一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线监测装置及方法

1.本发明涉及土壤碳通量检测技术领域，具体为一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线监测装置及方法。

背景技术：

2.土壤是地球上最大的陆地碳库，碳储量达到约14～15pg(1pg＝1015g)，近似为大气碳储量(约750pg)的2倍，陆地生物碳储量(约560pg)的3倍。土壤呼吸是土壤未受扰动情况下释放co2的过程，占整个陆地生态系统的60％-90％，也是土壤碳库向大气碳库输入碳的主要途径，每年从土壤排放的co2高达50-75pg，远高于每年因燃料燃烧产生的co2(约5.2pg)，因而任何土壤呼吸强度的微弱改变都可能引起大气co2浓度的较大变化，影响全球气候，准确监测土壤呼吸对探究全球碳循环及气候具有重大意义。近年来，由于温室效应的影响，全球极端气候事件发生的频率明显升高。这与温室气体的过量排放息息相关，co2作为温室气体的主要成分，在极大程度上决定着全球气候变暖的趋势；为了顺利完成碳中和，对碳排放的准确计量不可或缺，而其中的难点之一是对陆地生态系统中的地下部分监测，也即土壤碳排放。
3.现阶段，土壤呼吸的监测仪器主要基于密闭气室原理，通过将封闭的箱体罩置于土壤表面，测量单位时间内气室内的co2浓度变化进行线性或指数拟合，测算土壤表面的co2通量，以表征土壤呼吸速率。然而，应用密闭气室测量土壤呼吸有两大缺陷：一是随着气室内co2浓度升高，土壤表面与气室间的co2浓度梯度逐渐减小，使得测量值低估，导致密闭气室不能长时间监测土壤呼吸；二是将放置气室于土壤时可能产生的气室内外压强差，从而会导致土壤碳通量的计算产生较大的误差；为了解决上述问题，我们提出了一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线监测装置及方法。

技术实现要素：

4.1、本发明要解决的技术问题
5.本发明的目的是为了克服现有基于密闭气室原理的土壤呼吸监测仪器无法长时间监测土壤呼吸且易由于压强差而导致土壤碳通量计算错误，影响监测准确性的问题而提出的一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线监测装置及方法。
6.2、技术方案
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线监测装置，包括有固定壳体，所述固定壳体的底端四角上固定连接有支撑杆，所述支撑杆的底端固定安装有万向轮，所述万向轮上集成安装有刹停装置，所述固定壳体的内部设置有土壤呼吸池，所述土壤呼吸池的底端与地面土壤相接触，所述土壤呼吸池的顶端固定连接在固定壳体上，所述土壤呼吸池的顶端设置有气室开口，所述气室开口上固定连接有顶板，所述顶板上设置有透气孔；所述固定壳体的顶面四角处固定连接有伸长杆，所述伸长杆的顶端固定连接有防护罩；所述土壤呼
吸池的内部安装有光源信号产生装置、co2浓度采集装置、温度传感器和湿度传感器，所述土壤呼吸池底面与土壤相接触部分安装有压力传感器和电流传感器；所述固定壳体的侧壁面上固定安装有显示及控制装置，所述显示及控制装置的表面嵌入安装有显示屏，所述显示及控制装置的一侧固定安装有通信天线，所述显示及控制装置的内部集成安装有控制模块、信号处理模块和无线通信及显示模块。
9.一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线检测方法，具体包括以下步骤：
10.s1、将土壤碳通量在线监测装置的装置本体通过底部安装万向轮移动至待检测区域，利用万向轮上集成安装的刹停装置将装置本体固定在待检测区域；
11.s2、利用显示及控制装置将装置本体通电自检，确保装置本体上安装的电气元件均正常工作；
12.s3、首先启动土壤呼吸池内部的光源信号产生装置，然后基于激光光谱技术，结合co2浓度采集装置测得土壤呼吸池内的co2浓度，再分别通过温度传感器、湿度传感器和压力传感器获取温度、湿度及压力数据，进一步的通过无线通信及显示模块获取时间及坐标数据，并将温度、湿度、压力、时间、坐标数据均在显示屏上展示出来；
13.s4、对所述s3中获取的各类数据进行预处理，具体包括奇异值去除，信号去噪和光强影响消除；
14.s5、对预处理后的数据进行滑动平均处理，同时使用自适应层进式s-g算法对测试光路进行滤波处理；
15.s6、对所述s5中处理后的co2进行归一化处理；
16.s7、将归一化后的数据利用直接吸收算法或正交矢量锁相放大算法进行二次谐波解调，获取二次谐波的2f频率中心领域附近，截取部分波型，进行最小二乘拟合后，获取拟合后的二次谐波信号的峰值；
17.s8、将所述s7中获取的二次谐波信号的峰值与标定过的二次谐波信号进行比值计算，得到土壤呼吸池内部的co2浓度；
18.s9、设定一个取样周期t，测量、记录采样周期t内co2浓度、温度、湿度以及压力数据变化量；
19.s10、将s9中所得的co2浓度变化量与时间变化量t相乘，计算得出采样周期t内co2排放通量；
20.s11、将s9中所得的co2浓度变化数据与温度数据、压力数据和时间数据进行相关性分析，获取co2通量与温度、压力、时间的变化关系。
21.优选地，所述光源信号产生装置由dfb激光器、激光波长驱动信号模块、功率放大模块和激光耦合模块组成；所述dfb激光器，用来产生一定频率的激光；所述激光波长驱动信号模块，用来产生振幅均匀的调制电流信号；所述功率放大模块，采用参铒放大器，用来放大激光功率；所述激光耦合模块，将激光器的输出激光通过光纤和法兰进行耦合进入下一个光纤。
22.优选地，所述co2浓度采集装置由光路多次反射结构、光电信号转换、电信号放大和电信号传输模块组成，其中所述光路多次反射结构，用于co2浓度吸收光谱信号的采集。
23.优选地，所述信号处理模块由信号接收模块、co2浓度反演模块、co2通量反演模块及结果输出模块组成。
24.优选地，所述s8中提到的co2浓度计算方法，具体包括以下内容：
25.a1、土壤碳通量在线监测装置工作初始时，此时土壤呼吸池(4)内co2浓度与环境中co2浓度相同，测出此时的初始浓度，记作c
标定
；
26.a2、启动土壤呼吸池(4)内部的光源信号产生装置，然后基于激光光谱技术，结合co2浓度采集装置测得初始时土壤呼吸池(4)内co2气体的二次谐波信号的峰值h
标定
；
27.a3、持续监测，获取土壤呼吸池(4)内co2气体的实测二次谐波信号的峰值h
实测
；
28.a4、将a1～a3中所得的数据代入下列计算公式中，求得实测co2浓度c
实测
，具体计算公式为：
[0029][0030]
其中，i表示光照强度；l表示波长；由于光照是通过光源信号产生装置发出的，故i
实测
＝i
标定
；l
实测
＝l
标定
，因此：
[0031][0032]
优选地，实际监测过程中，h
实测
通过多组光谱信号线性回归得到；c
实测
通过多种光照模式与多条吸收谱线之间的吸收情况反演得到。
[0033]
3、有益效果
[0034]
(1)本发明所提出的一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线监测装置，相较于市面上现有产品，创造性的采用了开放式结构设计，相较于现有设计，本发明可以更好的胜任土壤呼吸长时间监测工作，同时能够有效避免呼吸池内外压强差对测量和计算结果造成的影响；
[0035]
(2)本发明一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线检测方法，采用了光谱法来采集和计算co2浓度值，所得co2浓度数据更为准确，确保了土壤碳通量计算的准确性。
附图说明
[0036]
图1为本发明提出的一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线监测装置的结构示意图；
[0037]
图2为本发明提出的一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线检测方法的流程示意图。
具体实施方式
[0038]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0039]
同时，在这里做以说明的是，为了使实施例更加详尽，下面的实施例为最佳、优选实施例，对于一些公知技术本领域技术人员也可采用其他替代方式而进行实施；而且附图部分仅是为了更具体的描述实施例，而并不旨在对本发明进行具体的限定。
[0040]
本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而
对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。
[0041]
实施例1：
[0042]
一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线监测装置，包括有固定壳体，固定壳体的底端四角上固定连接有支撑杆，支撑杆的底端固定安装有万向轮，万向轮上集成安装有刹停装置，固定壳体的内部设置有土壤呼吸池，土壤呼吸池的底端与地面土壤相接触，土壤呼吸池的顶端固定连接在固定壳体上，土壤呼吸池的顶端设置有气室开口，气室开口上固定连接有顶板，顶板上设置有透气孔；固定壳体的顶面四角处固定连接有伸长杆，伸长杆的顶端固定连接有防护罩；土壤呼吸池的内部安装有光源信号产生装置、co2浓度采集装置、温度传感器和湿度传感器，土壤呼吸池底面与土壤相接触部分安装有压力传感器和电流传感器；固定壳体的侧壁面上固定安装有显示及控制装置，显示及控制装置的表面嵌入安装有显示屏，显示及控制装置的一侧固定安装有通信天线，显示及控制装置的内部集成安装有控制模块、信号处理模块和无线通信及显示模块。
[0043]
光源信号产生装置由dfb激光器、激光波长驱动信号模块、功率放大模块和激光耦合模块组成；dfb激光器，用来产生一定频率的激光；激光波长驱动信号模块，用来产生振幅均匀的调制电流信号；功率放大模块，采用参铒放大器，用来放大激光功率；激光耦合模块，将激光器的输出激光通过光纤和法兰进行耦合进入下一个光纤。
[0044]
co2浓度采集装置由光路多次反射结构、光电信号转换、电信号放大和电信号传输模块组成，其中光路多次反射结构，用于co2浓度吸收光谱信号的采集。
[0045]
信号处理模块由信号接收模块、co2浓度反演模块、co2通量反演模块及结果输出模块组成。
[0046]
一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线检测方法，具体包括以下步骤：
[0047]
s1、将土壤碳通量在线监测装置的装置本体通过底部安装万向轮移动至待检测区域，利用万向轮上集成安装的刹停装置将装置本体固定在待检测区域；
[0048]
s2、利用显示及控制装置将装置本体通电自检，确保装置本体上安装的电气元件均正常工作；
[0049]
s3、首先启动土壤呼吸池内部的光源信号产生装置，然后基于激光光谱技术，结合co2浓度采集装置测得土壤呼吸池内的co2浓度，再分别通过温度传感器、湿度传感器和压力传感器获取温度、湿度及压力数据，进一步的通过无线通信及显示模块获取时间及坐标数据，并将温度、湿度、压力、时间、坐标数据均在显示屏上展示出来；
[0050]
s4、对s3中获取的各类数据进行预处理，具体包括奇异值去除，信号去噪和光强影响消除；
[0051]
s5、对预处理后的数据进行滑动平均处理，同时使用自适应层进式s-g算法对测试光路进行滤波处理；
[0052]
s6、对s5中处理后的co2进行归一化处理；
[0053]
s7、将归一化后的数据利用直接吸收算法或正交矢量锁相放大算法进行二次谐波解调，获取二次谐波的2f频率中心领域附近，截取部分波型，进行最小二乘拟合后，获取拟合后的二次谐波信号的峰值；
[0054]
s8、将s7中获取的二次谐波信号的峰值与标定过的二次谐波信号进行比值计算，得到土壤呼吸池内部的co2浓度；
[0055]
s8中提到的co2浓度计算方法，具体包括以下内容：
[0056]
a1、土壤碳通量在线监测装置工作初始时，此时土壤呼吸池(4)内co2浓度与环境中co2浓度相同，测出此时的初始浓度，记作c
标定
；
[0057]
a2、启动土壤呼吸池(4)内部的光源信号产生装置，然后基于激光光谱技术，结合co2浓度采集装置测得初始时土壤呼吸池(4)内co2气体的二次谐波信号的峰值h
标定
；
[0058]
a3、持续监测，获取土壤呼吸池(4)内co2气体的实测二次谐波信号的峰值h
实测
；
[0059]
a4、将a1～a3中所得的数据代入下列计算公式中，求得实测co2浓度c
实测
，具体计算公式为：
[0060][0061]
其中，i表示光照强度；l表示波长；由于光照是通过光源信号产生装置发出的，故i
实测
＝i
标定
；l
实测
＝l
标定
，因此：
[0062][0063]
实际监测过程中，h
实测
通过多组光谱信号线性回归得到；c
实测
通过多种光照模式与多条吸收谱线之间的吸收情况反演得到；
[0064]
s9、设定一个取样周期t，测量、记录采样周期t内co2浓度、温度、湿度以及压力数据变化量；
[0065]
s10、将s9中所得的co2浓度变化量与时间变化量t相乘，计算得出采样周期t内co2排放通量；
[0066]
s11、将s9中所得的co2浓度变化数据与温度数据、压力数据和时间数据进行相关性分析，获取co2通量与温度、压力、时间的变化关系。
[0067]
综上所述，本发明所提出的一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线监测装置，相较于市面上现有产品，创造性的采用了开放式结构设计，相较于现有设计，本发明可以更好的胜任土壤呼吸长时间监测工作，同时能够有效避免呼吸池内外压强差对测量和计算结果造成的影响；同时，本发明提出的一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线检测方法，采用了光谱法来采集和计算co2浓度值，所得co2浓度数据更为准确，确保了土壤碳通量计算的准确性。
[0068]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线监测装置，包括有固定壳体(1)，所述固定壳体(1)的底端四角上固定连接有支撑杆(2)，所述支撑杆(2)的底端固定安装有万向轮(3)，所述万向轮(3)上集成安装有刹停装置，其特征在于，所述固定壳体(1)的内部设置有土壤呼吸池(4)，所述土壤呼吸池(4)的底端与地面土壤相接触，所述土壤呼吸池(4)的顶端固定连接在固定壳体(1)上，所述土壤呼吸池(4)的顶端设置有气室开口，所述气室开口上固定连接有顶板(5)，所述顶板(5)上设置有透气孔；所述固定壳体(1)的顶面四角处固定连接有伸长杆(6)，所述伸长杆(6)的顶端固定连接有防护罩(7)；所述土壤呼吸池(4)的内部安装有光源信号产生装置、co2浓度采集装置、温度传感器和湿度传感器，所述土壤呼吸池(4)底面与土壤相接触部分安装有压力传感器和电流传感器；所述固定壳体(1)的侧壁面上固定安装有显示及控制装置(8)，所述显示及控制装置(8)的表面嵌入安装有显示屏，所述显示及控制装置(8)的一侧固定安装有通信天线，所述显示及控制装置(8)的内部集成安装有控制模块、信号处理模块和无线通信及显示模块。2.根据权利要求1所述的一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线监测装置所应用的一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：s1、将土壤碳通量在线监测装置的装置本体通过底部安装万向轮(3)移动至待检测区域，利用万向轮(3)上集成安装的刹停装置将装置本体固定在待检测区域；s2、利用显示及控制装置(8)将装置本体通电自检，确保装置本体上安装的电气元件均正常工作；s3、首先启动土壤呼吸池(4)内部的光源信号产生装置，然后基于激光光谱技术，结合co2浓度采集装置测得土壤呼吸池(4)内的co2浓度，再分别通过温度传感器、湿度传感器和压力传感器获取温度、湿度及压力数据，进一步的通过无线通信及显示模块获取时间及坐标数据，并将温度、湿度、压力、时间、坐标数据均在显示屏上展示出来；s4、对所述s3中获取的各类数据进行预处理，具体包括奇异值去除，信号去噪和光强影响消除；s5、对预处理后的数据进行滑动平均处理，同时使用自适应层进式s-g算法对测试光路进行滤波处理；s6、对所述s5中处理后的co2进行归一化处理；s7、将归一化后的数据利用直接吸收算法或正交矢量锁相放大算法进行二次谐波解调，获取二次谐波的2f频率中心领域附近，截取部分波型，进行最小二乘拟合后，获取拟合后的二次谐波信号的峰值；s8、将所述s7中获取的二次谐波信号的峰值与标定过的二次谐波信号进行比值计算，得到土壤呼吸池(4)内部的co2浓度；s9、设定一个取样周期t，测量、记录采样周期t内co2浓度、温度、湿度以及压力数据变化量；s10、将s9中所得的co2浓度变化量与时间变化量t相乘，计算得出采样周期t内co2排放通量；s11、将s9中所得的co2浓度变化数据与温度数据、压力数据和时间数据进行相关性分析，获取co2通量与温度、压力、时间的变化关系。3.根据权利要求1所述的一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线监测装置，其特征
在于，所述光源信号产生装置由dfb激光器、激光波长驱动信号模块、功率放大模块和激光耦合模块组成；所述dfb激光器，用来产生一定频率的激光；所述激光波长驱动信号模块，用来产生振幅均匀的调制电流信号；所述功率放大模块，采用参铒放大器，用来放大激光功率；所述激光耦合模块，将激光器的输出激光通过光纤和法兰进行耦合进入下一个光纤。4.根据权利要求1所述的一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线监测装置，其特征在于，所述co2浓度采集装置由光路多次反射结构、光电信号转换、电信号放大和电信号传输模块组成，其中所述光路多次反射结构，用于co2浓度吸收光谱信号的采集。5.根据权利要求1所述的一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线监测装置，其特征在于，所述信号处理模块由信号接收模块、co2浓度反演模块、co2通量反演模块及结果输出模块组成。6.根据权利要求2所述的一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线检测方法，其特征在于，所述s8中提到的co2浓度计算方法，具体包括以下内容：a1、土壤碳通量在线监测装置工作初始时，此时土壤呼吸池(4)内co2浓度与环境中co2浓度相同，测出此时的初始浓度，记作c
标定
；a2、启动土壤呼吸池(4)内部的光源信号产生装置，然后基于激光光谱技术，结合co2浓度采集装置测得初始时土壤呼吸池(4)内co2气体的二次谐波信号的峰值h
标定
；a3、持续监测，获取土壤呼吸池(4)内co2气体的实测二次谐波信号的峰值h
实测
；a4、将a1～a3中所得的数据代入下列计算公式中，求得实测co2浓度c
实测
，具体计算公式为：其中，i表示光照强度；l表示波长；由于光照是通过光源信号产生装置发出的，故i
实测
＝i
标定
；l
实测
＝l
标定
，因此：7.根据权利要求6所述的一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线检测方法，其特征在于，实际监测过程中，h
实测
通过多组光谱信号线性回归得到；c
实测
通过多种光照模式与多条吸收谱线之间的吸收情况反演得到。

技术总结

本发明公开了一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线监测装置及方法，属于土壤碳通量检测技术领域。一种基于激光光谱技术的土壤碳通量在线监测装置，包括有固定壳体，固定壳体的内部设置有土壤呼吸池，土壤呼吸池的顶端固定连接在固定壳体上，土壤呼吸池的顶端设置有气室开口，气室开口上固定连接有顶板，顶板上设置有透气孔；土壤呼吸池的内部安装有光源信号产生装置、CO2浓度采集装置、温度传感器和湿度传感器，土壤呼吸池底面与土壤相接触部分安装有压力传感器和电流传感器；本发明有效解决了现有基于密闭气室原理的土壤呼吸监测仪器无法长时间监测土壤呼吸且易由于压强差而导致土壤碳通量计算错误，影响监测准确性的问题。题。题。