co2激光除草應用初步研究

1、2 0 0 8 年 6月農(nóng) 機 化 研 究 第 6期 C O 2激 光 除 草 應 用 初 步 研 究 潘 雷 ， 陳樹人 ， 栗移新 ， 毛罕平 ( 江蘇 大學 江蘇 省現(xiàn) 代農(nóng) 業(yè)裝備 與 技術 重點 實驗 室 ，江 蘇 鎮(zhèn) 江 2 1 2 0 13)摘 要： 研究了激光精確除草的機理， 并探索了激光切割雜草莖稈以及照射處于幼苗期的雜草頂端分生組織后對 雜 草的影 響 。實驗 表 明 ， 利用 激光切 割 雜草 的莖 稈 或 直接

2、 照 射 雜草 的分 生組 織 上 可 有效 地 抑 制 雜 草 的再 生長 。利 用激 光進 行除 草 ， 是 一種 潛在 的控 制作 物 內雜草 的有 效方 法 。關鍵 詞 ：c o 2 激 光器 ； 物理 除草 ； 精 確農(nóng) 業(yè) ； 能量 密度 中圖分類號 ：s 3 6 5； $ 1 2 3文獻標 識碼 ： A文章編號 ：1 0 0 3—1 8 8 X( 2 0 0 8) 0 6-0 1 7 1— 0 30引言 雜草是農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)的

3、大敵 ， 平均每 年由于雜 草帶來 的糧食產(chǎn)量損失高達 7 ． 5 ％ 一 2 5 ％。作物行間以及作 物之間的雜草可 以通過 自動除草機得到有效 的控制 ，而對作物 內雜草的精確控制 目前還很難實現(xiàn)。作為一 種潛在的物理除草方法 ， 激光可 以短 時間內在 一束很 窄的光線上聚集大量 的能量 ， 借 助于機 器視覺技術對 雜草的識別和定位 ， 可以快速并準確地照射在雜草上 ，達到除草的目的¨ J 。激光器可 以向選定 的植物

4、發(fā) 出高 能量密度 的激光 ， 迅速提高植物細胞 中的水分溫度 ， 因而可以有效地抑制或減緩雜草的生長 j 。H e i s e l 等人 應用平均直徑大約 為 1 ． 1 m m 的 C O激光束 成功切斷 了雜草的莖稈。C O ， 激光屬于 遠紅外 光 ， 之所 以可 以用來除草， 是因為雜草組 織內的水分 子可大量 吸收該 波長的激光 ， 隨之產(chǎn)生高熱 ， 并導致水分子沸騰。激光 的生物熱效應主要包括熱沸騰 、 熱凝固 、 熱致

5、死 以及熱 罨。激光除草的生物效應與激光的波長 、 照射時間、 光 束直徑及激光功率有關 ， 同時除草的效 果也 隨著雜草 及其生長期的不 同而有所變化 J 。對處于幼苗期 的雜 草進行了 C O激光除草實驗 ， 結果表明 ： 激光 的使用可 以有效地抑制雜草 的再生長 ， 有 時甚 至對雜草 產(chǎn)生致 命影響 ， 而不帶來任何污染 J 。C O ， 激光器發(fā)射出的遠紅外光波波長為 1 06 0 0 n m 。由于植物組織 內的水分對波

6、長為 1 06 0 0 n m 的光波吸 收系數(shù)很 大 ， 因此 該波 長 的激光 會被 細 胞 內和細 胞 收稿 日期 ： 2 0 0 7 — 0 9— 1 1基金項 目： 江蘇省博 士后科研資助f l - ~ ' l 項 目( 0 6 0 1 0 1 4 B )作者簡介 ： 潘 雷 ( 1 9 8 0一) ， 男 ， 江 蘇徐 州人 ． 碩士 ， ( E—m a i l ) p a n l e i @y a h o o ．

7、e l l 。外的水分強烈 吸收 ， 從 而使組織 內水 分溫度 升高。當 溫度超過 5 5 ℃以后 ， 細胞的主要組織結構會受到破壞 。因為該溫度對植物細胞是致命 的， 所 以在此 溫度 下蛋 白質會發(fā)生質變 ， 組織結構無明顯變化 ， 而葉片上細胞 的破壞程度則取決于輻射的持續(xù)時間 J 。本文研究 C O激光精確除草機理 ， 并探索激光除 草技術潛在的應用價值 ， 分析影 響激光除草效果 的關 鍵因素以及雜草受激光照射作用 的生物熱

8、效應過程及 機 理 。1理論模型 衡量激光除草效果 的主要指標是激光器的能耗及 雜草的死亡率 ， 而激光器 的能耗取決于激光器的功率 及激光束 的作用時間 ， 除草效果的好壞取決于激 光的 能量密度 。在功率一定 的情況下 ， 激光光束移動的速 率越大 ， 能量 密度越低 ， 作用在 雜草上 的效 果越不 明顯 ； 反之 ， 激光光束移動 的速率越小 ， 能量密度越 大， 作 用在雜草上的效果越明顯。B i l a n s k i 和

9、F e r r e z 利用 C O激光切割馬鈴薯莖稈時發(fā)現(xiàn)， 當激光的移動速度 介于 3 8 — 7 6 m m ／ s 時 ， 作用效果未有顯著區(qū)別 。激光能量密度與能耗的非線性公式 為 DW = C +式中 D一每株植物 的干質量 ；C — 曲線 的下 限 ；D 一未經(jīng)激光作用過的植物 的株數(shù) ；D 0 s一 激光能量密度 ， 能量密度 = 功率／ 速率 ；E 1 ) 如 一 ( D— C ) 減少至原來 的 5 0 ％時的能量

10、密 度等級 ；一 能量密度曲線的傾角及位置 ；· 1 71·維普資訊 http://www.cqvip.com 2 0 0 8 年 6月農(nóng) 機 化 研 究 第 6 期 光 除草 的效果 。圖6C O 2 激光器作用下的稗草 Fi g ． 6T h eb a my a r dg r a s sb e i n gt r e a t e d圖 7 經(jīng) 過 激 光 作 用 后 的 雜 草 F 培． 7T h eb a r

11、n y a r dg r a s sa f t e rt r e a t me n t激光除草所致熱效應會受許 多因素的影響 ， 其 中主要是輻照能量密度 、 照射持續(xù)時間 、 被照組織的含水 量及其所處 的組織深度等。就損傷程度 而言， 激光 的熱作用有臨界溫度 ， 不 同的雜草生物組織有不 同的臨界程度 。在臨界 溫度 內， 被照 射組 織可耐受短暫 的溫 升而不發(fā)生破壞性的損傷 ； 超過臨界溫度 ， 生物組織就 會被破壞 ， 它將

12、 隨入射能量增加 5J 。進一步 的實驗表 明 ： 盡管隨著激光使用劑量 的增加， 除草效果無顯著變 化 ， 但是使用成本在逐步上升。4結 語 利用機器視覺技術對雜草進行識別 與定位 ， 同時 利用激光對作物區(qū)域內的雜草進行控制 ， 是一種 有效 的潛在除草方法， 可以有效地減少 由于使用化學 除草 劑帶來的污染 。本文闡述了激光除草系統(tǒng)所需要的硬 件和軟件 ， 激光除草的效率與激光 的波長 、 光照時 間、光斑直徑 、 激光功率 以

13、及聚焦距離有關 ， 同時決定除草 效率 的還有計 算機視覺 識別效 率的高低 等。實驗表 明， 激光在熱除草技術中還有很大的潛力， 需要進一步 的實驗來探索激光除草 的機理 ， 提高激光除草 的性能 及效率 。參 考文獻 ：[ 1 ]S o l v e j gKM a t h i a s s e n ，T h o m a sB a k ，S v e n dC h r i s t e n s e n ，e t a 1 ．T h ee f

14、e c to fl a s e rt r e a t me n ta sawe e dc o n t r o lme t h o d[ J ] ． B i o s y s t e m sE n g i n e e r i n g， 2 0 0 6 ， 9 5 ( 4 ) ： 4 9 7 — 5 0 5 ．[ 2 ]B I L A N S K IWK& F E R R E ZA C O( 1 9 9 1 ) P r o c e s

15、 s i n ga g r i c u l —t u r a lma t e r ia l swi t haCO2l a s e r ： al i n e a rmo d e 1 ． AS AEMe e t i n g ，9 1～7 5 6 0： 1— 1 3 ．[ 3 ] H a n sW G r i e p e n t r o g ， M i c h a e lN o e r r e m a r k ， J a v i e rFS

16、 o r i a n o ．C l o s e — t o ～ c r opt h e r ma lwe e du s i n gaC O2l a s e r ．2 0 0 6 C I GR． W o r l dC o n g r e s s ：Ag r i c u l t u r a lE n g i n e e r i n gf o raB e t t e rW o r l d． 2 0 0 6： 3 2 7～3 2 8 ．[ 4

17、]B o nW ， G r u n d yAC ．N o n～ c h e m i c a lw e e dm a n a g e m e n ti no r g a n i cf a r m i n gs y s t e m[ J ] ．We e dR e s e a r c h ， 2 0 0 1 ， 4 1 ( 5 ) ：3 8 3—4 0 6 ．[ 5 ] J ． C ， 切托． 生物學傳熱基礎 [ M ] ． 北京 ： 科學出

18、版社 ， 1 9 9 1 ．W e e d i n gCo n t r o lAp p l i c a t i o nP r i m a r yS t u d yb yCO2La s e rP ANL e i ， C HENS h u—r e n ， L IYi —x i n ， MAOHa n—p i n g( J i a n g s uU n i v e r s i t y ，J i a n g s uP r o v i n c e

19、K e yL a b o r a t o r yo fM o d e m A g r i c u l t u r eE q u i p m e n ta n dT e c h n o l o g y ，Z h e n j i a n g2 1 2 0 1 3 ，C h i n a )A b s t r a c t ： T h eo b j e c t i v eo ft h i sp a p e re x p l o r e st h

20、 ep o s s i b i l i t yo fu s i n gC O 2l a s e rf o rt h e r ma la n dh i g h—r e s o l u t i o nw e e dc o n t r o lt h ec l o s e—t o—c r o pa r e a ，a n di n v e s t i g a t e st h ee f f e c to fl a s e rt r e a t m

21、e n td i r e c t e dt o wa r d st h ea p i c a lme r i s t e mso fs e —l e c t e dwe e ds p e c i e sa tt h ec o t y l e d o ns t a g e ．T h ee x p e r i me n ts h o we dt h a tt h el a s e rt r e a t me n to ft h ea p i

22、 c a lme r i s t e msc a u s e ds i g n i f i c a n tg r o wt hr e d u c t i o na n ds o me t i me sh a dl e t h a l e f e c t so nwe e ds p e c i e s ．Us i n gl a s e rf ort h e r m a lw e e dc o n t r o lwo u l db eag

23、 o o dwa yt oc o n t r o lt h ec l o s e— — t o— — c r o pwe e da n dr e d u c et h ep o l l u t i o nc a u s e db yc h e mi c a l h e r b i c i d e s ．Ke ywo r d s ：C O2l a s e r ；p h y s i c a lw e e dc o n t r o l ；p