一种全谱段透射式植物生化参数无损检测装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种全谱段透射式植物生化参数无损检测装置及方法，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。发明专利技术采用全谱段透射测量原理，实现多参数高精度同时测量；采用时间双光路的参比测量原理，保证透射光谱信号的准确度和精度；一体化透射夹具和程控可调稳压驱动光源电路，使得这种测量原理在植物叶片透射光谱测量得以实现，形成小型化，便携式的植物生化参数无损检测装置；装置中的预测模型中采用改进的扩展多元散射校正方法校正叶片因散射产生的基线及叶片厚度不同引起的光程长差异，提高了光谱数据对化学物质浓度的敏感度，增强模型的抗干扰能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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，本专利技术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商钨灯光源、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。进一步地，所述驱动电路采用程控光源稳压驱动电路，该电路中，具有电压反馈功 能的稳压芯片通过对采样电阻两端的电压进行反馈，调节稳压芯片的输出电压，与卤钨灯 串联的过载保护电阻用于维持电路的稳定性，可调采样电阻实现稳压芯片的输出电压的可 变性，增强型场效应管在控制单元的控制下，根据不同的测量步骤，实现通断功能，使得光 源在灭，较亮，最亮三个状态自动转化。进一步地，对样本叶片进行测量时首先，在未放入被测叶片，采样模块上下部保持闭合状态的情况下，在控制模块的 控制下，使采样模块中的光源处于灭的状态，光谱仪模块测量获得暗噪声信号，并将其输出 给处理模块；然后，在未放入被测叶片，采样模块上下部保持闭合状态的情况下，在控制模块的 控制下，使采样模块中的光源处于较亮状态，光谱仪模块测量获得参考信号，并将其输出给 处理模块；完成上述步骤后，放入被测叶片，使采样模块上下部保持闭合状态，在控制模块的 控制下，使采样模块中的光源处于最亮状态，光谱仪模块测量获得测量信号，并将其输出给 处理模块。进一步地，所述光谱仪模块采用通用光谱仪或自制光谱仪，在对样本叶片进行测 量时，进行连续光谱测量，光谱范围为可见_短波近红外(500nm-1100nm)。基于上述装置，本专利技术还提出一种全谱段透射式植物生化参数无损检测方法，该 方法包括A、采集建模样本，形成建模样本集，采用透射方式测量建模样本集中的样本在可 见_短波近红外范围的连续光谱；B、采用标准分析方法测定建模样本集中样本待测组分的化学含量的真值；C、对建模样本集中样本的光谱数据进行预处理，所述预处理包括噪声去除、采用 改进的扩展多元散射校正(EMSC)方法进行基线和光程长校正；D、依据预处理后的建模样本集的光谱数据，采用化学计量学中的多元线性模型， 建立叶片吸收光谱和生化参数之间的校正回归模型；E、对未知样本的光谱数据进行预处理后，将相应波段数据代入校正回归模型，预 测所述未知样本的待测组分的化学成分含量。进一步地，所述的建模样本集分成外部校正集和内部校正集，所述外部校正集为 预处理提供外部参数，内部校正集用来建立叶片生化参数的校正回归模型；所述采用改进 的扩展多元散射校正方法进行基线和光程长校正具体为步骤C1、将实测光谱表达为理想光谱的数学模型，包括常数项以及独立影响散射 的波长项；步骤C2、将外部校正集的平均光谱作为参考光谱，消除浓度与光程长的线性关 系；步骤C3、利用外部校正集样本定义差谱矩阵，对差谱矩阵进行主成分分解，获得表 征散射效应和基线的子空间，并将其定义为外部参数；将外部校正集投影到其正交子空间， 消除散射和基线的影响，对投影后的光谱进行主成分分解，用其载荷矩阵代表理想光谱；步骤C4、对于内部校正集的样本，将实测光谱与所述参考光谱、载荷矩阵、常数项、 独立波长项，通过最小二乘拟合的方式确定其每一项系数；步骤C5、将标定得到参数代入模型中，减去各个影响项，获得校正光谱。本装置采用全谱透射测量的原理设计的叶片夹具，增强光谱信号与被测浓度的线 性关系，并且保证了光谱信号携带了足够的浓度信号，减少了检测模型的复杂度。该夹具将 卤钨灯嵌在里面，与传统的入射光纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全谱段透射式植物生化参数无损检测装置，其特征在于，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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张广军，李庆波，张倩暄，黄彦文，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]