一种适合移动观测平台的荧光法CDOM快速测量方法及装置

一种适合移动观测平台的荧光法cdom快速测量方法及装置
技术领域
1.本发明涉及测量技术领域，具体是一种采用荧光法测量海水cdom的方法及装置。


背景技术：

2.有色可溶性有机物(chromophoric dissolved organic matter,cdom)主要是陆生和水生植物降解的产物。cdom在海洋环境中普遍存在，能显著改变水下光场，是影响海洋水色的重要成分之一。通过对cdom的测量可以对海水中有机碳的含量进行估算，因此对海水水体中cdom的准确测量，在海洋水色、海洋碳循环、海洋生态和环境污染等领域具有重要的意义。
3.目前对于海水中cdom的测量技术主要包括水色遥感、光化学降解、吸收光谱和荧光光谱等，现有技术对于cdom的测量主要停留在表层海水，对于深海测量还存在一定的技术难点。荧光光谱测量可应用于快速、无催化剂的测量，测量过程不需要任何化学试剂，对水质本身没有影响，而且样品测量之前无需处理，直接测量，检测速度快。因其具有快速、实时、高灵敏度、高选择性等优点而备受关注。
4.此外，现有技术的采样石英光窗一般仅仅是采用平面的结构，采集荧光信号效率低，当实时采样时，水样同时具有不确定的流速，而随着水的流动，其内部所含有的成分不同，因此，无法保证在采样时间内的水样的相对稳定性；现有技术同样也没有考虑水的压力、温度的变化所带来的对测试结果的影响。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种实现全水深cdom的实时、快速在线测量方法及实现该方法的装置；不仅可实现表层海水cdom快速测量，还可实现对深海cdom的快速测量。该方法采用补偿光路建立光学校正模型，同时将温度和压力对cdom测量的影响进行校正，从而建立cdom校正算法。由于要求适用于移动观测平台，所以cdom测量装置采用低功耗电路设计开发工艺，所用器件均采用低功耗元器件，且装置采用高精度小型化集成封装工艺。光源发出激发光经透镜后变成平行光。平行光一部分经分光片反射后作为补偿光由光电探测器采集；另一部分平行光透射分光片后作用于水样激发荧光信号，激发的荧光信号经90
°
方向的滤光片后由光电探测器进行采集。光电探测器将采集的补偿光信号和激发的荧光信号分别进行光电转换后传输至控制与信号处理模块。控制与信号处理模块同时采集温度模块与压力模块测量的温度与压力信号，对采集的信号进行处理计算后经传输接口对外输出。
6.测量部设置有水平石英光窗和垂直石英光窗，垂直石英光窗迎向水流方向，这样，水流会在测试部形成90度折流，而折流的同时，水流速度会有一定的减缓，进而保证了测量时段内水流的稳定性，提高了测量精度。
7.具体技术方案如下：
8.一种适合移动观测平台的荧光法cdom快速测量方法，首先采集补偿光信号，根据
存储原始补偿光信号对测量荧光信号进行校正，建立光学校正模型，通过对温度、压力与cdom荧光强度相关性分析建立温度、压力校正模型；根据光学校正模型和温度、压力校正模型设计cdom校正算法，根据cdom校正算法反演cdom浓度；装置同时完成激发荧光信号、补偿光信号、温度、压力的采集；所用器件均采用低功耗元器件，高精度小型化集成封装工艺。
9.每次采集光信号为同一次激发光发出激发信号，补偿光信号在装置内部完成采集；光学校正模型原理公式如下；
[0010][0011]
式中，i
荧
为补偿光校正后的激发荧光信号强度，i
补
为原始补偿光信号强度，i
补测
为测量补偿光信号强度，i
莹测
为测量激发荧光信号强度。
[0012]
所述温度、压力校正模型原理公式如下：
[0013]i荧校
＝ati
荧
+bpi
荧
+c
[0014]
式中，i
荧校
为温度和压力校正后的激发荧光信号强度，a为温度校正系数，t为温度，b为压力校正系数，p为压力，c为常量。
[0015]
所述cdom校正算法包含补偿光、压力和温度校正，具体浓度按如下公式计算：
[0016]
c＝ati
荧
+bpi
荧
+d
[0017]
其中，c为cdom浓度，a、b为校正系数，d为常量。
[0018]
本发明进一步公开了一种实现所述方法的装置，包括外壳，所述外壳上部设置接头，外壳下部设置测量部；外壳内设置控制与信号处理模块、激发控制模块、光源、透镜、分光片、石英光窗、滤光片、光电探测器一、光电探测器二、压力模块、温度模块；
[0019]
所述测量部设置有水平石英光窗和垂直石英光窗；
[0020]
所述控制与信号处理模块与激发控制模块连接；激发控制模块与光源连接；光源的光输出端设置透镜，透镜下方设置45度倾斜的分光片；分光片的下方与水平石英光窗对应；分光片的水平反射方向设置光电探测器二，光电探测器二与控制与信号处理模块连接；
[0021]
所述垂直石英光窗与滤光片对应，滤光片另外一侧与光电探测器一对应；光电探测器一与控制与信号处理模块连接；在壳体上还设置压力模块、温度模块，所述压力模块、温度模块均与信号处理模块连接；
[0022]
所述接头通过电缆与水下航行器或水面牵引设备连接。
[0023]
所述压力模块设置在水平石英光窗的同一水平面上。
[0024]
所述垂直石英光窗设置在迎向水流的方向。
[0025]
本专利的优点是：
[0026]
1、装置测量过程中设置一路补偿光测量，用于补偿光源波动及衰减，可有效提高装置测量的稳定性和准确性。将补偿光测量设置在装置内部，可避免补偿光经过水样，水样中其他成分对补偿光造成的衰减。补偿光信号与激发荧光信号同时采集，保证每次采集光信号为同一次光源发出信号，实现对激发荧光信号的有效补偿。
[0027]
2、测量过程考虑到温度和水下压力对测量结果的影响，因此装置设置了温度和压力测量模块，用来对测量结果进行校正。
[0028]
3、装置采用低功耗电路设计开发工艺，所用器件均采用低功耗元器件，同时采用高精度小型化集成封装工艺，可满足移动观测对功耗和体积的要求。
[0029]
4、装置底部测量部采用l型结构，并在l型结构两面各设置1个石英光窗，即水平石英光窗和垂直石英光窗。采用l型结构可实现标准90方向荧光信号采集，荧光信号采集效率更高，同时装置适用于移动观测，l型结构可降低测量过程中泥沙沉积、生物附着等对测量结果的影响。垂直石英光窗迎向水流方向，水流会在测试部形成90度折流，而折流的同时，水流速度会有一定的减缓，进而保证了测量时段内水流的稳定性，提高了测量精度。
[0030]
本专利的效果：
[0031]
本专利的一种适合移动观测平台的荧光法codm快速测量方法及装置采用测量激发的荧光信号强度反演水体cdom浓度，可实现对水体cdom的直接测量、检测速度快，避免繁琐的步骤，同时不需要化学试剂，避免对水质的二次污染。同时测量过程增加补偿光校正、温度校正和压力校正，可有效的避免光源波动、衰减及温度、压力对测量结果的影响，提高了装置的测量稳定性和准确性。实现实时、快速、精确了解水体cdom变化情况。提高环境保护部门对水体cdom监测技术水平，为深海cdom检测提供有力的技术支撑。
附图说明
[0032]
图1为本发明的原理图；
[0033]
图2为本发明的装置结构示意图；
[0034]
图中，1为外壳，2为接头，3为外壳内设置控制与信号处理模块、4为激发控制模块、5为光源、6为透镜、7为分光片、81为水平石英光窗、82为垂直石英光窗、9为滤光片、10为光电探测器一、11为光电探测器二、12为压力模块、13为温度模块、15为测量部、16为水流方向。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图具体说明本发明，如图所示，本发明包括外壳1，所述外壳1上部设置接头2，外壳下部设置测量部15；外壳内设置控制与信号处理模块3、激发控制模块4、光源5、透镜6、分光片7、水平石英光窗81、垂直石英光窗82、滤光片9、光电探测器一10、光电探测器二11、压力模块12、温度模块13；
[0036]
所述测量部15设置有水平石英光窗81和垂直石英光窗82；
[0037]
所述控制与信号处理模块3与激发控制模块4连接；激发控制模块4与光源5连接；光源5的光输出端设置透镜6，透镜6下方设置45度倾斜的分光片7；分光片7的下方与水平石英光窗81对应；分光片7的水平反射方向设置光电探测器二11，光电探测器二11与控制与信号处理模块3连接；
[0038]
所述垂直石英光窗82与滤光片9对应，滤光片9另外一侧与光电探测器一10对应；光电探测器一10与控制与信号处理模块3连接；在壳体上还设置压力模块12、温度模块13，所述压力模块12、温度模块13均与信号处理模块3连接；
[0039]
所述接头2通过电缆与水下航行器或水面牵引设备连接。
[0040]
为保证精确测量，所述压力模块设置在水平石英光窗的同一水平面上。
[0041]
为保证试样水在测量部的停留时间较长和水流的相对稳定；所述垂直石英光窗设置在迎向水流的方向16。
[0042]
当激发光源5发出激发光激发的荧光信号被经滤光片9后由光电探测器一10采集
时，装置内部同时由光电探测器二11采集经分光片7反射后的补偿光信号。根据存储原始补偿光信号对测量荧光信号进行补偿光路校正，建立光学校正模型。装置采集水下压力和温度信号，温度、压力与cdom荧光强度相关性分析建立温度、压力校正模型。根据光学校正模型和温度、压力校正模型设计cdom校正算法，根据cdom校正算法反演cdom浓度。本发明的装置同时完成激发荧光信号、补偿光信号、温度、压力的采集，采用低功耗电路设计开发工艺，所用器件均采用低功耗元器件，且采用高精度小型化集成封装工艺。
[0043]
所述原始补偿光信号存储于装置内部，当完成补偿光信号采集后，根据建立的光学校正模型对测量荧光信号进行校正，原理公式如下：
[0044][0045]
式中，i
荧
为补偿光校正后的激发荧光信号强度，i
补
为原始补偿光信号强度，i
补测
为测量补偿光信号强度，i
莹测
为测量激发荧光信号强度。
[0046]
所述温度与压力信号由压力模块12和温度模块13测量，压力模块12和温度模块13置于装置内，当装置置于水中时直接进行测量。根据温度、压力与cdom荧光强度相关性分析建立的温度、压力校正模型对荧光强度进行校正，原理公式如下：
[0047]i荧校
＝ati
荧
+bpi
荧
+c
[0048]
其中，i
荧校
为温度和压力校正后的激发荧光信号强度，a为温度校正系数，t为温度，b为压力校正系数，p为压力，c为常量。
[0049]
所述cdom浓度在一定浓度范围内与激发荧光强度呈线性关系，具体浓度按如下公式计算：
[0050]
c＝di
荧校
+e＝d(atl
荧
+bpi
荧
+c)+e
[0051]
其中，d为线性系数，e为常量。
[0052]
c＝ati
荧
+bpi
荧
+d
[0053]
其中，c为cdom浓度，a、b为校正系数，d为常量。
[0054]
所述装置采用高精度小型化集成封装工艺，整体采用圆柱形结构，外壳1采用钛合金材质，底部测量部分采用l型结构，并设置2个石英光窗8，石英光窗8设置在l型结构2面。
[0055]
所述补偿光信号与激发荧光信号同时采集，保证每次采集光信号为同一次光源5发出信号，另外补偿光信号在装置内部完成采集。
[0056]
所述装置内部主要包括控制与信号处理模3、激发控制模块4、光源5、透镜6、分光片7、滤光片9、光电探测器一10、光电探测器二11、压力模块12和温度模块13。控制与信号处理模块3控制激发控制模块4控制光源5发出激发光。激发光经透镜6后变成平行光。平行光一部分经分光片7反射后作为补偿光由光电探测器二11采集；另一部分平行光透射分光片7后作用于水样激发荧光信号，光电探测器一10采集经滤光片9后的荧光信号。控制与信号处理模块3采集经光电探测器一10和光电探测器二11处理后的电信号和压力模块12与温度模块13测量的温度与压力信号，并对采集的信号进行处理计算后经传输接口2对外输出。
[0057]
所述滤光片9中心波长与激发荧光信号峰值一致，扣除干扰光对荧光信号的影响。
[0058]
本专利的原理
[0059]
cdom结构中含有大量带各种官能团的芳香结构和不饱和脂肪链等荧光团，由于这些特殊结构，当cdom在特定紫外光照射下会发出特定的荧光信号，在一定的浓度范围内不
同浓度的cdom与激发的荧光信号呈线性关系，通过测量所激发的荧光信号强度可以反演出cdom的浓度。激发光源随着工作时间的加长会出现光源衰减和波动，通过补偿光信号可对光源进行补偿。另外温度与压力对测量结果产生影响，将测量的温度与压力带入算法模型，可对测量结果进行校正。
[0060]
实施例
[0061]
控制与信号处理模块3采用5路控制和4路采集，并且模块包含存储功能。5路控制分别控制激发控制模块4、光电探测器一10、光电探测器二11、压力模块12和温度模块13工作，4路采集分别采集光电探测器一10、光电探测器二11处理后的电信号和压力模块12、温度模块13测量的温度与压力信号。控制与信号处理模块3采用美国德州仪器公司的msp430型号产品实现；激发控制模块4采用美国ams公司的ams1117-3.3型号产品实现；光电探测器10和光电探测器11选用firstsensor公司的pc10-2 to5型号硅光电二极管产品；透镜6选用大恒光电的gcl-010804型号石英玻璃平凸透镜；滤光片9选购大恒光电的gcc-300214型号。
[0062]
本专利装置对于基于荧光法测量的其他水体参数也可适用，根据测量参数更换激发光源5、滤光片9。例如水体叶绿素测量时，激发光源5选用470nm超亮led，滤光片9选用中心波长685nm；水体石油烃类污染物测量时，激发光源5选用微型的氙气闪光灯，带干扰过滤器(峰值波长为254nm)，滤光片9选用中心波长360nm；水体蓝绿藻测量时，激发光源5选用620nm超亮led，滤光片9选用中心波长655nm。

技术特征：
1.一种适合移动观测平台的荧光法cdom快速测量方法，其特征在于：首先采集补偿光信号，根据存储原始补偿光信号对测量荧光信号进行校正，建立光学校正模型，通过对温度、压力与cdom荧光强度相关性分析建立温度、压力校正模型；根据光学校正模型和温度、压力校正模型设计cdom校正算法，根据cdom校正算法反演cdom浓度；装置同时完成激发荧光信号、补偿光信号、温度、压力的采集；所用器件均采用低功耗元器件，高精度小型化集成封装工艺。2.根据权利要求1所述的适合移动观测平台的荧光法cdom快速测量方法，其特征在于：每次采集光信号为同一次激发光发出激发信号，补偿光信号在装置内部完成采集；光学校正模型原理公式如下；式中，i
荧
为补偿光校正后的激发荧光信号强度，i
补
为原始补偿光信号强度，i
补测
为测量补偿光信号强度，i
莹测
为测量激发荧光信号强度。3.根据权利要求1所述的一种适合移动观测平台的荧光法cdom快速测量方法，其特征在于：所述温度、压力校正模型原理公式如下：i
荧校
＝ati
荧
+bpi
荧
+c式中，i
莹校
为温度和压力校正后的激发荧光信号强度，a为温度校正系数，t为温度，b为压力校正系数，p为压力，c为常量。4.根据权利要求1所述的一种适合移动观测平台的荧光法cdom快速测量方法，其特征在于：所述cdom校正算法包含补偿光、压力和温度校正，具体浓度按如下公式计算：c＝ati
荧
+bpi
荧
+d其中，c为cdom浓度，a、b为校正系数，d为常量。5.一种实现权利要求1所述方法的装置，包括外壳，其特征在于：所述外壳上部设置接头，外壳下部设置测量部；外壳内设置控制与信号处理模块、激发控制模块、光源、透镜、分光片、石英光窗、滤光片、光电探测器一、光电探测器二、压力模块、温度模块；所述测量部设置有水平石英光窗和垂直石英光窗；所述控制与信号处理模块与激发控制模块连接；激发控制模块与光源连接；光源的光输出端设置透镜，透镜下方设置45度倾斜的分光片；分光片的下方与水平石英光窗对应；分光片的水平反射方向设置光电探测器二，光电探测器二与控制与信号处理模块连接；所述垂直石英光窗与滤光片对应，滤光片另外一侧与光电探测器一对应；光电探测器一与控制与信号处理模块连接；在壳体上还设置压力模块、温度模块，所述压力模块、温度模块均与信号处理模块连接；所述接头通过电缆与水下航行器或水面牵引设备连接。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述压力模块设置在水平石英光窗的同一水平面上。7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述垂直石英光窗设置在迎向水流的方向。

技术总结
本发明公开一种适合移动观测平台的荧光法CDOM快速测量方法及装置，首先采集补偿光信号，根据存储原始补偿光信号对测量荧光信号进行校正，建立光学校正模型，通过对温度、压力与CDOM荧光强度相关性分析建立温度、压力校正模型；根据光学校正模型和温度、压力校正模型设计CDOM校正算法，根据CDOM校正算法反演CDOM浓度；装置同时完成激发荧光信号、补偿光信号、温度、压力的采集；所用器件均采用低功耗元器件，高精度小型化集成封装工艺。本发明的优点：可实现对CDOM的实时、快速、准确测量，同时不需要化学试剂，避免对水质的二次污染。避免对水质的二次污染。避免对水质的二次污染。


技术研发人员：孙珊 苏博 马元庆 赵玉庭 李佳蕙 蔡宗岐 冯巍巍 王焕卿 梁星辉
受保护的技术使用者：中国科学院烟台海岸带研究所
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/7/17