Laserspektroskopische Ferndetektion zur Erkennung von Gefahrstoffen auf Kleindrohnen

In den letzten Jahrzehnten haben sich die globale Sicherheitsarchitektur und die Sicherheitsrisiken in der Gesellschaft grundlegend geändert. Direkte und indirekte Bedrohungen wie zum Beispiel Terrorismus, Organisiertes Verbrechen oder Piraterie stellen neue Anforderungen an Innere Sicherheit und Verteidigung. Bei geplanter oder unbeabsichtigter Freisetzung von CBE Kampf- und Gefahrstoffen erfordert die schnelle Aufklärung eine schnelle, flexible und zuverlässige Detektion von CBE-Substanzen und Kontaminationen. LUCS ist ein innovatives drohnengestütztes Ferndetektionssystem, welches im Rahmen der DLR Sicherheitsforschung vom DLR Institut für Technische Physik entwickelt wurde. Basierend auf einer laserspektroskopischen Technik ist das MAV-gestützte System (Micro Air Vehicle) insbesondere für den Einsatz zur berührungslosen Erkennung und Klassifizierung von chemischen und biologischen Gefahrstoffen auf Oberflächen ausgelegt. Das Zusammenspiel zwischen LUCS und dem Coptersystem ermöglicht uneingeschränkten Bewegungsfreiraum, wodurch Kontaminationen nicht nur punktuell erfasst, sondern auch großflächig lokalisiert werden können. Anhand einer On-board Datenverarbeitung können die Messdaten in nahezu Echtzeit an die Bodenstation übermittelt werden

UAV-getragenes laserinduziertes Fluoreszenzspektroskopie-System zur aktiven Ferndetektion von Gefahrstoffen auf Oberflächen

LUCS ist ein innovatives drohnengestütztes Ferndetektionssystem, welches im Rahmen der DLR Sicherheitsforschung am DLR Institut für Technische Physik entwickelt wurde. Basierend auf einer laserspektroskopischen Technik ist das UAV-gestützte System insbesondere für den Einsatz zur berührungslosen Erkennung und Klassifizierung von chemischen und biologischen Gefahrstoffen auf Oberflächen ausgelegt. Mit einer Messzeit von ca. 100 ms können aus einer Detektionsdistanz zwischen 8 – 10 m innerhalb kürzester Zeit die Fluoreszenzeigenschaften des Probenmaterial untersucht werden

Remote detection of fungal pathogens in viticulture using laser-induced fluorescence: an experimental study on infected potted vines

Introduction: Pathogenic fungi, such as Plasmopara viticola and Erysiphe necator, severely threaten the annual yield of grapes in both quantity and quality. In contrast to other crop production systems, fungicides are intensively applied in viticulture as a countermeasure. The goal of precision viticulture is to optimize vineyard performance as well as the environmental impact by reducing fungicides and applying different techniques and combined strategies. Therefore, new emerging technologies are required, including non-invasive detection, as well as monitoring and tools for the early and in-field detection of fungal development. Methods: In this study, we investigated leaves of potted vines (Vitis vinifera cv. ‘Riesling’) and traced the development of the inoculated leaves using our new remote detection system vinoLAS®, which is based on laser-induced fluorescence spectroscopy. We ran a measurement campaign over a period of 17 days. Results: We were able to detect a leaf infection with P. viticola, the causal agent of downy mildew, between 5 and 7 days after inoculation. Our results provide evidence for a successful application of laser-based standoff detection in vineyard management in the future. Thus, the vinoLAS system can serve as a model technology for the detection of pathogenic disease symptoms and thus monitoring complete vineyard sites. This allows for early countermeasures with suitable crop protection approaches and selected hot-spot treatments. Discussion: As P. viticola is considered one of the most damaging fungi in European viticulture, disease mapping via this monitoring tool will help to reduce fungicide applications, and will, therefore, support the implementation of the European Green Deal claims

Early remote detection of downy mildew on grape vine by fluorescence methods

Pathogenic fungi severely threatens the annual yield of grapes in quantity and quality. Therefore, viticulture requires intensive fungicide applications, compared to other crops. Aimed at a reduction of fungicide input, different techniques and combined strategies are applied in viticulture. To successfully reduce losses in yields, early detection techniques are required. In this work we present premeasurements to remotely detect a pathogenic fungus on the leaves of Vitis vinifera (Müller-Thurgau). We were able to detect a leaf infection with Plasmopara viticola (causal agent of downy mildew) on potted vines within the first week after inoculation. Our results could be reproduced over multiple samples and different methods. Fluorescence mapping was used to monitor the blue-green fluorescence and chlorophyll fluorescence behaviour over a wide area of excitation wavelengths. Based on this, spectral data of fluorescence emission was recorded via fluorometric measurements with excitation at different wavelengths in the visible and UV range. Furthermore, we used laser-induced fluorescence (LIF) and hyperspectral imaging to verify our results. Additionally, we combined hyperspectral imaging with LIF. The evaluation was based on the ratio of blue fluorescence to far-red fluorescence (BFRR_UV) and normalized difference vegetation index (NDVI), which represent an established method in many agricultural applications. Eventually, we evaluated the scalability of our methods for long term measurements. Our results form a fundamental approach for the design of a laser-based stand-off detection system for the practical application in vineyards. Such a system can serve as a model technology for early detection of pathogenic diseases and opens a window for early countermeasures. As mildew infection is considered the most damaging disease in European viticulture, these early countermeasures could greatly reduce the environmental and economic cost associated with fungicide application

Early remote detection of downy mildew on grape vine by fluorescence methods

Pathogenic fungi severely threatens the annual yield of grapes in quantity and quality. Therefore, viticulture requires intensive fungicide applications, compared to other crops. Aimed at a reduction of fungicide input, different techniques and combined strategies are applied in viticulture. To successfully reduce losses in yields, early detection techniques are required. In this work we present premeasurements to remotely detect a pathogenic fungus on the leaves of Vitis vinifera (Müller-Thurgau). We were able to detect a leaf infection with Plasmopara viticola (causal agent of downy mildew) on potted vines within the first week after inoculation. Our results could be reproduced over multiple samples and different methods. Fluorescence mapping was used to monitor the blue-green fluorescence and chlorophyll fluorescence behaviour over a wide area of excitation wavelengths. Based on this, spectral data of fluorescence emission was recorded via fluorometric measurements with excitation at different wavelengths in the visible and UV range. Furthermore, we used laser-induced fluorescence (LIF) and hyperspectral imaging to verify our results. Additionally, we combined hyperspectral imaging with LIF. The evaluation was based on the ratio of blue fluorescence to far-red fluorescence (BFRR_UV) and normalized difference vegetation index (NDVI), which represent an established method in many agricultural applications. Eventually, we evaluated the scalability of our methods for long term measurements. Our results form a fundamental approach for the design of a laser-based stand-off detection system for the practical application in vineyards. Such a system can serve as a model technology for early detection of pathogenic diseases and opens a window for early countermeasures. As mildew infection is considered the most damaging disease in European viticulture, these early countermeasures could greatly reduce the environmental and economic cost associated with fungicide application

Ferndetektion von schädlichen Pilzen im Weinbau durch laserinduzierte Fluoreszenz - Weiterentwicklung des vinoLAS Systems

Der Befall mit schädlichen Pilzen führt im Weinbau zu Ertragseinbußen sowie zu ökonomischen und ökologischen Belastungen durch den präventiven Einsatz von Fungiziden. Diese könnten durch eine Früherkennung des Befalls verringert werden. Das Projekt vinoLAS® soll die kontaktlose Früherkennung des falschen Mehltaus, einer wichtigen schädlichen Pilzart im Weinbau, ermöglichen. Dabei sollen Methoden der laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie verwendet werden. In dieser Arbeit wird ein Detektionsmodul zur Analyse des laserinduziertem Fluoreszenzlichts in vier spektralen Kanälen entwickelt. Die Anforderungen an das Detektionsmodul werden festgelegt und die Entwicklung erläutert. Das System lässt sich in einen optischen und elektronischen Aufbau teilen. Das Verhalten des elektronische Aufbaus wird anhand umfangreicher Messungen bestimmt und mit den Anforderungen verglichen. Es wird mit dem optischen Aufbau zu einem Gesamtsystem kombiniert. Mit diesem werden Messungen im vinoLAS® Laboraufbau durchgefuhrt, welche zur Verifikation mit einer Referenzmessung verglichen werden. Die Messungen zum elektronischen Aufbau zeigen, dass alle gestellten Anforderungen erfüllt und teilweise übertroffen werden. Das entstandene Gated-Integrator System ist mit einem, deutlich teureren, kommerziellen Gated-Integrator vergleichbar, bietet dabei aber doppelt so viele Kanäle und ein 44 % geringeres Rauschen. Mit der Diskussion der Messdaten werden außerdem Ansätze vorgestellt, die eine kostengünstige weiter Verbesserung des elektronischen Systems ermöglichen. Die Messungen mit dem Gesamtsystem zeigen eine qualitative Übereinstimmung mit der Referenzmessung, es sind jedoch noch quantitative Abweichungen vorhanden, die weiter untersucht werden mussen. Außerdem zeigt sich, dass die Qualität der Messdaten durch eine Schwankung der Laserfrequenz stark eingeschränkt wird. Eine leicht implementierbare und kostengünstige Lösung fur dieses Problem wird jedoch vorgestellt. Nach Umsetzung der beiden Verbesserungsvorschläge kann das System in den vinoLAS® Aufbau integriert werden und so eine kontaktlose Früherkennung von falschem Mehltau in Weinreben ermöglichen

Ferndetektion von schädlichen Pilzen im Weinbau durch Laserinduzierte Fluoreszenz - Weiterentwicklung des vinoLAS-Systems

Im europäischen Weinbau werden jährlich ca. 90000 Tonnen Fungizid zur Bekämpfung von Pilzen und zur Vorbeugung von Pilzbefall eingesetzt. Das entspricht 60% des gesamten Fungizidverbrauchs in der Landwirtschaft, obwohl der Weinbau nur 5% der Anbaufläche einnimmt. Das Ziel des vinoLAS® Projekt ist es, durch laserbasierte Ferndetektion eine, im Vergleich zu passiven Detektionstechnologien, fruhere Detektion und damit einen gezielteren Einsatz dieser Fungizide zu ermöglichen

Ferndetektion von schädlichen Pilzen im Weinbau durch Laserinduzierte Fluoreszenz - Weiterentwicklung des VinoLAS® Systems

Der Befall mit schädlichen Pilzen führt im Weinbau zu Ertragseinbusen sowie zu ökonomischen und ökologischen Belastungen durch den präventiven Einsatz von Fungiziden. Diese könnten durch eine Früherkennung des Befalls verringert werden. Das Projekt vinoLAS® soll die kontaktlose Früherkennung des falschen Mehltaus, einer wichtigen schädlichen Pilzart im Weinbau, ermöglichen. Dabei sollen Methoden der laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie verwendet werden. In dieser Arbeit wird ein Detektionsmodul zur Analyse des laserinduziertem Fluoreszenzlichts in vier spektralen Kanälen entwickelt. Die Anforderungen an das Detektionsmodul werden festgelegt und die Entwicklung erläutert. Das System lässt sich in einen optischen und elektronischen Aufbau teilen. Das Verhalten des elektronische Aufbaus wird anhand umfangreicher Messungen bestimmt und mit den Anforderungen verglichen. Es wird mit dem optischen Aufbau zu einem Gesamtsystem kombiniert. Mit diesem werden Messungen im vinoLAS® Laboraufbau durchgeführt, welche zur Verifikation mit einer Referenzmessung verglichen werden. Die Messungen zum elektronischen Aufbau zeigen, dass alle gestellten Anforderungen erfüllt und teilweise übertroffen werden. Das entstandene Gated-Integrator System ist mit einem, deutlich teureren, kommerziellen Gated-Integrator vergleichbar, bietet dabei aber doppelt so viele Kanäle und ein 44% geringeres Rauschen. Mit der Diskussion der Messdaten werden außerdem Ansätze vorgestellt, die eine kostengünstige weiter Verbesserung des elektronischen Systems ermöglichen. Die Messungen mit dem Gesamtsystem zeigen eine qualitative Übereinstimmung mit der Referenzmessung, es sind jedoch noch quantitative Abweichungen vorhanden, die weiter untersucht werden müssen. Außerdem zeigt sich, dass die Qualität der Messdaten durch eine Schwankung der Laserfrequenz stark eingeschränkt wird. Eine leicht implementierbare und kostengünstige Lösung für dieses Problem wird jedoch vorgestellt. Nach Umsetzung der beiden Verbesserungsvorschläge kann das System in den vinoLAS® Aufbau integriert werden und so eine kontaktlose Früherkennung von falschem Mehltau in Weinreben ermöglichen