具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本申请实施例提供的一种土壤碳通量测量系统，如图1所示，一种土壤碳通量测量系统，包括：碳通量池1、测量信号提供和收集系统2、及测量结果处理系统3。

所述碳通量池，用于收集设定区域土壤的碳元素相关气体，并在不同高度梯度空间进行所述设定区域土壤的碳元素相关气体分布测量；所述测量信号提供和收集系统，用于给所述不同高度梯度空间提供测量信号，并收集所述不同高度梯度空间的测量结果信号；测量结果处理系统，用于对测量结果信号进行处理，获得所述不同高度梯度空间对应的碳元素相关气体浓度分布情况，并根据所述不同高度梯度空间对应的碳元素相关气体浓度分布情况获得土壤碳通量的测量结果。

本实施例通过设置碳通量池、测量信号提供和收集系统、及测量结果处理系统可以获得不同高度梯度空间对应的碳浓度分布情况，并可以根据所述不同高度梯度空间对应的碳浓度分布情况获得土壤碳通量的测量结果，保证了土壤碳通量测量的精细化和有效性。

作为本申请的具体实施，上述碳通量池需要在不同高度梯度空间均具有测量装置，测量装置可以为信号传感器测量装置，或者是基于测量信号的测量路径的测量装置，示例性的，测量信号为电信号或光信号，作为本申请实施例的一种具体实施方式，所述测量信号为光信号；所述碳通量池包括：设置在不同高度梯度空间的多个光学反射腔体，各所述光学反射腔体分别用于提供一位于水平面内的光信号测量路径；各所述光学反射腔体在高度方向上连通。

通过能够提供光信号的测量路径的光学反射腔体作为碳通量池，且各所述光学反射腔体在高度方向上连通，可以实现基于光学测量的碳通量池的不同高度梯度空间的土壤碳通量(即土壤相关的碳元素相关气体)测量，不会对土壤所在生态环境系统造成破坏，能够在不干扰土壤的田间的自然环境条件下真实地反映了田间实际温室气体即碳通量的排放情况。

作为本申请的一种实施方式，沿所述不同高度梯度空间的高度升高方向，各所述光学反射腔体提供的光学路径依次增加，所述光学反射腔体用于提供光信号的测量路径；光学路径的增加有利于提高检测的精度，随着不同高度梯度空间的高度升高方向，土壤相关的碳元素相关气体，示例性的如土壤呼出的二氧化碳气体，的扩散稀释度方向和水平方向均有发生，离土壤表面的越远的高度方向，土壤的扩散稀释效果越强，可以通过有规律的设置光学路径，示例性的光学路径依次增加，来保证离土壤表面的较远的高度梯度空间的二氧化碳含量仍能被准确测量，后续可以基于量路径做参数修正，保证测量结果的准确性和有效性。

作为本申请的一种实施方式，沿所述不同高度梯度空间的高度升高，各所述光学反射腔体的长度依次缩短，各所述光学反射腔体反射光信号的反射次数依次增加。

图2-1提供一种光学信号在光学反射腔体内反射提供测量路径的示意图，其中11是组成光学反射腔体的第一反射镜的示例，12是组成光学反射腔体的第二反射镜的示例，111是入射光入口，121是出射光出口；需要说明的是：第一反射镜和第二反射镜的形状并不局限于图示的平面形状，还可以是对应球面的弧形等，不同形状的反射镜组成的光学反射腔体的能够提供的光学反射路径不一样，本实施例并不作详细图示，其中：入射光入口和出射光出口之间的光学路径为光信号测量路径，考虑到光学路径取决于光学反射腔体的长度和光信号在预设长度的光学反射腔体的反射次数的乘积。在基于碳通量池的碳通量测量过程中，光学反射腔体的预设长度决定了测量区域，本申请通过沿所述不同高度梯度空间的高度升高，各所述光学反射腔体的长度依次缩短来限缩测量区域，同时，各所述光学反射腔体反射光信号的反射次数依次增加来保证针对限缩测量区域的高精度测量。作为本申请的一种实施方式，图3为本实施例提供的设置多个光学反射腔体的结构的示意图，如图3所示，所述碳通量池还包括设置各所述光学反射腔体的支架2；各所述光学反射腔体的第一反射镜11和第二反射镜12在所述支架2上可移动设置。示例性的，各所述光学反射腔体在所述支架2上可上下或/和左右移动设置。通过可移动设置各所述光学反射腔体的支架，能够满足不同高度梯度空间的各光学反射腔体的灵活和集成安装。

作为本实例的一种优选方式，如图2-2所示，图2-2提供一种光学信号在光学反射腔体内反射提供测量路径的示意图，其中光学反射腔体可以包括相对设置的两个反射器阵列，21是组成光学反射腔体的反射器阵列的示例，每一反射器陈列21相当一反射镜(即第一反射镜11和第二反射镜12)，反射器阵列为信号反射器211组成的阵列，可以通过设置每一反射器阵列种的信号反射器的反射角度，实现相对设置的两个反射器阵列之间的光学路径长度和范围的调整，相对直接设置第一反射镜和第二反射镜组成光学反射腔体，相对设置的两个反射器阵列组成的学反射腔体能够实现对设定区域土壤的全面监测，且光学路径的长度调节更加灵活。图4为本申请一实施例提供的土壤碳通量测量系统结构示意图，作为本申请的一种具体实施方式，请参阅图4所示，所述测量信号提供和收集系统2包括：激光器21、控制器22、信号收集装置23；

所述激光器21，用于向所述不同高度梯度空间的光学反射腔体提供激光作为光测量信号；所述控制器22，用于控制所述激光器产生所述激光；所述信号收集装置23，用于收集所述不同高度梯度空间的所述光学反射腔体输出的激光。

具体的，激光器21可以为可调谐半导体激光器，激光器21可以为多个，多个激光器分别向不同高度梯度空间的光学反射腔体提供测量信号；激光器21也可以为一个，一个激光器输出的一束激光通过光功率等分装置24分束为用于所述不同高度梯度空间的多束激光。本实施例可选的是所述测量信号提供和收集系统还包括：光功率等分装置24；所述光功率等分装置24，用于将所述激光器输出的一束激光分束为用于所述不同高度梯度空间的多束激光，进而一方面实现基于光信号测量系统的集成化，另一方面保证各光学反射腔体接收到的测量信号的统一性，以保证测量结果的准确性。需要说明的是，图4所示的从光功率等分装置24到碳通量池1到信号收集装置23的多条线条仅为示例存在多个光学测量路径，并不代表真实的光学路径，请知悉。

控制器22为控制激光器21产生所述激光的控制模块的总称，示例性的，请参与图5所示，图5为本申请再一实施例提供的土壤碳通量测量系统结构示意图，所述控制器22包括波长发生控制器221、温度控制器222、补偿控制模块223。

其中：所述温度控制器221，用于控制所述激光器的工作介质的工作温度；所述波长发生控制器222，用于控制所述激光器提供激光的波长；所述补偿控制模块223，用于根据激光器的波长随工作介质温度的漂移情况，通过对所述激光器工作介质的温度补偿和锁定所述波长发生控制器控制所述激光器提供激光的波长为特定波长和特定功率。

通过设置包括波长发生控制器221、温度控制器222、补偿控制模块223的控制器22实现了基于温度补偿控制和波长锁定的激光器输出激光的波长和频率的精确控制，进而保证了测量结果的准确性。

图6为本申请再一实施例提供的土壤碳通量测量系统结构示意图，请参阅图6所示，波长发生控制器222包括：信号发生器2221、加法器2222和控制模块2223。其中：信号发生器2221，用于提供所述激光器需要的扫描信号和波长调制信号加法器2222，用于叠加扫描信号和波长调制信号，获得数字波长控制信号；控制模块2223，用于根据所述数字波长控制信号控制所述激光器输出激光的波长。

以上实施例提供了一种基于信号发生器、加法器、控制模块、温度控制器、和补偿控制模块工作的激光器，该激光器用于碳通量测量时，可以保证测量所需要的光信号的波长和功率，进而保证测量结果的准确性。

在具体的，信号收集装置23可以为光信号探测装置，示例性的，光信号探测装置可以为设置在光学反射腔体出射光出口处的探头。

请继续参阅图4所示，本实施例提供的土壤碳通量测量系统，所述测量结果处理系统3包括：第一信号处理装置31和第二信号处理装置32；

在同一地理环境下，其土壤包含相同的植物根系、食碎屑动物、真菌等微生物，而在同一植物根系的区域中其包含的微生物的数量是稳定的，所以当在对土壤无损的情况下测量的某一区域的碳元素气体变化，可以代替同一植物根系整个区域的碳元素气体变化。由于箱体四周的密封性，控制了所测区域的近地面气体的对流性，使得气体向垂直方向扩散。从而得到不同高度梯度的碳元素相关气体分布情况。

所述第一信号处理装置31，用于对所述测量结果信号进行处理，获得不同高度梯度空间对应的碳元素相关气体的分布情况，所述分布情况包括每个高度梯度空间的碳元素相关气体浓度随温度、测量时间的变化关系；所述第二信号处理装置32，用于根据不同高度梯度空间对应的碳元素相关气体浓度分布情况获得土壤碳通量的测量结果。

具体的，所述第一信号处理装置31和所述第二信号处理装置32可以为硬件设置，也可以为基于硬件架构的软件程序设置，示例性的，基于FPGA数据处理架构的数据处理算法。

为保证对测量结果信号进行处理的准确性，作为本申请的一实施例，本申请第一信号处理装置31对所述测量结果信号进行处理，获得不同高度梯度空间对应的碳通量的分布情况包括：对测量结果信号进行去噪处理获得准确信号以及对准确信号进行解析处理获得碳元素相关气体浓度，所以第一信号处理装置31可包括第一处理装置和第二处理装置。

其中，第一处理装置，被配置为对测量结果信号进行去噪处理获得准确信号；第二处理装置被配置为对准确信号进行解析处理获得碳元素相关气体浓度。

对应的，本申请的第一处理装置内设置了一种对测量结果信号进行去噪处理的方法，具体包括以下步骤：

步骤S1，对测量结果信号进行奇异值分解去噪，获得初步降噪处理的第一信号；

具体的，奇异值降噪原理为对于一个含噪信号a(n)，可以描述为不含噪信号b(n)与噪声信号c(n)，如下公式所示：

a(n)＝b(n)+c(n)；n＝1,2,...,N

该含噪信号可以构造成一个e*k维的Hankel矩阵A_a：

其中，1<k<N，N为A(n)中元素个数，且e+k＝N+1。

对于矩阵A_a∈R^e*k，存在e*m维的正交矩阵U与k*m维的正交矩阵V，使得A_a可进行奇异值分解，使得A_a＝UΣV^T，中Σ为m*m的非负对角矩阵，且Σ可表示为：

其中，P＝diag(σ1，σ2,…,σk)，其中σ1≥σ2≥…≥σk…>0。σ1，σ2,…,σk为矩阵A_a的奇异值。

对于Hankel矩阵A_a，其奇异值分解可表示为：

等价于

A_a＝U_xΣ_xV_x ^T+U_hΣ_hV_h ^T

其中，Σ_x和Σ_h分别为由信号和噪声产生的奇异值对角矩阵，通过相邻两奇异值间的商按照设置的阈值可完成含噪信号中有效部分与噪声部分分割，以实现含噪声信号的滤波效果，并获得初步降噪处理的第一信号。

步骤S2，对所述第一信号进行经验模式分解获得所述第一信号包括的多个线性稳态信号，并确定其中一个所述线性稳态信号作为待处理信号；

具体的，经验模式分解技术是将任意信号(尤其是非平稳非线性时间序列信号)分解为线性稳态信号(IMF)；核心是把任一个自由的信号分解成为若干个固有模态函数(IntrinsicModeFunction，IMF)和一个残余分量，每一个IMF代表了原信号不同频率段的振荡变化，反映信号的局部特征，而最后的残余分量则反映信号中的缓慢变化量。

可以选择反映信号局部特征最多的一个IMF与残余分量的重构信号作为待处理信号。需要说明的是，待处理信号仍为含噪声信号。

步骤S3，对所述待处理信号进行平滑处理，获得准确信号。

具体的，可以采用SG滤波算法对所述待处理信号进行平滑处理，获得准确信号。

作为本实施例的一种可选方式，考虑到SG滤波算法存在的滤波效果受限的不足，可以采用粒子群算法优化SG滤波算法的滤波窗口大小和滤波阶数。

基于以上介绍，本申请的再一实施例提供了一种第一处理装置，所述第一处理装置包括：

第一子处理装置，被配置为对测量结果信号进行奇异值分解去噪，获得初步降噪处理的第一信号；

第二子处理装置，被配置为对所述第一信号进行经验模式分解获得所述第一信号包括的多个线性稳态信号，并确定其中一个所述线性稳态信号作为待处理信号；

第三子处理装置，被配置为对于所述待处理信号进行平滑处理，获得准确信号。

其中，作为本实施例的一种可选方式，第三子处理装置，具体被配置为采用SG滤波算法对所述待处理信号进行平滑处理，获得准确信号，其中：SG滤波算法是采用粒子群算法优化优化滤波窗口大小和滤波阶数的SG滤波算法。

其中，第二处理装置，被配置为对准确信号进行解析处理获得碳通量，对应的，本申请的第二处理装置内设置了一种对准确信号进行解析处理获得碳通量的方法，该方法本领域技术人员可以参考可调谐激光光谱吸收技术中的光谱信号解析反演获得对应信号浓度的过程，示例性的，可以参考中国专利201810608900.2，名称《基于激光吸收光谱技术的种子活力高效测量系统》说明书的0075到0092段，在此并不展开详细介绍。

所述第二信号处理装置32，用于根据不同高度梯度空间对应的碳元素相关气体分布情况获得土壤碳通量的测量结果。

具体的，图7为本申请再一实施例提供的土壤碳通量测量系统结构示意图，请参阅图7所示，所述第二信号处理装置32包括：

第一确定装置321，用于根据气体各梯度空间的高度和气体扩散速度确定不同高度梯度空间对应的碳元素相关气体浓度随相对时间的第一变化关系，其中：所述相对时间有所述梯度空间的不同高度距离和所述气体扩散速度决定的时间和所述测量时间差值绝对值确定；

具体的，测量时间记为第一时间，有所述梯度空间的不同高度距离和所述气体扩散速度决定的时间为第二时间，第一时间和第二时间的差值的绝对值作为相对时间，即把不同梯度空间的碳通值变化中的时间维度统一，以保证不同梯度空间的碳通值变化中随时间变化过程描述的准确性。

第二确定装置322，用于根据所述第一变化关系以及同一高度梯度空间对应的碳元素相关气体浓度随时间和温度变化关系确定碳通量测量结果的第一温度权重；

第三确定装置323，用于根据所述第一变化关系和所述第一温度权重确定不同高度梯度空间对应的碳元素相关气体浓度随梯度高度的第二变化关系；

结果确定模块324，用于将所述第一变化关系、所述第一温度权重和所述第二变化关系表示为土壤碳通量的测量结果。

以上各装置协同工作，在时间影响完全相同的情况下，依次考虑温度的影响、梯度高度的影响，并把时间影响硬件的第一变化关系、所述第一温度权重和所述第二变化关系表示为土壤碳通量的测量结果，在现有的基于菲克定律的扩散气体浓度获取方法的基础上，保证了测量结果维度的丰富性和准确性。

需要说明的是，上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机，计算机的具体形式可以是个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件收发设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任意几种设备的组合。

在一个典型的配置中，计算机包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带、磁盘存储、量子存储器、基于石墨烯的存储介质或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述对本申请特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

在本申请一个或多个实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请一个或多个实施例。在本申请一个或多个实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。应当理解，尽管在本申请一个或多个实施例可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请一个或多个实施例范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。以上所述仅为本申请一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本申请一个或多个实施例，凡在本申请一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请一个或多个实施例保护的范围之内。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。