CN102539392B - 农田土壤氮素在线检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种农田土壤氮素在线检测系统及方法，涉及农业传感技术和仪器仪表技术领域。该系统包括：激光器，发射预设波长的激光；至少一套传感探头，用于将所述激光器发出的光照射到待测土壤表层，并收集待测土壤表面被激发至等离子态的光学信号；传导光纤，连接于所述激光器与传感探头之间，以及所述传感探头与信号处理模块之间，将所述激光器发出的光传导至所述传感探头，以及将所述传感探头收集的光学信号传送至信号处理模块；信号处理模块，用于根据所述传感探头收集的光学信号，计算所述待测土壤的氮素浓度。本发明的系统及方法省时、省力、实时性好且实用性强。

Description

农田土壤氮素在线检测系统及方法
技术领域
本发明涉及农业传感技术和仪器仪表技术领域，尤其涉及一种农田土壤氮素在线检测系统及方法。
背景技术
农田土壤氮素是促进作物生长的主要营养元素，对氮素进行现场监测具有重要意义。一方面，对土壤中氮素的实时监测是指导科学施肥的重要依据，以合理利用肥料，在保证农作物营养需求的前提下避免滥施，增强农产品质量和安全水平；另一方面，对土壤氮素的实时监测是研究土壤养分迁移规律、合理规划农业作业的重要前提。土壤学科研工作者迫切需要了解土壤氮素含量的实时状态。
传统的土壤氮素分析采用实验室化学分析方法，以常用的凯氏定氮法为例，其基本原理是用浓硫酸消煮，借催化剂和增温剂等使土壤中的氮素转换为铵态氮，最后用标准酸滴定方法测算出土壤中的全氮含量。传统的化学分析方法耗费巨大的时间、财力和人力，当需要用土壤分析结果直接指导施肥或田间管理时，无论从实时性还是实用性来讲，化学分析方法都不能满足要求，而且蒸馏废液中大量的高浓度碱处理不当还会引起环境污染。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：提供一种省时、省力、实时性好且实用性强的农田土壤氮素在线检测系统及方法。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供了一种农田土壤氮素在线检测系统，该系统包括：激光器，发射预设波长的激光；至少一套传感探头，用于将所述激光器发出的光照射到待测土壤表层，并收集待测土壤表面被激发至等离子态的光学信号；传导光纤，连接于所述激光器与传感探头之间，以及所述传感探头与信号处理模块之间，将所述激光器发出的光传导至所述传感探头，以及将所述传感探头收集的光学信号传送至信号处理模块；信号处理模块，用于根据所述传感探头收集的光学信号，计算所述待测土壤的氮素浓度。
优选地，所述信号处理模块进一步包括：分光单元，与所述传导光纤相连，用于对所述传感探头采集到的光学信号进行分光处理，得到等离子发射光谱；信号收集单元，与所述分光单元相连，用于接收所述分光单元分光后的信号，并通过读出电路向信号处理单元输出数字化光谱；信号处理单元，与所述信号收集单元相连，用于对所述数字化光谱进行处理，得到所述待测土壤的氮素浓度信息。
优选地，所述分光单元为多通道凹面光栅结构。
优选地，所述信号收集单元为面阵CCD。
优选地，所述信号处理单元为DSP处理器。
优选地，所述传感探头包括：激光发射头，用于将所述激光器发出的光照射到待测土壤表层；至少一个光学信号收集探头，用于收集预设波长的待测土壤表面被激发至等离子态的光学信号。
优选地，该系统还包括：聚光模块，设置于所述传感探头与所述传导光纤之间，用于将所述光信号汇聚入所述传导光纤。
优选地，该系统还包括：控制模块，与所述激光器相连，用于驱动所述激光器发射预设波长的激光；
温控模块，用于对所述激光器的基地进行温度控制。
优选地，所述激光器为钇铝石榴石晶体，所述预设波长为1064nm。
本发明还提供了一种农田土壤氮素在线检测方法，该方法包括步骤：
S1.将传感探头置于待测土壤表层的预设深度，驱动激光器发射预设波长的激光；
S2.传感探头将所述激光器发射的激光引至待测土壤表层，同时收集待测土壤表面被激发至等离子态的光学信号，并将其传送至信号处理模块；
S3.所述信号处理模块根据所述传感探头收集的光学信号，计算所述待测土壤的氮素浓度。
(三)有益效果
本发明的系统及方法通过激发待测土壤至等离子态，再分析土壤的等离子态发射光谱，从而再现土壤中的氮素含量。相对于传统的化学分析方法，能够快速、实时、准确地进行分析，避免了取样、制样、分析过程的人力和物力浪费。本发明的系统及方法可用于科学施肥、土壤肥力研究等领域。
附图说明
图1为依照本发明一种实施方式的农田土壤氮素在线检测系统结构示意图；
图2为依照本发明另一种实施方式的农田土壤氮素在线检测系统结构示意图；
图3为依照本发明一种实施方式的农田土壤氮素在线检测方法的流程图。
具体实施方式
本发明提出的农田土壤氮素在线检测系统及方法，结合附图及实施例详细说明如下。
实施例1
如图1所示，依照本发明一种实施方式的农田土壤氮素在线检测系统包括：激光器、至少一套传感探头、传导光纤以及信号处理模块。
其中，激光器用于发射预设波长的激光。在使用时将至少一套传感探头置于待测土壤的表层的预设深度(多套传感探头时，每套传感探头可置于不同深度)，用于将激光器发出的光照射到待测土壤表层，并收集待测土壤表面被激发至等离子态的光学信号。传导光纤连接激光器与传感探头之间，以及传感探头与信号处理模块之间，其将激光器发出的光传导至传感探头，并将传感探头收集的光学信号传送至信号处理模块。信号处理模块根据传感探头收集的光学信号，计算待测土壤的氮素浓度。
在本实施方式的系统中，信号处理模块进一步包括：分光单元、信号收集单元以及信号处理单元，其中：
分光单元与传导光纤相连，用于对传感探头采集到的光学信号进行分光处理，得到等离子发射光谱；信号收集单元与分光单元相连，用于接收分光单元分光后的信号，并通过读出电路向信号处理单元输出数字化光谱；信号处理单元，与信号收集单元相连对数字化光谱进行处理，得到待测土壤的氮素浓度信息。
该分光单元为多通道凹面光栅结构，实现高分辨率光谱的提取，之后用作为信号收集单元的面阵CCD接收分光后的信号，并经读出电路输出数字化光谱。信号处理单元优选为高速浮点DSP处理器，其对信号收集单元输出的数字化光谱进行快速运算和分析，进而得到待测土壤的氮素浓度信息。
另外，传感探头包括：激光发射头，用于将激光器发出的光照射到待测土壤表层；至少一个光学信号收集探头，用于收集预设波长的待测土壤表面被激发至等离子态的光学信号，根据需要，不同信号收集探头收集不同波长的光学信号。
在本实施方式的系统中还包括：
聚光模块，设置于传感探头与传导光纤之间，其配合滤光片将光信号汇聚入传导光纤。
控制模块，与激光器相连，用于驱动激光器发射预设波长的激光。
温控模块，用于对激光器的基地进行温度控制，从而使激光器获得稳定的输出。
实施例2
图2所示的本发明另一种实施方式的系统包括三个传感探头，分别为传感探头1、传感探头2、以及传感探头3，该三套传感探头在使用时分别置于地面以下20cm、40cm、60cm处，用于该三处土壤含氮量的测量。每套传感探头均内置1个激光发射头、6个光学信号收集探头。其中，6个光学信号收集探头分为两组，一组接收320nm-350nm的光学信号，另一组接收490nm-520nm的光学信号。
光信号传导光纤4内置3套光纤系统，1套用于将激光信号引直传感探头，1套用于将320nm-350nm的光学信号传输至分光单元，1套用于将490nm-520nm的光学信号传输至分光单元。
本实施例的系统还包括仪器箱5，将激光器、控制模块、温控模块、分光单元和高速信号处理单元均置于该仪器箱5内。
激光器为发射1064nm激光信号的钇铝石榴石晶体(Nd:YAG)激光器，其可发出稳定的激光光束。
分光单元由7个凹面光栅结构的分光系统组成，从而获得超过1nm分辨率的等离子态发射光谱。
使用时，选择一定大小(例如50平方米)农田土壤，在其中均匀选择多个(例如10个)试验点，在实验点挖掘直径比上述系统的传感探头略大、深度大于或等于60cm的空隙。每隔一定周期(例如每天)将传感探头顺序置于空隙中进行测量，可得到该多个试验点在20cm、40cm、60cm深度位置的土壤氮素含量。
如图3所示，本发明还提供了一种农田土壤氮素在线检测方法，该方法包括步骤：
S1.将传感探头置于待测土壤表层的预设深度，驱动激光器发射预设波长的激光；
S2.传感探头将所述激光器发射的激光引至待测土壤表层，同时收集待测土壤表面被激发至等离子态的光学信号，该光学信号经传导光纤传输至分光单元，分光单元对等离子态光学信号进行处理，得到高分辨率等离子态发射光谱；
S3.信号收集单元接收分光单元分光后的信号，并通过读出电路向信号处理单元输出数字化光谱信号，信号处理单元对该光谱信号进行预处理和定量化计量，得到待测土壤中的氮素浓度计算待测土壤的氮素浓度。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (3)

1.一种农田土壤氮素在线检测系统，其特征在于，该系统包括：
激光器，发射预设波长的激光；
至少一套传感探头，用于将所述激光器发出的光照射到待测土壤表层，并收集待测土壤表面被激发至等离子态的光学信号；
传导光纤，连接于所述激光器与传感探头之间，以及所述传感探头与信号处理模块之间，将所述激光器发出的光传导至所述传感探头，以及将所述传感探头收集的光学信号传送至信号处理模块；
信号处理模块，用于根据所述传感探头收集的光学信号，计算所述待测土壤的氮素浓度；
控制模块，与所述激光器相连，用于驱动所述激光器发射预设波长的激光；
温控模块，用于对所述激光器的基底进行温度控制；
其中，所述传感探头包括：
激光发射头，用于将所述激光器发出的光照射到待测土壤表层；
至少一个光学信号收集探头，用于收集预设波长的待测土壤表面被激发至等离子态的光学信号，其中，不同光学信号收集探头收集不同波长的光学信号；
其中，所述信号处理模块进一步包括：
分光单元，与所述传导光纤相连，用于对所述传感探头采集到的光学信号进行分光处理，得到等离子发射光谱；
信号收集单元，与所述分光单元相连，用于接收所述分光单元分光后的信号，并通过读出电路向信号处理单元输出数字化光谱；
信号处理单元，与所述信号收集单元相连，用于对所述数字化光谱进行处理，得到所述待测土壤的氮素浓度信息；
其中，所述分光单元为多通道凹面光栅结构；
其中，所述信号收集单元为面阵CCD；
其中，所述信号处理单元为DSP处理器；
该系统还包括：聚光模块，设置于所述传感探头与所述传导光纤之间，用于将所述光信号汇聚入所述传导光纤。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光器为钇铝石榴石晶体，所述预设波长为1064nm。
3.一种如权利要求1或2所述的系统实现的农田土壤氮素在线检测方法，其特征在于，该方法包括步骤：
S1.将传感探头置于待测土壤表层的预设深度，驱动激光器发射预设波长的激光；
S2.传感探头将所述激光器发射的激光引至待测土壤表层，同时收集待测土壤表面被激发至等离子态的光学信号，并将其传送至信号处理模块；
S3.所述信号处理模块根据所述传感探头收集的光学信号，计算所述待测土壤的氮素浓度。
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