramètres d'environnement météo"
C'est un module 32 déporté ayant pour fonctions :
-de caractériser l'environnement météorologique entourant la mesure spectrale par enregistrement, par exemple des précipitations cumulées sur les dernières 24 heures et d'un horodatage du dernier événement pluvieux ; de la température ambiante sous abri au moment de la mesure ; de l'humidité relative de l'air sous abri au moment de la mesure ; de la vitesse moyenne et de la direction du vent au moment de la mesure ;
- de rapatrier en temps et heure les informations vers le microcontrôleur 30.
EXEMPLE 4 : Réalisation des mesures - procédé
En configuration manuelle, la mesure est réalisée par un opérateur présent sur le site. L'opérateur met le dispositif sous tension, démarre la phase de test (tension électrique en entrée et bilan de liaison émission/réception) et réalise une mesure à vide (sans échantillon). L'organe mobile 20 est ensuite positionné manuellement sur la feuille en test 10 pour effectuer la mesure de transmittance. Le microcontrôleur 30 procède ensuite au calcul de la transmittance et compile les informations à renvoyer (les paramètres du dispositif) et les mesures de transmittance, en local et/ou à distance. Le dispositif est ensuite mis hors tension.
En configuration automatique, la mesure est réalisée par un appareil tel que décrit précédemment, selon un mode de fonctionnement mettant en œuvre les modules de la figure 4. En dehors des phases de mesure, l'appareil installé à proximité du végétal surveillé, est en position de veille. Son activation et le déclenchement d'une mesure sont réalisés à réception d'un ordre distant ou par déclenchement automatique programmé. L'information est communiquée au microcontrôleur 30 qui, à son tour commande simultanément le module "automatisme de la sonde" 33 et le dispositif photométrique 1 , 2. La chronologie des actions est la suivante :
- phase de test de l'intégrité du dispositif photométrique (tension électrique en entrée et bilan de liaison émission/réception) ; - réalisation d'une mesure à vide en position neutre des mâchoires 21 , 22 ;
- translation de l'organe mobile 20 et positionnement de la sonde 1 sur l'échantillon 10 ;
- réalisation de la mesure de transmittance foliaire ;
- commande de rentrée de l'organe mobile 20.
Le module microcontrôleur 30 procède ensuite au calcul de la transmittance puis compile les informations à renvoyer (données météo, paramètres de la sonde et mesures de transmittance). L'envoi est effectué à distance vers un centre de réception 35. A la fin du cycle, l'appareil retrouve son état de veille.

Claims

REVENDICATIONS
1.- Dispositif de détermination du taux d'hydratation d'un élément végétal (10) dans son environnement naturel, comprenant une sonde optoélectronique (1 ) apte à effectuer une mesure du coefficient de transmission optique, associée à un boîtier de mesure (2), ladite sonde comportant : i) une première source de lumière (3) émettant à une longueur d'onde correspondant à une bande de forte absorption de l'eau, ii) éventuellement une seconde source de lumière (4) émettant à une longueur d'onde voisine de la première source et faiblement absorbée par l'eau, et iii) un photorécepteur (5) dont la réponse spectrale correspond aux bandes d'émission de la ou des première et seconde sources de lumière (3, 4), le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de modulation (6) de la puissance optique moyenne émise par la ou les sources de lumière (3, 4) selon une fréquence déterminée, et des moyens de détection synchrone (8) de la lumière reçue par le photorécepteur, de sorte que la lumière donnant l'information utile qui traverse l'élément végétal (10) et qui est reçue par le photorécepteur (5) est une composante alternative de la lumière émise par la ou les sources de lumière (3, 4).
2.- Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'amplification (7) de la composante alternative du signal photoélectrique, accordée sur la fréquence de modulation de la ou des sources de lumière (3, 4).
3.- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sonde (1 ) comprend des moyens de régulation thermique (9a, 9b) aptes à maintenir constante la température de la jonction de la première source de lumière (3) et de préférence aussi celle du photorécepteur (5).
4.- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les sources de lumière (3, 4) sont des diodes électroluminescentes, des diodes laser de type mono-ruban, ou des diodes laser à émission par la surface.
5.- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sonde (1 ) comprend un montage optique (40) apte à assurer un éclairage uniforme large de l'élément végétal (10) par la ou les sources de lumière (3, 4).
6.- Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le montage optique (40) est constitué par un jeu de prismes (42, 43) dont la surface réfléchissante forme un angle de 45 degrés avec le rayon incident et de lentilles (41 , 44) placés de part et d'autre de l'élément végétal (10), ou par deux prismes de Fresnel (46, 47) dont la surface réfléchissante comprend une pluralité de facettes (48) formant un angle de 45 degrés avec le rayon incident.
7.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sonde (1 ) est portée par un organe mobile (20) comportant deux mâchoires (21 , 22) supportant en vis-à-vis, l'une la ou les sources de lumière (3, 4) et l'autre le photorécepteur (5), lesdites mâchoires étant séparées par un espacement (23) de sorte que la ou les sources de lumière (3, 4) et le photorécepteur (5) sont placés de part et d'autre de l'élément végétal (10) lors d'une prise de mesure.
8.- Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, en position de mesure, le photorécepteur (5) est placé sur la mâchoire supérieure (21 ) et la ou les sources de lumière (3, 4) sont placées sur la mâchoire inférieure (22).
9.- Dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les mâchoires (3, 4) sont dotées d'une articulation (24) autorisant leur ouverture.
10.- Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend une butée (25) ajustable coopérant avec lesdites mâchoires pour régler l'écartement de ces dernières dans une position de mesure optimale.
1 1.- Dispositif selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l'organe mobile (20) comprend en outre des moyens de liaison électrique (26) avec le boitier de mesure (2), des moyens électroniques de détection associés au photorécepteur
(5) et des moyens de régulation thermique au moins de la première source et du photorécepteur.
12.- Appareil de contrôle de l'état d'hydratation d'un élément végétal (10) caractérisé en ce qu'il comprend : - un dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, apte à réaliser des mesures successives du coefficient de transmission optique dudit élément végétal dans son environnement naturel,
- des moyens de maintien (27) de l'élément végétal (10) dans une position non contraignante,
- des moyens de communication (31 ) avec des moyens de pilotage (30).
13.- Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de maintien (27) de l'élément végétal (10) sont constitués d'un portique placé à hauteur de la sonde (2), et d'au moins une attache d'immobilisation d'une partie du végétal portant ledit élément végétal (10).
14.- Appareil selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il comprend un logement interne de protection de l'organe mobile (20) et des moyens pour déplacer ledit organe jusqu'à l'élément végétal (10) lors d'une prise de mesure.
15.- Appareil selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comprend un mécanisme automatique de déplacement de la sonde (2) et de commande du mouvement des mâchoires (21 , 22).
16.- Appareil selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'acquisition (32) de données relatives à l'environnement climatique et/ou géographique de l'élément végétal.
17.- Appareil selon l'une des revendications 12 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend un ou plusieurs des modules suivants :
- un module microcontrôleur (30) de pilotage des fonctions électroniques et des automatismes mécaniques,
- un module interface de communication (31 ), dotée d'une sortie en local et/ou d'une sortie à distance,
- un module automatisme (33) de l'organe mobile,
- un module d'alimentation (34) comprenant une source d'énergie autonome.
18.- Procédé de détermination du taux d'hydratation d'un élément végétal (10) dans son environnement naturel par mesure du coefficient de transmission optique à l'aide d'une sonde optoélectronique (2), caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement les étapes consistant à :
- émettre de la lumière à partir d'une première source (3) à une longueur d'onde correspondant à une bande de forte absorption de l'eau, et éventuellement à partir d'une seconde source (4) émettant à une longueur d'onde voisine de la première et faiblement absorbée par l'eau pour permettre la calibration de la mesure de transmittance optique,
- moduler la lumière émise par la ou les sources (3, 4) selon une fréquence déterminée pour obtenir une composante alternative de ladite lumière,
- irradier l'élément végétal (10) avec ladite composante alternative de la lumière émise, et
- recevoir ladite composante alternative de la lumière ayant traversé l'élément végétal (10) sur un photorécepteur (5) et effectuer une détection synchrone du signal photoélectrique.
19.- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à réaliser une amplification de ladite composante alternative de la lumière reçue par le photorécepteur (5) accordée sur la fréquence de modulation des sources de lumière (3, 4), pour obtenir à la sortie un signal proportionnel à la puissance optique ayant traversé l'élément végétal (10).
20.- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, après avoir réalisé l'amplification de ladite composante alternative de la lumière reçue par le photorécepteur (5), on convertit le signal analogique en signal numérique et on le traite en prenant pour référence un signal d'horloge produit par un processeur de signal numérique, cohérent avec le signal de modulation des sources de lumière (3, 4), obtenir à la sortie un signal numérique proportionnel à la composante de la puissance optique modulée ayant traversé l'élément végétal (10).
21.- Procédé selon l'une des revendications 18 à 20, caractérisé en ce que la température de la jonction de la première source de lumière (3) est maintenue constante, et de préférence aussi celle du photorécepteur (5).
22.- Procédé selon l'une des revendications 18 à 21 , caractérisé en ce que la lumière émise par la ou les sources de lumière (3, 4) traverse un montage optique (40) apte à assurer un éclairage uniforme large de l'élément végétal (10).
23.- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la lumière émise par la ou les sources de lumière (3, 4) traverse un jeu de prismes (42, 43) dont la surface réfléchissante forme un angle de 45 degrés avec le rayon incident et de lentilles (41 , 44), placés de part et d'autre de l'élément végétal (10).
24.- Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce que la lumière émise par la ou les sources de lumière (3, 4) traverse deux prismes de Fresnel (46, 47) dont la surface réfléchissante comprend une pluralité de facettes (48) formant un angle de 45 degrés avec le rayon incident, lesdits prismes étant placés de part et d'autre de l'élément végétal (10),
25.- Procédé selon l'une des revendications 18 à 24, caractérisé en ce que l'on utilise une sonde (2) portée par un organe mobile (20) comportant deux mâchoires (21 ,
22) séparées par un espacement (23), supportant en vis-à-vis, l'une la ou les sources de lumière (3, 4) et l'autre le photorécepteur (5), et qu'on place lesdites mâchoires de part et d'autre de l'élément végétal (10) préalablement à une prise de mesure.
26.- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lors du placement des mâchoires (21 , 22) de part et d'autre de l'élément végétal (10), lesdites mâchoires sont écartées, puis on les referme jusqu'à une butée (25) de réglage de l'écartement de ces dernières en position de mesure.
27.- Procédé selon la revendication 25 ou 26, caractérisé en ce que, lorsqu'on réalise des mesures successives du coefficient de transmission optique d'un élément végétal (10) à l'aide de ladite sonde portée par ledit organe mobile, celui-ci est rétracté dans un logement interne de l'appareil entre deux prises de mesure.
28.- Procédé selon l'une des revendications 25 à 27, caractérisé en ce que l'élément végétal (10) est maintenu en permanence dans une position non contraignante par immobilisation d'une partie du végétal portant ledit élément, telle que celui-ci soit accessible à l'organe mobile (20) portant la sonde (2).
29.- Procédé selon l'une des revendications 18 à 28, caractérisé en ce qu'il comprend en outre de réaliser l'acquisition de données relatives à l'environnement climatique et/ou géographique dudit élément végétal.
30.- Procédé selon l'une des revendications 18 à 29, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une des opérations suivantes gérées par un système automatique local ou commandées à distance :
- déclenchement et réalisation des prises de mesure, - pilotage des fonctions électroniques et mécaniques,
- gestion des communications,
- acquisition, sauvegarde et transfert des données,
- alimentation en énergie par une source autonome.
31.- Application d'un dispositif de détermination du taux d'hydratation d'un élément végétal dans son environnement naturel selon l'une des revendications 1 à 1 1 , ou d'un appareil de contrôle du taux d'hydratation d'un élément végétal dans son environnement naturel selon l'une des revendications 12 à 17, à l'évaluation et au suivi dans le temps de l'état d'hydratation d'un couvert végétal.
32.- Application d'un procédé selon l'une des revendications 18 à 30 à l'évaluation et au suivi dans le temps de l'état d'hydratation d'un couvert végétal.
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