农田氨挥发通量激光光谱多点检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种农田氨挥发通量激光光谱多点检测系统，检测系统以一套系统主机配置多个原位检测探头，将多个原位检测探头进行分组，每组探头同步工作，通过同组多点同步检测，实现多点对比分析检测；不同组探头分时顺序检测，实现提高检测系统的使用效率；采用双射频调制光谱技术，结合长光程吸收池以及分布式光纤网络提高检测灵敏度；本发明专利技术尤其适用于对小区域农田氨挥发通量进行检测，无需气体采样，满足农田氨挥发通量多点对比检测分析的研究及应用需求。及应用需求。及应用需求。

【技术实现步骤摘要】
农田氨挥发通量激光光谱多点检测系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种气体挥发通量检测方法及装置，尤其涉及的是一种农田氨挥发通量激光光谱多点原位检测方法与装置。

技术介绍

[0002]氨挥发是氮肥施入农田后氮素损失的重要途径，也是大气中氨气的主要来源之一。相关研究表明，我国粮食主产区华北平原农田氮肥施用氨挥发损失约为11.8～18.9％，太湖地区稻田氮肥氨挥发损失高达21.8％。同时，氨气进入大气易与SO2、NOx等反应生成气溶胶细粒子(PM2.5)，是我国PM2.5形成最主要的影响因素，其作用明显高于SO2、NOx。另外，大部分挥发的氨气会以NH3、NH4+的形态沉降到地球表面，还会造成土壤酸化、营养物质失衡，破坏植物间竞争平衡，引起水体富营养化，也会加剧全球气候变化。研究农田氨挥发特性，开发低氨排放农业技术是解决氨挥发导致环境问题的必经之路，而获取有效农田氨挥发通量数据是其关键。
[0003]针对农田气体挥发通量检测的方法主要有箱式法和微气象学法。近些年来，在具有高灵敏、高时间分辨优点的光谱学气体检测技术快速发展的推动下，微气象学方法在农业生态领域气体通量检测中得到很好应用，但该方法主要适用于大尺度开放区域的气体通量检测，无法应用于农业科技研究中小区块农田对比分析研究；箱式法通过测定一定时间段箱式装置覆盖区域内土壤氨气挥发量计算氨挥发速率，适于小区块土壤气体排放通量分析试验。在农业氨减排技术研究中，常常采用小区田块施肥对比实验方法，通过多个田块不同施肥方式，采集不同阶段氨排放通量，对比减排技术的有效性。因此，箱式方法在农业减排技术研究中具有显著优势。但传统箱式分析方法依赖于现场气体采样实验室分析，检测周期长，时间相关性差，测量误差大，无法满足相关研究应用需要。

技术实现思路

[0004]本专利技术是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种农田氨挥发通量激光光谱多点检测系统及方法，以满足相关研究及应用的需要。
[0005]本专利技术为实现专利技术目的采用如下技术方案：
[0006]本专利技术农田氨挥发通量激光光谱多点检测系统，用于对小区域农田氨挥发通量进行检测，其特点是：所述检测系统以一套系统主机配置多个原位检测探头，将多个原位检测探头进行分组，每组探头同步工作，通过同组多点同步检测，实现多点对比分析检测；不同组探头分时顺序检测，提高检测系统的使用效率；采用双射频调制光谱技术，结合长光程吸收池以及分布式光纤网络提高检测系统的灵敏度。
[0007]本专利技术农田氨挥发通量激光光谱多点检测系统的特点也在于：将所述多个原位检测探头一一对应设置为各原位点式光学吸收箱；所述原位点式光学吸收箱是由侧板和顶盖构成的底部敞口的倒扣式方箱，顶盖可启闭，侧板和顶盖均为透光板；在所述方箱内设置多次反射吸收池和近红外光电探测器，入射光束经多次反射吸收池的多次反射形成第一出射
光，所述近红外光电探测器用于探测第一出射光并输出光电探测信号；各原位点式光学吸收箱一一对应安装在待测点位处，16个原位点式光学吸收箱按照4个一组分设为4个箱组，同一箱组中各探头检测时序同步，不同箱组的探头分时顺序检测，各原位点式光学吸收箱一一对应有入射光束导入光纤和近红外光电探测器的光电探测信号输出端。
[0008]本专利技术农田氨挥发通量激光光谱多点检测系统的特点也在于：所述系统主机包括：光源模块和系统信号处理与控制模块；
[0009]所述光源模块，由激光器产生波长扫描和双射频调制的检测用激光束，所述激光束经1
×
2光纤分束器分束为第一激光束和第二激光束，所述第一光束经再经1
×
4光纤分束器分束为强度相同的4束检测光束传输至4
×
16光开关，所述4
×
16光开关在信号采集与处理电路的控制下周期性地顺序将4束检测光束耦合至4组输出端；所述4
×
16光开关的16路输出光纤一一对应与16个原位点式光学吸收箱的入射光束的导入光纤相连接，形成分布式光纤多点检测模块；所述第二激光束经光纤准直器准直输出至校准吸收池，校准吸收池输出光束经主机近红外光电探测器的光电转换作为校准信号接入五通道锁相放大器的输入端，与16
×
4电子开关输出的四路信号共同组成五通道锁相放大器的五路同步输入信号；
[0010]所述系统信号处理与控制模块，将所述五路同步输入信号经五通道锁相放大器的信号传输导入信号采集与处理电路，用于进行信号分析获得检测结果。
[0011]本专利技术农田氨挥发通量激光光谱多点检测系统的特点也在于：在所述光源模块中，由半导体激光温度控制电路控制工作温度，并由半导体激光电流控制电路控制激光器驱动电流，使激光器的输出波长位于目标气体氨气分子的一条预先选定的孤立吸收线中心；扫描信号源将100Hz的锯齿波扫描信号叠加在半导体激光电流控制电路产生的直流驱动电流上，使激光器的输出波长以吸收线中心波长为中心固定波长范围周期性连续扫描；由第一射频调制信号源输出射频频段信号f1，由第二射频调制信号源输出射频频段信号f2，射频频段信号f1和射频频段信号f2在射频求和电路中进行叠加并通过射频偏置电路叠加在半导体激光电流控制电路输出的激光器驱动电流上，使得激光器输出波长在周期扫描的同时被射频频段双射频调制形成；所述射频频段信号f1和射频频段信号f2的频率间隔Δf选择5kHz
‑
50kHz之间；所述激光器为近红外半导体激光器。
[0012]本专利技术农田氨挥发通量激光光谱多点检测系统的特点也在于：在所述系统信号处理与控制模块中设置由混频器、低通滤波器和倍频电路构成的双射频调制参考电路，所述射频信号f1和射频信号f2经双射频调制参考电路输出二倍频信号2Δf，所述二倍频信号2Δf接入五通道锁相放大器的参考信号输入端作为相敏检测参考信号，对所述五通道锁相放大器中的输入的五路同步输入信号同时进行相敏检测获得检测时间段T0中五路同步输入信号的连续双射频调制二次谐波光谱信号，在完成设定的连续时间段T0检测后，继续下一箱组原位点式光学吸收箱的检测。
[0013]本专利技术农田氨挥发通量激光光谱多点检测方法的特点是利用本专利技术农田氨挥发通量激光光谱多点检测系统按如下过程进行：
[0014]开始检测前，保持顶盖为开启，农田氨气为开放式自然挥发状态；
[0015]开始检测时，控制顶盖为关闭，使挥发的农田氨气在方箱内积聚；由五通道锁相放大器对输入的五路信号同时进行相敏检测；
[0016]设定第一激光束在多次反射吸收池中的反射次数，由此确定第一激光束在多次反
射吸收池中传输的光路长度L
i
度，以i表征第i个原位点式光学吸收箱；
[0017]由信号采集与处理电路对五通道锁相放大器的输出信号进行模数转换和采集，得到1个校准信号和16个原位点式光学吸收箱在T
o
检测时间段的双射频调制二次谐波光谱信号，共计17个信号，由信号采集与处理电路对采集信号进行计算，获得16个原位点式光学吸收箱检测点农田氨挥发通量值，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种农田氨挥发通量激光光谱多点检测系统，用于对小区域农田氨挥发通量进行检测，其特征是：所述检测系统以一套系统主机配置多个原位检测探头，将多个原位检测探头进行分组，每组探头同步工作，通过同组多点同步检测，实现多点对比分析检测；不同组探头分时顺序检测，提高检测系统的使用效率；采用双射频调制光谱技术，结合长光程吸收池以及分布式光纤网络提高检测系统的灵敏度。2.根据权利要求1所述的农田氨挥发通量激光光谱多点检测系统，其特征是将所述多个原位检测探头一一对应设置为各原位点式光学吸收箱；所述原位点式光学吸收箱是由侧板(37)和顶盖(38)构成的底部敞口的倒扣式方箱，顶盖(38)可启闭，侧板(37)和顶盖(38)均为透光板；在所述方箱内设置多次反射吸收池(41)和近红外光电探测器(42)，入射光束经多次反射吸收池(41)的多次反射形成第一出射光，所述近红外光电探测器(42)用于探测第一出射光并输出光电探测信号；各原位点式光学吸收箱一一对应安装在待测点位处，16个原位点式光学吸收箱按照4个一组分设为4个箱组，同一箱组中各探头检测时序同步，不同箱组的探头分时顺序检测，各原位点式光学吸收箱一一对应有入射光束导入光纤和近红外光电探测器(42)的光电探测信号输出端。3.根据权利要求2所述的农田氨挥发通量激光光谱多点检测系统，其特征是：所述系统主机包括：光源模块和系统信号处理与控制模块；所述光源模块，由激光器(1)产生波长扫描和双射频调制的检测用激光束，所述激光束经1
×
2光纤分束器(9)分束为第一激光束和第二激光束，所述第一光束经再经1
×
4光纤分束器(10)分束为强度相同的4束检测光束传输至4
×
16光开关(11)，所述4
×
16光开关(11)在信号采集与处理电路(17)的控制下周期性地顺序将4束检测光束耦合至4组输出端；所述4
×
16光开关(11)的16路输出光纤一一对应与16个原位点式光学吸收箱的入射光束的导入光纤相连接，形成分布式光纤多点检测模块；所述第二激光束经光纤准直器(18)准直输出至校准吸收池(19)，校准吸收池(19)输出光束经主机近红外光电探测器(20)的光电转换作为校准信号接入五通道锁相放大器(16)的输入端，与16
×
4电子开关(15)输出的四路信号共同组成五通道锁相放大器(16)的五路同步输入信号；所述系统信号处理与控制模块，将所述五路同步输入信号经五通道锁相放大器(16)的信号传输导入信号采集与处理电路(17)，用于进行信号分析获得检测结果。4.根据权利要求3所述的农田氨挥发通量激光光谱多点检测系统，其特征是：在所述光源模块中，由半导体激光温度控制电路(2)控制工作温度，并由半导体激光电流控制电路(3)控制激光器驱动电流，使激光器(1)的输出波长位于目标气体氨气分子的一条预先选定的孤立吸收线中心；扫描信号源(4)将100Hz的锯齿波扫描信号叠加在半导体激光电流控制电路(3)产生的直流驱动电流上，使激光器(1)的输出波长以吸收线中心波长为中心固定波长范围周期性连续扫描；由第一射频调制信号源(5)输出射频频段信号f1，由第二射频调制信号源(6)输出射频频段信号f2，射频频段信号f1和射频频段信号f2在射频求和电路(7)中进行叠加并通过射频偏置电路(8)叠加在半导体激光电流控制电路(3)输出的激光器驱动电流上，使得激光器(1)输出波长在周期扫描的同时被射频频段双射频调制形成；所述射频频段信号f1和射频频段信号f2的频率间隔Δf选择5kHz
‑
50kHz之间；所述激光器(1)为近红外半导体激光器(1)。5.根据权利要求4所述的农田氨挥发通量激光光谱多点检测系统，其特征是：在所述系
统信号处理与控制模块中设置由混频器(12)、低通滤波器(13)和倍频电路(14)构成的双射频调制参考电路，所述射频信号f1和射频信号f2经双射频调制参考电路输出二倍频信号2Δf，所述二倍频信号2...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈东，吴建杰，贾兆丽，张玉钧，何莹，尤坤，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：