CN117347338A - 三维荧光水质检测仪、方法、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水质检测技术领域，提供了三维荧光水质检测仪、方法、设备及存储介质，其中，三维荧光水质检测仪，包括：外壳；激发光源模块，用于向待测水样发射激发光束以激发待测水样产生荧光信号；检测部件，用于接收荧光信号，得到待测水样的三维荧光信号，将三维荧光信号传输至处理器；处理器，用于对三维荧光信号进行分析，得到待测水样的水质检测结果信息。该三维荧光水质检测仪相对于传统的水质检测设备不仅具有小型化、便携式的优点，还能够实现对水质基于三维荧光谱进行显存准确的检测，简化了水质的检测过程以及提高了检查的准确性。

Description

三维荧光水质检测仪、方法、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及水质检测技术领域，尤其涉及一种三维荧光水质检测仪、方法、设备及存储介质。

背景技术

随着社会的发展和城市化进程的加快，人类活动对于水资源的影响加深，水污染事件时有发生，水质安全越来越受到人们的重视。

光谱法是近年来发展起来的新技术，具有快速、方便、无污染、无需添加化学试剂等诸多优点，已经广泛应用于水质检测中。光谱法主要是基于光谱分析实现对水体中溶解性有色有机物(即有紫外吸收或有荧光反应的溶解性有机物)进行检测、分析和综合判别，探寻不同于常规的基于化学分析的检测方法。但是目前大多针对水质检测的光谱为二维扫描得到的紫外荧光光谱，其采集的信息来自于单个波长处的吸光度或者荧光值，单一光谱反映的有机污染物结构信息有限制，部分有机污染物在单一光谱中的响应相似，区分难度大，区分效果差，所以容易受到原水水质正常波动的影响，在检测过程中可能会出现较多的误报。因此，需要开发更有效的特征提取方式以及引入新的检测手段，以提高水体有机污染物的识别效果仍是亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请实施例提供了一种三维荧光水质检测仪、方法、设备及存储介质，通过小型化、便携式的三维荧光水质检测仪，能够实现对水质基于三维荧光谱进行现场准确的检测。

第一方面，本申请实施例提供一种三维荧光水质检测仪，包括：

外壳；

激发光源模块，用于向待测水样发射激发光束以激发待测水样产生荧光信号；

检测部件，用于接收荧光信号，得到待测水样的三维荧光信号，将三维荧光信号传输至处理器；

处理器，用于对三维荧光信号进行分析，得到待测水样的水质检测结果信息。

在一实施例中，激发光源模块包括LED灯板、多个LED灯珠和信号收集窗口；三维荧光水质检测仪还包括准直透镜；

多个LED灯珠设置于LED灯板上，用于向待测水样发射激发光束以激发待测水样产生荧光信号；

信号收集窗口位于LED灯板的中心位置，用于聚集待测水样反射回的荧光信号，使荧光信号经过准直球面镜后调整传播方向，入射至检测部件。

在一实施例中，信号收集窗口为允许荧光信号进入三维荧光水质检测仪内部的透明窗口。

在一实施例中，检测部件包括滤光片组合阵列和光调制模组；

滤光片组合阵列卡接在光调制模组上，用于使穿过检测部件的多个预设波长的荧光信号传输至光调制模组；

光调制模组，用于调制多个预设波长的荧光信号，将调制后的荧光信号传输至处理器。

在一实施例中，滤光片组合阵列包括多个不同预设波长滤光片。

在一实施例中，三维荧光水质检测仪还包括触控操作屏，处理器内置在触控操作屏内；

触控操作屏，用于供用户进行参数设置以及对三维荧光水质检测仪进行操作。

第二方面，本申请实施例提供一种三维荧光水质检测方法，应用于第一方面提供的三维荧光水质检测仪，该方法包括：

响应于控制指令，控制激发光源模块向待测水样发射激发光束以激发待测水样产生荧光信号；

接收检测部件基于荧光信号得到的待测水样的三维荧光信号，对三维荧光信号进行分析，得到待测水样的水质检测结果信息。

在一实施例中，对三维荧光信号进行分析，得到待测水样的水质检测结果信息，包括：

基于三维荧光信号，生成待测水样的三维荧光光谱图；

响应于分析指令，基于主成分分析算法对三维荧光光谱图进行分析，得到待测水样的三维荧光光谱图。

本申请第三方面提供一种三维荧光水质检测设备，该三维荧光水质检测设备，包括：存储器和处理器；存储器用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序并在执行计算机程序时，实现如上第二方面所述的三维荧光水质检测检测方法。

本申请第四方面提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序；该计算机程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行如上第二方面所述的三维荧光水质检测方法。

本申请实施例提供了三维荧光水质检测仪、方法、设备及存储介质，其中，三维荧光水质检测仪，包括：外壳；激发光源模块，用于向待测水样发射激发光束以激发待测水样产生荧光信号；检测部件，用于接收荧光信号，得到待测水样的三维荧光信号，将三维荧光信号传输至处理器；处理器，用于对三维荧光信号进行分析，得到待测水样的水质检测结果信息。该三维荧光水质检测仪相对于传统的水质检测设备不仅具有小型化、便携式的优点，还能够实现对水质基于三维荧光谱进行显存准确的检测，简化了水质的检测过程以及提高了检查的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例提供的三维荧光水质检测仪的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的激发光源模块的示意图；

图3为本申请另一实施例提供的三维荧光水质检测仪的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的检测部件的示意图；

图5为本申请另一实施例提供的三维荧光水质检测仪的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的三维荧光水质检测方法的流程示意图；

图7为本申请实施例提供的三维荧光水质检测设备的示意性框图。

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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

附图中所示的流程图仅是示例说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解、组合或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在说明本申请提供的技术方案之前，需要说明的是，在水质检测领域，相较于普通的二维扫描，三维荧光光谱提供了更加细致丰富的荧光信息，它可以在激发波长和发射波长都在变化的条件下，获得所扫描物质的荧光强度信息，并且具有更高的灵敏度，在水质检测方面具有巨大的潜力。

以下将结合附图对本申请提供的技术方案进行详细的说明。

请参阅图1，图1为本申请一实施例提供的三维荧光水质检测仪的结构示意图。

由图1可知，本实施例提供的三维荧光水质检测仪10包括：外壳101、激发光源模块102、检测部件103和处理器104。

其中，外壳101是为保护三维荧光水质检测仪内部元件免受外部环境和条件的不利影响而设计的，其所具有的特性可以根据具体的应用需求和测试环境来选择和定制。外壳101的设计需要不影响三维荧光水质检测仪的稳定性、可靠性和安全性。具体地，外壳101可以是金属外壳或者塑料外壳，外壳101具有防水、防尘、防晒以及抗化学腐蚀等功能。具体地，本申请实施例对外壳101的材质不做具体限定。

激发光源模块102，用于向待测水样发射激发光束以激发待测水样产生荧光信号。检测部件103，用于接收待测水样产生的荧光信号，得到待测水样的三维荧光信号，将三维荧光信号传输至处理器104。处理器104，用于对检测部件103传输的三维荧光信号进行分析，得到待测水样的水质检测结果信息。

在本申请的实施例中，如图2所示，图2为本申请实施例提供的激发光源模块的示意图。由图2可知，激发光源模块102包括LED灯板1021、多个LED灯珠1022和信号收集窗口1023。其中，多个LED灯珠1022设置于LED灯板1021上，用于向待测水样发射激发光束以激发待测水样产生荧光信号。信号收集窗口1023位于LED灯板1021的中心位置，用于聚集待测水样反射回的荧光信号，使荧光信号经过准直球面镜后调整传播方向，入射至检测部件103。

具体地，LED灯板1021承载了多个LED灯珠1022。由于不同的污染物通常对不同波长的激发光束具有不同的相应，通过使用多个LED灯珠1022，可以实现多波长的激发，从而扩展了对水质检测的应用范围。例如，对于胡泊、海洋、河流、地下水或者雨水等，由于各自对应包含的污染物可能不同，对应需要的激发光源的波长不同，对应产生的荧光信号的组分也不同。具体地，荧光信号的组成对应用于表征污染物的物质性质，如激发光束的波长为276nm，发射波长为302nm，则对应激发待测水样产生的荧光信号为酪氨酸类荧光信号，该荧光信号为沥青路面径流污染物的主要成分。激发光束的波长对应在254nm至291nm之间，发射波长为338nm，则对应激发待测水样产生的荧光信号为色氨酸类荧光信号，该荧光信号为沥青路面径流污染物的第二大成分等。本申请实施例通过设置多个LED灯珠，使得允许同时测量多个参数，提高了三维荧光水质检测仪的检测功能和效率。

信号收集窗口1023为允许荧光信号进入三维荧光水质检测仪101内部的透明窗口。其位于LED灯板1021的中心位置，主要功能是聚集待测水样反射回的荧光信号，并将其引导至检测部件103。信号收集窗口1023的设计使其能够有效捕捉和聚焦荧光信号，从而提高了检测的灵敏度。此外，信号收集窗口1023后设置有准直透镜，有助于调整荧光信号的传播方向，以确保荧光信号能够精确地入射至检测部件103，提高了检测的精度。

具体地，如图3所示，三维荧光水质检测仪还包括准直透镜105。该准直透镜105可以是准直球面镜，设置在信号收集窗口1023的背部，有助于调整荧光信号的传播方向。在具体实施时，信号收集窗口1023通常采用高质量的光学材料制成，以确保最小的光损失，有助于保持信号的强度和质量。

如图4所示，图4为本申请实施例提供的检测部件的示意图。由图4可知，检测部件103包括滤光片组合阵列1031和光调制模组1032。其中，滤光片组合阵列1031卡接在光调制模组1032上，用于使穿过检测部件103的多个预设波长的荧光信号传输至光调制模组1032；光调制模组1032，用于调制多个预设波长的荧光信号，将调制后的荧光信号传输至处理器104。

具体地，通过将滤光片组合阵列1031安装在检测部件上，用于选择多个预设波长的荧光信号，将这些荧光信号传输至光调制模组1032。由于不同的水质参数通常在不同波长下具有对应最佳的荧光响应。滤光片组合阵列1031包括多个不同预设波长的滤光片，允许用户选择并切换不同波长的滤光片，以满足不同分析需求。滤光片可以根据荧光信号的特性进行优化，减少背景噪音和杂散光的干扰，提高信号质量。本申请实施例通过使用多个滤光片，可以同时检测水质参数对多个波长的不同荧光响应，实现了多参数分析，以提高水质检测的全面性。

光调制模组1032位于滤光片组合阵列之后，用于对多个预设波长的荧光信号进行调制，将调制后的荧光信号传输至处理器104。具体地，光调制模组1032可以调制荧光信号，将其变成特定频率的调制信号，有助于提高信噪比和抑制背景光的干扰。光调制模组1032还可以放大信号，增强检测的灵敏度和可检测性，有助于保持信号的稳定性，减少光源强度波动。

处理器104，用于对检测部件103传输的三维荧光信号进行分析，得到待测水样的水质检测结果信息。

通过上述分析可知，本申请实施例提供的三维荧光水质检测仪，包括：外壳；激发光源模块，用于向待测水样发射激发光束以激发待测水样产生荧光信号；检测部件，用于接收荧光信号，得到待测水样的三维荧光信号，将三维荧光信号传输至处理器；处理器，用于对三维荧光信号进行分析，得到待测水样的水质检测结果信息。该三维荧光水质检测仪相对于传统的水质检测设备不仅具有小型化、便携式的优点，还能够实现对水质基于三维荧光谱进行显存准确的检测，简化了水质的检测过程以及提高了检查的准确性。

在具体实施时，如图5所示，图5为本申请另一实施例提供的三维荧光水质检测仪的结构示意图。该三维荧光水质检测仪10还包括触控操作屏106。处理器104可以内置于触控操作屏内，形成触控一体式装置，以满足水质检测的小型化、便携式需求，能够适用于水质的现场测试。

具体地，触控操作屏106，可以用于供用户进行参数设置以及对三维荧光水质检测仪进行操作。例如，用户可以通过触控操作屏106进行参数设置，调节LED灯珠的曝光参数，设置LED灯珠的强度和波长，调节信号接收参数，以及信号采集时间和采集次数等。此外，用户还可以通过触控操作屏106进行检测窗口校准，使得激发光源模块102对准待测水样等。该触控操作屏106可以提供直观的用户界面，用户可以通过触控屏进行操作和输入，减少了三维荧光水质检测仪的体积，具有更轻便以及易于携带的优点。

通过上述分析可知，本申请实施例提供的三维荧光水质检测仪，通过激发光源模块、检测部件以及处理器之间的协同作用，能够对多个预设波长的荧光信号进行选择、调制和传输，从而实现对不同水质参数的同时分析和监测。有助于提高水质检测的准确性、灵敏度和全面性。此外，通过设置触控操作屏与处理器一体化，使得水质检测仪具有小型化和易携带的特点，使得水质检测可以现场进行。

请参阅图6所示，图6为本申请实施例提供的三维荧光水质检测方法的流程示意图。如图6所示，该三维荧光水质检测方法由图1至图5所示的三维荧光水质检测仪执行完成。具体地，该三维荧光水质检测方法的流程包括步骤S601至步骤S602。详述如下：

S601：响应于控制指令，控制激发光源模块向待测水样发射激发光束以激发待测水样产生荧光信号。

具体地，在需要对待测水样，如海水、湖水或者地下水进行水质检测时，用户可以通过预设按钮点击触发控制指令。该预设按钮可以设置在触控操作屏上，以方便用户点击，也可以设置在其它预设位置。

用户在点击触发控制指令前，还可以首先进行参数设置，例如调节LED曝光参数来设置光束强度和波长、调节信号接收参数来设置采集时间和采集次数。进行参数调整后点击动态暗背景校正，具体将三维荧光水质检测仪的检测窗口对准待检测水样，进行动态暗背景校正。

用户在点击触发控制指令后，处理器响应预设时长如3秒后，发出控制指令，控制激发光源模块的多个LED灯珠点亮，向待测水样发射激发光束以激发待测水样产生荧光信号。

S602：接收检测部件基于荧光信号得到的待测水样的三维荧光信号，对三维荧光信号进行分析，得到待测水样的水质检测结果信息。

其中，对三维荧光信号进行分析，得到待测水样的水质检测结果信息，包括：基于三维荧光信号，生成待测水样的三维荧光光谱图；响应于分析指令，基于主成分分析算法对三维荧光光谱图进行分析，得到待测水样的三维荧光光谱图。

具体地，三维荧光光谱图中存储有荧光强度、发射波长和激发波长，处理器基于主成分分析算法对荧光强度、发射波长和激发波长进行分析，得到待测水样中不同污染物质的含量等级。也就是说，待测水样的水质检测结果信息包括不同污染物质的含量等级。

其中，处理器基于主成分分析算法对荧光强度、发射波长和激发波长进行分析，得到待测水样中不同污染物质的含量等级，包括：将荧光强度、发射波长和激发波长进行处理，得到具有相同预设度量尺度的标准数据；计算标准数据的协方差矩阵，对协方差矩阵进行特征值分解，得到特征向量；对特征向量按照预设顺序进行排列(如降序排列或者升序排列等)，从特征向量中按照预设顺序提取出预设数量的特征值；基于预先确定的主成分模型分析对提取的特征值进行分析，得到待测水样中不同污染物质的含量等级。

其中，将荧光强度、发射波长和激发波长进行标准化以及协方差矩阵计算的过程，旨在找到荧光强度、发射波长和激发波长的主要变化方向。具体地，以协方差矩阵中荧光强度、发射波长和激发波长分别对应的特征向量表示各自的变化方向，而特征向量中对应的特征值表示对应数据在这些方向上的变化程度，根据它们在主要变化方向的变化程度提取到起主要影响作用的数据。

预先确定的主成分分析模型为基于已知预设污染物含量等级的水样数据训练得到，对应可以是线性模型如多元线性回归模型，也可以是其他机器学习模型，该主成分分析模型能够对预设污染物和原始特征如荧光强度、发射波长和激发波长之间的关联关系进行分析，预测得到对应不同污染物的含量等级。

此外，在得到对应污染物的含量等级之后，可以将该对应污染物的含量等级存储在可读取的存储介质中，如光盘或者硬盘中，或者可以直接在触控操作屏上进行显示。

通过上述分析可知，本申请实施例提供的三维荧光水质检测方法，通过响应于控制指令，控制激发光源模块向待测水样发射激发光束以激发待测水样产生荧光信号；接收检测部件基于所述荧光信号得到的待测水样的三维荧光信号，对三维荧光信号进行分析，得到待测水样的水质检测结果信息。通过在处理荧光数据的过程中引入主成分分析算法，不仅可以帮助提取到有用的信息，降低数据处理的复杂性，提高分析效率，还能保证分析的准确性。

请参阅图7所示，图7为本申请实施例提供的三维荧光水质检测设备的示意性框图。该三维荧光水质检测设备70不仅包括如图1所示的外壳101、激发光源模块102、检测部件103、处理器104，还包括存储器701。其中，外壳101、激发光源模块102以及检测部件103在图7中未示出，图7仅示出了与处理器104相关联的存储器701。

示例性的，处理器104和存储器701通过总线702连接，总线702比如为I2C(Inter-integrated Circuit)总线。处理器104和存储器701可以集成在触控操作屏内，形成一体化设备。

具体地，处理器104可以是微控制单元(Micro-controller Unit，MCU)、中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)或数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)等。

具体地，存储器701可以是Flash芯片、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)磁盘、光盘、U盘或移动硬盘等。

其中，处理器104用于运行存储在存储器701中的计算机程序，并在执行计算机程序时实现上述三维荧光水质检测方法的步骤。

示例性的，处理器104用于运行存储在存储器701中的计算机程序，并在执行计算机程序时实现如下步骤：

响应于控制指令，控制激发光源模块向待测水样发射激发光束以激发待测水样产生荧光信号；

接收检测部件基于荧光信号得到的待测水样的三维荧光信号，对三维荧光信号进行分析，得到待测水样的水质检测结果信息。

在一实施例中，对三维荧光信号进行分析，得到待测水样的水质检测结果信息，包括：

基于三维荧光信号，生成待测水样的三维荧光光谱图；

响应于分析指令，基于主成分分析算法对三维荧光光谱图进行分析，得到待测水样的三维荧光光谱图。

此外，本申请还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序；该计算机程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行三维荧光水质检测方法的步骤。

其中，计算机可读存储介质可以是三维荧光水质检测设备的内部存储单元，例如三维荧光水质检测设备的硬盘或内存。计算机可读存储介质也可以是三维荧光水质检测设备的外部存储设备，例如三维荧光水质物质检测设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。

应当理解，在此本申请中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。

还应当理解，在本申请和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种三维荧光水质检测仪，其特征在于，包括：

外壳；

激发光源模块，用于向待测水样发射激发光束以激发待测水样产生荧光信号；

检测部件，用于接收所述荧光信号，得到所述待测水样的三维荧光信号，将所述三维荧光信号传输至处理器；

所述处理器，用于对所述三维荧光信号进行分析，得到所述待测水样的水质检测结果信息。

2.根据权利要求1所述的三维荧光水质检测仪，其特征在于，所述激发光源模块包括LED灯板、多个LED灯珠和信号收集窗口；所述三维荧光水质检测仪还包括准直透镜；

所述多个LED灯珠设置于所述LED灯板上，用于向待测水样发射所述激发光束以激发所述待测水样产生荧光信号；

所述信号收集窗口位于所述LED灯板的中心位置，用于聚集所述待测水样反射回的所述荧光信号，使所述荧光信号经过所述准直球面镜后调整传播方向，入射至所述检测部件。

3.根据权利要求2所述的三维荧光水质检测仪，其特征在于，所述信号收集窗口为允许所述荧光信号进入所述三维荧光水质检测仪内部的透明窗口。

4.根据权利要求1至3任一项所述的三维荧光水质检测仪，其特征在于，所述检测部件包括滤光片组合阵列和光调制模组；

所述滤光片组合阵列卡接在所述光调制模组上，用于使穿过所述检测部件的多个预设波长的荧光信号传输至所述光调制模组；

所述光调制模组，用于调制所述多个预设波长的荧光信号，将调制后的所述荧光信号传输至所述处理器。

5.根据权利要求4所述的三维荧光水质检测仪，其特征在于，所述滤光片组合阵列包括多个不同预设波长滤光片。

6.根据权利要求4所述的三维荧光水质检测仪，其特征在于，所述三维荧光水质检测仪还包括触控操作屏，所述处理器内置在所述触控操作屏内；

所述触控操作屏，用于供用户进行参数设置以及对所述三维荧光水质检测仪进行操作。

7.一种三维荧光水质检测方法，其特征在于，应用于权利要求1至6任一项所述的三维荧光水质检测仪，所述方法包括：

响应于控制指令，控制激发光源模块向待测水样发射激发光束以激发待测水样产生荧光信号；

接收检测部件基于所述荧光信号得到的所述待测水样的三维荧光信号，对所述三维荧光信号进行分析，得到所述待测水样的水质检测结果信息。

8.根据权利要求7所述的三维荧光水质检测方法，其特征在于，所述对所述三维荧光信号进行分析，得到所述待测水样的水质检测结果信息，包括：

基于所述三维荧光信号，生成所述待测水样的三维荧光光谱图；

响应于分析指令，基于主成分分析算法对所述三维荧光光谱图进行分析，得到所述待测水样的三维荧光光谱图。

9.一种三维荧光水质检测设备，其特征在于，所述三维荧光水质检测检测设备，包括：

存储器和处理器；

所述存储器用于存储计算机程序；

所述处理器，用于执行所述计算机程序并在执行所述计算机程序时，实现如权利要求7至8中任一项所述的三维荧光水质检测方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序；

所述计算机程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行如权利要求7至8中任一项所述的三维荧光水质检测方法。