[发明专利]一种LIBS与NIRS光谱同步采集的土壤养分快速检测系统及方法

说明书

本发明公开了一种LIBS与NIRS光谱同步采集的土壤养分快速检测系统及方法，属于光学与土壤养分检测领域，本发明所设计的检测系统通过合理布局，能够保证LIBS采集装置和NIRS采集装置同步采集，并且采集的光谱数据来自同一样品，从而有效减小样品时空变化对其检测精度的影响。本发明所设计的检测方法通过拟合不同基体化学物质的含量与各养分特征谱线强度之间的线性关系，结合建立预测各基体化学物质的含量的NIRS预测模型，对LIBS检测得到的相应养分特征谱线强度进行校正，有效消除基体效应对光谱检测的干扰，实现土壤养分的高精度稳定检测。

技术领域

本发明属于光学与土壤养分检测领域，更具体地，涉及一种LIBS与NIRS光谱同步采集的土壤养分快速检测系统及方法。

背景技术

土壤为作物生长提供各种营养元素，其养分丰缺对作物生长状况和产量有重要影响。为了满足人口增长对粮食产量的需求，化肥在农业种植中得以大量应用。由于缺少满足实际生产需求的土壤养分快速检测技术，生产中常采用过量使用化肥来保障作物长势和产量。据资料统计，2015年我国化肥使用量约6000万吨，但施用化肥的实际利用率不足40％。大量未经作物吸收利用的化肥通过径流损失和淋溶损失进入湖泊、河口和地下等水资源中，造成严重的水体富营养化等农业面源污染。因此，研究适用于实际农业生产的高精度土壤养分检测技术，对于指导科学精准施肥、提高化肥利用率和减少农业面源污染均有重要意义。

传统的农化分析方法测量土壤养分虽然检测精度高，但具有操作专业性强、消耗时间长和化学试剂污染样品等缺点。尽管原子吸收光谱(AAS)、电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)、电感耦合等离子体-发射光谱(ICP-OES)和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)等方法的检测精度较高和分析速度较快，但其需要复杂的样本前处理且设备价格昂贵，不宜于大面积推广使用。大量研究结果表明，激光诱导击穿光谱(LIBS)和近红外光谱(NIRS)在土壤养分分析中具有较好的潜力，两种光谱分析技术均具有操作简单、无需复杂样品前处理和检测速度快等优点。但由于土壤基体构成复杂，土壤含水率和有机质等有机物含量的差异性对其LIBS检测产生严重的基体效应，导致土壤养分LIBS检测的精度及稳定性难以满足实际生产需求。另外，NIRS对土壤氮、含水率和有机质等指标有较好的检测性能，但难以实现土壤中磷和钾等元素指标的测量。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，为了彻底消除土壤基体效应对其养分LIBS检测的干扰，本发明提供了一种LIBS与NIRS光谱同步采集的土壤养分快速检测系统及方法，充分利用NIRS提供的丰富基体信息对土壤养分LIBS检测特征谱线进行校正，从根本上消除样本内部基体化学成分含量差异引起的基体效应对其养分LIBS检测的影响，为实现土壤养分高精度快速稳定检测提供一种新装备及方法。另外，该检测系统及方法采取同步获取样本的LIBS与NIRS光谱信息，不仅具有操作简单和检测效率高等优点，也有效减小样品时空变化对其检测精度的影响。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种LIBS与NIRS光谱同步采集的土壤养分快速检测系统，包括：

样品台，位于所述样品台上方的LIBS采集装置、光学组件、样品移动装置和样品池组件，以及位于所述样品台下方的NIRS采集装置；

所述样品池组件底部封闭且透光，用于放置待测样品；

所述样品移动装置与样品池组件连接，用于移动所述样品池组件，使从所述待测样品表面射出的光经所述光学组件后被所述LIBS采集装置采集；

所述NIRS采集装置包括M个卤素灯、光源支撑架和光纤准直镜探头，M个所述卤素灯在所述光源支撑架上等角度均匀分布且其光源中心连成一个圆，所述光纤准直镜探头位于所述圆的圆心所在的竖直线上；M≥2；

所述样品台上开设有孔，所述孔、光纤准直镜探头以及光学组件同轴，以保证所述LIBS采集装置和NIRS采集装置采集的光谱数据来自同一样品。