CN210571971U - 一种用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统和水环境污染监测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统，包括光学发射系统和光学探测系统；光学探测系统包括望远镜、滤光片、反射镜、光谱仪、信号控制采集板，望远镜内设有透镜，沿着反射光的传播方向，望远镜的光入口、透镜、滤光片、反射镜、光谱仪依次设置，采集荧光信号和拉曼信号的光谱仪与信号控制采集板相接；光学发射系统包括激光光源、准直镜头、可旋转底座，准直镜头安装在激光光源的光出口处，激光光源通过可旋转底座与光学探测系统相接，调整望远镜与激光光源轴向之间的夹角。还涉及水环境污染监测装置。本实用新型结构简单、成本低廉、操作简单、功耗低、重量轻、体积小，属于水环境污染监测技术领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及水环境污染监测技术，具体涉及一种用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统，还涉及搭载了便携式激光拉曼荧光计系统的水环境污染监测装置。
背景技术
水环境是地球生态系统不可缺少的部分，水作为人类的生命之源，在近些年社会快速的经济发展中也成为了严重污染的对象。例如，普通生活垃圾(尤其是塑料)、经过城市污染的废水、工业工厂排放含有毒化学品的废水、货运油轮漏油带来的污染。所有的这些污染物被排放进自然水域中，将对水生生态环境带来不可逆转的影响，例如蓝藻爆发、油污、水质污染等灾害。有害物质将无声无息地进入人类的食物链，最终严重影响人类的身体健康。
目前针对水环境污染监测主要采取人工采样、实验室分析的方式进行，该方法虽然可以精准探测水体组分，但无法实现大面积、快速高效扫描的污染预警。并且这种方法费时费力，实验条件苛刻，成本较高，不适合大范围实时监测。对水体污染的环境监测滞后，无法及时对水体环境污染情况进行预估。
实用新型内容
针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是：提供一种用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统，利用激光诱导荧光技术和激光拉曼技术对水中的污染物进行实时快速的监测。
本实用新型的另一个目的是：提供一种水环境污染监测装置，对大范围水环境进行实时快速的监测。
为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统，包括光学发射系统和光学探测系统；光学探测系统包括望远镜、滤光片、反射镜、光谱仪、信号控制采集板，望远镜的光入口朝下，望远镜内设有透镜，沿着反射光的传播方向，望远镜的光入口、透镜、滤光片、反射镜、光谱仪依次设置，采集荧光信号和拉曼信号的光谱仪与信号控制采集板相接；光学发射系统包括激光光源、准直镜头、可旋转底座，激光光源的光出口朝下，准直镜头安装在激光光源的光出口处，激光光源通过可旋转底座与光学探测系统相接从而调整望远镜轴向与激光光源轴向之间的夹角。采用这种结构后，将光学探测系统与光学发射系统组合使用，利用探测到的激光诱导荧光光谱以及激光拉曼光谱可以对目标水域进行污染情况检测。光学探测系统与光学发射系统采用离轴探测方式，并且垂直向下进行探测，避免其他环境光探测结果产生影响。激光光源的摆角通过可旋转底座进行微调。
作为一种优选，光学探测系统还包括第一镜筒、第二镜筒、光路折转盒；反射镜位于光路折转盒内；望远镜、第一镜筒、光路折转盒在竖直方向上依次相接，光路折转盒、第二镜筒、光谱仪在水平方向上依次相接；可旋转底座安装在第一镜筒上。采用这种结构后，光学探测系统采用折转光路，从而进一步减小这个系统的体积。
作为一种优选，望远镜为可调节焦距的大口径望远镜，透镜采用50mm，焦距为200mm的双胶合透镜。采用这种结构后，通过旋转望远镜的镜筒达到调节焦距目的，可实现2m到15m的探测范围。
作为一种优选，滤光片为420nm的长通滤光片。
作为一种优选，光谱仪为可见光波段300nm至1000nm的紧凑型光谱仪；光谱仪与信号控制采集板通过USB连接进行数据传输。
作为一种优选，激光光源为功率1.5W的412nm蓝光半导体激光器。采用这种结构后，高功率保证了微弱荧光以及拉曼信号的激发效果；波长为412nm的波段的选择，实现了水中叶绿素，可溶解有机物荧光效率最大化，此外，波长为412nm的波段选择也避免了水的吸收、达到高效的探测光穿透深度并且降低了成本。
作为一种优选，准直镜头为25mm焦距可对焦镜头。采用这种结构后，可实现0.3m至无限远的距离对焦。
作为一种优选，第一镜筒、第二镜筒、光路折转盒均采用铝制机身，内侧均设有黑色氧化层。采用这种结构后，光路内部进行发黑氧化处理，在保证光学结构稳定同时进一步减轻了整个系统的重量，除了可以满足手持测量，还可以挂载在无人机下进行大范围水环境污染情况监测。
作为一种优选，利用激光诱导荧光技术对水中的污染物进行荧光光谱成像，利用激光拉曼技术测量水分子的激光拉曼光谱，通过激光拉曼光谱对荧光光谱进行标定。
水环境污染监测装置，包括无人机和用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统；用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统安装在无人机上。采用这种结构后，利用遥感技术以及光学识别技术相结合的方法，对水环境污染情况进行快速、大范围、实时、在线、无损监测。
本实用新型的原理是：
针对目前水环境污染物监测需求而提出。本实用新型主要包括几个方面：1、利用激光诱导荧光技术对水中的污染物进行实时在线检测，主要检测水面漏油、水中可溶解有机物以及水藻叶绿素的荧光信号；2、利用激光拉曼技术测量水中水分子的拉曼信号对所测得的光谱信号进行标准化处理，消除仪器测量、测量几何关系带来的干扰；3、利用光学结构设计，实现小型化、轻型化系统体积和重量，进而可以实现手持测量，甚至挂载在无人机下实现大面积遥感监测；4、利用无人机平台搭载该便携式荧光计系统，可以进行水域的大面积扫描监测。
总的说来，本实用新型具有如下优点：
1、结构简单、成本低廉、操作简单、功耗低、重量轻、体积小。
2、利用主动光探测，发出高穿透率的蓝光激光进行监测，与传统被动光监测或者化学采样检测方式不同，该系统极大提高了监测效率；搭载无人机平台可实现大范围扫描、实时在线水污染情况的监测和预警。
3、借助水的激光拉曼信号对系统采集到的光谱谱线进行标准化处理，消除了仪器测量、测量几何关系带来的干扰，进一步调高了测量的准确度。
附图说明
图1是一种用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统的结构示意图。
图2是一种用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统的剖视图。
图3是水环境污染监测装置的结构示意图。
图4是采用图1系统记录的水的激光拉曼光谱信号图。
图5是采用图1系统记录的水中水藻叶绿素激光诱导荧光光谱信号图。
图6是采用图1系统记录的水面油污激光诱导荧光光谱信号图。
图7是采用图3装置连续扫描记录的水面油污激光诱导荧光光谱信号图。
其中，1是望远镜，2是可旋转底座，3是第一镜筒，4是光路折转盒，5是第二镜筒，6是光谱仪，7是信号控制采集板，8是激光光源，9是透镜，10是滤光片，11是反射镜，12是无人机。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本实用新型做进一步详细的说明。
图1所示，一种用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统，包括光学发射系统和光学探测系统。基于光学遥感技术，将光学探测系统与光学发射系统组合使用，利用探测到的激光诱导荧光光谱以及激光拉曼光谱可以对目标水域进行污染情况检测。
光学探测系统包括望远镜、滤光片、反射镜、光谱仪、信号控制采集板，望远镜的光入口朝下，望远镜内设有透镜，沿着反射光的传播方向，望远镜的光入口、透镜、滤光片、反射镜、光谱仪依次设置，采集荧光信号和拉曼信号的光谱仪与信号控制采集板相接。光学探测系统还包括第一镜筒、第二镜筒、光路折转盒；反射镜位于光路折转盒内；望远镜、第一镜筒、光路折转盒在竖直方向上依次相接，光路折转盒、第二镜筒、光谱仪在水平方向上依次相接；可旋转底座安装在第一镜筒上。第一镜筒、第二镜筒、光路折转盒均采用铝制机身，内侧均设有黑色氧化层。望远镜为可调节焦距的大口径望远镜，透镜采用50mm，焦距为200mm的双胶合透镜。滤光片为420nm的长通滤光片。光谱仪为可见光波段300nm至1000nm的紧凑型光谱仪；光谱仪与信号控制采集板通过USB连接进行数据传输。反射镜采用石英基底的镀铝膜反射镜，尺寸为30mm×40mm。信号控制采集板选用轻型低功耗工业控制板。
光学发射系统包括激光光源、准直镜头、可旋转底座，激光光源的光出口朝下，准直镜头安装在激光光源的光出口处，激光光源通过可旋转底座与光学探测系统相接从而调整望远镜轴向与激光光源轴向之间的夹角。激光光源为功率1.5W的412nm蓝光半导体激光器。准直镜头为25mm焦距可对焦镜头。
图2所示，由半导体激光器发射出412nm激光，经过调节激光准直镜头使得激光光束准直射出。微调可旋转底座使得激光器出射光线与望远镜光路重合在给定距离的目标上；与此同时调节可调焦望远镜筒，使得所收集的目标激光背向散射信号最强。目标背向散射信号通过双胶合透镜收集接着进入长通滤光片进行激发光滤波，然后经由镀铝膜反射镜折转光路进一步汇聚至紧凑型光谱仪中，通过信号控制采集板可以记录所采集的光谱信号，调试阶段需外接显示器对采集到的光谱进行优化。激光器轴向与望远镜轴向大致平行，实际是相交叉的，因为望远镜有一定的景深，激光光束在一定范围都可以成像，调试激光器的光斑通过望远镜接收可以汇聚在光谱仪里。
图3所示，基于无人机和光学遥感技术的水环境污染监测装置包括无人机和用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统。用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统搭载在无人机上，对目标水域污染情况进行大面积扫描监测和预警。
测量结果如图4、图5、图6和图7所示。其中图4、图5、图6为手持该便携式激光拉曼荧光计系统实测得到的光谱数据。
图4中，所示光谱数据为便携式激光拉曼荧光计系统实测得到的自来水的光谱数据，由于激发光为412nm，所对应的水的拉曼光谱峰值为480nm。
图5中，所示光谱数据为便携式激光拉曼荧光计系统实测得到的某自然水域中的光谱数据，由于激发光为412nm，所对应的水的拉曼光谱峰值为480nm；此外，由于自然水域中含有水藻，其叶绿素处于685nm的荧光峰值被记录。
图6中，所示光谱数据为便携式激光拉曼荧光计系统实测得到的某自然水域水面浮油荧光光谱数据，该油的特征峰为500nm。
图7中，水环境污染监测装置扫描实测得到的某自然水域水面浮油荧光光谱数据，该油的特征峰为500nm，连续监测时间为50s。
按照本实用新型的实施例，用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统，不仅能够极大地提高水环境污染遥感探测的灵敏度，而且其小巧便携、低成本、重量轻的特点将会使得该系统适用于实际水环境污染监测、水藻爆发预警、水面漏油监测的应用中。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统，其特征在于：
包括光学发射系统和光学探测系统；
光学探测系统包括望远镜、滤光片、反射镜、光谱仪、信号控制采集板，望远镜的光入口朝下，望远镜内设有透镜，沿着反射光的传播方向，望远镜的光入口、透镜、滤光片、反射镜、光谱仪依次设置，采集荧光信号和拉曼信号的光谱仪与信号控制采集板相接；
光学发射系统包括激光光源、准直镜头、可旋转底座，激光光源的光出口朝下，准直镜头安装在激光光源的光出口处，激光光源通过可旋转底座与光学探测系统相接从而调整望远镜轴向与激光光源轴向之间的夹角。
2.按照权利要求1所述的一种用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统，其特征在于：光学探测系统还包括第一镜筒、第二镜筒、光路折转盒；反射镜位于光路折转盒内；望远镜、第一镜筒、光路折转盒在竖直方向上依次相接，光路折转盒、第二镜筒、光谱仪在水平方向上依次相接；可旋转底座安装在第一镜筒上。
3.按照权利要求2所述的一种用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统，其特征在于：望远镜为可调节焦距的大口径望远镜，透镜采用50mm，焦距为200mm的双胶合透镜。
4.按照权利要求2所述的一种用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统，其特征在于：滤光片为420nm的长通滤光片。
5.按照权利要求2所述的一种用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统，其特征在于：光谱仪为可见光波段300nm至1000nm的紧凑型光谱仪；光谱仪与信号控制采集板通过USB连接进行数据传输。
6.按照权利要求2所述的一种用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统，其特征在于：激光光源为功率1.5W的412nm蓝光半导体激光器。
7.按照权利要求2所述的一种用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统，其特征在于：准直镜头为25mm焦距可对焦镜头。
8.按照权利要求2所述的一种用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统，其特征在于：第一镜筒、第二镜筒、光路折转盒均采用铝制机身，内侧均设有黑色氧化层。
9.水环境污染监测装置，其特征在于：包括无人机和权利要求1至8中任一项所述的用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统；用于水环境污染监测的便携式激光拉曼荧光计系统安装在无人机上。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200519 |