[发明专利]一种车载式土壤含水率和全氮含量光谱测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种车载式土壤含水率和全氮含量光谱测量系统及方法，系统包括钨灯、滤光片、光电传感器、电信号处理电路、AD转换电路、ARM处理器、GPS模块。钨灯产生的光线照射到土壤上；光线经土壤反射、散射后转化为带有土壤参数的光信号；光信号经过8片不同透光波长的滤光片过滤后被8个光电传感器接收；每个光电传感器将透过的光信号转化成电流信号；电信号处理电路将电流信号转化成电压信号。AD转换电路接收电压信号后将该电压信号转化为数字信号；ARM处理器接收数字信号，对土壤含水率和全氮含量进行分析；并通过GPS模块获取土壤采样点的坐标信息，根据坐标信息绘制出土壤含水率和全氮含量分布示意图。

技术领域

本发明涉及电信号检测技术、机械电子设计技术和土壤光谱检测技术，尤其是一种基于主动光源和光电传感器的车载式土壤含水率和全氮含量光谱测量系统及方法。

背景技术

根据对元素或化合物的电磁光谱分析，化合物的分子振动光谱位于可见光至近红外范围内。可见光(Visible，VIS)和近红外光(Near infrared，NIR)分别是指波长在380～760nm和760～2 500nm范围内的电磁波。近红外光谱的信息主要是含氢基团，如:C—H、O—H、N—H、S—H等分子振动的倍频、合频吸收的信息。不同基团产生的光谱，在吸收峰位置和强度上有所不同。根据朗伯-比尔吸收定律，随着样品成分或者结构的变化，其光谱特征也将发生变化，这是近红外光谱分析技术的理论基础。由于近红外光谱含有丰富的物质分子结构信息，所以可用来分析包括土壤在内的绝大多数种类化合物及其混合物的成分浓度或者品质参数。光谱分析技术是综合光谱学、化学计量学和计算机应用等多学科知识的现代分析技术。与传统分析技术相比，光谱分析技术具有快速、无损、无污染的优点。

利用光谱分析技术来预测土壤营养参数、再结合其他技术判定土壤养分的空间变异性，对于精细农业研究与实践具有重要意义，是土壤测量技术领域的重要的研究课题。

美国赛默飞世尔(Thermo Fisher)手持式X射线光谱仪，有多款型号。赛默飞世尔原称美国热电集团，是世界上最大的分析仪器制造商，尼通(Niton)是其旗下品牌，一直在手持式X射线荧光(XRF)技术处于领先地位。拥有GOLDD 技术的Niton XL3t分析仪在矿物勘探领域具有最低检测限，更是适合地质学家分析异常物质和地球表面不常见的物质。其特点主要包括：速度快，操作简单；密封式设计，防尘、防水；通讯方式灵活；该产品检测磷，硫和氯的功能较好，但不能检测对植物生长最重要的含水率和氮元素含量；并且不适合用于车载式和自动大规模测量。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种车载式土壤含水率和全氮含量光谱测量系统及方法。开发了一种运行稳定，操作方便，有较高的测量精度，完整的控制和数据处理程序的土壤光谱数据快速采集与土壤含水率和全氮含量分析系统，能够在大田试验中方便的应用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种车载式土壤含水率和全氮含量光谱测量系统，包括钨灯、滤光片、光电传感器、电信号处理电路、AD转换电路、ARM处理器、显示模块、存储模块、GPS模块。

钨灯产生的光线照射到土壤上；光线经土壤反射、散射后转化为带有土壤参数信息的光信号；光信号经过8片不同透光波长的滤光片过滤后分别被8个光电传感器接收；光电传感器将不同波长的光信号转化成不同大小的电流信号；电信号处理电路将电流信号转化成电压信号，并对电压信号进行放大。

AD转换电路接收放大后的电压信号后将该电压信号转化为数字信号； ARM处理器接收数字信号，并根据数字信号计算出土壤光谱反射率，进而对土壤含水率和全氮含量进行分析；并且ARM处理器通过GPS模块获取土壤采样点的GPS坐标信息，并根据所述GPS坐标信息绘制出所述土壤含水率和全氮含量分布示意图。

显示模块用于显示所述土壤含水率和全氮含量及其分布示意图的画面。存储模块用于存储所述土壤含水率和全氮含量及其分布信息。