CN116337793A - 一种海水浊度和cdom含量原位在线测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海水浊度和CDOM含量原位在线测量装置及方法,根据海水浊度和CDOM对光吸收或产生荧光的特征光波长的特质差异,用由多个紫外发光管和红外发光管组成的多光源阵列作为测量系统的驱动光源,光源发出的光经过一系列光学透镜组合进入含有CDOM的被测水样后,光被部分吸收的同时会激发出特征波长与CDOM成分有关的荧光,选择具有波长选择透过性的窄带镀膜透镜配合光子计数探测器实现激发荧光的探测,选择宽带镀膜透镜配合高灵敏度光电探测器实现红外光吸收系数和紫外光吸收系数的探测,各个探测器的输出信号经信号处理电路系统电路板分析处理,获取海水浊度和CDOM含量信息,并将浊度信息用于CDOM测量的在线补偿。
Description
技术领域
本发明涉及水体物理化学要素和生物要素测量相关技术领域,尤其是一种海水浊度和CDOM含量原位在线测量装置及方法。
背景技术
近年来,海洋环境监测、智能海洋传感器与装备、海洋大数据等领域的研究已经成为国际热点,维持健康的海洋环境和生态系统是人类可持续发展的重要保障。在海洋环境监测技术领域,传统的水体物理化学要素和生物要素测量多采用取样后在专业实验室内进行化学或光谱分析来实现,具有专业性强、设备条件要求高、时效性差等缺点。开展海洋原位在线传感器和相关装备是构建海洋传感网络、建设智慧海洋的先决基础。
海水中有色溶解有机物(CDOM)含量对海洋水色遥感、海洋浮游植物初级生产力和生态系统结构功能都有着重要的影响,海洋溶解有机物的地球化学过程也是全球碳通量和海洋碳循环的重要部分。CDOM作为碳循环系统中的一个主要因素,影响碳系统稳定性的同时也会影响重重金属和有机污染物的迁移转化。CDOM在紫外波段吸收力强,限制了短波紫外线的穿透量,进而保护了水体中浮游植物和其他的生物群系生存环境。
研制快速准确、原位在线的CDOM含量检测仪器和装备,对碳循环、水体生态系统稳定和环境保护具有重要的意义。然而,现有的原位CDOM传感器结构复杂、移动测量性能差、价格昂贵,是限制原位CDOM传感器的关键性问题。现有的原位CDOM传感器采用的方法主要有:激光诱导击穿光谱、吸收光谱测量和荧光测量等。激光诱导击穿光谱测量CDOM的灵敏度偏低、基质效应明显、可重复性低;对于吸收光谱,因为CDOM和叶绿素的吸收光谱相近,误差补偿存在一定困难;荧光光谱具有灵敏度高、选择性强等优点,但是容易受到诸如水体浊度等其它要素的影响。如何解决CDOM传感器在实际海况条件下的稳定性、可靠性和准确性问题,是原位在线CDOM传感器能否付诸实际工程应用的核心问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种海水浊度和CDOM含量原位在线测量装置及方法,采用多波长组合光源阵列和多光电探测装置同时实现海水浊度和CDOM含量的原位在线测量,解决CDOM传感器在实际海况条件下的稳定性、可靠性和准确性问题。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种海水浊度和CDOM含量原位在线测量装置,包括光源阵列及信号处理电路系统外壳,所述光源阵列及信号处理电路系统外壳下方通过第一空心钛合金管和第二空心钛合金管连接有荧光激发与光探测外壳,所述光源阵列及信号处理电路系统外壳内设置有光源阵列,所述光源阵列包括一个红外发光管和至少两个不同波长的紫外发光管,所述光源阵列的下方设置有上光学透镜组合且上光学透镜组合侧边设置有第一高灵敏光电探测器,所述光源阵列的上方设置有信号处理电路系统电路板,所述第一高灵敏光电探测器接入信号处理电路系统电路板,所述荧光激发与光探测外壳的中心设置有水槽且水槽内直接接触被测水样,所述荧光激发与光探测外壳内设置有下光学透镜组合、设置于下光学透镜组合前方的第二高灵敏光电探测器、设置于下光学透镜组合一侧的第一硅光子计数探测器和设置于下光学透镜组合另一侧的第二硅光子计数探测器,所述第一硅光子计数探测器、第二硅光子计数探测器和第二高灵敏光电探测器的输出电子信号连接线经过第二空心钛合金管进入到光源阵列及信号处理电路系统外壳中接入信号处理电路系统电路板,所述光源阵列及信号处理电路系统外壳上方固定连接承载传感器的载具,所述信号处理电路系统电路板通过防水接线端子连接承载传感器的载具。
本发明技术方案的进一步改进在于:所述光源阵列及信号处理电路系统外壳和荧光激发与光探测外壳均为钛合金材质。
本发明技术方案的进一步改进在于:所述上光学透镜组合包括依次设置于光源阵列下方水平放置的第一聚焦透镜和倾斜放置的比例反射镜,所述比例反射镜的侧边水平依次设置有竖直放置的第二聚焦透镜和第一高灵敏光电探测器。
本发明技术方案的进一步改进在于:所述下光学透镜组合包括与比例反射镜对称设置的全反射镜,所述全反射镜的侧边水平依次设置有竖直放置的入射光窗、宽带镀膜透镜和第二高灵敏光电探测器,所述入射光窗和宽带镀膜透镜分别设置于荧光激发与光探测外壳水槽壁的后侧和前侧,所述荧光激发与光探测外壳水槽壁的右侧和左侧分别设置有第一窄带镀膜透镜和第二窄带镀膜透镜,所述第一硅光子计数探测器设置于第一窄带镀膜透镜的侧边,所述第二硅光子计数探测器设置于第二窄带镀膜透镜的侧边。
本发明技术方案的进一步改进在于:所述光源阵列及信号处理电路系统外壳上方通过法兰固定连接承载传感器的载具。
本发明技术方案的进一步改进在于:一种海水浊度和CDOM含量原位在线测量方法,包括如下步骤:
步骤S1、光源阵列在电子驱动电路的控制下发出的光,经第一聚焦透镜后变成平行光到达比例反射镜,一部分光被反射后经过第二聚焦透镜后形成参考光,经第一高灵敏光电探测器进行光电转换作为信号处理系统过程中的剔除光源强度波动的参考;另外一部分光在第一空心钛合金管中传播后到达固定在荧光激发与光探测外壳中的全反射镜后,经过入射光窗进入被测水样;
步骤S2、进入被测水样的红外光会被部分吸收形成强度衰减了的透射光,同时测量入射的红外光强度和透射光强度,将得到的数据进行拟合,获得浊度信息;进入被测水样的至少两个不同波长的紫外光被部分吸收后形成强度衰减了的透射光的同时会激发被测水样中CDOM产生至少两种不同波长的荧光,被部分吸收的紫外光继续在被测水样中传播,经过宽带镀膜透镜后到达第二高灵敏光电探测器上进行光电转换,激发出的至少两种不同波长的荧光分别经过第一窄带镀膜透镜和第二窄带镀膜透镜到达第一硅光子计数探测器和第二硅光子计数探测器进行光电转换,紫外光的被吸收系数和激发荧光的强度反映水样的CDOM含量信息;
步骤S3、第一硅光子计数探测器和第二硅光子计数探测器和第二高灵敏光电探测器的输出电子信号连接线经过第二钛金属管进入到光源阵列及信号处理电路系统部分外壳中,接入信号处理电路系统电路板,完成参考光信息、吸收光谱信息和荧光光谱信息的综合处理和分析;
步骤S4、建立被测水样浊度和荧光光谱强度的线性模型,反向剔除浊度对荧光光谱的影响;
步骤S5、通过防水接线端子将信号处理电路系统电路板处理后的数据上传给承载传感器的载具并以数字形式输出。
由于采用了上述技术方案,本发明取得的技术进步是:
1、本发明中光路系统和信号处理系统被布置在钛合金外壳中,组成测量系统的光源阵列、各个镜组、高灵敏光电探测器、硅光子计数探测器和信号处理电路系统按照信号流转路线被精密地固定在恰当的位置上,同时充分考虑机械结构加工、部件组装的易操作性;
2、本发明根据海水浊度和CDOM对光吸收或产生荧光的特征光波长的特质差异,用由多个紫外发光管和红外发光管组成的多光源阵列作为测量系统的驱动光源,光源发出的光经过一系列光学透镜组合进入含有CDOM的被测水样后,光被部分吸收的同时会激发出特征波长与CDOM成分有关的荧光。为了提高检测的灵敏度和准确性,减小环境光干扰,避免多波长互相影响,用具有波长选择透过性的窄带镀膜透镜配合光子计数探测器实现激发荧光的探测,用宽带镀膜透镜配合高灵敏度光电探测器实现红外光吸收系数和紫外光吸收系数的探测,各个探测器的输出信号经信号处理电路系统电路板分析处理,最终获取海水浊度和CDOM含量信息,并将浊度信息用于CDOM测量的在线补偿。
附图说明
图1是本发明的光路系统工作原理图;
图2是本发明整体结构布置方法图;
其中,1、光源阵列,2、第一聚焦透镜,3、第一高灵敏光电探测器,4、第二聚焦透镜,5、比例反射镜,6、全反射镜,7、入射光窗,8、被测水样,9、第一窄带镀膜透镜,10、第一硅光子计数探测器,11、第二高灵敏光电探测器,12、宽带镀膜透镜,13、第二窄带镀膜透镜,14、第二硅光子计数探测器,15、第一空心钛合金管,16、荧光激发与光探测外壳,17、第二空心钛合金管,18、光源阵列及信号处理电路系统外壳,19、信号处理电路系统电路板,20、法兰,21、防水接线端子。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明:
如图1至图2所示,一种海水浊度和CDOM含量原位在线测量装置,包括光源阵列及信号处理电路系统外壳18,光源阵列及信号处理电路系统外壳18下方通过第一空心钛合金管15和第二空心钛合金管17连接有荧光激发与光探测外壳16,考虑海洋环境传感器的防水、防腐蚀需求,光源阵列及信号处理电路系统外壳18和荧光激发与光探测外壳16均为钛合金材质。
光源阵列及信号处理电路系统外壳18内设置有光源阵列1,光源阵列1包括一个红外发光管和至少两个不同波长的紫外发光管,光源阵列1的下方设置有上光学透镜组合,上光学透镜组合包括依次设置于光源阵列1下方水平放置的第一聚焦透镜2和倾斜放置的比例反射镜5,比例反射镜5的侧边水平依次设置有竖直放置的第二聚焦透镜4和第一高灵敏光电探测器3。光源阵列1的上方设置有信号处理电路系统电路板19,第一高灵敏光电探测器3接入信号处理电路系统电路板19。
荧光激发与光探测外壳16的中心设置有水槽且水槽内直接接触被测水样8,荧光激发与光探测外壳16内设置有下光学透镜组合,下光学透镜组合包括与比例反射镜5对称设置的全反射镜6,全反射镜6的侧边水平依次设置有竖直放置的入射光窗7、宽带镀膜透镜12和第二高灵敏光电探测器11,入射光窗7和宽带镀膜透镜12分别设置于荧光激发与光探测外壳16水槽壁的后侧和前侧,荧光激发与光探测外壳16水槽壁的右侧和左侧分别设置有第一窄带镀膜透镜9和第二窄带镀膜透镜13,第一硅光子计数探测器10设置于第一窄带镀膜透镜9的侧边,第二硅光子计数探测器14设置于第二窄带镀膜透镜13的侧边。
第一硅光子计数探测器10、第二硅光子计数探测器14和第二高灵敏光电探测器11的输出电子信号连接线经过第二空心钛合金管17进入到光源阵列及信号处理电路系统外壳18中接入信号处理电路系统电路板19,所述光源阵列及信号处理电路系统外壳18上方通过法兰20固定连接承载传感器的载具,所述信号处理电路系统电路板19通过防水接线端子21连接承载传感器的载具,本发明提供的海水浊度和CDOM含量原位在线测量装置小型低耗的,需要安装到承载传感器的载具上使用,承载传感器的载具同时提供电源和测量环境,承载传感器的载具可以为水质检测的无人船、潜艇或试验室搭建的搭建平台等。
一种海水浊度和CDOM含量原位在线测量方法,包括如下步骤:
步骤S1、光源阵列1在电子驱动电路的控制下发出的光,经第一聚焦透镜2后变成平行光到达比例反射镜5,一部分光被反射后经过第二聚焦透镜4后形成参考光,经第一高灵敏光电探测器3进行光电转换作为信号处理系统过程中的剔除光源强度波动的参考;另外一部分光在第一空心钛合金管15中传播后到达固定在荧光激发与光探测外壳(16)中的全反射镜6后,经过入射光窗7进入被测水样8;
步骤S2、进入被测水样的红外光会被部分吸收形成强度衰减了的透射光,同时测量入射的红外光强度和透射光强度,将得到的数据进行拟合,获得浊度信息;进入被测水样8的至少两个不同波长的紫外光被部分吸收后形成强度衰减了的透射光的同时会激发被测水样8中CDOM产生至少两种不同波长的荧光,被部分吸收的紫外光继续在被测水样8中传播,经过宽带镀膜透镜12后到达第二高灵敏光电探测器11上进行光电转换,激发出的至少两种不同波长的荧光分别经过第一窄带镀膜透镜9和第二窄带镀膜透镜13到达第一硅光子计数探测器10和第二硅光子计数探测器14进行光电转换,紫外光的被吸收系数和激发荧光的强度反映水样的CDOM含量信息。
当入射光通过被测水样8,由于被测水样8中悬浮的固体和杂质的吸收和散射作用,使穿过被测水样8的透射光强度减弱,根据Lambert-Beer定律:
C=A/KL
其中C为吸光物质浓度;A为吸光度;K为吸收系数;L为吸收层厚度。
激发荧光的强度和CDOM含量正相关,根据荧光量子产率和荧光强度建立模型获得CDOM含量,
其中yf为荧光量子产率;kf为发射荧光的速率常数;ki为非辐射跃迁过程的速率常数。
步骤S3、第一硅光子计数探测器10和第二硅光子计数探测器14和第二高灵敏光电探测器11的输出电子信号连接线经过第二钛金属管17进入到光源阵列及信号处理电路系统部分外壳18中,接入信号处理电路系统电路板19,完成参考光信息、吸收光谱信息和荧光光谱信息的综合处理和分析;
步骤S4、建立被测水样8浊度和荧光光谱强度的线性模型,反向剔除浊度对荧光光谱的影响;
步骤S5、通过防水接线端子21将信号处理电路系统电路板19处理后的数据上传给承载传感器的载具并以数字形式输出。
实施例1
光源阵列1由一个红外发光管和两个不同波长的紫外发光管组成,红外发光管的中心波长为780nm,两个紫外发光管的中心波长分别为275nm和370nm。其中275nm(对应水中溶解有机物主体成分为色氨酸)和370nm(对应水中溶解有机物成分主体为腐殖质)用来激发水样中CDOM产生荧光,780nm用来进行浊度测量。光源阵列1在电子驱动电路的控制下发出的光(各个发光管可以时分复用或者频分复用),经第一聚焦透镜2后变成平行光到达比例反射镜5。一部分光被反射后经过第二聚焦透镜4后形成参考光,经第一高灵敏光电探测器3进行光电转换作为信号处理系统过程中的剔除光源强度波动的参考;另外一部分光在第一空心钛合金管15中传播后到达固定在荧光激发与光探测外壳16中的全反射镜6后,经过入射光窗7进入被测水样8。进入被测水样的紫外光(275nm,370nm)一方面会被水样中的CDOM吸收,另一方面会在水样中激发出荧光(275nm光源激发出的荧光中心波长为340nm,370nm光源激发出的荧光中心波长为460nm),被部分吸收的紫外光继续在被测水样8中传播经过宽带镀膜透镜12后到达第二高灵敏光电探测器11上进行光电转换,激发出的荧光分别经过第一窄带镀膜透镜9和第二窄带镀膜透镜13到达硅光子计数探测器第一硅光子计数探测器10和第二硅光子计数探测器14进行光电转换,第一窄带镀膜透镜9和第二窄带镀膜透镜13分别以340nm和460nm为中心透过波长。第一硅光子计数探测器10和第二硅光子计数探测器14和第二高灵敏光电探测器11的输出电子信号连接线经过第二空心钛合金管17进入到光源阵列及信号处理电路系统外壳18中,接入信号处理电路系统电路板19,完成参考光信息、吸收光谱信息和荧光光谱信息的综合处理和分析,实现最终的被测水样浊度和CDOM同时测量,并用浊度信息对CDOM的测量结果进行补偿,剔除干扰以提高CDOM的测量精度。最后,本发明的海水浊度和CDOM含量原位在线测量装置主体通过法兰20固定在应用过程中承载传感器的载具上,并通过防水接线端子21提供数字形式的数据输出。在上述描述中,用于测量浊度的780nm光源发出的光其光路流转路径与被部分吸收的紫外光的光路流转路径相同。
本发明用1个红外光源和2个(或多个)不同波长紫外光源组成光源阵列,各个光源的位置和角度经过精确调整后中心发射点聚于透镜的焦点处,光源阵列发出的光经透镜变成平行光,再经过比例反射镜分成参考光和激发光两路(反射部分是参考光,透射部分是激发光)。参考光经透镜汇聚后由光电探测器进行光电转换,作为信号处理系统中补偿光源强度波动的参考。激发光再次经过反射镜到达入射光窗后进入待测水样,进入待测水样中的激发光一方面会被部分吸收,另一方面会激发水样中的CDOM产生波长与CDOM成分相关的荧光。被部分吸收的激发光继续传播后经过光窗透镜由高灵敏度光电探测器进行探测。在待测水样中激发产生的荧光经过窄带镀膜透镜后由硅光子计数探测器进行微弱荧光信号探测。根据CDOM的荧光特性可知,不同紫外激发波长会激发出不同中心波长的荧光,为了有效抑制干扰光和其它波长荧光进入探测器、提高微弱荧光信号的信噪比,本发明针对每一个激发荧光中心波长设置了一个单独的硅光子计数探测器,并在每个硅光子计数探测器对应的光窗透镜上进行了对应特定荧光中心波长的窄带镀膜,使得每个硅光子计数探测器精确对应特定的荧光波长,从而有效抑制非特征荧光波长以外的其它光干扰,大幅提升传感器的检出限和测量精度。上述提及的参考光探测器、透射光探测器和硅光子计数探测器的输出信号经信号处理电路系统电路板的处理分析,实现被测水样浊度和CDOM含量的实时测量,并在算法上将浊度信息用于补偿CDOM的测量结果,剔除水样浊度对CDOM测量精度的影响。上述光路系统和信号处理系统被布置在钛合金外壳中,组成测量系统的光源阵列、各个镜组、高灵敏光电探测器、硅光子计数探测器和信号处理电路系统按照信号流转路线被精密地固定在恰当的位置上,同时充分考虑机械结构加工、部件组装的易操作性。
Claims (6)
1.一种海水浊度和CDOM含量原位在线测量装置,其特征在于:包括光源阵列及信号处理电路系统外壳(18),所述光源阵列及信号处理电路系统外壳(18)下方通过第一空心钛合金管(15)和第二空心钛合金管(17)连接有荧光激发与光探测外壳(16),所述光源阵列及信号处理电路系统外壳(18)内设置有光源阵列(1),所述光源阵列(1)包括一个红外发光管和至少两个不同波长的紫外发光管,所述光源阵列(1)的下方设置有上光学透镜组合且上光学透镜组合侧边设置有第一高灵敏光电探测器(3),所述光源阵列(1)的上方设置有信号处理电路系统电路板(19),所述第一高灵敏光电探测器(3)接入信号处理电路系统电路板(19),所述荧光激发与光探测外壳(16)的中心设置有水槽且水槽内直接接触被测水样(8),所述荧光激发与光探测外壳(16)内设置有下光学透镜组合、设置于下光学透镜组合前方的第二高灵敏光电探测器(11)、设置于下光学透镜组合一侧的第一硅光子计数探测器(10)和设置于下光学透镜组合另一侧的第二硅光子计数探测器(14),所述第一硅光子计数探测器(10)、第二硅光子计数探测器(14)和第二高灵敏光电探测器(11)的输出电子信号连接线经过第二空心钛合金管(17)进入到光源阵列及信号处理电路系统外壳(18)中接入信号处理电路系统电路板(19),所述光源阵列及信号处理电路系统外壳(18)上方固定连接承载传感器的载具,所述信号处理电路系统电路板(19)通过防水接线端子(21)连接承载传感器的载具。
2.根据权利要求1所述的一种海水浊度和CDOM含量原位在线测量装置,其特征在于:所述光源阵列及信号处理电路系统外壳(18)和荧光激发与光探测外壳(16)均为钛合金材质。
3.根据权利要求1所述的一种海水浊度和CDOM含量原位在线测量装置,其特征在于:所述上光学透镜组合包括依次设置于光源阵列(1)下方水平放置的第一聚焦透镜(2)和倾斜放置的比例反射镜(5),所述比例反射镜(5)的侧边水平依次设置有竖直放置的第二聚焦透镜(4)和第一高灵敏光电探测器(3)。
4.根据权利要求1所述的一种海水浊度和CDOM含量原位在线测量装置,其特征在于:所述下光学透镜组合包括与比例反射镜(5)对称设置的全反射镜(6),所述全反射镜(6)的侧边水平依次设置有竖直放置的入射光窗(7)、宽带镀膜透镜(12)和第二高灵敏光电探测器(11),所述入射光窗(7)和宽带镀膜透镜(12)分别设置于荧光激发与光探测外壳(16)水槽壁的后侧和前侧,所述荧光激发与光探测外壳(16)水槽壁的右侧和左侧分别设置有第一窄带镀膜透镜(9)和第二窄带镀膜透镜(13),所述第一硅光子计数探测器(10)设置于第一窄带镀膜透镜(9)的侧边,所述第二硅光子计数探测器(14)设置于第二窄带镀膜透镜(13)的侧边。
5.根据权利要求1所述的一种海水浊度和CDOM含量原位在线测量装置,其特征在于:所述光源阵列及信号处理电路系统外壳(18)上方通过法兰(20)固定连接承载传感器的载具。
6.一种海水浊度和CDOM含量原位在线测量方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤S1、光源阵列(1)在电子驱动电路的控制下发出的光,经第一聚焦透镜(2)后变成平行光到达比例反射镜(5),一部分光被反射后经过第二聚焦透镜(4)后形成参考光,经第一高灵敏光电探测器(3)进行光电转换作为信号处理系统过程中的剔除光源强度波动的参考;另外一部分光在第一空心钛合金管(15)中传播后到达固定在荧光激发与光探测外壳(16)中的全反射镜(6)后,经过入射光窗(7)进入被测水样(8);
步骤S2、进入被测水样的红外光会被部分吸收形成强度衰减了的透射光,同时测量入射的红外光强度和透射光强度,将得到的数据进行拟合,获得浊度信息;进入被测水样(8)的至少两个不同波长的紫外光被部分吸收后形成强度衰减了的透射光的同时会激发被测水样(8)中CDOM产生至少两种不同波长的荧光,被部分吸收的紫外光继续在被测水样(8)中传播,经过宽带镀膜透镜(12)后到达第二高灵敏光电探测器(11)上进行光电转换,激发出的至少两种不同波长的荧光分别经过第一窄带镀膜透镜(9)和第二窄带镀膜透镜(13)到达第一硅光子计数探测器(10)和第二硅光子计数探测器(14)进行光电转换,紫外光的被吸收系数和激发荧光的强度反映水样的CDOM含量信息;
步骤S3、第一硅光子计数探测器(10)和第二硅光子计数探测器(14)和第二高灵敏光电探测器(11)的输出电子信号连接线经过第二钛金属管(17)进入到光源阵列及信号处理电路系统部分外壳(18)中,接入信号处理电路系统电路板(19),完成参考光信息、吸收光谱信息和荧光光谱信息的综合处理和分析;
步骤S4、建立被测水样(8)浊度和荧光光谱强度的线性模型,反向剔除浊度对荧光光谱的影响;
步骤S5、通过防水接线端子(21) 将信号处理电路系统电路板(19)处理后的数据上传给承载传感器的载具并以数字形式输出。
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CN116930141A (zh) * | 2023-09-13 | 2023-10-24 | 国家海洋技术中心 | 紫外荧光分析法的cdom深海传感器 |
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