基于调制近红外反射光谱的土壤养分近场遥测方法研究.docx

    基于调制近红外反射光谱的土壤养分近场遥测方法研究    矫雷子 董大明 赵贤德 田宏武Summary： 土壤养分作为农业生产的重要指标，含量过少会降低农作物产量，过多则会造成环境污染因此，快速、准确检测土壤养分对于精准施肥和提高作物产量具有重要意义基于取样和化学分析的传统方法能够全面准确地检测土壤养分，但检测过程中土壤的取样及预处理过程繁琐、操作复杂、费时费力，不能实现土壤养分的原位快速检测本研究基于调制近红外光谱，提出了一种土壤养分主动式近场遥测方法，可有效避免土壤反射自然光的干扰该方法使用波长范围1260～1610 nm的8通道窄带激光二极管作为近红外光源，通过测量8通道激光光束的土壤反射率，建立土壤养分中氮（N）关于土壤反射率的计量模型，实现了N的快速检测在74组已知N含量的土壤樣品中，选取54组作为训练集，20组作为预测集基于一般线性模型，对训练集中土壤N含量与土壤反射率的定量化参数进行训练，筛选显著波段后的计量模型R2达到0.97基于建立的计量模型，预测集中土壤N含量预测值与参考值的决定系数R2达到0.9，结果表明该方法具有土壤养分现场快速检测的能力Key： 土壤氮素;近红外光谱;近场遥测;锁相放大;光电探测： S151.9+5 文献标志码： A ： 202005-SA003引文格式：矫雷子， 董大明， 赵贤德， 田宏武. 基于调制近红外反射光谱的土壤养分近场遥测方法研究[J]. 智慧农业（中英文）， 2020， 2 （2）： 59-66.Citation：JIAO Leizi， DONG Daming， ZHAO Xiande， TIAN Hongwu. Near-field telemetry detection of soil nutrient based on modulated near-infrared reflectance spectrum[J]. Smart Agriculture， 2020， 2 （2）： 59-66.1 引  言土壤含有的营养成分对植物生长至关重要。

氮素（N）是农田土壤中最重要的元素之一，也是化肥主要养分之一因为N是形成新细胞和结构中有机化合物所必需的元素，所以N对农产品品质的影响非常大无论在农场还是自然环境中，土壤中N含量随着空间分布而不同当土壤中缺少N时，作物往往改变其利用养分的方式和自身形态，从而限制了作物的生长[1]当土壤中N过剩时，在降雨和灌溉过程中，那些不被植物消耗的大量N被淋溶到地表和地下水中，严重影响饮用水的品质，造成环境污染为了提高作物的生产力，了解土壤中N含量及其空间分布至关重要因此，准确探测土壤中N素含量，根据测量结果调整土壤养分，对于保障农作物健康生长及提高产量具有重要的意义[2]传统的土壤养分测量方法是采用随机网格采样技术获取土壤芯样，借助昂贵的实验室仪器和额外的萃取剂对土壤进行进一步化学分析，比如凯氏定氮法、杜马斯燃烧法和气相色谱-质谱法[3]尽管实验室化学分析方法具有很高的准确性，但较长的采样时间、高昂的采样成本，以及复杂多变的农田地形，使得这些方法缺乏对农田土壤养分进行连续、实时分析的能力随着精准农业的发展，相比于传统实验室分析方法，原位、快速和准确的土壤养分检测方法及设备的需求日益迫切[4]近红外反射光谱是一种快速、简便并且无损的分析技术[5-7]，不需要使用化学物质，利用近红外辐射与土壤样品的相互作用，根据土壤在近红外范围内的吸光度或反射率来表征土壤特性[8-10]。

近年来关于近红外土壤检测的论文数量呈指数增长，该技术可以用来评估土壤的矿物和有机成分，进行土壤监测、土壤质量和功能推断以及解释其分布[11，12]目前土壤养分检测多使用近红外光谱仪，需要配置专用分析软件及操作人员，体积大、成本高，往往用于实验室分析，不适用于现场快速检测[13]为了简化近红外土壤检测系统，基于单波的LED或激光光源的土壤N检测系统得到了大力发展研究表明，在近红外区域，2234、2150、1991、1833、1895、1684、1673、1559、1536、1394、1389、1311、1286、1215、1208、1187、1124、1092、1064、1028、984、972、931、923、859和844 nm波段可用于土壤N预测[14-16]依据这些波长选择窄带LED或激光光源，可用于便携式土壤N检测仪的研制，比如An等[17]使用1550、1300、1200、1100、1050和940 nm波段，建立了土壤总N估算模型，研制了6波段土壤总N检测仪，可对土壤总N进行现场快速评估然而，这些基于多波段的土壤养分检测设备为了避免太阳光的干扰，往往使用遮光装置或深入土壤内部进行检测，不易操作。

针对这一现状，本研究基于调制近红外和锁相放大技术，提出了8波段近红外光谱土壤养分便携式近场遥测方案，通过测量8通道近红外激光光源的土壤反射率，建立光谱反射率与土壤N的定量化计量模型，实现土壤N的近场快速近场遥测，并避免自然光的干扰2 系统设计近红外土壤养分近场遥测方案如图1所示，主要包括电源系统、光源驱动电路、光路系统、光电探测电路、AD转换电路、数据采集和传输电路，以及智能采集系统等，通过近场（20～50 cm）遥测土壤表面反射的8个波段的近红外光谱反射率，建立土壤养分（比如N、磷、钾等）关于不同波段反射率的定量化模型，实现土壤养分含量检测2.1 硬件设计 2.1.1 近红外光源及驱动电路 为了覆盖近红外光谱，选择中心波长分别为1270、1310、1350、1410、1450、1510、1550和1610 nm共计8个波段的近红外激光光源作为主动式单波段光源，采用TO56方式封装，功率为20 mW在近场遥测过程中，土壤反射的自然光也会随着聚光透镜进入探测系统，对主动光信号探测造成严重干扰自然光短时间内变化很小，其对应的电信号可认为是直流信号因此，为避免自然光的干扰，设计激光光源驱动电路时，在直流偏执确保激光二极管正常发光的基础上，叠加微弱的正弦波信号使得激光光源光束按照一定频率进行微弱变化，实现激光光源的调制。

通过光电探测电路中的锁相放大模块对土壤反射的激光光源调制光束信号进行解调，仅探测特定频率的交变信号，从而避免自然光的干扰通过单片机控制CD4051模拟开关进行8路激光光源选择性驱动和切换2.1.2 光电探测器及光电转换电路 考虑到方案中采用近场遥测方式探測土壤反射的激光光束，而土壤表面反射的激光信号比较微弱因此在光信号探测过程中选用高灵敏、低暗电流、大感应面的InGaAs光电二极管探测器，感光区域直径为5 mm，波长响应范围800～1700 nm，封装方式为TO-8，暗电流为10 nA土壤反射的激光光束通过聚光透镜聚焦到光电探测器感应区域，从而转换成电流信号光电探测器输出的电流信号经过前置放大电路（跨阻放大器）转换成电压信号，为主动光信号提取做准备2.1.3 主动光信号提取电路 光电转换电路输出的电压信号，是自然光对应直流电信号、激光光束对应的直流和交流电信号的叠加因此，为提取有效的激光光束对应的交流电信号，采用MLT04乘法器，通过输入信号（自然光及激光光束对应的电信号）与参考信号（与激光光束对应的交流信号同频同相）进行相乘，实现锁相放大电路功能相乘输出的混合信号通过滤波器，提取所需的激光光束对应的交流信号，从而消除自然光对应的直流信号，避免自然光的干扰。

提取的激光光束对应的交流信号进入信号调理电路，进行放大和滤波，放大到AD转换电路所需的幅值2.1.4 ADC转换电路 ADC转换电路选用MAX11410，该芯片为24位ADC芯片，具有低功耗、多通道、高精度的特点，输入部分包括低噪声可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA），具有极高输入阻抗及1～128倍可变增益，优化总体动态范围输入缓冲器提供信号输入与开关电容采样网络之间的隔离，即使高阻抗源也非常容易驱动ADC10通道输入多路复用器为复杂传感器测量提供了灵活性单周期模式下，数字滤波器在单个转换周期内保持稳定提供的FIR数字滤波器允许16 ms内单周期稳定，同时提供90 dB以上的50和60 Hz电源噪声抑制集成片上振荡器不要求外部元件，简化了高精度传感器的应用2.1.5 数据采集/传输及电源电路 数据采集及传输选用STM32F103单片机，完成ADC转换数据的采集和传输，提供正弦波交变信号作为激光光束交变驱动信号和锁相放大参考信号，控制多路模拟开关控制激光光源选择性驱动为了实现数据上传至智能，用单片机控制HM-11串口蓝牙透传模块进行数据发送整个系统采用8.4 V锂电池供电，使用LM2940、SP3819和ADR431等电源芯片产生各集成电路所需的5、3.3和2.5 V稳定精确地直流电源，为各个芯片及模块供电。

2.2 软件设计 软件部分包括两个模块：一是基于单片机的下位机嵌入式软件设计;二是基于智能的app软件设计，功能分别如下1）基于STM32F103单片机系统的下位机嵌入式软件，包括特定频率的信号发生模块、ADC转换程序模块、模拟开关控制程序模块、串口-蓝牙通信程序模块等，主要完成STM32F103系统运行、激光光束对应的模拟电压采集、光源驱动所需交变激励信号产生、模拟开关通断、8路激光二极管交替驱动、光谱反射率计算以及数据传输等功能2）基于智能的app软件主要通过无线通信完成与单片机的交互，控制单片机进行相关操作，并对单片机上传的数据进行采集和保存2.3 光路设计 光路系统主要包括激光光束发射和反射激光光束接收系统完成激光光束的有角度照射和最大限度接收在20～50 cm遥测距离范围内（即激光光源端面到土壤表面的距离），为了确保8个波段激光光束照射土壤表面区域的一致性，激光光源通过具有一定角度的限位孔固定，并对称均匀分布在聚光透镜周围，确保这些光源相对于反射激光光束接受系统的照射角度、范围一致考虑到激光照射土壤反射回来的光束信号比较微弱，在反射激光光束接受系统设计过程中，为了使得光电二极管最大接收土壤表面反射的光束，聚焦透镜处于8个波段激光光束所在同心圆的中心位置，确保最大限度地收集反射激光光束信号，把聚集的光信号送到探测器表面，提高探测灵敏度。

3 测试分析3.1 系统组装与测试 按照硬件电路设计的原理图以及光路系统的结构尺寸，绘制数据采集传输硬件系统、光源驱动硬件系统、光电转换硬件系统、锁相放大及信号调理硬件系统对应的特定形状印制电路板（Printed Circuit Board，PCB），检测绘制PCB板的电气安全，通过后进行PCB板印制依据器件焊接要求，焊接硬件各个模块所需的电子元器件，并对焊接效果进行电气检查和测试在确保焊接电路板电气安全情况下，接通电源，通过高精度示波器对电源系统产生的各个电源电压的纹波噪声、幅度进行检测，调整滤波电路器件参数，直至满足系统所需电源纹波要求8个波段的激光二极管分别固定在光学机械探头的固定孔中，然后使用信号线引出正负引脚，接到光源驱动接口聚焦透镜放入固定孔中，旋转螺丝转环进行固定红外光电探测器放入光学探头限位孔，利用机械卡环固定在透镜焦距位置处，并用屏蔽线引出光电流输出引脚到光电转换电路板接口焊接完成的电路板按照需求固定在光学机械探头上焊接及调试完成单片机采集/控制/传输系统、激光光源驱动系统、光电转换/锁相放大/信号调理系统及整机组装实物图如图2所示利用智能手機中蓝牙采集助手，首先对土壤N近红外遥测仪的系统暗噪声进行分析。

在分析过程中，聚光透镜位置贴上遮光胶带，使得透镜无法接收反射回的激光二极管的光信号，阻止激光信号进入光电探测器这种条件下，系统输出电压值仅与背景噪声有关，与。