(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211018279.7 (22)申请日 2022.08.24 (71)申请人 湖州师范学院 地址 313000 浙江省湖州市吴兴区二环东 路759号 (72)发明人 贾良权　高璐　臧影　许琴　 祁亨年　唐琦哲　朱同宇　李香格　 (74)专利代理 机构 北京保识知识产权代理事务 所(普通合伙) 11874 专利代理师 尹莹莹 (51)Int.Cl. G01N 21/39(2006.01) G01N 33/00(2006.01) G01D 21/02(2006.01) G06K 9/00(2022.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 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。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 115479918 A 2022.12.16 CN 115479918 A 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， 其特征权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115479918 A 2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S 8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 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115479918 A 3