一种用于土壤成分检测的LIBS-NIR双光谱集成系统及检测方法

本技术属于土壤分析检测领域，更具体地，涉及一种用于土壤成分检测的libs-nir双光谱集成系统及检测方法。

背景技术：

1、传统的土壤分析方法多依赖于实验室中的化学和物理分析技术，如原子吸收光谱、电感耦合等离子体发射光谱和气相色谱等。这些方法检测准确、精度高，但通常需要复杂的样品前处理，并且不同的检测指标需要不同的测量仪器和方法，导致检测时间长、费用高、操作复杂等问题。激光诱导击穿光谱(libs)和近红外光谱(nir)是两种新兴的光谱分析技术，具有快速、无损、多元素或多组分同时检测等优势，逐渐应用于土壤分析检测中。libs利用高能量脉冲激光烧蚀土壤样品产生的等离子体发射光谱，获得土壤中元素信息。nir通过近红外光照射土壤样品产生的红外吸收光谱获取土壤中有机物和矿物质的分子结构和成分信息。然而土壤是一种复杂的自然基体，其成分的多样性和相互作用通常使得单一的光谱技术难以准确检测其质量指标。

2、中国专利文献cn114295604b中公开一种libs与nir光谱同步采集的土壤养分快速检测系统及方法，通过利用nir光谱预测土壤有机质，水分等土壤基体信息，进而对libs光谱进行校正以改善土壤养分元素的预测性能。但是该专利公开的检测系统中libs和nir两套光谱系统独立分布在样品两侧，无法实现对样品相同位置上libs信息和nir信息的获取，且检测过程中，nir光谱仅用于校正libs光谱信息，忽视了nir和libs光谱之间的联系，没有实现光谱数据之间的信息融合，最后该系统仅对土壤养分元素进行检测，忽略了土壤阳离子交换量、物理组成等分析指标。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种用于土壤成分检测的libs-nir双光谱集成系统及检测方法，旨在实现对土壤中化学成分和物理组成的快速、高效准确分析。

2、为实现上述目的，本技术提供了一种用于土壤成分检测的libs-nir双光谱集成系统，该系统包括近红外光谱信号采集单元和libs光谱信号采集单元；

3、所述近红外光谱信号采集单元包括：沿着近红外光传播光路依次同轴布置的近红外光发射单元、第一聚焦透镜、分束镜、二向色镜和第二聚焦透镜，以及第三聚焦透镜和nir光谱仪；所述近红外光发射单元发射的近红外光束依次经由第一聚焦透镜、分束镜、二向色镜和第二聚焦透镜后射入土壤样品，并产生近红外光谱信号；所述第三聚焦透镜设置于分束镜旁侧，所述近红外光谱信号依次经由第二聚焦透镜、二向色镜、分束镜和第三聚焦透镜后传输至nir光谱仪；

4、所述libs光谱信号采集单元包括：沿脉冲激光传播光路依次布置的脉冲激光器、第四聚焦透镜、第五聚焦透镜和libs光谱仪；所述脉冲激光器用于发射脉冲激光，所述脉冲激光依次经由二向色镜和第二聚焦透镜射入所述土壤样品被近红外光束照射的相同位置，并产生等离子体发射光谱信号，所述等离子体发射光谱信号依次经由第四聚焦透镜和第五聚焦透镜传输至libs光谱仪。

5、通过本技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，通过设置二向色镜使近红外光传播光路和脉冲激光光束传播光路在射向待测土壤样品前就沿同样的光路传播到第二聚焦透镜中，能够使得近红外光束依次经由第一聚焦透镜、分束镜、二向色镜和第二聚焦透镜后射向土壤样品上的位置与脉冲激光器发射的脉冲激光经由脉冲激光经由二向色镜和第二聚焦透镜后射入土壤样品上的位置相同，进而使后续收集到的近红外光谱信号和等离子体发射光谱信号是土壤样品相同位置处的信号，集成系统操作简便、无需额外操作即可完成土壤样品上同一位置处两种光谱信号的准确收集。

6、进一步的，所述第一聚焦透镜为非球面平凸透镜，用于将所述近红外光束准直为第一平行光束；所述分束镜的镜面与所述第一平行光束的传播方向呈45°夹角，其用于将所述第一平行光束分为透射光束和反射光束。

7、进一步的，所述第二聚焦透镜为非球面平凸透镜，其水平面朝向土壤样品，用于将所述透射光束聚焦后照射到土壤样品上，还用于将所述近红外光谱信号准直为第二平行光束后射入二向色镜中。

8、更进一步的，所述第二平行光束经由二向色镜射入所述分束镜后获得近红外光谱反射信号，且所述近红外光谱反射信号的光轴与所述近红外光束的光轴垂直。

9、进一步的，所述二向色镜的镜面与所述近红外光束的传播方向呈45°夹角，且与分束镜的镜面之间呈90°夹角，所述二向色镜用于过滤非工作波段的近红外光谱信号，还用于改变脉冲激光的传播方向，使其射入第二聚焦透镜(5)中。

10、进一步的，所述二向色镜与所述脉冲激光器射出的脉冲激光的传播方向呈45°夹角，用于将所述脉冲激光反射到所述第二聚焦透镜中，并经由所述第二聚焦透镜聚焦后射入土壤样品。

11、进一步的，所述二向色镜为长波通二向色镜。

12、进一步的，所述分束镜为非偏振分束立方体。

13、进一步的，所述第四聚焦透镜和所述第五聚焦透镜为同轴设置的两个非球面平凸透镜，且二者的平面镜面相背离设置。

14、进一步的，所述系统还包括样品位移平台和数字信号发生器，所述数字信号发生器用于分别控制样品位移平台移动、近红外光以及脉冲激光的发射以及近红外光谱信号和等离子体发射光谱信号的收集；优选的，所述系统还包括数据分析单元，所述数据分析单元用于分别读取nir光谱仪收集的近红外光谱信号和libs光谱仪收集的等离子体发射光谱信号并分析。

15、根据本技术的另一个方面，还公开一种应用如前任意一种用于土壤成分检测的libs-nir双光谱集成系统进行土壤成分检测的方法，包括以下步骤：

16、s1控制近红外光发射单元发射近红外光束，所述近红外光束依次经由第一聚焦透镜、分束镜、二向色镜和第二聚焦透镜后射入土壤样品并产生近红外光谱信号；控制nir光谱仪收集依次经由第二聚焦透镜、二向色镜、分束镜和第三聚焦透镜后射出的近红外光谱信号；

17、s2控制脉冲激光器发射脉冲激光，所述脉冲激光依次经由二向色镜和第二聚焦透镜后射入与步骤s1中近红外光束射入土壤样品的相同位置，并产生等离子体发射光谱信号；控制libs光谱仪收集依次经由第四聚焦透镜和第五聚焦透镜后射出的等离子体发射光谱信号；

18、s3调整土壤样品被射入光束的位置，并重复步骤s1和s2，以获取土壤样品不同位置处的近红外光谱信号和等离子体发射光谱信号；

19、s4对多组近红外光谱信号和等离子体发射光谱信号分析处理和预测，判断土壤样品的组分。

20、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

21、1.本技术通过高度集成的同轴光路设计，实现了激光诱导击穿光谱(libs)和近红外光谱(nir)在采集过程中的一致性，具体通过巧妙整合脉冲激光与近红外光束的聚焦光路系统，将nir光谱技术与libs系统集成为一体；此外，利用二向色镜能根据特定工作波长对近红外光束和近红外光谱信号进行精确过滤和分离的功能，确保了两种光谱系统在数据采集时的互不干扰，显著提升了双光谱数据采集的效率和一致性，从而增强了融合光谱分析的可靠性。

22、2.本技术突破了传统单一光谱技术在土壤质量检测中的局限性，通过近红外光谱探测技术获取土壤样品的分子成分信息，同时结合libs技术在相同位置进行激光烧蚀，产生等离子体后采集其发射光谱，以获取元素组成信息；通过这种创新的双光谱信息获取方法和后续的融合分析，实现了样品中libs元素信息与nir分子信息的互补和相互验证，形成了对土壤元素组分和分子组成的全面协同探测，提升了土壤分析结果的全面性和准确性。

技术特征：

1.一种用于土壤成分检测的libs-nir双光谱集成系统，其特征在于，该系统包括近红外光谱采集单元和libs光谱采集单元；

2.如权利要求1所述的一种用于土壤成分检测的libs-nir双光谱集成系统，其特征在于，所述第一聚焦透镜(2)为非球面平凸透镜，用于将所述近红外光束准直为第一平行光束；所述分束镜(3)的镜面与所述第一平行光束的传播方向呈45°夹角，其用于将所述第一平行光束分为透射光束和反射光束。

3.如权利要求2所述的一种用于土壤成分检测的libs-nir双光谱集成系统，其特征在于，所述第二聚焦透镜(5)为非球面平凸透镜，其水平面朝向土壤样品，用于将所述透射光束聚焦后照射到土壤样品上，还用于将所述近红外光谱信号准直为第二平行光束后射入二向色镜(4)中；优选的，所述第二平行光束经由二向色镜(4)射入所述分束镜(3)后获得反射的近红外光谱信号，且反射的所述近红外光谱信号的光轴与所述近红外光束的光轴垂直。

4.如权利要求1所述的一种用于土壤成分检测的libs-nir双光谱集成系统，其特征在于，所述二向色镜(4)的镜面与所述近红外光束的传播方向呈45°夹角，且与分束镜(3)的镜面之间呈90°夹角，所述二向色镜(4)用于过滤非工作波段的近红外光束和近红外光谱信号，还用于改变脉冲激光的传播方向，使其射入第二聚焦透镜(5)中。

5.如权利要求1所述的一种用于土壤成分检测的libs-nir双光谱集成系统，其特征在于，所述二向色镜(4)与所述脉冲激光器(9)射出的脉冲激光的传播方向呈45°夹角，用于将所述脉冲激光反射到所述第二聚焦透镜(5)中，并经由所述第二聚焦透镜(5)聚焦后射入土壤样品。

6.如权利要求1所述的一种用于土壤成分检测的libs-nir双光谱集成系统，其特征在于，所述二向色镜(4)为长波通二向色镜。

7.如权利要求1所述的一种用于土壤成分检测的libs-nir双光谱集成系统，其特征在于，所述分束镜(3)为非偏振分束立方体。

8.如权利要求1所述的一种用于土壤成分检测的libs-nir双光谱集成系统，其特征在于，所述第四聚焦透镜(10)和所述第五聚焦透镜(11)为同轴设置的两个非球面平凸透镜，且二者的平面镜面相背离设置。

9.如权利要求1所述的一种用于土壤成分检测的libs-nir双光谱集成系统，其特征在于，所述系统还包括样品位移平台(14)和数字信号发生器(16)，所述数字信号发生器(16)用于分别控制样品位移平台(14)移动、近红外光以及脉冲激光的发射以及近红外光谱信号和等离子体发射光谱信号的收集；优选的，所述系统还包括数据分析单元(15)，所述数据分析单元(15)用于分别读取nir光谱仪(8)收集的近红外光谱信号和libs光谱仪(13)收集的等离子体发射光谱信号并分析。

10.一种应用如权利要求1-9中任意一项所述的libs-nir双光谱集成系统进行土壤成分检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本申请属于土壤分析检测领域，公开一种用于土壤成分检测的LIBS‑NIR双光谱集成系统及检测方法，系统包括：近红外光发射单元、第一聚焦透镜、分束镜、二向色镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜和NIR光谱仪；近红外光发射单元发射近红外光束并经第一聚焦透镜、分束镜、二向色镜和第二聚焦透镜后射入土壤样品，近红外光谱信号经第二聚焦透镜、二向色镜、分束镜和第三聚焦透镜后进入NIR光谱仪；还包括脉冲激光器、第四聚焦透镜、第五聚焦透镜和LIBS光谱仪，脉冲激光经由二向色镜和第二聚焦透镜射入土壤样品的相同位置，等离子体发射光谱信号经由第四聚焦透镜和第五聚焦透镜传输至LIBS光谱仪。通过同轴光路集成设计，实现近红外光谱和LISB光谱在采集过程中的位置一致性。

技术研发人员：郭连波,张猛胜,程一帆,陈锋,刘宇强,牛晨
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5