CN110402401A - 安装有犁刀的土壤成分传感器 - Google Patents
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Abstract
一种用于测量土壤成分的系统，包括：一犁刀，所述犁刀具有一电磁辐射探测器、一电磁辐射源和对电磁辐射透明的一窗口，所述源通过所述窗口将辐射发射至所述土壤，并且所述探测器通过所述窗口接收所述土壤反射的辐射。通常所述源是一宽带，使得所述探测器能够在范围内提供连续光谱。所述源可以是准单色的，以为提供拉曼散射，所述拉曼散射也在该范围内提供连续光谱。可对这些光谱进行多变量分析，并且将这些光谱与已知成分的光谱进行比较，以确定这些成分存在与否及其浓度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于评估土壤质量和状态的发射器和传感器系统，该系统包括安装在一犁刀盘内的土壤成分。发射器通常是电磁的，其可位于紫外光或可见范围内，但更通常位于近红外或中红外范围内。发射的光被土壤反射，同时测量在不同波长下的吸光度，通过这些吸光度可以识别土壤中存在的物质，这些物质通常为但是不限于土壤成分。
背景技术
虽然目前有许多综合的背景技术，但没有一个背景技术将发射器和传感器系统安装在可旋转的犁刀盘中。已知有许多测量土壤成分的装置和方法，但是一般来说不能在播种或给土地施肥期间实时进行土壤成分的测量。已知通过使用一旋转电位计和一超声波接近传感器将仪表化盘式犁刀(直径为3英尺，76厘米)用作土壤机械阻力和深度测量。
通过电磁辐射测量土壤成分的方式是陈旧和已知的，并且目前有大量有关该领域的科学和专利文献。最接近的现有技术似乎是2013年5月28日授予Holland的美国专利8451,449。Holland教授通过在土壤表面下拖动包含光源和传感器的设备来测量浅地表土壤的反射率，其中光源和传感器和设备为一体，且通过一透光窗口发射和接收光，其中该透光窗口耐土壤的刮擦。在测量之前必须通过领先于用于近地表测量的传感器的耕作设备或使传感器经过先前已耕土壤对土壤进行扰动。传感器测量从土壤反射回来的光，然后使用用于不同类型土壤的数学方程式。每个方程式具有由当地景观确定的参数，其被描述为基于景观的平均有机物含量的自动校准算法。光源被描述为具有一定长度的一组或多组多色或单色LED或激光二极管。光电探测器或光电探测器阵列是光电二极管，光电二极管可以进一步包括滤光器。光电探测器输出用具有反馈伺服的跨导放大器放大，以消除环境光的影响，并且仅允许传递调制后的反射光信号，以进行进一步的仪表化。使用相敏探测器电路和模数转换器，模数转换器放大背景噪声的小信号。然后使用至少两个波长对所得到的反射信号进行处理并将其归一化，以生成可用于识别土壤成分的分量。通常使用多个波长。
发明内容
基本上，所提出的发明在体内原地实时地测量成分。测量系统可以通过犁刀的轴无线连接或硬连接到数据处理系统，该数据处理系统连接到拖拉机驾驶室中的计算机控制系统。可以对成分数据进行处理，以在播种和化肥沉积期间修改播种或土壤中的化肥沉积。
本发明的装置提供了一种用于实分析土壤的装置。本发明涉及三种类型的应用：农业、环境和矿物。
对于农业而言，该装置可以安装在自走式车辆或拖曳的农业设备上，例如播种机、种植机、施肥机等。可以处理该装置收集的数据以确定精确农业系统的施用率，例如可变速率播种和变速施肥。本发明在现有技术的基础上做了改进，其中现有技术用到了安装在柄上的传感器。该装置引起较少的土壤扰动，需要用到较少的力来拖曳，并且可以在不太有利的天气和土壤条件下进行操作。该装置收集可能为毫米分辨率而不是相隔50-100mm的几个点处的连续剖面的数据。此外，因为该装置在表面上方和下方以有限的间隔收集数据，所以土壤成分深度剖面是相对于实际表面而言。该装置可在没有耕地和牧场的环境下进行耕作。
该装置可根据深度确定土壤中化学污染物的浓度，用于环境修复。例如，污染的原因可能是原油溢出到水体上，随后冲到沙滩上。在另一个示例中，污染物可以是来自电力变压器站点的印刷电路板(PCB)的污染物。在另一个示例中，污染物可以是制造或储存设施附近的农药或除草剂。在另一个示例中，污染物可以是燃煤发电厂排出的胶体矿物质。在另一个示例中，污染物可以是工业区或矿区的金属，例如铅或砷。在每种情况下，该装置都可用于测量污染的程度和深度，这将成为处理受影响的沙土或土壤量的计划的基础。可以二次使用该装置来测量修复过程的有效性。该装置还可用于测量土壤中的碳含量，同时该信息可用作确定碳信用额的基础。
该装置可用于勘探矿物和碳氢化合物。矿床中的矿物被水冲入周围的土壤中。该装置可用于测量可疑区域内土壤中目标矿物的浓度。浓度梯度可用于推断原始矿床的位置，用于常规采矿。土壤中目标矿物浓度的信息也可用于种植农作物，这些农作物优先从土壤中提取出那些矿物。
本发明是安装在犁刀中的电磁辐射发射器和探测器，窗口型孔允许辐射与土壤相互作用。通过探测器测量所得到的反射辐射以产生连续光谱，该连续光谱提供更多的信息，然后将光谱与已知成分的数据库或光谱库进行比较，从而确定土壤成分。除了用到拉曼光谱仪外，还使用宽带发射器，如氘灯、石英卤素灯泡或加热的电线，如Ni-Chrome(镍铬铁合金)。拉曼光谱中用到了准单色光源，但是本领域技术人员将理解，由此产生并测量连续光谱。犁刀可以平稳地切入土壤，甚至可切入黏重且湿润的土壤中，且扰动最小。深度可变采样几个底土层。波长范围内的连续光谱提供了更多信息，并允许实时和稍后作为存储数据对光谱进行统计分析。
本发明的主要目的是评估土壤质量。本发明的另一个主要目的是提供一种用于测量土壤成分的系统，该系统包括一犁刀，该犁刀包括一传感器，传感器则包括一电磁辐射探测器。一个辅助目的是提供一种包括犁刀的系统，该犁刀包括一传感器，传感器包括一电磁辐射源。本发明的另一个辅助目的是提供一种系统，其中所述传感器包括对电磁辐射透明的一窗口，光源将辐射发射至窗口中，并且探测器接收来自窗口的辐射。本发明的另一个主要目的是提供多个传感器，这些传感器布置成使得在任何时候使用犁刀期间至少一个传感器在地下。本发明的一个辅助目的是提供多个传感器，所述多个传感器围绕所述犁刀的轴径向等间隔分开。本发明的另一个辅助目的是提供一种具有一电磁辐射探测器的系统，该电磁辐射探测器探测红外辐射，该红外辐射选自近红外和中红外辐射。本发明的另一个辅助目的是提供一种探测拉曼散射辐射的电磁辐射探测器。本发明的一个辅助目的是提供一种具有一电磁辐射探测器的系统，该电磁辐射探测器包括一波长选择器和一光学探测器。本发明的另一个辅助目的是提供一种系统，其中波长选择器选自棱镜、衍射光栅和多重衍射光栅，光学探测器选自一线性像素阵列和一敏感光子计数器，该敏感光子计数器与一放大器连接。本发明的另一个辅助目的是提供一种系统，其中电磁辐射探测器是傅立叶变换光谱仪，该光谱仪同时是波选择器和光学探测器。本发明的另一个辅助目的是提供一种系统，该系统具有发射近红外线的电磁辐射源，该电磁辐射探测器选自与多元件光子探测器连接的一棱镜，与单个探测器连接的一可移动棱镜，与多元件探测器连接的一固定衍射光栅，以及与单个探测器连接的可移动衍射光栅。本发明的另一个辅助目的是提供一种具有发射中红外线的电磁辐射源的系统，该电磁辐射探测器选自与多元件探测器连接的一固定衍射光栅，与单个探测器连接的可移动衍射光栅和一傅立叶变换光谱仪。本发明的另一个辅助目的是提供一种具有电磁辐射源的系统，该电磁辐射源至少选自气体激光器和与至少一个带通滤波器结合的半导体激光器和与至少两个带通滤波器结合的LED，以发射准单色波长，该准单色波长选自紫外光、可见光和近红外光，该电磁辐射探测器选自与多元件光子探测器连接的一棱镜，与单个探测器连接的一可移动棱镜，与多元件探测器连接的一固定衍射光栅，以及与单个探测器连接的可移动衍射光栅，和一傅立叶变换光谱仪。本发明的另一个辅助目的是提供一种系统，其中电磁辐射探测器将光谱数据提供给一数据处理器，该数据处理器适于对数据进行多变量分析并将该数据与校准集中的数据进行比较以确定土壤成分的浓度。优选地，探测器通过电线、光纤电缆或无线连接到处理器。
本发明的另一个目的是提供一窗口，该窗口选自CaF2、BaF2、石英、二氧化硅、蓝宝石、红宝石、金刚石、KBr、NaCl、KCI、玻璃、AgCl、AgBr、KRS-5(溴化铊)、ZnSe、GaAs、ZnS、CsBr、Csl、PTFE、PE、硅、ZnSe、CdTe、PE和Ge(可以使用诸如PE的IR传输聚合物)。优选地，该窗口位于犁刀的外部。本发明的另一个辅助目的是提供一种系统，其中窗口选自CaF2、BaF2、二氧化硅、石英、蓝宝石和ZnSe，并且存在一电磁辐射源，该电磁辐射源选自气体激光器和与至少一个带通滤波器结合的半导体激光器和与至少两个带通滤波器结合的LED，以发射准单色波长，该准单色波长选自紫外光、可见光和近红外光，还存在一电磁复合探测器，该电磁辐射探测器选自与多元件光子探测器连接的一棱镜，与单个探测器连接的一可移动棱镜，与多元件光子探测器连接的一衍射光栅，以及与单个光子探测器连接的可移动衍射光栅，和一傅立叶变换光谱仪。本发明的另一个目的是提供一种系统，该系统具有一窗口，该窗口选自金刚石、KBr、NaCl、KCl、CaF2、BaF2、玻璃、二氧化硅、石英、蓝宝石、AgCl、AgBr、KRS-5(溴化铊)、ZnSe、GaAs和ZnS，并且存在发射近红外线的电磁辐射源，并且该电磁辐射探测器选自与多元件光子探测器连接的一棱镜，与单个探测器连接的一可移动棱镜，与多元件探测器连接的一固定衍射光栅，以及与单个探测器连接的可移动衍射光栅。本发明的另一个辅助目的是提供一种具有窗口的系统，该窗口选自KBr、CsBr、Csl、NaCl、KCl、CaF2、BaF2、PTFE、PE、硅、AgCl、AgBr、KRS-5(溴化铊)、ZnSe、Ge和CdTe以及存在发射中红外线的一电磁辐射源，并且该电磁辐射探测器选自与多元件探测器连接的一固定衍射光栅，与单个探测器连接的一可移动衍射光栅和一傅立叶变换光谱仪。优选地，窗口位于犁刀中的凹部中，并且更优选地，对电磁辐射光学透明的流体通过高于周围土壤压力的压力的孔口供应到凹部，由此该流体以足以保持窗口洁净的流速渗入和填充窗口和土壤之间的凹部。或者，喷嘴周期性地供应水作为射流，该射流指向窗口，在其行程弧顶部或附近激活，以清洁在清洁周期中被弄脏的窗口。所述犁刀可以包括用于喷嘴的水的储存器，并且通过一构件将储存器的水供应到喷嘴，所述构件选自电动泵、机械泵和伯努利效应装置。本发明的另一个辅助目的是提供一种具有窗口的系统，该窗口选自KBr、NaCl、KCl、CaF2、BaF2、玻璃、PE、二氧化硅、石英、蓝宝石、AgCl、AgBr、KRS-5(溴化铊)、ZnSe、GaAs和ZnS以及存在通过所述窗口发射近红外线的一电磁辐射源，并且该电磁辐射探测器选自与多元件光子探测器连接的一棱镜，与单个探测器连接的一可移动棱镜，与多元件探测器连接的一固定衍射光栅，以及与单个探测器连接的可移动衍射光栅。本发明的另一个辅助目的是提供一种具有窗口的系统，该窗口选自KBr、CsBr、Csl、NaCl、KCl、CaF2、BaF2、PTFE、PE、硅、AgCl、AgBr、KRS-5(溴化铊)、ZnSe、Ge和CdTe以及存在通过所述窗口发射中红外线的一电磁辐射源，并且该电磁辐射探测器选自与多元件探测器连接的一固定衍射光栅，与单个探测器连接的一可移动衍射光栅和一傅立叶变换光谱仪，且该电磁辐射探测器探测通过窗口反射的辐射。优选地，窗口位于犁刀的内部，并且犁刀中具有一凹部，同时水喷嘴从凹部输出以提供水射流以在凹部中形成浆液，并且在凹部中具有一抽吸装置，以通过犁刀中的流通池吸入浆液，所述窗口形成流通池的壁和从流通池到犁刀中的外部孔的通道。更优选地，所述犁刀包括用于喷嘴的水的一储存器，并且通过一构件将储存器的水供应到喷嘴，所述构件选自电动泵、机械泵和伯努利效应装置。本发明的另一个辅助目的是提供一种具有窗口的系统，所述窗口选自CaF2、BaF2、二氧化硅、石英、蓝宝石和ZnSe，以及存在一电磁辐射源，该电磁辐射源选自气体激光器和与至少一个带通滤波器结合的半导体激光器和与至少两个带通滤波器结合的LED，以通过所述窗口发射准单色波长，该准单色波长选自紫外光、可见光和近红外光，同时一电磁复合探测器通过所述窗口反射辐射，其中所述电磁辐射探测器选自与多元件光子探测器连接的一棱镜，与单个探测器连接的一可移动棱镜，与多元件光子探测器连接的一衍射光栅，以及与单个光子探测器连接的可移动衍射光栅，和一傅立叶变换光谱仪。本发明的另一个辅助目的是提供一种系统，该系统具有一窗口，该窗口选自金刚石、KBr、NaCl、KCl、CaF2、BaF2、玻璃、二氧化硅、石英、蓝宝石、AgCl、AgBr、KRS-5(溴化铊)、ZnSe、GaAs和ZnS，并且存在通过所述窗口发射近红外线的电磁辐射源，并且该电磁辐射探测器选自与多元件光子探测器连接的一棱镜，与单个探测器连接的一可移动棱镜，与多元件探测器连接的一固定衍射光栅，以及与单个探测器连接的可移动衍射光栅，且该电磁辐射探测器通过所述窗口反射辐射。本发明的另一个辅助目的是提供一种具有窗口的系统，该窗口选自KBr、CsBr、Csl、NaCl、KCl、CaF2、BaF2、PTFE、PE、硅、AgCl、AgBr、KRS-5(溴化铊)、ZnSe、Ge和CdTe以及存在用过所述窗口发射中红外线的一电磁辐射源，并且电磁辐射探测器选自与多元件探测器连接的一固定衍射光栅，与单个探测器连接的一可移动衍射光栅和一傅立叶变换光谱仪，且电磁辐射探测器通过所述窗口反射辐射。本发明的另一个辅助目的是提供一种具有窗口的系统，所述窗口与ATR(衰减全内反射)流通池成一体，并且所述窗口选自锗、硅、ZnSe和KRS-5(溴化铊)，以及存在通过所述窗口发射中红外线的一电磁辐射源，并且一电磁辐射探测器选自与多元件探测器连接的一固定衍射光栅，与单个探测器连接的一可移动衍射光栅和一傅立叶变换光谱仪，且该电磁辐射探测器探测通过窗口反射的辐射。
本发明的另一个主要目的是提供一种测量土壤成分的方法，该方法包括以下步骤：旋转具有对电磁辐射基本透明的窗口的犁刀，以及当窗口低于土壤表面水平时将输入的电磁辐射传递到窗口中，允许辐射与土壤样本相互作用，测量所得的输出电磁的幅度，根据波长测量输出幅度，以及根据波长将输出幅度与输入幅度进行比较，作为产生特征光谱的比率，以及通过多变量分析将输出光谱与已知成分的标准样品产生的已知输出光谱进行比较，从而确定成分的存在和浓度。本发明的一个辅助目的是提供一种方法，其中所产生的输出电磁辐射通过以下一步骤产生，该步骤选自：来自土壤的漫反射，通过流通池中的土壤泥浆的传输，窗口处的衰减的全内反射，流通池的土壤泥浆界面和拉曼散射。本发明的一个辅助目的是提供一种方法，包括分别计算窄波长间隔的输出幅度以给出每个波长间隔的吸光度值的步骤。本发明的一个辅助目的是提供一种方法，其中输入电磁辐射选自UV、可见光、近红外和中红外。本发明的另一个辅助目的是提供一种方法，其中输入的电磁辐射是近红外的。本发明的另一个辅助目的是提供一种方法，其中输入的电磁辐射是中红外的。本发明的另一个辅助目的是提供一种方法，其中输入的电磁辐射是准单色的并且选自UV、可见光和近红外，并且输出的电磁辐射是拉曼散射的。本发明的另一个辅助目的是提供一种方法，包括通过波长选择器分散输出的电磁辐射以将其分成不同的波长间隔的步骤，以及测量不同波长间隔的幅度的另一步骤。本发明的另一个辅助目的是提供一种方法，包括准直输入的电磁辐射的步骤。本发明的另一个辅助目的是提供一种方法，包括准直输出的电磁辐射的步骤。
本发明具有至少一个光发射器和至少一个安装在犁刀中的光探测器。所述至少一个光发射器和所述至少一个光探测器通过电子或电磁装置连接到一数据采集设备。尽管所提供的数据可以通过一模数转换器转换成数字形式，但是其通常为模拟形式。然后由中央处理器处理所述数据。基于从现有测量库中得到的已知校准测量，通过与一多变量校准模型进行比较来分析数据处理器的输出，从而给出土壤成分的具体数值。
一般而言，本发明包括一犁刀，所述犁刀具有一电磁辐射探测器、一电磁辐射源和对电磁辐射透明的一窗口，该源通过窗口向土壤发射辐射，并且所述探测器通过窗口接收土壤反射的辐射。实心或空心波导可方便地将窗口连接到探测器。
发射器和探测器通常都通过窗口操作。商业上可行且可用的现成材料是优选的。通常，发射器限制于UV、可见光、NIR或MIR，并且在吸收光谱的情况下，探测器同样受到限制。适用于UV的窗口材料是CaF2、BaF2、石英、二氧化硅、蓝宝石和红宝石。适用于可见光的窗口材料是金刚石、Br、NaCl、KCl、CaF2、BaF2、玻璃、二氧化硅和蓝宝石。适用于NIR的窗口材料是金刚石、KBr、NaCl、KCl、CaF2、BaF2、玻璃、PE、二氧化硅、石英、蓝宝石、AgCl、AgBr、KRS-5(溴化铊)、ZnSe、GaAs和ZnS。适用于MIR的窗口材料是KBr、CsBr、Csl、NaCl、KCl、CaF2、BaF2、PTFE、PE、硅、AgCl、AgBr、KRS-5(溴化铊)、ZnSe、Ge和CdTe。吸湿性和柔软性材料可以用CSi涂覆以防水和硬化。高折射率材料如锗、硅、硒化锌、KRS-5(溴化铊)可用于ATR(衰减全内反射)，MgF2可用于涂覆输入和输出面，但不能用于涂覆ATR中的样品面。ZnSe优选用作NIR和MIR中的窗口。
窗口(特别是窗口为蓝宝石的情况下)可以与典型的金属犁刀的表面齐平。如此，接触窗口的土壤可能产生微小的划痕，这会使光谱信号失真。否则窗口可能通常凹陷约3mm(1/8英寸)，如果犁刀旋转比土壤的粘弹性响应快，那么土壤不会进入凹部中并且窗口保持洁净，除了在泥泞条件下，窗口不会保持洁净，在所述这种泥泞条件下，窗口会由于泥土进入凹部中而变得模糊。
或者，可以在凹部中提供正压力，以防止突土壤通过在感兴趣的波长区域中光学透明的流体移动到凹部中。流体通常是水或凝胶，方便地是可生物降解的材料，例如碳水化合物、高分子量植物油或具有合适光谱窗口的明胶。这种流体以高于周围土壤压力的压力供应到窗口附近，因此流体以足以保持窗户洁净的流速渗入并填充窗户和土壤之间的凹部。同样可以仅周期性地供应水作为射流，该射流指向窗口，在其行程弧顶部或附近激活，以清洁在清洁周期中被弄脏的窗口。
水也可以通过来自水源的射流供应以通过扩散流产生泥浆，然后通过抽吸装置将泥浆吸入一内部流通池中，该内部流通池具有一窗口或一ATR流通池。通常，流动是循环往复的，以除去抽吸装置孔中的沙砾和土壤，所述抽吸装置孔的大小可以是一样的，或者优选是不一样的。
可以使用商业流通池，其使用具有MIR的ATR(衰减全反射)，尽管ATR不是必需的，但确实极其优选的。具有NIR的ATR由于路径长度短而存在一些问题，其中该路径长度对于NIR而言短得多。
漫反射给出了受散射影响的信号，需要进行数学变换；直接吸光度给出了清晰的信号；直接反射可能会影响折射率的实际部分。通常，光谱仅在通过相同方法测量时具有定量可比性；可以使用不同的方法作为公共数据向量的输入。
流通池可以在窗口的任一侧提供液体样品。土壤样品主要是悬浮的而不是溶解的，因为没有时间进行完全溶解。通过提供优先吸附目标污染物分子的附加分子层，可以测量农药和其它低浓度水平的污染物以及成分。如果需要重复测量，则必须通过合适的系统，例如在高压液相色谱中开发的系统，冲洗掉分子层中的吸附的污染物或农药。
发射器可以适应拉曼或吸收光谱。拉曼光谱可以利用各种准单色光源，例如UV、可见光和NIR范围内的任何激光线，这些激光线在约0.1nm或更小的窄频率范围内，有利的气体激光波长为515(严格意义上来说为514.5)nm (氩气)，气体激光器可用于更高精度，或为LED激光器，该LED激光器具有一谐振腔以减少与至少一个带通滤波器结合的LED源的带宽，或减少与优选两个带通滤波器结合的LED源的带宽。热源提供从UV到MIR的连续辐射分布，这种连续辐射分布仅限于窗口材料的选择(如果有的话)。半导体源可用于短于约6μm的多个波长，每个波长覆盖有限的波长范围。通常，半导体源仅在有限的波长范围内提供更高的光子通量。半导体源优选用于测量单个已知分析物。热源优选用于测量在宽光谱范围内的多种分析物。由于拉曼响应与频率的四次方成正比，因此只要激励频率不会在正在调查中的材料中产生荧光，激励频率就优选尽可能得高。
探测器可以是光电导的、光电的或测辐射热的，很容易获得市场上现成的装置。光谱微分器通常存在棱镜光栅或光谱仪。虽然理论上拉曼和NIR具有相同的设置，但拉曼的幅度要低得多。拉曼探测器包括一棱镜或一多光栅，以区分与敏感光子计数器和放大器耦合的波长，所述放大器例如为光电倍增管、雪崩光电二极管或等效物。NIR探测器包括与单个探测器相关联的一可移动光栅或棱镜，或与多个元件探测器相关联的一固定光栅或棱镜。MIR探测器在结构上可以与没有棱镜的NIR探测器类似，但也可以是傅里叶变换光谱仪；MIR的波长与NIR波长不同。
与犁刀一起旋转的窗口需要一参考目标，例如标准的黑白线图案，以校准传感器响应，并校正传感器漂移或窗口磨损上的淤泥或窗口的其它损害。目标通常安装在轴架上的犁刀顶部处或附近。如果传感器测量的目标响应发生变化，则必须检查窗口。预计这种情况很少见，但目前尚未得到证实。
犁刀厚度通常在12-15 mm(约1/2至5/8英寸)之间，但可能更薄，可提供各种犁刀。
如果使用流通池概念，则可以结合pH计和电导率计。通过吹扫和缓冲溶液维持校准。犁刀本身可以结合应变仪来测量粘弹性土壤响应。拉曼和IR在功能上互补，因为它们测量光谱特征，其中一些光谱特征是不同的，而一些光谱特征则是共同的，这取决于样品分子对称性。散射可用于测量土壤条件(纹理)。
将GPS悬挂安装在拖拉机或播种机上，加上测量犁刀窗口角度位移的光学编码器，使得可以计算传感器的精确位置，给出相对于GPS位置的地面深度和表面位置。
替代系统的深度，例如固定深度通常为10cm(4英寸)的水平耕耘机的深度，最佳工作深度随土壤湿度变化，其中该工作深度最深为30cm(12英寸)或更小。本发明的犁刀通常在0cm至20cm至30cm的深度下操作，包括用于农业应用的所有中间深度。较大的犁刀和深度可用于环境应用。
采样密度实际上可调整至每毫秒(拖拉机速度3米/秒或11公里/小时，每3厘米采样一次，连续使用多个传感器)，这种调整由传感器响应时间控制，而传感器响应时间则可以通过使用更快的电磁和时钟速度来进行改善。由于该频率在技术上是不可行的(以合理的商业价格)，因此可以想到会出现超过10千兆赫的边界问题。
安装本发明犁刀的结构与播种机及其播种犁刀完全不同，播种机的播种犁刀的深度通常为1至5cm(1/2至2英寸)。
将光谱测量得到的信号发送至一数据处理设备，该数据处理设备使用传统的统计模型来推断是否存在成分或类似成分。提供的信息包括来自一个探测器(多个探测器)的特定波长的振幅。当进行多变量分析时，将优选平均居中和归一化的光学幅度用作绝对值。本领域技术人员应理解，多变量分析是最初源自协方差分析的因子分析形式，例如主成分分析(PCA)、神经网络(NN)、线性判别分析(LDA)、偏最小二乘法(PLS)和类似算法。在该特定应用中，所测试的成分部件的吸收带曲线在本领域中是公知的，并且可以用作校准参考。
附图说明
图1示出了本发明的犁刀的顶部剖视图。
图2示出了本发明的窗口的细节。
图3示出了本发明的探测器的端视图。
图4示出了本发明的探测器的侧视图。
图5示出了由图1的装置(实验1)在不同深度处测量的三个光谱。
图6示出了由图1的装置(实验II)在不同深度处测量的另外三个光谱。
图7示出了由图1的装置(实验III)在不同深度处测量的四个光谱。
图8示出了本发明的另一种犁刀的顶部剖视图。
图9示出了图8的犁刀的探测器的细节。
图10示出了由图8的装置测量的不同土壤的三个光谱。
具体实施方式
现在通过参考本发明的优选实施例来进一步说明本发明。在图1至图7中所示的第一示例中，数字10表示本发明的犁刀。在第一实施例中，探测器系统12在犁刀10的径向延伸，输出光由石英卤素灯泡14产生，并且通过光纤束16传播到镜子18并通过孔22和玻璃窗口20。孔22和窗口20的直径为1/2英寸(12.5mm)。光纤束16具有六个照射光纤26，每个光纤的直径为1000μm(1mm)，数值孔约为0.5，透射来自石英卤素源的光，其在900至1800nm的指示范围内进行发射。Martech探测器光纤24的直径为1000μm(1mm)以及其数值孔为0.5，并且突出于照射光纤之外，其探测器面直径为1mm。光学探测器光纤24通过输入端口28连接到光谱仪30。典型的光电二极管阵列探测器是现成的芯片，通常长约20mm，宽达14mm，厚2-5mm，芯片的光敏像素阵列通常是256到2048像素的单行，约为50微米宽。人们认为光谱仪30的分辨率在900至1800nm的标称范围内约为5nm，实际上如在光谱中所见，实际范围约为900至1625nm。虽然可以为犁刀设计专用芯片，但是使用现成的部件更为方便。输出光通过光纤束16并被Au前表面镜18反射到孔22中，返回的输入光则被镜18反射到探测器光纤24上。使用图1的装置原位测量图5至7所示的光谱。在不同深度处(即，在深度为19cm的a处，在深度为27cm的b处，以及在深度为38cm的c处)测量图5实验室I的位置1处的光谱。在不同深度处(即，在深度为12cm的a处，在深度为22cm的b处，以及在深度为30cm的c处)测量图6实验室II的位置2处的光谱。在不同深度处(即，在深度为12cm的a处，在深度为31cm的b处，在深度为34cm的c处以及在深度为36cm的d处)测量图7实验室III的位置3处的光谱。这些结果显示了科学上可复制的质谱。这种质量足以用于分析目的；地质结构随深度而变化，因为每个地点都有两个、三个或四个不同的地层。图6中1400nm以上光谱的会聚是因为土壤中含有水。基本上，该分析使用所概述的统计方法将获得的光谱与已知的土壤成分光谱进行比较，其中所述概述的统计方法足以确定土壤成分及其浓度。
在图8至10中所示的第二示例中，数字110表示本发明的另一个犁刀。在第二实施例中，探测器系统112在犁刀110的径向延伸，输出光由卤素灯泡114发射，由凹面镜118聚焦到孔122和蓝宝石窗口120上。孔122和窗口120的直径为1/2英寸(12.5mm)。光纤电缆126的一端124用作光探测器。光学探测器光纤124通过输入端口128连接到光谱仪130。光谱仪130是临时提供的，其具有一衍射光栅和像素阵列134，除了一衍射光栅和像素阵列134之外，光谱仪130的部分136给遮盖住。部分136被分成大约370个横向条带138，每个条带宽为1个像素，高约为80至100个像素。每个条带对应于约2nm的分辨率。测量和标准化各个像素响应。每个条带记录两个响应，一个为白色板或基板的响应(白色响应)，第二响应为空(暗响应)，也就是说没有光或只有很少的光被反射回来。将(反射样品减去暗响应)除以(白色响应减去暗响应)计算得到反射率，得到R反射率。然后将每个波长的反射率转换成log(1/R)。发现来自光纤电缆124的光足够并且不需要放大。图10示出了来自不同土壤的三种光谱。这些结果显示了科学上可复制的质谱。基本上，该分析使用所概述的统计方法将获得的光谱与已知的土壤成分光谱进行比较，其中所述概述的统计方法足以确定土壤成分及其浓度。
工业适用性
如上可见，安装在可旋转犁刀中的装置可用于测量来自土壤样品s的反射光并分析反射光以识别土壤成分及其在测试表面上的浓度。
本领域技术人员认识到，在不影响或修改所述实施例的功能的情况下，这些优选的，公开的和描述的细节和材料和部件可以有实质的变化、修改、改变、变更和替换。尽管以上描述了本发明的特定实施例，但本发明不限于所述特定实施例。如本领域技术人员所理解的，正如根据科学和工程学的自然定律所进行的解释，许多修改和变化均落在所要求保护的，公开的和描述的本发明的范围内。
Claims (20)
1.一种用于测量土壤成分的系统，其特征在于，一犁刀，所述犁刀具有一电磁辐射探测器、一电磁辐射源和对电磁辐射透明的一窗口，所述源通过所述窗口将辐射发射至所述土壤，并且所述探测器通过所述窗口接收所述土壤反射的辐射。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述犁刀具有多个传感器，所述多个传感器设置成使得在任何时候使用时至少有一个传感器在地下。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述多个传感器围绕所述犁刀的轴径向等间隔分开。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述土壤反射的所述电磁辐射选自以下组，组中包括UV辐射、可见辐射、近红外辐射、中红外辐射和拉曼散射辐射。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述土壤反射的所述电磁辐射选自以下组，组中包括UV辐射、可见辐射、近红外辐射和中红外辐射，并且所述电磁辐射源是覆盖所述辐射的一宽带源，所述土壤反射的所述电磁辐射选自以下组，组中包括UV辐射、可见辐射、近红外辐射和中红外辐射。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述土壤反射的所述电磁辐射选自以下组，组中包括拉曼散射辐射，所述电磁辐射源至少选自以下组，组中包括一气体激光器，与至少一个带通滤波器结合的一半导体激光器，和与至少两个带通滤波器结合的一LED，以发射一准单色波长，所述准单色波长选自以下组，组中包括紫外光、可见光和近红外光。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电磁辐射探测器包括一光谱仪。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电磁辐射探测器另外包括一波导，用于将所述反射的辐射引导至所述光谱仪。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述光谱仪包括一构件，所述构件选自以下组，组中包括：与多元件光子探测器连接的一棱镜，与单个探测器连接的一可移动棱镜，与多元件光子探测器连接的一衍射光栅，以及与单个光子探测器连接的一可移动衍射光栅，和一傅立叶变换光谱仪。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述窗口位于所述犁刀的内部。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述犁刀中具有一凹部，同时一用于水的喷嘴从所述凹部输出以提供水射流以在所述凹部中形成泥浆，并且在所述凹部中具有一抽吸装置，以通过所述犁刀中的一流通池吸取所述泥浆，所述窗口形成所述流通池的壁，和从所述流通池到所述犁刀中的外部孔的一通道。
12.一种用于测量土壤成分的方法，其特征在于，包括：
旋转一犁刀，所述犁刀具有对电磁辐射基本透明的一窗口的步骤，以及
当所述窗口低于土壤表面水平时将输入的电磁辐射穿过所述窗口，以及
允许所述辐射通过所述窗口反射来自所述土壤的样品的步骤，以及
测量来自所述样品的所得输出电磁辐射的幅度的步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，包括根据波长测量输出幅度的步骤，以及
根据波长将所述输出幅度与输入幅度进行比较，作为产生一特征光谱的比率的步骤，以及
通过多变量分析将所述输出光谱与已知成分的标准样品产生的已知输出光谱进行比较，从而确定所述成分的存在和浓度。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所产生的输出电磁辐射通过以下一步骤产生，所述步骤选自以下组，组中包括：来自土壤的漫反射，通过一流通池中的土壤泥浆的传输，窗口处的衰减的全内反射，一流通池的土壤泥浆界面和拉曼散射。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，包括分别计算一窄波长间隔的一输出幅度以给出所述每个波长间隔的吸光度值的步骤。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述输入电磁辐射选自以下组，组中包括UV、可见光、近红外和中红外。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述输入的电磁辐射是准单色的并且选自以下组，组中包括UV、可见光和近红外，并且所述输出的电磁辐射是拉曼散射的。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，包括通过一波长选择器分散所述输出的电磁辐射以将其分成不同的波长间隔的步骤，以及测量不同波长间隔的幅度的另一步骤。
19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，包括准直所述输入的电磁辐射的步骤。
20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，包括准直所述输出的电磁辐射的步骤。
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