[发明专利]一种全谱段透射式植物生化参数无损检测装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及植物叶片生化参数的光谱检测技术，尤其涉及一种全谱段透射式植物生化参数无损检测的装置和方法。

背景技术

植物叶片生化参数的无损检测，主要是指叶片的光合色素(叶绿素，胡萝卜素等)、水分、氮素及各种营养元素的含量检测。长期以来，人们都期望对植物生长过程进行精确控制，以满足精细农业发展的需求，目前生存环境的恶化，使得这一需求更加紧迫。传统的化学检测方法需要对待测样本进行一系列的处理，不仅耗时，耗力，而且没有实时性。

可见近红外光谱检测技术的无需样本处理、快速、易于便携的特点为植物生化参数无损检测的实现提供了可能。由于色素在可见波段有明显的吸收，水分在970nm附近有一个微弱的吸收峰，利用这些特征吸收，根据朗伯比尔定律，可实现对这些参数的检测。

目前的检测叶片生化参数的光谱装置多是采用独立波长法，即利用几个与被检测的参数吸收特性紧密相关的波长处的吸光度(或反射率)或者采用这些波长的数学组合方式构成的指标与浓度值拟合建立数学关系，从而对未知叶片的生化参数进行建模，该方法计算简单，易于实现装置，但是精度较低，可检测参数有限，灵活性差，对样本的要求较高。为了实现多参数同时检测，基于可见近红外波段的全谱段植物参数检测方法被采用。由于叶片都有一定的厚度，所以很难保证参考光和透过叶片的信号光均在光电检测器的最佳响应范围，从而降低了光谱信噪比，增加了透射式叶片生化参数检测仪器的研制难度。因此，目前多参数全波段的检测装置都是基于漫反射测量方式，由于漫反射光在携带了生化信息的同时，也携带了很大一部分叶片的生理结构特性和表面状态。因此，漫反射光谱对对植物叶片的种类比较敏感，模型的建立只能采用一种植物，装置的可移植性差。而透射光谱中反映物种的信息相对比较少，为多种类植物同时检测提供了可能性，但是在装置实现上存在上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种全谱段透射式植物生化参数无损检测方法及装置，用于解决目前光谱无损检测方法中模型适用性低、抗干扰能力差，检测精度低，以及检测参数较少等技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种全谱段透射式植物生化参数无损检测装置，该装置包括：

采样模块，用于在控制模块的控制下，采用接触式透射采样方式获得用于光谱测量的光信号，并将获得的光信号传送给光谱仪模块；

光谱仪模块，用于对采样模块传送的光信号进行分光，并将其进行光电转换及模数A/D转化后的得到的光谱数据传送给处理模块；

处理模块，用于对样本光谱数据进行处理，并依据校正回归模型预测未知样本的待测组分的化学成分含量；

控制模块，用于对采样光源及叶片生化参数检测流程进行控制，并控制其输入输出；

所述处理模块进一步包括：

预处理单元，用于对样本光谱数据进行去噪，并采用改进的扩展多元散射校正(EMSC)方法进行基线和样本间差异校正；

模型建立单元，用于建立依据预处理单元处理后的建模样本集的光谱数据与生化参数真值之间的校正回归模型；

测量单元，用于接收预处理模块输出的未知样本的预处理后的光谱数据，并依据模型建立单元中建立的校正回归模型对所述未知样本的待测组分的化学成分含量进行测量。

进一步地，所述采样模块分为上下两部分，上部分提供测量所需光源，下部分用于接收待检测的光强信号，上下两部分通过弹性部件连接在一起，构成一个密闭的测量环境，其中上部分主要包括卤钨灯光源、准直透镜；下部分主要包括聚焦透镜及与光谱仪模块相关的光纤接口。

进一步地，所述采样模块上下两部分的交接面处覆盖黑色弹性橡胶圈，用于实现密闭的测量环境；所述上部分安装光源的上三个侧面做成镂空形状，用于光源的热散射。

进一步地，控制单元及处理模块采用数字信号处理器(DSP)芯片实现。

所述控制模块进一步包括：

驱动电路，用于为采样模块提供光源的电源信号；

控制单元，用于控制驱动电路的工作状态，提供各模块之间的相互通讯的信号及对叶片生化参数检测流程进行控制；

所述驱动电路的在控制单元的控制下输出光源的电源信号，使光源在灭、较亮、最亮三个状态自动转换。