CN112630187A - 一种基于激光诱导击穿光谱技术的水质检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光诱导击穿光谱技术的水质检测装置及方法，属于海洋水质监测领域，解决了海岸带重金属元素及水污染难以实时在线自动化检测问题，进而降低海鲜中重金属污染的风险，从源头降低海鲜重金属污染的风险。其结构包括无人船、视觉检测模块、光谱检测模块等，本发明具有以下有益效果：海岸带上建立栅格化信息传输体系，根据海岸带栅格化处理后，对无人船进行地图定位，利用光谱检测模块检测海岸带的栅格内重金属元素及水质，并采用无标分析法分析海岸带中重金属元素含量，超标则对区域进行标记并进行预警，达到对海岸带全天实时在线自动化检测的效果，降低重金属元素以及水污染导致人体健康状况异常的风险。

Description

一种基于激光诱导击穿光谱技术的水质检测装置及方法
技术领域
本发明属于海岸带污染监测技术领域，特别涉及一种基于激光诱导击穿光谱技术的水质检测装置及方法。
背景技术
海鲜的营养价值很高，许多人特别喜欢海鲜，尤其是沿海居民，常年食用海鲜。但近年来，由于大量工业废水或生活污水排入海洋，海洋水污染日益严重，海洋中的生物也会受到不同程度的污染，尤其是近海岸的生物，逐渐影响到人类健康。据调查，就元素而言，水产品中常见的污染重金属元素在生物体中富集系数较大的是铜和锌，最低的是铬。这些元素均为毒性较大的金属元素，对人体的危害主要是慢性蓄积性，长期大量摄入重金属含量超标的食品可能导致肾和骨骼损伤等。
海洋重金属元素超标主要原因分为天然的来源和人为的来源。天然来源包括地壳岩石风化、海底火山喷发和陆地水土流失将大量的重金属通过河流、大气和直接注入海中。人为来源主要是工业污水、矿山废水的排放及重金属农药的流失，煤和石油在燃烧中释放出的重金属经大气的搬运而进入海洋。随着科学技术的飞速发展，检测技术也得到了技术改进，但目前的技术手段都需要在实地进行海水取样、封存后带入实验室进行下一步检测，检测用时长较长、检测较为复杂，需要耗费大量人力和物力，较难以实现快速高效的检测。
为了解决上述现有技术问题的不足，本发明公开了一种基于激光诱导击穿光谱技术的水质检测装置及方法，属于海洋水质监测领域，解决了海岸带重金属元素及水污染难以实时在线自动化检测问题，进而降低海鲜中重金属污染的风险，从源头降低海鲜重金属污染的风险。其结构包括无人船、视觉检测模块、光谱检测模块等，本发明具有以下有益效果：海岸带上建立栅格化信息传输体系，根据海岸带栅格化处理后，对无人船进行地图定位，利用光谱检测模块检测海岸带的栅格内重金属元素及水质，并采用无标分析法分析海岸带中重金属元素含量，超标则对区域进行标记并进行预警，达到对海岸带全天实时在线自动化检测的效果，降低重金属元素以及水污染导致人体健康状况异常的风险。大大提高了检测的时效性，降低了人工成本，数据通过计算机实时自动处理，提高的了检测的效率。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决上述现有技术问题的不足，本发明公开了一种基于激光诱导击穿光谱技术的水质检测装置及方法，属于海洋水质监测领域，解决了海岸带重金属元素及水污染难以实时在线自动化检测问题，进而降低海鲜中重金属污染的风险，从源头降低海鲜重金属污染的风险。其结构包括无人船、视觉检测模块、光谱检测模块等，本发明具有以下有益效果：海岸带上建立栅格化信息传输体系，根据海岸带栅格化处理后，对无人船进行地图定位，利用光谱检测模块检测海岸带的栅格内重金属元素及水质，并采用无标分析法分析海岸带中重金属元素含量，超标则对区域进行标记并进行预警，达到对海岸带全天实时在线自动化检测的效果，降低重金属元素以及水污染导致人体健康状况异常的风险。大大提高了检测的时效性，降低了人工成本，数据通过计算机实时自动处理，提高的了检测的效率。
(二)技术方案
本发明通过如下技术方案实现：
一种基于激光诱导击穿光谱技术的水质检测装置及方法，包括有至少一套无人船、至少一套光谱检测模块、至少一套水质检测模块以及至少一套视觉检测模块，所述光谱检测模块、水质检测模块、视觉检测模块通过RS485接口与天线相连，用于数据传输；
所述无人船包括有：
柔性太阳能电池板：用于日间为车载电源充电；
螺旋桨：用以驱动无人船移动；
海水检测管：为光谱检测模块以及水质检测模块提高检测海水位置；
海水杂物过滤网：用以过滤海水中的杂质；
天线：通过网管信息传输系统无线传输数据；
蜂鸣示警灯：集成蜂鸣器与示警灯，用于在海上进行示警；
所述光谱检测模块包括有：
脉冲激光器：用以激发激光，激光通过聚焦透镜聚焦至海水检测管，用于诱导重金属等离子体；
光谱仪：用于分光；
移动数据处理中心：光谱数据处理、存储；
光纤探测器：用于收集光电信号；
所述水质检测模块包括有：
溶氧传感器：用以检测水中氧气的溶解量；
pH传感器：用以检测海水pH值；
ORP传感器：用以检测海水氧化还原电位；
电导率传感器：用以检测海水的电导率；
浊度传感器：用以检测海水的水的混浊程度；
水质监测仪：连接溶氧传感器、pH传感器、ORP传感器、电导率传感器、浊度传感器并为传感器供电；
所述视觉检测模块包括有：
全景相机系统：六台相机组成360°全景相机系统，通过支架固定于无人船船顶，全景相机系统上搭载高速球机。
进一步的，所述无人船还包括GPS导航模块、伺服驱动模块、直流电机、舵机和方向舵；指挥中心发出信号控制无人船的直流电机、舵机以及螺旋桨，控制无人船的方向和速度。
进一步的，所述无人船还包括GIS模块，用于无人船定位信息与海岸带地图数据的匹配。
进一步的，所述无人船底部搭载光谱检测模块中的脉冲激光器通过延时脉冲发生器延时触发光谱仪开始收集光信号，道光谱仪通过USB将数据传输至移动数据处理中心。
进一步的，等离子体光信号通过带孔反射镜反射，经由聚焦透镜聚焦至光纤探测器，经光纤传输至光谱仪，光谱仪进行光电转换后将数据传输至移动数据处理中心。
进一步的，所述无人船上方搭载视觉检测模块，视觉检测模块中每台相机拍摄60°范围的场景，六台相机同时拍摄场景，数据传输至指挥中心后，合成360°全景，指挥中心根据全景图片探测追踪目标。
进一步的，所述车载电源为光谱检测模块、水质检测模块、视觉检测模块进行供电。
进一步的，方法包括如下步骤：
步骤一：建立海岸带栅格化信息传输体系：栅格化信息传输体系结构包括综合网络管理系统、专业网络管理系统、网管信息传输系统三个主要部分；综合网络管理系统通过接收和调用光谱数据和水质数据，进行汇总、综合分析和处理；专业网络管理系统负责GPS定位、GIS电子地图技术以及视频数据的管理；网管信息传输系统实现网络管理信息的端到端传输；
步骤二：在海岸带位置放置无人船，移动到起始位置；
步骤三：无人船开启GPS模块以及视觉检测模块，对无人船周边信息通过专业网络管理系统传输至指挥中心；
步骤四：指挥中心指挥无人船移动，开始进行检测海岸带，根据栅格化单元开启光谱检测模块对水域进行元素多次检测采样取平均，并比对光谱数据库中的重金属元素波长以；判断区域内是否含有重金属元素，区域内若含有重金属元素，则进入步骤五，区域内若不含有重金属元素则进入步骤六；
步骤五：步骤四已判断区域中含有重金属元素，则采用自由定标法自动分析计算海水中所含有的重金属元素的含量判断含量是否超过国家标准规定的安全剂量值，若超过则对该区域进行标记并将数据传输至指挥中心，分析后进入步骤六；
步骤六：水质监测模块检测pH、温度、溶氧、电导率、浊度五项水质参数并将数据实时传输至指挥中心；移动无人船至下一个区域。
(三)有益效果
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
为了解决上述现有技术问题的不足，本发明公开了一种基于激光诱导击穿光谱技术的水质检测装置及方法，属于海洋水质监测领域，解决了海岸带重金属元素及水污染难以实时在线自动化检测问题，进而降低海鲜中重金属污染的风险，从源头降低海鲜重金属污染的风险。其结构包括无人船、视觉检测模块、光谱检测模块等，本发明具有以下有益效果：海岸带上建立栅格化信息传输体系，根据海岸带栅格化处理后，对无人船进行地图定位，利用光谱检测模块检测海岸带的栅格内重金属元素及水质，并采用无标分析法分析海岸带中重金属元素含量，超标则对区域进行标记并进行预警，达到对海岸带全天实时在线自动化检测的效果，降低重金属元素以及水污染导致人体健康状况异常的风险。大大提高了检测的时效性，降低了人工成本，数据通过计算机实时自动处理，提高的了检测的效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构装置示意图；
图2为本发明的俯视示意图；
图3为本发明的正视示意图；
图4为本发明的海岸带检测示意图；
图5为本发明的工作流程示意图；
图中：溶氧传感器(1)、pH传感器(2)、ORP传感器(3)、电导率传感器(4)、浊度传感器(5)、水质监测仪(6)、聚焦透镜(7)、光纤探测器(8)、聚焦透镜(9)、带孔反射镜(10)、脉冲激光器(11)、光谱仪(12)、移动数据处理中心(13)、车载电源(14)、螺旋桨(15)、柔性太阳能电池板(16)、蜂鸣示警灯(17)、天线(18)、支架(19)、全景相机系统(20)、高速球机(21)、海水检测管(22)、海水杂物过滤网(23)。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4与图5，本发明提供一种基于激光诱导击穿光谱技术的水质检测装置及方法，包括有至少一套无人船、至少一套光谱检测模块、至少一套水质检测模块以及至少一套视觉检测模块，所述光谱检测模块、水质检测模块、视觉检测模块通过RS485接口与天线相连，用于数据传输；
所述无人船包括有：
柔性太阳能电池板：用于日间为车载电源充电；
螺旋桨：用以驱动无人船移动；
海水检测管：为光谱检测模块以及水质检测模块提高检测海水位置；
海水杂物过滤网：用以过滤海水中的杂质；
天线：通过网管信息传输系统无线传输数据；
蜂鸣示警灯：集成蜂鸣器与示警灯，用于在海上进行示警；
所述光谱检测模块包括有：
脉冲激光器：用以激发激光，激光通过聚焦透镜聚焦至海水检测管，用于诱导重金属等离子体；
光谱仪：用于分光；
移动数据处理中心：光谱数据处理、存储；
光纤探测器：用于收集光电信号；
所述水质检测模块包括有：
溶氧传感器：用以检测水中氧气的溶解量；
pH传感器：用以检测海水pH值；
ORP传感器：用以检测海水氧化还原电位；
电导率传感器：用以检测海水的电导率；
浊度传感器：用以检测海水的水的混浊程度；
水质监测仪：连接溶氧传感器、pH传感器、ORP传感器、电导率传感器、浊度传感器并为传感器供电；
所述视觉检测模块包括有：
全景相机系统：六台相机组成360°全景相机系统，通过支架固定于无人船船顶，全景相机系统上搭载高速球机。
其中，所述无人船还包括GPS导航模块、伺服驱动模块、直流电机、舵机和方向舵；指挥中心发出信号控制无人船的直流电机、舵机以及螺旋桨，控制无人船的方向和速度。
其中，所述无人船还包括GIS模块，用于无人船定位信息与海岸带地图数据的匹配。
其中，所述无人船底部搭载光谱检测模块中的脉冲激光器通过延时脉冲发生器延时触发光谱仪开始收集光信号，道光谱仪通过USB将数据传输至移动数据处理中心。
其中，等离子体光信号通过带孔反射镜反射，经由聚焦透镜聚焦至光纤探测器，经光纤传输至光谱仪，光谱仪进行光电转换后将数据传输至移动数据处理中心。
其中，所述无人船上方搭载视觉检测模块，视觉检测模块中每台相机拍摄60°范围的场景，六台相机同时拍摄场景，数据传输至指挥中心后，合成360°全景，指挥中心根据全景图片探测追踪目标。
其中，所述车载电源为光谱检测模块、水质检测模块、视觉检测模块进行供电。
其中，方法包括如下步骤：
步骤一：建立海岸带栅格化信息传输体系：栅格化信息传输体系结构包括综合网络管理系统、专业网络管理系统、网管信息传输系统三个主要部分；综合网络管理系统通过接收和调用光谱数据和水质数据，进行汇总、综合分析和处理；专业网络管理系统负责GPS定位、GIS电子地图技术以及视频数据的管理；网管信息传输系统实现网络管理信息的端到端传输；
步骤二：在海岸带位置放置无人船，移动到起始位置；
步骤三：无人船开启GPS模块以及视觉检测模块，将无人船周边信息通过专业网络管理系统传输至指挥中心；
步骤四：指挥中心指挥无人船移动，开始进行检测海岸带，根据栅格化单元开启光谱检测模块对水域进行元素多次检测采样取平均，并比对光谱数据库中的重金属元素波长以；判断区域内是否含有重金属元素，区域内若含有重金属元素，则进入步骤五，区域内若不含有重金属元素则进入步骤六；
步骤五：步骤四已判断区域中含有重金属元素，则采用自由定标法自动分析计算海水中所含有的重金属元素的含量判断含量是否超过国家标准规定的安全剂量值，若超过则对该区域进行标记并将数据传输至指挥中心，分析后进入步骤六；
步骤六：水质监测模块检测pH、温度、溶氧、电导率、浊度五项水质参数并将数据实时传输至指挥中心；移动无人船至下一个区域。
工作原理：
建立海岸带栅格化信息传输体系：栅格化信息传输体系结构包括综合网络管理系统、专业网络管理系统、网管信息传输系统三个主要部分；综合网络管理系统通过接收和调用光谱数据和水质数据，进行汇总、综合分析和处理；专业网络管理系统负责GPS定位、GIS电子地图技术以及视频数据的管理；网管信息传输系统实现网络管理信息的端到端传输；在海岸带位置放置无人船，移动到起始位置；无人船开启GPS模块以及视觉检测模块，对无人船周边信息通过专业网络管理系统传输至指挥中心；指挥中心指挥无人船移动，开始进行检测海岸带，根据栅格化单元开启光谱检测模块对海水检测管中的海水进行元素多次检测采样取平均，并比对光谱数据库中的重金属元素波长以；判断区域内是否含有重金属元素，区域内若含有重金属元素，则采用自由定标法自动分析计算海水中所含有的重金属元素的含量判断含量是否超过国家标准规定的安全剂量值，若超过则对该区域进行标记并将数据传输至指挥中心，水质监测模块检测pH、温度、溶氧、电导率、浊度五项水质参数并将数据实时传输至指挥中心；移动无人船至下一个区域。
如果需要进行海岸带重金属监测及水质检测，传统情况下工作人员需要根据海岸带的面积、尺寸采集的几个位置具有代表性的样品，采样过程较为复杂，采样后将样品封好带回实验室进行下一步检测，检测手段复杂，增加了人力、时间成本无法实现实时自动化在线监测。如果是采用本发明，假设在一个海岸带放置三台无人船，机器人在空间内经由GIS地图技术构建海岸带地图，黑色原点代表机器人所在的位置，以栅格化单元的区域为一个检测单元，检测单元内设定数个检测位置。车载电源为装置提供电源，在日间还可以通过柔性太阳能电池板为车载电源进行充电，大大提高了装置的续航能力，数据通过计算机实时自动处理，提高的了检测的效率。
本发明的控制方式是通过人工启动和关闭开关来控制，动力元件的接线图与电源的提供属于本领域的公知常识，并且本发明主要用来保护机械装置，所以本发明不再详细解释控制方式和接线布置。
本发明的控制方式是通过控制器来自动控制，控制器的控制电路通过本领域的技术人员简单编程即可实现，电源的提供也属于本领域的公知常识，并且本发明主要用来保护机械装置，所以本发明不再详细解释控制方式和电路连接。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种基于激光诱导击穿光谱技术的水质检测装置及方法，其特征在于：包括有至少一套无人船、至少一套光谱检测模块、至少一套水质检测模块以及至少一套视觉检测模块，所述光谱检测模块、水质检测模块、视觉检测模块通过RS485接口与天线(18)相连，用于数据传输；
所述无人船包括有：
柔性太阳能电池板(16)：用于日间为车载电源(14)充电；
螺旋桨(15)：用以驱动无人船移动；
海水检测管(23)：为光谱检测模块以及水质检测模块提高检测海水位置；
海水杂物过滤网(24)：用以过滤海水中的杂质；
天线(18)：通过网管信息传输系统无线传输数据；
蜂鸣示警灯(17)：集成蜂鸣器与示警灯，用于在海上进行示警；
所述光谱检测模块包括有：
脉冲激光器(11)：用以激发激光，激光通过聚焦透镜(7)聚焦至海水检测管(15)，用于诱导重金属等离子体；
光谱仪(12)：用于分光；
移动数据处理中心(13)：光谱数据处理、存储；
光纤探测器(8)：用于收集光电信号；
所述水质检测模块包括有：
溶氧传感器(1)：用以检测水中氧气的溶解量；
pH传感器(2)：用以检测海水pH值；
ORP传感器(3)：用以检测海水氧化还原电位；
电导率传感器(4)：用以检测海水的电导率；
浊度传感器(5)：用以检测海水的水的混浊程度；
水质监测仪(6)：连接溶氧传感器(1)、pH传感器(2)、ORP传感器(3)、电导率传感器(4)、浊度传感器(5)并为传感器供电；
所述视觉检测模块包括有：
全景相机系统(20)：六台相机组成360°全景相机系统，通过支架(19)固定于无人船船顶，全景相机系统(20)上搭载高速球机(21)。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的水质检测装置及方法，其特征在于：所述无人船还包括GPS导航模块、伺服驱动模块、直流电机、舵机和方向舵；指挥中心发出信号控制无人船的直流电机、舵机以及螺旋桨，控制无人船的方向和速度。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的水质检测装置及方法，其特征在于：所述无人船还包括GIS模块，用于无人船定位信息与海岸带地图数据的匹配。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的水质检测装置及方法，其特征在于：所述无人船底部搭载光谱检测模块中的脉冲激光器(11)通过延时脉冲发生器延时触发光谱仪(13)开始收集光信号，道光谱仪(13)通过USB将数据传输至移动数据处理中心(13)。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的水质检测装置及方法，其特征在于：等离子体光信号通过带孔反射镜(10)反射，经由聚焦透镜(9)聚焦至光纤探测器(8)，经光纤传输至光谱仪(12)，光谱仪(12)进行光电转换后将数据传输至移动数据处理中心(13)。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的水质检测装置及方法，其特征在于：所述无人船上方搭载视觉检测模块，视觉检测模块中每台相机拍摄60°范围的场景，六台相机同时拍摄场景，数据传输至指挥中心后，合成360°全景，指挥中心根据全景图片探测追踪目标。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的水质检测装置及方法，其特征在于：所述车载电源(14)为光谱检测模块、水质检测模块、视觉检测模块进行供电。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的水质检测装置及方法，其特征在于：方法包括如下步骤：
步骤一：建立海岸带栅格化信息传输体系：栅格化信息传输体系结构包括综合网络管理系统、专业网络管理系统、网管信息传输系统三个主要部分；综合网络管理系统通过接收和调用光谱数据和水质数据，进行汇总、综合分析和处理；专业网络管理系统负责GPS定位、GIS电子地图技术以及视频数据的管理；网管信息传输系统实现网络管理信息的端到端传输；
步骤二：在海岸带位置放置无人船，移动到起始位置；
步骤三：无人船开启GPS模块以及视觉检测模块，对无人船周边信息通过专业网络管理系统传输至指挥中心；
步骤四：指挥中心指挥无人船移动，开始进行检测海岸带，根据栅格化单元开启光谱检测模块对水域进行元素多次检测采样取平均，并比对光谱数据库中的重金属元素波长以；判断区域内是否含有重金属元素，区域内若含有重金属元素，则进入步骤五，区域内若不含有重金属元素则进入步骤六；
步骤五：步骤四已判断区域中含有重金属元素，则采用自由定标法自动分析计算海水中所含有的重金属元素的含量判断含量是否超过国家标准规定的安全剂量值，若超过则对该区域进行标记并将数据传输至指挥中心，分析后进入步骤六；
步骤六：水质监测模块检测pH、温度、溶氧、电导率、浊度五项水质参数并将数据实时传输至指挥中心；移动无人船至下一个区域。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113092449A (zh) * 2021-04-13 2021-07-09 杭州石炭纪环保科技有限公司 一种多孔硅片基底及河道水质原位在线检测方法和系统
CN114166896A (zh) * 2021-11-17 2022-03-11 长江水资源保护科学研究所 水体重金属钒污染带范围的快速识别方法及系统
CN114827673A (zh) * 2022-04-24 2022-07-29 北京北航天宇长鹰无人机科技有限公司 无人设备及其远程控制系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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