CN103528991B - 土壤有机质含量的测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种土壤有机质含量的测量系统及测量方法，涉及土壤检测领域。该系统包括：可调谐激光二极管，用于产生波长连续变化的激光光谱，并将其散射到待测土壤表面；光电探测模块，用于接收所述待测土壤表面反射回来的激光信号，并将其转换成相应的电信号；二次谐波提取模块，用于提取所述电信号的二次谐波系数峰值；测量模块，用于将所述二次谐波系数峰值转换成数字信号，并计算所述待测土壤的有机质含量。本发明实现了土壤有机质含量的快速测量。

Description

土壤有机质含量的测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及土壤检测领域，特别涉及一种土壤有机质含量的测量系统及测量方法。

背景技术

土壤有机质是土壤中含碳的有机化合物，尽管其含量只占土壤总量的很小一部分，却对土壤形成、土壤肥力、环境保护及农林业可持续发展等方面有着极其重要的意义。土壤有机质含量是衡量土壤肥力高低的重要指标之一，与土壤肥力水平密切相关。通常在其他条件相同或者相近的情况下，在一定范围内，有机质的含量与土壤肥力水平呈正相关，因此需要了解土壤的肥力状况，必须进行土壤有机质含量的检测。

传统的土壤有机质含量常用测量方法为：使用标准酸滴定由干烧法(高温电炉灼烧)或湿烧法(重铬酸钾氧化)放出的CO2、使用标准硫酸亚铁溶液滴定过量硫酸条件下剩余氧化剂重铬酸钾或者直接计算高温灼烧后有机质失去的重量。

根据以上分析可以看出，传统的方法中整个过程需要经过土壤样品制备及处理、化学物品准备及配置等流程，其测量过程操作复杂、测量周期较长。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供一种土壤有机质含量的测量系统及测量方法，以实现土壤有机质含量的快速测量。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提供一种土壤有机质含量的测量系统，包括有：

可调谐激光二极管，用于产生波长连续变化的激光光谱，并将其散射到待测土壤表面；

光电探测模块，用于接收所述待测土壤表面反射回来的激光信号，并将其转换成相应的电信号；

二次谐波提取模块，用于提取所述电信号的二次谐波系数峰值；

测量模块，用于将所述二次谐波系数峰值转换成数字信号，并计算所述待测土壤的有机质含量。

优选的，所述系统进一步包括电流驱动模块，用于为所述可调谐激光二极管提供线性变化的电流信号。

优选的，所述电流驱动模块进一步包括：

锯齿波信号发生器和正弦波信号发生器，分别用于产生波长调制所需的锯齿波信号和正弦波信号；

调制子模块，用于将所述锯齿波信号和正弦波信号叠加，进行波长调制；

V／I转换子模块，用于为所述可调谐激光二极管提供线性变化的电流信号。

其中，所述可调谐激光二极管进一步用于通过毛玻璃将所述激光光谱散射到所述待测土壤表面，其中，所述毛玻璃为半光半毛的光学毛玻璃，其毛面面向所述待测土壤表面。

其中，所述二次谐波提取模块根据所述正弦波信号发生器产生的正弦波信号，提取所述电信号的二次谐波系数峰值。

优选的，所述测量模块进一步包括：

A／D转换子模块，用于将所述二次谐波系数峰值转换成对应的数字信号；

MCU模块，用于根据所述数字信号，计算所述待测土壤的有机质含量。

优选的，所述系统进一步包括：信号处理模块，用于对所述光电探测模块转换后的电信号进行带通滤波及放大处理，并将其传送给所述二次谐波提取模块。

优选的，所述系统进一步包括封闭三角支架，用于使所述待测土壤表面平整光滑。

优选的，所述系统进一步包括温控模块，用于将所述可调谐激光二极管保持恒温。

本发明还提供一种土壤有机质含量的测量方法，包括以下步骤：

S1、将可调谐激光二极管产生的激光光谱散射到待测土壤表面，所述激光光谱的波长能连续变化；

S2、接收所述待测土壤表面反射回来的激光信号，并将其转换成相应的电信号；

S3、提取所述电信号的二次谐波系数峰值；

S4、将所述二次谐波系数峰值转换成数字信号，并计算所述待测土壤的有机质含量。

(三)有益效果

本发明提供一种土壤有机质含量的测量系统及测量方法，根据土壤有机质对激光光谱反射及吸收特性，通过选用与土壤有机质相关的可调谐激光二极管，提取经土壤反射回来的光束对应电信号的二次谐波系数峰值，反演得到土壤有机质含量，整个过程不需要经过土壤样品制备及处理、化学物品准备及配置等流程，实现了土壤有机质含量的快速测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的系统框图；

图2为本发明一实施例的方法流程图；

图3为本发明一实施例的另一系统结构示意图；

其中，1-毛玻璃，2-光学比例镜片，3-土壤样品，4-光学透镜，5-三角支架，6-锯齿波信号发生器，7-正弦波信号发生器，8-调制子模块，9-V／I转换子模块，10-可调谐激光二极管，11-温控模块，12-光纤，13-光电探测模块，14-信号处理模块，15-二次谐波提取模块，16-A／D转换子模块，17-显示模块，18-MCU模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明提供一种土壤有机质含量的测量系统，包括有：

可调谐激光二极管，用于产生波长连续变化的激光光谱，并将其散射到待测土壤表面；其中，选取的所述可调谐激光二极管其中心波长与土壤有机质含量有极大的相关性。

光电探测模块，用于接收所述待测土壤表面反射回来的激光信号，并将其转换成相应的电信号；所述光电探测模块通常为硅光电二极管阵列，提高探测的灵敏度；

二次谐波提取模块，用于提取所述电信号的二次谐波系数峰值；

测量模块，用于将所述二次谐波系数峰值转换成数字信号，并计算所述待测土壤的有机质含量。

优选的，所述系统进一步包括电流驱动模块，用于为所述可调谐激光二极管提供线性变化的电流信号；所述电流驱动模块进一步包括：

锯齿波信号发生器和正弦波信号发生器，分别用于产生波长调制所需的锯齿波信号和正弦波信号；所述正弦波信号发生器还用于提取所述二次谐波提取模块所需的二倍频正弦波信号；

调制子模块，用于将所述锯齿波信号和正弦波信号叠加，进行波长调制；

V／I转换子模块，通过V／I转换电路，用于为所述可调谐激光二极管提供线性变化的电流信号，实现激光波长在一定宽度内连续变化。

其中，所述可调谐激光二极管进一步用于通过毛玻璃将所述激光光谱散射到所述待测土壤表面，使得激光光谱可以从各个角度更大范围的散射到土壤表面，从而增强激光光谱与土壤表面的作用面积；其中，所述毛玻璃为半光半毛的光学毛玻璃，其毛面面向所述待测土壤表面。

优选的，所述系统还包括光学透镜，其选用K9材质，用来汇聚所述待测土壤表面反射回来的激光光束。

优选的，所述系统还包括光学玻璃镜片，其使用K9材质，用来保护所述毛玻璃及光学透镜。

优选的，所述系统进一步包括：信号处理模块，用于对所述光电探测模块转换后的电信号进行带通滤波及放大处理，并将其传送给所述二次谐波提取模块。

其中，所述二次谐波提取模块根据所述正弦波信号发生器产生的正弦波信号，提取所述电信号的二次谐波系数峰值。

优选的，所述测量模块进一步包括：

A／D转换子模块，用于将所述二次谐波系数峰值转换成对应的数字信号；

MCU模块，用于根据所述数字信号，计算所述待测土壤的有机质含量。

优选的，所述系统进一步包括封闭三角支架，其选用不锈钢材质，用于使所述待测土壤表面平整光滑；由于待测土壤表面的不平整及不同地势湿度不同，利用所述封闭三角支架一方面用来支撑探头，另一方面可以保证土壤表面的平整光滑，降低测量误差。

优选的，所述系统进一步包括温控模块，通过使用帕尔贴以及温度控制电路，用于将所述可调谐激光二极管保持恒温。

优选的，所述系统还包括显示模块，用于对计算出的所述待测土壤的有机质含量值进行显示。

如图2所示，本发明还提供一种土壤有机质含量的测量方法，包括以下步骤：

S1、将可调谐激光二极管产生的激光光谱散射到待测土壤表面，所述激光光谱的波长能连续变化；

S2、接收所述待测土壤表面反射回来的激光信号，并将其转换成相应的电信号；

S3、提取所述电信号的二次谐波系数峰值；

S4、将所述二次谐波系数峰值转换成数字信号，并计算所述待测土壤的有机质含量。

实施例2：

如图3所示，本实施例对实施例1的系统和方法做进一步介绍：

光学玻璃镜片2距离地面的高度为5cm，距离由所述封闭三角支架5处理完成的待测土壤表面3的高度为2cm，在此位置对土壤有机质含量进行测量。在本实施例中，锯齿波信号发生器6为DDS芯片，正弦波信号发生器7为D／A芯片；所述调制子模块8为运算放大器，所述V／I转换子模块9为三极管。

其中，首先锯齿波信号发生器6和正弦波信号发生器7分别产生波长调制所需的正弦波信号和锯齿波信号；然后通过调制子模块8完成锯齿波与正弦波的波长调制，在低频的锯齿波上加载一个高频的正弦波，随后经过V／I转换子模块9为可调谐激光二极管10提供线性变化的驱动电流，同时温控模块11根据设定的恒温温度，对可调谐激光二极管10进行温度调整与控制，所述可调谐激光二极管发出的波长连续变化的激光光谱经过光纤12及毛玻璃1照射到待测土壤表面3上，所述待测土壤表面反射回来的激光光束经过光学透镜4耦合进入光纤12，所述光电探测模块13接收光纤12传来的激光信号，并将其转换成相应的电信号，所述信号处理模块14将该电信号进行带通滤波及放大后传送给二次谐波提取模块15，所述二次谐波提取模块15提取所述电信号的二次谐波系数峰值，并将所述峰值通过A／D转换子模块16转化成数字信号后进入MCU模块18，通过MCU模块计算处理，得出二次谐波系数峰值对应的土壤有机质的含量，并在显示模块17上进行显示。

综上所述，本发明提供一种土壤有机质含量的测量系统及测量方法，根据土壤有机质对激光光谱反射及吸收特性，其具有以下有益效果：

1)通过选用与土壤有机质相关的可调谐激光二极管，提取经土壤反射回来的光束对应电信号的二次谐波系数峰值，反演得到土壤有机质含量，整个过程不需要经过土壤样品制备及处理、化学物品准备及配置等流程，实现了土壤有机质含量的快速测量。

2)利用波长调制技术及锁相放大技术，提高了系统的测量精度。

3)所述可调谐激光二极管通过毛玻璃将所述激光光谱散射到所述待测土壤表面，扩大了激光光谱与待测土壤的接触面，提高了系统的灵敏度。

需要说明的是，在本文中术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种土壤有机质含量的测量系统，其特征在于，包括有：

可调谐激光二极管，用于产生波长连续变化的激光光谱，并将其散射到待测土壤表面；

光电探测模块，用于接收所述待测土壤表面反射回来的激光信号，并将其转换成相应的电信号；

二次谐波提取模块，用于提取所述电信号的二次谐波系数峰值；

测量模块，用于将所述二次谐波系数峰值转换成数字信号，并计算所述待测土壤的有机质含量；

所述系统进一步包括温控模块，用于将所述可调谐激光二极管保持恒温；

所述可调谐激光二极管进一步用于通过毛玻璃将所述激光光谱散射到所述待测土壤表面，其中，所述毛玻璃为半光半毛的光学毛玻璃，其毛面面向所述待测土壤表面；

所述系统进一步包括封闭三角支架，用于使所述待测土壤表面平整光滑。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括：

电流驱动模块，用于为所述可调谐激光二极管提供线性变化的电流信号。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电流驱动模块进一步包括：

锯齿波信号发生器和正弦波信号发生器，分别用于产生波长调制所需的锯齿波信号和正弦波信号；

调制子模块，用于将所述锯齿波信号和正弦波信号叠加，进行波长调制；

V/I转换子模块，用于为所述可调谐激光二极管提供线性变化的电流信号。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述二次谐波提取模块根据所述正弦波信号发生器产生的正弦波信号，提取所述电信号的二次谐波系数峰值。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测量模块进一步包括：

A/D转换子模块，用于将所述二次谐波系数峰值转换成对应的数字信号；

MCU模块，用于根据所述数字信号，计算所述待测土壤的有机质含量。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括：

信号处理模块，用于对所述光电探测模块转换后的电信号进行带通滤波及放大处理，并将其传送给所述二次谐波提取模块。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述系统的土壤有机质含量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将可调谐激光二极管产生的激光光谱散射到待测土壤表面，所述激光光谱的波长能连续变化；

S2、接收所述待测土壤表面反射回来的激光信号，并将其转换成相应的电信号；

S3、提取所述电信号的二次谐波系数峰值；

S4、将所述二次谐波系数峰值转换成数字信号，并计算所述待测土壤的有机质含量；

所述方法还包括步骤：利用温控模块将所述可调谐激光二极管保持恒温；

所述步骤S1包括：通过毛玻璃将所述可调谐激光二极管产生的所述激光光谱散射到所述待测土壤表面，其中，所述毛玻璃为半光半毛的光学毛玻璃，其毛面面向所述待测土壤表面；

所述方法还包括步骤：利用封闭三角支架使所述待测土壤表面平整光滑。