【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及检测土壤中的化学化合物。本专利技术尤其涉及使用光谱探头检测土壤中的化学化合物。
技术介绍
1、原位浅层次表层土壤光谱学(以下简称“s4”)是一种使用安装在移动仪器上的探头记录次表层土壤光谱的分析勘探技术，其中所述探头通过光纤与可见近红外(vis-nir)光谱仪相连。
2、原位光谱学有多种类型，其应用范围十分广泛。土壤和残留物的原位化学测试(即不需要挖掘或广泛地取样)，在方法上仍不成熟。快速原位土壤分析技术采用便携式x射线荧光光谱仪(xrf)。原位手持式xrf应用广泛，例如采矿、铅漆测试以及土壤重金属测绘。fisher scientific公司发布的niton xrf分析仪是原位土壤分析的常用仪器之一。原位土壤分析技术中另一种新兴的仪器是便携式激光诱导击穿光谱仪(libs)。近年来，已经出现采用便携式libs对cu11、cr12、pb13和其他土壤污染物进行原位土壤分析。尽管便携式可见近红外光谱仪，例如veris p4000，在土壤性质量化的准确性方面存在不足，但它已在原位中使用了二十多年。
3、在土壤和沉积物中，大量土壤有机碳(soc)标志着还原条件。由于暗色沉积物颜色是高soc区域的良好预测指标，它们预示了生物地球化学转化和微生物活动的热点区域。传统上，获取深层沉积物颜色或soc需要昂贵的芯样取样，导致水平分辨率低以及由插值引起的相关不确定性。
4、标准具效应是当光在两个平面之间反射时产生的效应，其中，这两个平面之间的距离很小，与入射光的波长相当。当光从一种折射率的介质(如玻璃
5、在光学领域，折射率匹配材料是一种物质，通常是液体、水泥(粘合剂)或凝胶，其折射率与另一物体(例如透镜、材料、光纤等)的折射率非常接近。折射率匹配材料可以与成对的配对光学元件结合使用，以减少在那些光学元件表面反射的信号。如果不使用折射率匹配材料，菲涅尔反射将发生在每对配对的光学元件之间的微小气隙处。
6、自1850年以来，主要由于耕种，土壤已经损失了约78gt的碳。这种土壤碳的损失代表了一大部分温室气体的排放，并导致全球农业土壤质量下降。采用免耕耕作等恢复碳的方法，可以在土壤中封存碳。碳封存有每年抵消4至12亿吨的化石燃料碳排放量，或全球化石燃料排放量的5％至15％的潜力。
7、在总量控制与交易制度下，农民和土地所有者采用碳封存技术将获得报酬，前提是他们的碳增量可以被测量、监测和验证。土壤碳核算至少存在两大障碍。其一，由于耕作方式的改变导致的碳增量非常小——十年内碳增量一般为10％。其二，碳含量在一块田地内变化很大，甚至在几米之内都有差异。土壤健康的关键是保持土壤的有机碳含量。碳信用市场激励增加土壤有机碳含量的做法，从而使由此产生的碳封存有助于稳定大气中二氧化碳水平。然而，如果没有准确且具有成本效益的方法来验证土壤有机碳储量，这样的市场是不可行的。
8、具有成本效益的土壤有机碳(soc)测量方法非常重要，因为自愿的碳信用市场正在迅速增长，奖励土壤碳封存的市场也在迅速增长。
9、然而，建立有效的碳信用市场的主要障碍是缺乏廉价且准确的soc储量测量方案。soc储量验证的不确定性压低了土壤碳信用额的价格，威胁着市场的可行性。
10、确定基线soc储量具有挑战性，因为即使在看似均匀的田地中，空间变异性也可能很高。soc的变化检测要求更高因为soc受农业实践的影响较小，因此相对于基线而言，多年来因管理引起的碳增量较小。要达到测量这种微小增长所需的精度，需要大量样本和精心的抽样设计。为了限制项目成本，许多方案只要求采样深度为15或30厘米。然而，在更深的地方可能存在大量的soc，因此有充分的理由测量至少100厘米深处的soc。
11、目前的测量、报告和验证(mrv)方案包含一系列用于估算soc储量的方法，包括直接和间接测量、建模估算及混合方法。在场地规模下，基于模型的方法通常具有不可接受的超过600％的不确定性。在田地规模下，使用现有的直接测量的方法需要3到5年的时间才能感知到变化，这会延迟信用额的支付。然而，任何奖励的信用额都必须基于对碳净封存的准确估算。
12、直接测量方法通常需要对土壤芯样进行场地采样和实验室分析，但考虑到要达到可接受的精度需要大量样本，人工成本和实验室费用使得该过程过于昂贵。对碳封存的验证应使用体积测量法(给定深度内单位面积的质量)，即soc储量，该方法源自对soc浓度(土壤的质量比)和体积密度(bd)的实验室测量，这两种测量是分开进行的。
技术实现思路
1、本专利技术描述了一种热稳定性、全光纤探头，该探头可以对土壤有机碳进行三维测绘。
2、全光纤探头可使系统的所有有源元件，包括光源和光谱仪，保持在地面之上。来自所述光源的光通过光纤传导至所述探头的远端，所述探头插入到地下以照亮原位的土壤。从土壤漫反射的部分光通过光纤从所述远端传导至位于地面之上的光谱仪。该全光纤设计意味着插入地下的探头的直径可以做得更小，将其插入地下所需的力更小，因此，与光源包含在探头中的竞争技术相比，实施该技术的设备更小、更轻。而竞争技术中探头具有较大的横截面，并且需要更大的插入力。本专利技术的一个方面，不使用非光纤探头和/或电缆。
3、所述探头的多个方面使其能够在各种环境条件下工作。在宽的工作温度范围内(例如，0℃至40℃)，光纤和金属探头的热膨胀差会对光路中的材料施加应力，从光照射到土壤的所述远端，直到光纤固定到探头管的任一点。穿过所述探头管的整个光路利用土壤状态、折射率匹配材料，其避免了气隙。如果光学材料上的应力过大，则光学材料可能会被拉开，留下气隙。气隙会导致标准具效应，这种现象会导致与波长相关的信号，从而掩盖所需的光谱信号。本专利技术采用浮动棱镜，所述浮动棱镜通过折射率匹配流体与相邻光学元件相连，其安装方式能适应不同的热膨胀，而不会对部件产生明显的应力。棱镜装有弹簧，以使其与相邻光学元件保持接触。
4、本专利技术可产生土壤中三维位置阵列的光谱数据。从每个光谱中可以确定土壤中该位置处的某些分析物的含量。土壤有机碳(soc)是一种特别值得关注的分析物，但根据应用情况，也可确定其他分析物。由光谱测定的每种分析物的结果都是土壤中该分析物浓度的三维地图。然后可以将所述三维地图整合到特定的地块上，从而得到该地块上该分析物的总量。此类数据的有用应用包括确地一个地块上的总soc，以便分配碳信用额。soc或某些农业营养物的三维地图可用于精准农业耕作，包括作物产量最大化、投入成本最小化以及耕作方法和作物轮作的优化。
5、无论采用何种方案或技术，都不可能确定一个场地真正绝对的soc储量，因为所有方案和技术都受到采样和测量误差的影响。因此，最好同时报告获得的平均值和不确定性测量值。误差和不确定性可能与以下情况有关：(1)单一样本(给定的样本中soc的测量)；本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种光谱仪探头，其特征在于，所述光谱仪探头包括：
2.一种光谱仪探头，其特征在于，所述光谱仪探头包括：
3.根据权利要求2所述的光谱仪探头，其特征在于，所述光谱仪探头还包括：
4.根据权利要求2或3所述的光谱仪探头，其特征在于，所述光谱仪探头还包括：探头样本窗口；以及
5.根据权利要求2-4所述的光谱仪探头，其特征在于，所述光谱仪探头还包括：
6.根据权利要求2-5所述的光谱仪探头，其特征在于，其中所述透明窗口和棱镜由蓝宝石制成。
7.根据权利要求2-6所述的光谱仪探头，其特征在于，其中所述镜子为凹面镜，其中所述凹面镜的凹面朝向所述光纤束的所述第二端，其中所述蓝宝石窗口与所述光纤束和所述外套筒基本平行。
8.根据权利要求2-7所述的光谱仪探头，其特征在于，其中所述蓝宝石棱镜与所述棱镜支撑件齐平。
9.根据权利要求2-8所述的光谱仪探头，其特征在于，其中所述折射率匹配弹性体为硅胶弹性体。
10.根据权利要求2-9所述的光谱仪探头，其特征在于，其中所述光纤束用环氧树脂粘合到
11.一种确定土壤中化学化合物的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述光谱仪探头还包括：具有第一端和第二端的反向喷溅挡板，其中所述反向散射挡板的所述第二端延伸超过所述光纤束的所述第二端。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述光谱仪探头还包括：探头样本窗口；以及
14.根据权利要求11-13所述的方法，其特征在于，所述光谱仪探头还包括：具有第一端和第二端的外套筒，其中所述外套筒围绕所述轴；连接到所述外套筒的所述第一端的端盖；以及
15.根据权利要求11-14所述的方法，其特征在于，其中所述透明窗口和棱镜由蓝宝石制成。
16.根据权利要求11-15所述的方法，其特征在于，其中所述镜子为凹面镜，其中所述凹面镜的凹面朝向所述光纤束的所述第二端，其中所述蓝宝石窗口与所述光纤束和所述外套筒基本平行。
17.根据权利要求11-16所述的方法，其特征在于，其中所述蓝宝石棱镜与所述棱镜支撑件齐平。
18.根据权利要求11-17所述的方法，其特征在于，其中所述折射率匹配弹性体为硅胶弹性体。
19.根据权利要求11-18所述的方法，其特征在于，其中所述光纤束用环氧树脂粘合到所述外套筒上。
20.根据权利要求11-19所述的方法，其特征在于，其中所述棱镜和棱镜支撑件周围不存在气隙，也不存在标准具效应。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种光谱仪探头，其特征在于，所述光谱仪探头包括：
2.一种光谱仪探头，其特征在于，所述光谱仪探头包括：
3.根据权利要求2所述的光谱仪探头，其特征在于，所述光谱仪探头还包括：
4.根据权利要求2或3所述的光谱仪探头，其特征在于，所述光谱仪探头还包括：探头样本窗口；以及
5.根据权利要求2-4所述的光谱仪探头，其特征在于，所述光谱仪探头还包括：
6.根据权利要求2-5所述的光谱仪探头，其特征在于，其中所述透明窗口和棱镜由蓝宝石制成。
7.根据权利要求2-6所述的光谱仪探头，其特征在于，其中所述镜子为凹面镜，其中所述凹面镜的凹面朝向所述光纤束的所述第二端，其中所述蓝宝石窗口与所述光纤束和所述外套筒基本平行。
8.根据权利要求2-7所述的光谱仪探头，其特征在于，其中所述蓝宝石棱镜与所述棱镜支撑件齐平。
9.根据权利要求2-8所述的光谱仪探头，其特征在于，其中所述折射率匹配弹性体为硅胶弹性体。
10.根据权利要求2-9所述的光谱仪探头，其特征在于，其中所述光纤束用环氧树脂粘合到所述外套筒上，其中不存在气隙，也不存在标准具效应。
11.一种确定土壤中化学化合物的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
12.根据权利要求11所...
【专利技术属性】
技术研发人员：L·萨雷斯，D·佩里，L·巴雷特，
申请(专利权)人：S四移动实验室有限公司，
类型：发明
国别省市：
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