观察|光子学如何在农业照明与监测传感领域大展身手？

“科技兴农”之风正起，全球越来越多企业正借助科技手段，实现农业产量和利润的最大化，并将对环境的危害降到最低。而当下，光学元件也成为了撬动农业大发展的关键技术，在帮助发现植物疾病、处理害虫、收集数据以及保护野生动物免受重型机械的使用等各个方面发挥重要作用。

此外，光子学在加快食品工业现代化进程中发挥着越来越关键的影响，并为更高产、无化学物质、环境友好、资源高效和可持续的农业方法打下了基础。专家表示，发展相应的基础设施和技术，可以帮助大幅提高农业生产率。另外，近年来光子学在提供安全、营养、实惠的食品，建立从农场到餐盘的可持续食品产业价值链这些方面扮演了重要角色。

光子学助力智慧农业

更具体地来看，光谱分析设备和高光谱照相机能够帮助农民确定小麦收成中的蛋白质水平，筛选水果和蔬菜中的污染物，观察水质以测量鱼类的健康状况。而集成在无人机、飞机甚至卫星上的光学传感器，被用来精确和远程地绘制大面积的陆地区域。它们可以测量农业地区的大规模作物效应，并进一步帮助最小化农业实践对环境的影响。

除了提高生产率之外，减少食物浪费是另一个日益重要的议题。据统计，全球不少国家三分之一的粮食在收获、加工、分发或消费时被浪费。在这种背景下，光子学能够对粮食生产和消费都作出宝贵的贡献。例如，高光谱相机可以确定水果的成熟度和正确的采摘时间。与此同时，成像和标记有望加快食品加工和配送，而荧光光谱可以监测消费阶段食品中的氨基酸、维生素、过敏原和其他成分。

农业公司如何利用好光子学技术？

既然优势已经不言而喻，那农业公司如何使用光子学来巩固自身的业务能力？

像FESTO和John Deere这样的大公司将光学传感器集成到他们的自动化系统和重型机械中。值得注意的是，基于光学传感器的数字解决方案可以准确识别昆虫。它们可以集成到虫害管理系统中，包括及时处理设备和智能喷洒设备。最近，奥地利Optronia公司推出了Sendosafe Sensor，以保护野外动物不被重型农业机械杀死。结合机器视觉摄像头和人工智能(AI)，它们的传感器可以检测到野生动物，并自动提起切割装置，防止动物受伤。

垂直种植（也就是将作物叠放种植，而不是传统的横排种植）是目前受益于光学传感器的另一个领域。例如，像意大利Agricola Moderna这样的公司正在使用光子传感器来增强和支持其环境控制、疾病检测和数据收集的自动控制系统，并帮助他们优化工艺和产量。

高光谱成像是一种非接触式、非侵入式的技术，可提供可持续且不断升级优化的食品生产工具。通过应用高光谱成像来确定氮、磷、钾和类黄酮等，可以根据作物的健康和营养状况作出作物管理决策。高光谱成像还用于植物表型，通过收集植物的化学资产、大小和形状的信息，以优化作物管理决策。位于荷兰的IMEC OnePlanet研究中心是基于集成光子技术的新型实时传感技术(近红外[NIR]、拉曼光谱和高光谱成像)的先驱。OnePlanet的目标是提高对粮食生产过程的认识并进行改进，以优化资源利用和减少浪费。

总部位于法国的SILIOS技术公司则开发了一系列紧凑的多光谱相机，包括涵盖430-930 nm光谱域的CMS/CMS4系列。其中，TOUCAN是专门设计的，可以实现VIS NIR多光谱系统的高度集成，这将图像分成非常大的范围(400-900 nm)的十个光谱波段。SILIOS的销售经理Thierry Berthou指出，这些摄像头可以用于早期检测疾病，并启动智能喷洒，从而减少化学药剂的施用。

芬兰公司Specm是另一家开发农业高光谱成像解决方案的公司。该公司最近的一个产品应用例子是垂直农业，它可以节省农业所需的98%土壤和95%的水。

在照明方面，QTH光源提供了从VIS-IR到短波-红外(SWIR)的广泛光谱照明，是当下高光谱成像的热门选择。然而，尽管它的成本相对较低，使用寿命却并不长，而且灯的重新校准频繁、昂贵和耗时。此外，还需要散热管理，这将导致高功耗，以及形状因素的限制，限制了高光谱系统的成像设计、尺寸和成本。西班牙的ICFO正在研究使用胶体量子点(CQDs)来实现灵活的高光谱成像解决方案的SWIR照明替代来源。

同样，瑞士电子与微技术中心(CSEM)正在开发农业物联网，通过创建具有成本效益和直接性的多光谱成像系统，可以对作物、土壤和水分状况进行深入分析。他们的最终目标是开发具有自动校准的完全自主系统，以帮助农业更可持续化发展。

人工智能与成像技术(多光谱、高光谱和RGB摄像机)相结合，可以为监测植物生长、收集和分析建筑优化过程所需的大量数据提供解决方案。总部位于芬兰的Spectral Engines公司使用智能光谱传感器和人工智能，帮助释放农业操作的全部潜力，并达到智能农业的下一个水平，例如提高牛奶的质量，增强土壤分析和优化施肥。他们的目标是将光谱传感器和人工智能的好处带到食物链的所有部分，包括食品生产、加工、物流和食品质量测量。

虽然智能光学传感器和软件可以帮助农民从他们的生产中获得实时性能数据，但农业行业对传感器内部使用的光谱仪的要求越来越严格。这些单元通常必须是紧凑和稳健的，以便直接部署在比如收获机器上，它们需要提供一致的结果。为了迎接这些挑战，Ibsen Photonics(丹麦)开发了他们的PEBBLE近红外光谱仪，这是一个具有高光学灵敏度和分辨率的单元，几乎不受热变化和振动的影响，并且具有紧凑的外形，内部没有活动部件。该设备的典型应用是监测叶绿素，以确定植物是否得到了足够、太少或太多的肥料(氮)。

新型近红外光谱传感技术有望揭示材料的潜在化学性质，在智能农业中实现许多应用——如质量控制、优化产品货架期、了解合适的收获时机，同时确定作物和水果的成熟度、水分水平或蛋白质水平等几个参数，而且所有这些都是实时的。荷兰MantiSpectra公司开发了一种突破性的小型化光子芯片——ChipSense，它可以将近红外实验室仪器的功率压缩到一个小型半导体器件中。由于大规模的晶圆集成，这种光谱芯片将很快进入大众市场，并在农业革命中发挥重要作用。

MantiSpectra提供了一个独立的光谱传感器模块，可生成数据，用于现场或在线无创分析的分类和量化任务。这将使农民、工厂、食品制造商、设备制造商以及最终的消费者能够测量食品质量，而无需将样品送到专门的实验室，并优化食品生产链。该传感器占地面积更小，没有移动部件，测量速度更快，可以集成到现有设备或新的手持设备中。

另一家开发新型小型化光谱仪的公司是成立于2019年的意大利企业Specto Photonics，该公司即将推出一种全光学系统，用于测量生物的三维流体力学特性——这对监测水分含量而言至关重要，而水分含量恰恰是监测植物健康和评估食品质量的关键参数。

位于意大利罗马的FLIM LABS主要从事的是荧光光谱和荧光成像的研究。其研制的荧光寿命成像(FLIM)显微镜可以用于在作物体内监测植物对除草剂的反应，或追踪植物细胞环境中的不同酸碱度（pH）条件。

在农业光子学方面，地球观测(EO)遥感方案提供了不受云层影响的图像，可为春季和夏季极端土壤湿润条件和作物发育提供可靠和定期的评估，并揭示农田和作物状况的完整图像。这些信息能够对不利气候条件进行早期预警，并准确评估作物损失。地球观测(EO)依赖于从噪声中区分光学信号的能力，通常使用波长选择性光学滤波器。作为这方面的代表性企业，Iridian Spectral Technologies(加拿大)提供了一系列用于地球观测(EO)的光学滤光片。这些滤波器可以提供波长选择性，作为单个带通滤波器或多区滤波器(MZF)阵列，基于这样的设计单个探测器就变成了一个多光谱器件，从而分析不同的波长，使这些光学滤波器成为基于光子的地球观测(EO)仪器的关键组件。

在同样的概念下，Chroma Technology已经将其机器视觉产品线扩展到SWIR系列。这些新的光学滤光片传输特定的SWIR光谱带，具有特殊的精度和高信噪比。他们的产品范围覆盖了380-2800纳米光谱带，适用于广泛的机器视觉和遥感应用，如激光雷达、多光谱成像、检查，分拣过程或农业传感。

光子学的各种细分应用正渗透农业的方方面面。通过智能虫害控制和选择性喷洒减少化学品的使用，这些应用能够减少浪费，保护野生动物，并帮助农民转向更科学化的操作流程，实现产量和利润的最大化，同时最大限度地减少对环境的危害。这方面的技术也在实现食品生产和加工、物流和食品质量测量等食物链各个环节的现代化方面发挥着重要作用。虽然这些技术发展将是提高未来农业生产率的关键因素，但要使全球零饥饿成为现实，还需要继续采取行动，应对影响全球粮食供应链的其他挑战，比如人口剧增、土壤质量恶化、气候变化、森林砍伐、二氧化碳排放超标和生物多样性减少等方面。