面向土壤含量检测的近红外光谱仪分析与设计

辛琦，安岩 ，董科研 ，李欣航，许燚赟

（1.长春理工大学 空间光电技术研究所，长春 130022；2.长春理工大学 光电工程学院，长春130022）

近年来，近红外光谱技术（NIRS）是发展较为迅速的分析方法，在指导农业施肥、土地监测、土壤普查及“精准农业”等方面具有巨大的优势和发展潜力，前景十分广阔[1]。利用近红外光谱技术在对土壤中的水、有机质、氮素、P、Ca、Zn等含量的预测中有着较好结果。目前，针对土壤含量检测方面的检测仪器较多采用了国外产品，其核心器件是光谱仪，而在该领域方面的自主设计型光谱仪尚未见成熟规模化产品。

基于近红外土壤的检测应用，提出了一种双波段覆盖探测的系统方案，即将探测波段范围分为第一近红外区（900～1700nm）和第二近红外区（1700～2500nm），通过两个光谱仪的叠加探测组成近红外光谱系统。具体设计过程中，考虑复合型消像散思想，完成Czerny-Turner（C-T）光谱仪的结构分析，实现宽波段范围的像散校正，并利用Zemax软件完成宽波段C-T结构的光学设计，设计结果表明，两个近红外波段范围的像质良好，可以有效胜任土壤含量检测工作。

1 土壤类检测技术现状

土壤含量检测主要围绕水、有机质、氮和无机元素（P、Ca、Mg、K）等成分含量进行检测。近些年来，针对土壤检测方面国内相关单位做了大量工作研究，中国农业大学的李民赞课题组对北方潮土中的水分、有机质和全氮含量进行了分析建模，使用仪器为美国Thermo Nicolet公司生产的Antaris型产品，该仪器采用干涉原理，波段范围833～2630nm，光谱分辨率4cm-1[2]；华东交通大学的刘燕德课题组，针对赣南脐橙园土壤中的全磷和全钾进行了光谱检测，采用不同建模方法测定土壤中的有机质和速效磷含量，使用仪器为美国ASD公司的FieldSpec光谱仪，该仪器采用多个不同波段光谱仪分光谱探测的形式，即可见光光谱波段（300～1100nm）、典型第一近红外区域（1000～1800nm），典型第二近红外区域（1800～2500nm）[3，4]；暨南大学对土壤有机质进行了采样分析，所使用的仪器为丹麦FOSS公司的XDS Rapid Content型光栅型近红外光谱仪，该仪器光谱范围为400～2500nm；波长间隔为2nm；分辨率为10nm；在400～1100nm之间为Si探测器，1100～2498nm之间为PbS光敏电阻型探测器[5，6]。

2 复合校正下的光谱仪设计

近红外光谱仪的测量原理是对待测样品的反射和散射光进行收集，得到的检测谱线与对应的近红外光谱数据库进行对比，预测其含量、成分等信息，从而得到合理的标准评价结果[7，8]。该类型光谱仪的主要工作原理如下：光源发出的光束经过准直部件成为平行光射向色散部件，色散部件主要是将入射的复色光分解为光谱，在光栅型光谱仪中是由光栅进行分光，不同波长的光在同一入射角条件下投射到光栅上，经衍射后其衍射主级大的方向不同，聚焦部件将空间中色散开的各波长的光束会聚在成像在探测器上，形成一系列按波长排列的单色连续光谱。

基于前文所述，所提出的设计方案基于双波段覆盖的方式实现土壤含量检测，即在对近红外区域相关的光学研究基础上，通过叠加第一近红外区域NIR1（900～1700nm）和第二近红外区域 NIR2（1700～2500nm），完成相关的理论设计，每一个近红外区域对应一个光谱仪结构。在具体光学设计过程中，由于每个近红外区域所对应的光谱范围均是较宽范围的波段，对于光谱仪有能量和分辨率要求的系统，单一手段校正像差的能力有限，采用了复合消像散型C-T结构技术[9-13]，即将一阶消像散条件与柱镜相结合的方法，光路如图1所示。

图1 C-T光谱仪结构示意图

以零阶和一阶消像散条件为基础，设计C-T光谱仪的初始结构。零阶消像散条件可以矫正中心波长，ST为子午像面距离，SS为弧矢像面距离，即单波长消像散条件为ST=SS，如公式所示。

根据零阶消像散条件，得出满足该条件下的入射狭缝到准直物镜距离值S为：

从公式（2）可以看出，调整S可以找到满足单波长消像散的条件。

一阶消像散条件可以矫正临近中心波长一定波段的像散，通过调整光学元件之间的距离和角度参数，使得光学系统的像散变化与衍射角度无关，即要求子午焦距ST和弧矢焦距SS分别随衍射角β的变化关系相等，如下：

基于上述公式，通过图2中的C-T几何结构关系以及矢量运算，可以求得像面色散和一阶条件下的像面倾角变化率公式，即

在一阶消像散结构达到最优的情况下，宽波段下的剩余像散Sremain仍会存在，在此引入柱镜，利用柱镜的像差Scylinder补偿结构剩余的像差Sremain，如下式所示，

通过光谱仪色散公式和图1中的几何矢量关系运算，在已知柱镜折射率、厚度等参数情况下，可以求得柱镜位置和引入柱镜后的像面倾角。

利用以上方法，可以在宽波段范围下实现一阶消像散条件和柱镜校正方法的复合，以达到整个波段像散抑制的目的。对于给定波段范围，C-T结构的基本参数如表1所示。

根据初始的基本参数，利用Matlab理论计算出的合理结构参数，导入光学设计软件Zemax中进行光线追迹和设计优化。图2给出了优化后的双波段（900～1700nm和1700～2500nm）C-T结构光路图。

表1 复合消像散C-T结构基本参数

图2 双波段C-T结构光路图

3 结果分析

设计优化后的光学系统像质情况，如图3所示，在900～2500nm范围内间隔5nm采样，双波段范围下的RMS值均小于24μm，可以看出，每种波段范围下的复合型C-T结构均达到了良好的校正效果。

图3 双波段RMS随波长变化曲线

光谱分辨率是在像面处能够分辨开时对应的最小波段差，从光学系统角度出发两结构的光谱分辨率均可以达到2nm，如图4所示，给出了6种波长下的足迹分辨率图。

图4 900～2500nm波段足迹分辨率图

优化后的光学系统传递函数（MTF）也达到良好的效果，以探测最小像元尺寸50μm为参考，MTF的截止频率为10lp/mm，如图5，给出了6个典型波长下的MTF曲线，其值均达到0.6。表明系统在校正像散的同时，像质表现良好，可以扩展应用于成像类光谱仪系统。

4 结论

应用近红外技术对土壤中水、有机质、无机质等含量的检测，是未来土壤检测含量的趋势。在该领域内，国内主要研究机构在检测过程中采用国外仪器较多，国内产品在应用方面仍有一定差距。所提出的应用于土壤含量检测的近红外光谱仪系统，采用复合校正方法设计了近红外Czerny-Turner结构光谱仪，双波段覆盖区域达到900～2500nm、全视场全波段的点列图小于24μm，10lp/mm下的MTF值达到0.7。所设计的光谱仪光学系统可以满足土壤含量检测方面的实用需求，后续进一步研发整机产品提供了光学技术基础。