面向土壤含量檢測的近紅外光譜儀分析與設計

辛琦，安巖 ，董科研 ，李欣航，許燚赟

（1.長春理工大學 空間光電技術研究所，長春 130022；2.長春理工大學 光電工程學院，長春130022）

近年來，近紅外光譜技術（NIRS）是發展較為迅速的分析方法，在指導農業施肥、土地監測、土壤普查及“精準農業”等方面具有巨大的優勢和發展潛力，前景十分廣闊[1]。利用近紅外光譜技術在對土壤中的水、有機質、氮素、P、Ca、Zn等含量的預測中有著較好結果。目前，針對土壤含量檢測方面的檢測儀器較多采用了國外產品，其核心器件是光譜儀，而在該領域方面的自主設計型光譜儀尚未見成熟規模化產品。

基于近紅外土壤的檢測應用，提出了一種雙波段覆蓋探測的系統方案，即將探測波段范圍分為第一近紅外區（900～1700nm）和第二近紅外區（1700～2500nm），通過兩個光譜儀的疊加探測組成近紅外光譜系統。具體設計過程中，考慮復合型消像散思想，完成Czerny-Turner（C-T）光譜儀的結構分析，實現寬波段范圍的像散校正，并利用Zemax軟件完成寬波段C-T結構的光學設計，設計結果表明，兩個近紅外波段范圍的像質良好，可以有效勝任土壤含量檢測工作。

1 土壤類檢測技術現狀

土壤含量檢測主要圍繞水、有機質、氮和無機元素（P、Ca、Mg、K）等成分含量進行檢測。近些年來，針對土壤檢測方面國內相關單位做了大量工作研究，中國農業大學的李民贊課題組對北方潮土中的水分、有機質和全氮含量進行了分析建模，使用儀器為美國Thermo Nicolet公司生產的Antaris型產品，該儀器采用干涉原理，波段范圍833～2630nm，光譜分辨率4cm-1[2]；華東交通大學的劉燕德課題組，針對贛南臍橙園土壤中的全磷和全鉀進行了光譜檢測，采用不同建模方法測定土壤中的有機質和速效磷含量，使用儀器為美國ASD公司的FieldSpec光譜儀，該儀器采用多個不同波段光譜儀分光譜探測的形式，即可見光光譜波段（300～1100nm）、典型第一近紅外區域（1000～1800nm），典型第二近紅外區域（1800～2500nm）[3，4]；暨南大學對土壤有機質進行了采樣分析，所使用的儀器為丹麥FOSS公司的XDS Rapid Content型光柵型近紅外光譜儀，該儀器光譜范圍為400～2500nm；波長間隔為2nm；分辨率為10nm；在400～1100nm之間為Si探測器，1100～2498nm之間為PbS光敏電阻型探測器[5，6]。

2 復合校正下的光譜儀設計

近紅外光譜儀的測量原理是對待測樣品的反射和散射光進行收集，得到的檢測譜線與對應的近紅外光譜數據庫進行對比，預測其含量、成分等信息，從而得到合理的標準評價結果[7，8]。該類型光譜儀的主要工作原理如下：光源發出的光束經過準直部件成為平行光射向色散部件，色散部件主要是將入射的復色光分解為光譜，在光柵型光譜儀中是由光柵進行分光，不同波長的光在同一入射角條件下投射到光柵上，經衍射后其衍射主級大的方向不同，聚焦部件將空間中色散開的各波長的光束會聚在成像在探測器上，形成一系列按波長排列的單色連續光譜。

基于前文所述，所提出的設計方案基于雙波段覆蓋的方式實現土壤含量檢測，即在對近紅外區域相關的光學研究基礎上，通過疊加第一近紅外區域NIR1（900～1700nm）和第二近紅外區域 NIR2（1700～2500nm），完成相關的理論設計，每一個近紅外區域對應一個光譜儀結構。在具體光學設計過程中，由于每個近紅外區域所對應的光譜范圍均是較寬范圍的波段，對于光譜儀有能量和分辨率要求的系統，單一手段校正像差的能力有限，采用了復合消像散型C-T結構技術[9-13]，即將一階消像散條件與柱鏡相結合的方法，光路如圖1所示。

圖1 C-T光譜儀結構示意圖

以零階和一階消像散條件為基礎，設計C-T光譜儀的初始結構。零階消像散條件可以矯正中心波長，ST為子午像面距離，SS為弧矢像面距離，即單波長消像散條件為ST=SS，如公式所示。

根據零階消像散條件，得出滿足該條件下的入射狹縫到準直物鏡距離值S為：

從公式（2）可以看出，調整S可以找到滿足單波長消像散的條件。

一階消像散條件可以矯正臨近中心波長一定波段的像散，通過調整光學元件之間的距離和角度參數，使得光學系統的像散變化與衍射角度無關，即要求子午焦距ST和弧矢焦距SS分別隨衍射角β的變化關系相等，如下：

基于上述公式，通過圖2中的C-T幾何結構關系以及矢量運算，可以求得像面色散和一階條件下的像面傾角變化率公式，即

在一階消像散結構達到最優的情況下，寬波段下的剩余像散Sremain仍會存在，在此引入柱鏡，利用柱鏡的像差Scylinder補償結構剩余的像差Sremain，如下式所示，

通過光譜儀色散公式和圖1中的幾何矢量關系運算，在已知柱鏡折射率、厚度等參數情況下，可以求得柱鏡位置和引入柱鏡后的像面傾角。

利用以上方法，可以在寬波段范圍下實現一階消像散條件和柱鏡校正方法的復合，以達到整個波段像散抑制的目的。對于給定波段范圍，C-T結構的基本參數如表1所示。

根據初始的基本參數，利用Matlab理論計算出的合理結構參數，導入光學設計軟件Zemax中進行光線追跡和設計優化。圖2給出了優化后的雙波段（900～1700nm和1700～2500nm）C-T結構光路圖。

表1 復合消像散C-T結構基本參數

圖2 雙波段C-T結構光路圖

3 結果分析

設計優化后的光學系統像質情況，如圖3所示，在900～2500nm范圍內間隔5nm采樣，雙波段范圍下的RMS值均小于24μm，可以看出，每種波段范圍下的復合型C-T結構均達到了良好的校正效果。

圖3 雙波段RMS隨波長變化曲線

光譜分辨率是在像面處能夠分辨開時對應的最小波段差，從光學系統角度出發兩結構的光譜分辨率均可以達到2nm，如圖4所示，給出了6種波長下的足跡分辨率圖。

圖4 900～2500nm波段足跡分辨率圖

優化后的光學系統傳遞函數（MTF）也達到良好的效果，以探測最小像元尺寸50μm為參考，MTF的截止頻率為10lp/mm，如圖5，給出了6個典型波長下的MTF曲線，其值均達到0.6。表明系統在校正像散的同時，像質表現良好，可以擴展應用于成像類光譜儀系統。

4 結論

應用近紅外技術對土壤中水、有機質、無機質等含量的檢測，是未來土壤檢測含量的趨勢。在該領域內，國內主要研究機構在檢測過程中采用國外儀器較多，國內產品在應用方面仍有一定差距。所提出的應用于土壤含量檢測的近紅外光譜儀系統，采用復合校正方法設計了近紅外Czerny-Turner結構光譜儀，雙波段覆蓋區域達到900～2500nm、全視場全波段的點列圖小于24μm，10lp/mm下的MTF值達到0.7。所設計的光譜儀光學系統可以滿足土壤含量檢測方面的實用需求，后續進一步研發整機產品提供了光學技術基礎。