利用激光光谱技术测量稻田多点位温室气体排放量的装置

1.本发明属于气体传感领域，具体涉及一种利用激光光谱技术测量稻田多点位温室气体排放量的装置。


背景技术：

2.根据政府间气候变化专门委员会（ipcc）第五次报告，在1951
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2012年间，每10年全球地表温度上升0.12度。温室气体排放是气候变化的主要原因，而农业生产活动的温室气体排放占全球温室气体排放总量的20%
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35%，排放总量仅次于能源，居第二。在农作物中，水稻成为排放ch4和n2o的典型作物代表，而中国水稻产量约占世界水稻产量的28.6%，中国稻田排放的甲烷气体约占世界总量的29%，水稻种植过程中产生的甲烷气体约占大气中甲烷的10%
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20%。在温室气体中，n2o是对增温潜势贡献最大的气体，农业活动排放的n2o可达到排放总量的90%。因此，建立田间检测网络，实时监测稻田温室气体排放量是目前刻不容缓的一项工作。水稻种植过程中水分管理的多样性（持续淹水、淹水－烤田－淹水、淹水－烤田－湿润灌概和早直播等），增加了稻田温室气体排放总量估算的复杂性和不确定性。针对稻田温室气体排放量的估算方法中，实测法是通过直接测量气体浓度等来估算气体排放量。在现有研究中，大多数研究者采用的是气相色谱法来检测稻田排放的温室气体浓度，但气相色谱法价格昂贵，而且通常不是在稻田原位。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种利用激光光谱技术测量稻田多点位温室气体排放量的装置，实现更高性价比的实时原位监测稻田多点位温室气体排放情况，对农业具有重要作用，应用前景十分广泛。
4.一种利用激光光谱技术测量稻田多点位温室气体排放量的装置，包括信号采集模块和信号解调模块；信号采集模块包括气体环境探测单元和传输探测光纤；气体环境探测单元包括探测气室光开关、探测气室阵列；探测气室内设开放式多通池；信号解调模块包括气体监测光源光开关、气体监测光源子模块、气体监测解调子模块；所述的探测气室阵列中，探测气室采用封闭式自动采样箱。
5.所述的封闭式自动采样箱包括环形槽底座和箱体两部分，箱体设有可定时开关气门和传输光纤小孔。
6.所述的开放式多通池包括两面高反射率的镜子。
7.所述稻田温室气体包括如下一种或者多种：ch4、n2o、co2。
8.所述的信号解调模块中进一步设有振动信号解调部分和一个信号解调光开关。
9.所述的装置，为了提高精度，探测气室阵列中部分探测气室内设有长程多通池，或利用灵敏度更高的光声吸收光谱技术或腔增强吸收光谱技术。
10.本发明的有益效果本发明相比于传统的气相色谱法，能够实现更高性价比的实时原位监测稻田多点
位温室气体排放情况。
附图说明
11.图1为利用激光光谱技术测量稻田多点位温室气体排放量的装置的一种结构示意图；图中，1为气体环境探测单元，2为传输探测光纤、3为信号解调模块、4为气体监测光源光开关、5为探测气室光开关、6为气体监测光源子模块、7为气体监测解调子模块、8为探测气室阵列、9为多通池。
12.图2为封闭式自动采样箱的结构示意图；图中，10为环形槽底座；11为箱体；12为可定时开关气门；13为传输光纤小孔。
具体实施方式
13.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
14.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
15.实施例1如图1所示，利用激光光谱技术测量稻田多点位温室气体排放量的装置包括信号采集模块和信号解调模块3。
16.信号采集模块包括气体环境探测单元1和传输探测光纤2。气体环境探测单元1包括探测气室光开关5、探测气室阵列8。探测气室阵列8由多个封闭式自动采样箱s1、s2
…
sn组成。探测气室内设有多通池9。
17.信号解调模块3包括气体监测光源光开关4、气体监测光源子模块6、气体监测解调子模块7。
18.在本实施例中，信号采集模块包括气体环境探测单元1和传输探测光纤2，传输探测光纤2既作为气体环境探测单元1的信号传输介质，又作为封闭式自动采样箱的指令接收介质，从而控制采样箱的气门定时开关。信号采集模块采集的气体信号经传输探测光纤2传递到信号解调模块3，信号解调模块3可以分析气体信号，从而实现对该区域气体信息实时监测。本领域技术人员知道，本文所述的传输探测光纤2可以采用一根光纤进出，也可以采用多根不同的光纤进出。
19.在本实施例中，所述气体监测光源子模块6发出的光信号经过所述传输探测光纤2，通过探测气室光开关5的选择可以传递到特定的探测气室并由气室内部多通池9来回反射后由传输探测光纤2，返回到信号解调模块3，并由所述气体监测信号处理子模块7处理所述光信号并解调出气体浓度信息。
20.在本实施例中，气体监测光源子模块6可包括多个不同波长的光源（l1、l2
…
）。信号解调模块3工作时，气体监测光源光开关4可根据待测气体成分控制气体监测光源子模块6进行波长切换以实现多种气体监测。探测气室光开关5控制探测气室阵列8中的特定气室，使其通光工作，同时信号解调模块3可以解调出该气室处的气体浓度。
21.在本实施例中，首先在稻田合适位置选取多个点位，布设封闭式自动采样箱，为对稻田排放的温室气体进行采样工作做前期准备。在采样箱内布设开放式多通池，利用光纤将所有点位的封闭式自动采样箱连接到一台集成化控制设备，通过长距离光纤实现不同位置的多种气体浓度分布，获取分布式实时监测信息。
22.在本实施例中，在图2所示的封闭式自动采样箱中布设开放式多通池后，就组成了图1中的探测气室sn；在稻田中选取多个合适点位布设封闭式自动采样箱和开放式多通池，就组成了图1中的探测气室阵列8。开放式多通池由两面高反射率的镜子组成，光信号在两面反射镜中来回反射可以增加气体与光相互作用长度。封闭式自动采样箱包含环形槽底座10、箱体11、可定时开关气门12和传输光纤小孔13。工作时，先在环形槽底座10的凹槽中注入水，将箱体11扣入槽内；然后通过计算机对封闭式自动采样箱发送指令，使其可定时开关气门12在指定时间段关闭，采样箱开始对气体样本进行采集；经多通池获取气体吸收信号后，光纤通过传输光纤小孔13将信号传输出去，此时可定时开关气门12再打开，将采样箱内的气体释放出去，等待下一次采集。
23.对于本领域技术人员来说，封闭式自动采样箱的环形槽底座底部锋利，便于插入土壤；底座凹槽可注水，使箱体扣入槽内后内、外大气隔绝，达到底部密封效果，这样土壤中释放的气体被采集到封闭式自动采样箱。而采样收集的具体时间可以根据需要被控制。
24.在本实施例中，对于稻田区域的气体环境监测可采用可调谐半导体激光吸收光谱技术（tdlas）。可调谐二极管激光器在注入电流的快速驱动下，出射波长快速变化的窄带激光。随着注入电流的周期性变化，出射激光波长也在一个窄的范围周期变化，将激光出射波长调到气体分子的特征吸收谱线范围，可以得到完整的吸收谱线。利用吸收谱线吸收线形、线宽及强度等参数便可推算出被测气体的性质或浓度信息。tdlas解调部分解调算法可选用波长调制光谱技术，调制光谱技术是在光谱直接吸收检测的基础上，叠加高频信号进行激光调制，对特定频率利用锁相放大器进行解调以提取气体吸收信息。
25.在本实施例中，传输探测光纤2可以采用一根光纤进出（稳定性差些，但可以节约光纤），也可以采用2根不同的光纤进与出。
26.在本实施例中，为了提高检测精度，可以在所有点位中选取几个具有典型代表意义的定点，将封闭式自动采样箱中的多通池替换为光程更长的长程多通池，或利用灵敏度更高的光声吸收光谱技术或腔增强吸收光谱技术对这几个定点的气体浓度信息做进一步检测和矫正。
27.在本实施例中，为了避免装置被盗窃或移动等干扰影响正常功能，可以在信号解调模块3中添加振动信号解调部分，并添加一个信号解调光开关。信号解调光开关可以切换气体信号解调部分和振动信号解调部分。振动信号解调部分包括振动监测光源子模块和振动监测信号处理子模块。振动监测光源子模块发出的光经过传输探测光纤2携带振动信号返回并传递至振动监测信号处理子模块，可以实时监测是否有人挪动装置。
28.上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。