[发明专利]基于近红外光谱技术的多波段土壤氮素检测装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于光谱检测技术领域，尤其涉及一种基于近红外光谱技术的多波段土壤氮素检测装置和方法。

背景技术

土壤养分参数(主要为氮、磷、钾及有机质含量)是重要的土壤肥力指标，它反映了土壤供给作物生长的能力。氮素主要是促进植物根、茎、叶的个体生长，是形成一定品质产品的首要营养元素，其丰缺程度直接影响植物长势、收获产品及其品质。

近红外光谱(Near Infrared Reflectance Spectroscopy，NIRS)分析法可以用来预测土壤中的全氮水平，其基本过程是：首先选取适宜的样本集，光谱扫描，建立土壤氮素的定标模型，也就是建立近红外光谱数据与实验室标准分析测定的土壤样品氮素成分数值的相关回归方程。然后，根据待测样品的光谱特征，利用相应的定标模型对土壤氮素水平进行预测。

近红外光谱分析主要分为透射光谱分析和漫反射光谱分析。透射光谱分析使用近红外的短波区域(0.8～1.2μm)，主要用于对液体状样品或透过率较大的样品进行分析；漫反射光谱分析使用近红外的长波区域(1.4～2.5μm)，主要用于对粉末状样品或固体样品进行分析。近红外光谱分析的主要优点是：分析速度快、样品准备简单、对于单个光谱可进行多种组分的分析、不消耗样品、没有化学污染等。

目前国内外的相关研究大部分停留在土壤氮素预测理论研究阶段，还没有便携式土壤氮素水平检测设备，因此迫切需要开发一种可以方便在田间实时测量的土壤氮素水平检测装置和方法，且现场测量，操作简单，价格合适。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于近红外光谱技术的多波段土壤氮素检测装置和方法。

基于近红外光谱技术的多波段土壤氮素检测装置，其特征在于，由光学部分和控制部分组成；

所述光学部分包括多波段近红外光源发射装置、Y型入射/反射光纤、探头以及光电传感器，所述光源发射装置位于所述入射光纤的前端，所述探头位于所述入射光纤的末端，所述光电传感器位于所述反射光纤的末端；

所述控制部分包括依次相连的放大电路、滤波电路以及A/D转换电路，所述放大电路与所述光电传感器相连。

所述多波段近红外光源发射装置采用七个单波段近红外LED作为主动光源。

所述七个单波段近红外LED置于一个光源转盘上。

所述控制部分还包括步进电机控制电路。

所述步进电机驱动光源转盘依次将每一个单波段近红外LED旋转连通至所述Y型入射光纤的入口。

所述光源转盘可通过手动方式转动。

所述控制部分还包括液晶显示电路以及同步U盘存储电路。

基于近红外光谱技术的多波段土壤氮素检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：结合采用小波包分析和偏最小二乘法建立土壤氮素预测模型；

步骤2：将检测装置带上探头插入土壤表层以下，然后取出检测仪光纤，将探头旋下，再次将检测装置光纤送入土壤表层以下原探头所至位置；

步骤3：旋转光源转盘，依次采集同一土样在7个波段的反射率；

步骤4：根据土壤氮素预测模型，计算土壤中氮素含量。

所述步骤4得到的单一位置的氮素含量结合GPS坐标信息，基于VC+MapX技术，实现田间土壤氮素分布图。

本系统所采用的信号是由近红外发光二极管发出，由光导纤维传输，信号比较微弱，再经过InGaAs光电探测器转换后得到的电信号更加微弱，此外，在这个过程中还夹杂了各种噪声的干扰，因此选用高输入阻抗的集成运算放大器CA3140，实现I-U转换的同时，实现了微弱信号的一次放大功能。

微弱信号的二次放大功能由LM358实现，通过R-C组成一阶低通滤波器将信号送入MAX187进行A/D转化。

两次放大的模拟信号通过A/D转换电路变为数字信号，送入89S52的单片机系统进行处理，A/D转换电路由12位单通道串行输入的模数转换器MAX187芯片实现。

液晶显示电路采用LCM128645zk液晶显示模块，显示内容128*64点阵，点大小0.48*0.48mm²，点间距0.04mm，内带8000多GB1，GB2中文汉字字库，串行/并行两用接口。本发明电路设计采用的是串行接口，通过与单片机连接，实现有效控制液晶屏的正确显示。

U盘存储选用的是南京沁恒电子公司生产的U盘模块作为存储设备，通过MAX232芯片实现单片机和存储模块之间的通信。

本发明的有益效果如下：

1.实用精度高