CN110487223B - 一种基于空间相关度与相位差值乘积的微塑料检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间相关度与相位差值乘积的微塑料检测装置及方法，本发明方法利用三波长无透镜全息系统分别记录微塑料在红绿蓝光下的全息图像，并通过三波长迭代算法恢复出其三维形貌。通过微塑料的俯视图和侧视图可初步筛选出微塑料，通过微塑料的三维形貌和长度、宽度和厚度信息检测微塑料并利用红、绿、蓝三种色光将记录的全息图像合成彩色全息图像，在恢复三维形貌时获得样本的颜色特征，检测样本光反射能力与色调信息，并利用颜色共生矩阵的空间相关度与相邻像素间的相位差值绝对值的和相乘获得样本表面粗糙度的特征。解决了现有技术中微塑料检测成本高、检测样品浓度较低、装置结构复杂及无法进行现场的快速检测的问题。

Description

一种基于空间相关度与相位差值乘积的微塑料检测装置及 方法

技术领域

本发明涉及一种对海洋水体、船舶压载水中的微塑料进行检测的技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于空间相关度与相位差值乘积的微塑料检测装置及方法。

背景技术

塑料工业的发展在给人类社会生产、生活带来方便的同时,大量的废旧塑料垃圾也不断产生。据科学家推测,每个塑料制品可能会在环境中留存长达五十年。因此,自从上世纪50年代以来人类生产的每件塑料制品依然会残留在地球环境中,世界范围内生产的塑料制品大约有5％已进入海洋,其数量超过1亿吨。据联合国环境规划署(UNEP)2006年的一份报告估算,每平方公里的海洋表面漂浮的塑料垃圾平均为18 000件。在污染最集中的海区,这个数字可达38万件以上。无论在海岸、海上或海底,塑料垃圾都是固体废弃物的主要成分,占60％以上,有时甚至超过90％。而海水中的塑料垃圾比漂浮在海面上的更多,海水中的塑料大约是海面上的6倍。虽然塑料在陆地上受到阳光照射后会变脆破碎,但在大海中,塑料不仅受到了海水的冷却,海水和海藻也使其免于阳光的照射。因此在海洋中,塑料的化学特性在几百年、甚至几千年之内都不会发生任何变化。

所谓微塑料(Microplastics or micro plastic debris),目前没有统一的定义,一般指的是通过各种途径进入海洋的塑料工业使用的米粒大小的塑料颗粒原料(nurdles)、大块塑料垃圾在海洋中经物理作用形成的塑料碎屑等、各种生活用品的添加物(例如卫生用品、美容用品等)和工业生产使用的抛光料等。因此,微塑料一般指的是毫米级别甚至微米级别的塑料碎片。这些微塑料在海洋中或悬浮在水中,或沉积到海底成为沉积物的组分。据研究,海洋中的微塑料主要有聚氨酯、聚苯乙烯、泡沫聚苯乙烯、尼龙、透明塑料、有色塑料、玻璃纤维等各类。在印度拆船厂周围的海滩上,每公斤沉积物中微塑料含量最高可达18.33mg。

海洋塑料污染对海洋环境的影响是多方面的，主要有：(1)破坏海滩的美观并影响旅游业；(2)干扰航行安全；(3)影响渔业活动；(4)塑料制品中的添加剂扩散后对海洋环境的影响；(5)塑料垃圾对海洋动物的影响。另外塑料垃圾还可以阻碍光线在海洋中的传播，由于塑料难以降解,并且塑料垃圾还可以漂浮并被海流集中到特定的地点,许多科学家认为塑料垃圾是海洋动物面临的最难解决的人类威胁之一。

目前微塑料检测的方法有光学显微镜法、流式细胞仪计数法、染料荧光显微镜计数法、分子及生化方法等。光学显微镜法通过专业技术人员观察微塑料的形态来识别，并通过外观形貌来对微塑料进行尺寸估计。显微镜价格昂贵，体积大，不易操作，不适合微塑料的快速检测，且检测方法误差较大。流式细胞仪法需要用将样本制成悬液，通过测量微塑料的阻抗信号来判断微塑料，这种方法具有效率高、准确的优点，但是商用流式细胞仪价格昂贵、体积庞大、样品处理繁琐，操作复杂。

综合以上分析，现有海洋水体、船舶压载水中微塑料检测方法不适合现场的快速检测，具有体积大、价格昂贵、不易操作等缺点，所以水中微塑料检测方法与装置仍然是急需解决的问题。

发明内容

根据上述提出现有海洋水体、船舶压载水中微塑料检测方法不适合现场的快速检测，具有体积大、价格昂贵、不易操作等缺点，而提供一种基于空间相关度与相位差值乘积的微塑料检测装置，可以实现现场快速检测、操作过程简单、成本低廉且鉴定指标稳定。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种基于空间相关度与相位差值的乘积的微塑料检测装置，所述装置包括依次连接的光源组件、通光孔组件、光传播组件、微流控芯片、图像采集组件、图像处理组件；

所述图像采集组件采集微流控芯片检测通道在光束作用下生成的全息图像，所述全息图像被送至与所述图像采集组件相连接的图像处理组件，所述图像处理组件利用解包裹算法对相位进行解包裹进而仿真其三维形貌，获得微塑料的三维尺寸。

进一步地，所述光源组件包括电源供电器件、单片机模块、光源固定结构以及与所述通光孔组件紧密贴合的LED光源，所述LED光源在单片机模块的控制下可以选择亮灭所需颜色的色光，所述LED光源发出的部分相干光束经过通光孔组件在相干直径内变为相干光，再经所述光传播组件传播照射微流控芯片检测区域并投射于图像采集组件。

进一步地，所述微流控芯片包括聚二甲基硅氧烷片和载玻片，所述聚二甲基硅氧烷片依次凹刻有检测通道，所述检测区域两端对称连接第一聚焦通道和第二聚焦通道，所述第一聚焦通道的另一端宽度渐增直至等宽连接于第一通道，所述第一通道另一端设有进液孔，所述第二聚焦通道以相同方式连接第二通道且第二通道末端设有废液孔。

进一步地，所述图像采集组件为COMS图像传感器。

本发明还提供了一种基于空间相关度与相位差值乘积的微塑料检测方法，通过三波长迭代算法恢复样品的三维形貌，包括以下步骤：

步骤1：读入所述图像采集组件记录的微塑料在红绿蓝光下的全息图像；

步骤2：对复振幅进行初始化处理，将相位设置为零；

步骤3：通过反角谱函数将复振幅传递到样本平面；

步骤4：根据三个波长下的样本平面的重建振幅、相位，得到新的振幅、相位；

步骤5：根据角谱函数将三个波长下的复振幅前向传播到COMS图像传感器平面；

步骤6：计算得到相位信息，并将振幅用记录的全息图像替换形成新的复振幅，重复步骤3-步骤5直到达到收敛状态。

进一步地，所述方法还包括通过红绿蓝三通道颜色共生矩阵的空间相关度与对投影二维图像计算X方向(Y方向)的相邻像素间的相位差值绝对值的和相乘来获得表征样本表面粗糙度的特征的步骤。

进一步地，所述方法还包括利用红、绿、蓝三种色光记录的不同全息图像在同一像素点上对三种分量进行组合处理，获得表征微塑料透明度与色调信息的颜色特征并通过三通道颜色共生矩阵获得样本表面纹理信息的步骤。

进一步地，所述方法还包括对记录的全息图像每个像素点的分量红(R)、绿(G)、蓝(B)进行组合计算亮度分量的步骤。

进一步地，所述方法还包括对记录的全息图像每个像素点的分量红(R)、绿(G)、蓝(B)进行组合计算色调分量的步骤。

本发明还提供了一种基于空间相关度与相位差值乘积的微塑料检测装置的微塑料检测方法，其特征在于：其包括如下步骤：

S1、滴入样品，将船舶压载水样品加入到微流控芯片的进液孔中；

S2、开启装置，依次开启LED光源、图像采集组件和图像处理组件，液体样本在自身张力的作用下沿着第一通道经过第一聚焦通道流向检测通道，多余液体样品流入废液孔中；

S3、全息图样采集，LED光源发出的相干光经过通光孔和光传播组件照射在微流控芯片检测区域的样品上形成全息图像并由图像采集组件采集；

S4、全息图样分析，图像采集组件采集的全息图样经数据线传输至图像处理组件中；

S5、微塑料的检测，根据恢复的三位形貌进行检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明为检测微塑料的小型化平台，携带方便，检测速度快，而后端的图像处理部分亦可以采用嵌入式方法缩减设备，其相对于现有的检测设备，具有体积超小、重量轻、易于携带，可用于现场快速检测等优点；

2、本发明所用的器件均为市面上的通用产品，成本低廉。

3、本发明基于全息光学，检测方法快速高效，且不需对微塑料进行预处理，取样后可直接进行检测。

4、本发明在原有系统的基础上利用三种波长进行记录全息图，能较准确的恢复相位信息，可以完成在大浓度情况下的样本检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的船舶压载水中微塑料检测装置结构示意图；

图2为本发明通光孔组件结构示意图；

图3为本发明微流控芯片结构示意图；

图4为本发明微塑料检测方法流程图；

图5为本发明所用三波长恢复算法流程图。

图6为本发明实施例提供的检测不同种类、尺寸、透明度的微塑料颗粒的全息图。

图7为本发明实施例提供的与图6中不同种类、尺寸、透明度的微塑料颗粒分别对应的相邻像素相位曲线图像。

图中：1、光源组件；2、通光孔组件；3、光传播组件；4、微流控芯片；5、图像采集组件；6、图像处理组件；7、聚二甲基硅氧烷片；8、载玻片；9、第一通道；10、第一聚焦通道；11、检测通道；12、第二聚焦通道；13、第二通道；14、进液孔；15、废液孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

由于不同的微塑料形成的全息图像不同，其形成的全息图像特征不同，根据上述原理本发明涉及了一种基于空间相关度与相位差值乘积的微塑料检测装置及方法，下面结合附图对本发明作进一步地说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于空间相关度与相位差值乘积的微塑料检测装置，包括依次连接的光源组件1、通光孔组件2、光传播组件3、微流控芯片4、图像采集组件5、图像处理组件6；图像采集组件6采集微流控芯片检测通道11在光束作用下生成的全息图像，全息图像被送至与所述图像采集组件5相连接的图像处理组件6，图像处理组件6利用解包裹算法对相位进行解包裹进而仿真其三维形貌，获得微塑料的三维尺寸。在得到其三维形貌后，可以初步判断微塑料的三维形状。可以通过对三维形貌图像进行投影得到其正视图、俯视图及侧视图，可以根据这些二维图像对微塑料的尺寸信息与形状进行检测。三维形貌还表征高度信息，可以通过测量其z轴尺寸得到微塑料的高度信息。利用红、绿、蓝三种色光记录的不同全息图可以在同一像素点上对三种分量进行组合处理，可以获得表征微塑料透明度与色调信息的颜色特征、并通过三通道颜色共生矩阵获得样本表面纹理信息。通过红绿蓝三通道颜色共生矩阵的空间相关度与对投影二维图像计算X方向(Y方向)的相邻像素间的相位差值绝对值的和相乘来获得表征样本表面粗糙度的特征：空间相关度与相位差值绝对值和的乘积越大，样本表面粗糙度越高。当微塑料样品浓度较大(>10⁴个/ml)时，利用三波长光源记录的全息图在一个波长的测量范围内包裹相位的变化较少，因此三波长系统可以更好的恢复出样品的相位信息并准确的恢复其三维形貌，从而完成大浓度时(>10⁴个/ml)样品的检测任务。

光源组件1包括电源供电器件、单片机模块、光源固定结构以及与通光孔组件2紧密贴合的LED光源，LED光源在单片机模块的控制下可以选择亮灭所需颜色的色光，在有效抑制噪声的同时简化系统结构。LED光源发出的部分相干光束经过通光孔组件2在相干直径内变为相干光，再经光传播组件3传播照射微流控芯片4的检测通道11并投射于图像采集组件5。通光孔组件2除通光孔外，其他部分为光密闭结构，且无光的透射，通光孔组件的结构如图2所示，LED光源发射的光束经通光孔组件2与光传播组件3作用后，其光斑投射区域完全覆盖图像采集组件5的探测区域。LED光源为装置唯一照明光源，其未开启时图像采集组件5不能记录任何有用信息。

如图3所示，微流控芯片4包括聚二甲基硅氧烷片7和载玻片8，聚二甲基硅氧烷片7依次凹刻有检测通道11，检测通道11两端对称连接第一聚焦通道10和第二聚焦通道12，第一聚焦通道10的另一端宽度渐增直至等宽连接于第一通道9，第一通道另一端设有进液孔14，第二聚焦通道以相同方式连接第二通道13且第二通道13末端设有废液孔15。

如图4所示，本发明还提供了一种基于上述装置的微塑料检测方法，其特征在于：其包括如下步骤：

S1、滴入样品，将船舶压载水样品离心后与缓冲液混合作为样本溶液，将10μL样本溶液滴加到微流控芯片的进液孔14中；

S2、开启装置，依次开启LED光源、图像采集组件和图像处理组件6，液体样本在自身张力的作用下沿着第一通道9经过第一聚焦通道10流向检测通道11，多余液体样品流入废液孔15中；

S3、全息图样采集，LED光源发出的相干光经过通光孔2和光传播组件3照射在微流控芯片4的检测通道11内的样品上，形成全息图像并由图像采集组件5采集；

S4、全息图样分析，图像采集组件5采集的全息图像经数据线传输至图像处理组件6中；

S5、微塑料的判断，根据三个波长形成的全息图样恢复的三维形貌来对微塑料进行检测。

如图5所示，本发明还提供了一种基于空间相关度与相位差值乘积的微塑料检测方法，通过三波长迭代算法恢复样品的三维形貌，包括以下步骤：

步骤1：读入所述图像采集组件5记录的微塑料在红绿蓝光下的全息图像；

步骤2：对复振幅进行初始化处理，将相位设置为零；

步骤3：通过反角谱函数将复振幅传递到样本平面；

步骤4：根据三个波长下的样本平面的重建振幅、相位，得到新的振幅、相位；

步骤5：根据角谱函数将三个波长下的复振幅前向传播到COMS图像传感器平面；

步骤6：计算得到相位信息，并将振幅用记录的全息图像替换形成新的复振幅，重复步骤3-步骤5直到达到收敛状态。

三个波长的全息图像进行算法处理后可以对高浓度样品进行恢复，对塑料之间相互重叠干扰有改善效果。

实施例

本发明在使用时，首先将船舶压载水样品放在微流控芯片4上，将微流控芯片4置于载物台，LED光源发出的相干光经过通光孔组件2和光传播组件3照射在放置于载物台上的样品上形成的衍射图像由图像采集组件5采集，三个波长可对应采集到同一样本的三个全息图像。该装置选用LED作为光源，光源组件1中LED发出的光为部分相干光，可以有效的抑制相干散斑噪声和干扰。光源组件1中的LED光源发出的部分相干光通过通光孔组件2中的通光孔后发散成一束球面波，发散形成的球面波经过合适传播距离传播到样品面。该装置利用穿过样品的支透光作为参考光，无需另外引入参考光。样品与图像采集组件5中电荷耦合元件(CCD)的距离非常近，距离在几毫米左右，部分相干光照射在样品上形成的的全息图像由图像采集组件5采集，最后将采集到的全息图像由图像处理组件6进行处理。

图像处理组件6利用解包裹算法对相位进行解包裹进而仿真其三维形貌，获得微塑料的三维尺寸。在得到其三维形貌后，初步判断微塑料的三维形状。通过对三维形貌图像进行投影得到其正视图、俯视图及侧视图，根据这些二维图像对微塑料的尺寸信息与形状进行检测。三维形貌还表征高度信息，通过测量其z轴尺寸得到微塑料的高度信息。利用红、绿、蓝三种色光记录的不同全息图像可以在同一像素点上对三种分量进行组合处理，获得表征微塑料透明度与色调信息的颜色特征、并通过三通道颜色共生矩阵获得样本表面纹理信息。

实施例1

对记录的全息图每个像素点的分量红(R)、绿(G)、蓝(B)进行组合计算亮度分量。根据亮度分量对样本透明度进行检测，在相同光源强度照射下对应像素点亮度分量越大，微塑料透明度越高。

实施例2

对记录的全息图每个像素点的分量红(R)、绿(G)、蓝(B)进行组合计算色调分量。可以根据色调分量对样本色调进行检测：在相同光源强度照射下对应像素点色调分量不同，样本颜色类别不同。

实施例3

通过红绿蓝三通道颜色共生矩阵的空间相关度与对投影二维图像计算X方向(Y方向)的相邻像素间的相位差值绝对值的和相乘来获得表征样本表面粗糙度的特征，空间相关度与相位差值绝对值和的乘积越大，样本表面粗糙度越高。

综上，如图6、7所示，相邻像素间相位差和越大代表样本表面粗糙度越高，与代表纹理特性的空间相关度相乘后乘积越大，样本粗糙度越高。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于空间相关度与相位差值乘积的微塑料检测装置，其特征在于，所述装置包括依次连接的光源组件（1）、通光孔组件（2）、光传播组件（3）、微流控芯片（4）、图像采集组件（5）、图像处理组件（6）；

所述光源组件（1）包括电源供电器件、单片机模块、光源固定结构以及与所述通光孔组件（2）紧密贴合的LED光源，所述LED光源在单片机模块的控制下可以选择亮灭所需颜色的红、蓝、绿三色光，所述LED光源发出的部分相干光束经过通光孔组件（2）在相干直径内变为相干光，再经所述光传播组件传播照射微流控芯片检测区域并投射于图像采集组件（5）；所述图像采集组件（5）为COMS图像传感器；

所述图像采集组件（5）采集微流控芯片检测通道（11）在光束作用下生成的全息图像，所述全息图像被送至与所述图像采集组件（5）相连接的图像处理组件（6），所述图像处理组件（6）利用解包裹算法对相位进行解包裹进而仿真其三维形貌，获得微塑料的三维尺寸；

所述微塑料检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤1：读入所述图像采集组件（5）记录的微塑料在红绿蓝光下的全息图像；

步骤2：对复振幅进行初始化处理，将相位设置为零；

步骤3：通过反角谱函数将复振幅传递到样本平面；

步骤4：根据三个波长下的样本平面的重建振幅、相位，得到新的振幅、相位；

步骤5：根据角谱函数将三个波长下的复振幅前向传播到COMS图像传感器平面；

步骤6：计算得到相位信息，并将振幅用记录的全息图像替换形成新的复振幅，重复步骤3-步骤5直到达到收敛状态；

步骤7：通过红绿蓝三通道颜色共生矩阵的空间相关度与对投影二维图像计算X方向或Y方向的相邻像素间的相位差值绝对值的和相乘来获得表征样本表面粗糙度的特征。

2.根据权利要求1所述的基于空间相关度与相位差值乘积的微塑料检测装置，其特征在于，所述微流控芯片（4）包括聚二甲基硅氧烷片（7）和载玻片（8），所述聚二甲基硅氧烷片（7）依次凹刻有检测通道（11），所述检测通道（11）两端对称连接第一聚焦通道（10）和第二聚焦通道（12），所述第一聚焦通道（10）的另一端宽度渐增直至等宽连接于第一通道（9），所述第一通道（9）另一端设有进液孔（14），所述第二聚焦通道（12）以相同方式连接第二通道（13）且第二通道（13）末端设有废液孔（15）。

3.根据权利要求1所述的基于空间相关度与相位差值乘积的微塑料检测装置，其特征在于，所述方法还包括利用红、绿、蓝三种色光记录的不同全息图像在同一像素点上对三种分量进行组合处理，获得表征微塑料透明度与色调信息的颜色特征并通过三通道颜色共生矩阵获得样本表面纹理信息的步骤。

4.根据权利要求1所述的基于空间相关度与相位差值乘积的微塑料检测装置，其特征在于，所述方法还包括对记录的全息图像每个像素点的分量红（R）、绿（G）、蓝（B）进行组合计算亮度分量的步骤。

5.根据权利要求1所述的基于空间相关度与相位差值乘积的微塑料检测装置，其特征在于，所述方法还包括对记录的全息图像每个像素点的分量红（R）、绿（G）、蓝（B）进行组合计算色调分量的步骤。

6.一种基于权利要求1所述装置的微塑料检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、滴入样品，将船舶压载水样品加入到微流控芯片的进液孔（14）中；

S2、开启装置，依次开启LED光源、图像采集组件和图像处理组件（6），液体样本在自身张力的作用下沿着第一通道（9）经过第一聚焦通道（10）流向检测通道（11），多余液体样品流入废液孔（15）中；

S3、全息图像采集，LED光源发出的相干光经过通光孔组件（2）和光传播组件（3）照射在微流控芯片（4）检测区域的样品上形成全息图像并由图像采集组件（5）采集；

S4、全息图像分析，图像采集组件（5）采集的全息图像经数据线传输至图像处理组件（6）中；

S5、微塑料的检测，根据恢复的三位形貌进行检测。

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