水體葉綠素和濁度原位測定方法及測定裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水體葉綠素和濁度原位測定方法，其包括如下步驟：1）分別建立水體葉綠素測定模型和水體濁度測定模型；2）組建數(shù)據(jù)采集器與信息測量裝置之間的節(jié)點鏈接網(wǎng)絡；3）啟動信息測量裝置并采集水體葉綠素和濁度信號，并將信號發(fā)送至數(shù)據(jù)采集器；4）數(shù)據(jù)采集器計算得出被測水體葉綠素含量和濁度值，并對所得數(shù)據(jù)進行處理。本發(fā)明的原位測定方法以實時、便捷、多參數(shù)測量為目標，基于光譜反射原理實現(xiàn)對水體葉綠素和濁度雙參數(shù)的同時測量；此外，本發(fā)明還提供了一種水體葉綠素和濁度原位測定裝置，其可同時測量水體葉綠素和濁度兩個參量的水質信息，并將信息輸出處理。
【專利說明】水體葉綠素和濁度原位測定方法及測定裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及水體的水質檢測【技術領域】，具體涉及一種水體葉綠素和濁度原位測定 方法及測定裝置。

【背景技術】
[0002] 水質檢測是對水資源的質量狀況和變化規(guī)律進行實時監(jiān)視測量與分析評價，是掌 握自然水環(huán)境和水生生物生態(tài)系統(tǒng)變化動態(tài)的重要手段。水質指標根據(jù)檢測物質的性質可 分為物理、化學和生物三大類。其中葉綠素和濁度分別屬于水質參數(shù)中的生物指標和物理 指標，能夠反映水體中光合作用生物量、生產力、富營養(yǎng)化以及污染程度。因此，快速便捷地 測定水體葉綠素含量以及濁度等綜合信息可以客觀地評價水質狀況，為水資源的開發(fā)與利 用、管理與保護，尤其是對水產養(yǎng)殖的生產管理提供了科學依據(jù)和技術支持。
[0003] 目前已有的水質檢測儀多為離體采樣測量，由于采樣面積、數(shù)量有限，樣本不易保 存等缺陷，無法實時、大面積地獲取反映水體狀況的參數(shù)。對于水體葉綠素含量的檢測，國 內外的相關研究大部分停留在基于熒光原理的檢測模式，便攜式儀器中多采用LED作主動 光源，然而LED光強相比激光器、汞燈、氙燈等高功率光源光強微弱很多，導致激發(fā)后的熒 光信號相當微弱，難以進行后期的處理。水體濁度的檢測主要采用90度散射原理，有的儀 器同時還使用透射比進行校正。這種原理測量濁度時存在兩個問題：一是在低濃度的情況 下，由于光程距離小以及較少的散射顆粒，導致測量精度下降；二是自然水域(尤其是養(yǎng)殖 用水域）中往往含有水藻等有色物質，目前商業(yè)化濁度儀尚不能有效檢測該類有色物質水 體。這些問題導致了目前商業(yè)化的濁度儀在水產養(yǎng)殖水域使用的局限性。
[0004] 法國BI0MERIEUX公司生產的DENSICHECK比濁儀，其是使用590nm的發(fā)光二極管 作為光源，通過測量入射光和反射光的比值的對數(shù)值來表征被測標本的吸收量，主要用于 測量菌懸液濁度。儀器測量單位是麥氏單位（McF)，測量范圍是OMcF?4. 50McF，讀數(shù)精度 為±0. 1。DESICHECK通過兩種測量來給出準確的光密度值：在每次測量之前先測量空氣的 光密度值，作為校正值；在樣本測量時測量試管中菌液的光密度值。
[0005] 至今為止，尚無可同時測量水體葉綠素和濁度兩種水質信息的測量方法及測量裝 置。


【發(fā)明內容】

[0006] (一）要解決的技術問題
[0007] 為克服上述現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供了一種水體葉綠素和濁度原位測 定方法，其以實時、便捷、多參數(shù)測量為目標，基于光譜反射原理實現(xiàn)對水體葉綠素和濁度 雙參數(shù)的同時測量；此外，本發(fā)明還提供了一種水體葉綠素和濁度原位測定裝置，其可在諸 如水產養(yǎng)殖湖水現(xiàn)場等場所同時測量水體葉綠素和濁度兩個參量的水質信息，并可同時通 過無線模塊將測量值實時上傳并對數(shù)據(jù)進行計算處理。
[0008] (二）技術方案
[0009] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明水體葉綠素和濁度原位測定方法主要包括如下步驟：SI : 選取目標水體，通過相關分析確定水體葉綠素和濁度的敏感波長，根據(jù)基于光譜反射原理 測定的反射率分別建立水體葉綠素測定模型和水體濁度測定模型，并將經(jīng)檢驗滿足實用精 度的水體葉綠素測定模型和水體濁度測定模型嵌入信息測量裝置，實現(xiàn)同時原位測量水體 葉綠素和濁度兩種水質參數(shù)含量；S2 :開啟數(shù)據(jù)采集器，同時將信息測量裝置放入待檢測 的水域中并開啟開關，通過無線通訊模塊，組建數(shù)據(jù)采集器與信息測量裝置之間實時、多點 的節(jié)點鏈接網(wǎng)絡；S3 :啟動信息測量裝置，采集水體葉綠素和濁度光信號，并將采集的光信 號轉換成電信號后發(fā)送至數(shù)據(jù)采集器；S4 :數(shù)據(jù)采集器依據(jù)建立好的水體葉綠素測定模型 和水體濁度測定模型，計算得出被測水體的葉綠素含量和濁度值，并對所得數(shù)據(jù)進行處理。
[0010] 其中，步驟1)中所述水體葉綠素測定模型為：
[0011] yi = 38. 0058-0. 0072χη1_0· 37831^
[0012] 式中，yi為水體樣本中的葉綠素含量，xnl、x"2分別為水體樣本在波長nlnm和n2nm 處的原始光譜反射率；
[0013] 所述水體濁度測定模型為：
[0014] y2 = 233. 805+0. 1905xnl-2. 2334xn2
[0015] 式中，y2為水體樣本中的濁度值，xnl、x"2分別為水體樣本在波長nlnm和n2nm處 的原始光譜反射率。
[0016] 優(yōu)選地，所述nl為410nm，所述n2為676nm。
[0017] 本發(fā)明水體葉綠素和濁度原位測定裝置包括：用于測量水體葉綠素和濁度雙參量 水質信息的信息測量裝置；以及用于接收和處理信息測量裝置所測信息的數(shù)據(jù)采集器；其 中，所述信息測量裝置包括：用于采集、處理和發(fā)送光信號的光路單元；用于接收、處理和 發(fā)送電信號的電路單元；以及分別與光路單元和電路單元連接的用于將光信號轉換成電信 號的光路-電路轉換單元。
[0018] 優(yōu)選地，所述光路單元包括：光學通道；以及設置在光學通道下方的遮光壁。
[0019] 優(yōu)選地，所述光學通道包括：三棱鏡；垂直固定在三棱鏡第一直角面的準直器，其 與所述第一直角面共同形成入射光路；安裝在準直器遠離被測水體一端的光源；以及垂直 固定在三棱鏡第二直角面的光電探測器，其與所述第二直角面共同形成反射光路。
[0020] 優(yōu)選地，所述電路單元包括：無線通信模塊，其具有I/O端口、A/D轉換模塊和信號 發(fā)送模塊。
[0021 ] 優(yōu)選地，所述光路-電路轉換單元包括：電壓轉換電路、I-U轉換電路，濾波放大電 路和供電電池。
[0022] 其中，所述數(shù)據(jù)采集器包括：用于顯示、存儲和處理測量數(shù)據(jù)的處理器；用于實現(xiàn) 與所述信息測量裝置之間通信的無線通信模塊，其具有一個或多個串口；以及分別與處理 器和無線通信模塊連接的串口電路。
[0023] 優(yōu)選地，所述處理器為PDA處理器；所述無線通信模塊為JN5139通信模塊；所述 串口電路為采用MAX3232E芯片的串口電路；所述信息測量裝置由多個傳感器構成。
[0024] (三）有益效果
[0025] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0026] 1)本發(fā)明水體葉綠素和濁度原位測定方法以實時、便捷、多參數(shù)測量為目標，基于 光譜反射原理實現(xiàn)了對水體葉綠素和濁度雙參數(shù)的同時測量，為水體葉綠素和濁度雙參數(shù) 的原位測定開辟了途徑；
[0027] 2)本發(fā)明利用二維相關光譜分析法選取了不同葉綠素光學敏感波段，并基于所選 波段建立了水體葉綠素測定模型和水體濁度測定模型，其均為線性模型，波段數(shù)較少，為本 發(fā)明水體葉綠素和濁度的原位測定的實際實施奠定了基礎；
[0028] 3)本發(fā)明通過基于二維相關光譜、利用水產養(yǎng)殖現(xiàn)場的實際樣本分析并確定了 2 個葉綠素敏感波段（410nm和676nm)，并基于該敏感波段的水體光譜反射率，利用實驗室配 制葉綠素標準液建立了水體葉綠素測定模型，具有較高精度，可實現(xiàn)對水體葉綠素含量的 準確預測，為水體葉綠素含量的實時測量打下了基礎；
[0029] 4)本發(fā)明通過利用兩個敏感波段（410nm和676nm)的水體光譜反射率，建立了水 體樣本濁度水平的測定模型，達到了實用精度，可實現(xiàn)對水體濁度信息的實時測量；
[0030] 5)本發(fā)明水體葉綠素和濁度原位測定裝置可在諸如水產養(yǎng)殖湖水現(xiàn)場等場所同 時測量水體葉綠素和濁度兩個參量的水質信息，并通過信息測量裝置與數(shù)據(jù)采集器間的無 線網(wǎng)絡組建，可同時實現(xiàn)測量信息的實時上傳和數(shù)據(jù)的計算處理等，為水質檢測的認定帶 來便利；
[0031] 6)本發(fā)明的光路單元中設置了光學通道和遮光壁，以三棱鏡為核心構建兩個光學 通道，每路光學通道中均包括光源，準直器，三棱鏡以及光電探測器，不僅實現(xiàn)了在水產養(yǎng) 殖現(xiàn)場實時地檢測水體葉綠素含量以及濁度信息，同時又不使測量儀器過于復雜；采用2 個單波段可見光LED作為主動光源，光源、準直器和光電探測器被垂直固定在三棱鏡的兩 個直角面，分別形成入射光路和反射光路；光源可以方便更換，并可方便轉化為檢測水體其 他參數(shù)的便攜式設備，具有很好的通用性和實用性；遮光壁解決了天氣因素與水體內環(huán)境 光等對光信號造成的影響，且只需要做一次標定即可；
[0032] 7)本發(fā)明通過光路-電路轉換單元采用了 CA3140和LM358兩芯片對采集到的信 號進行放大，兩芯片的結合有效的實現(xiàn)了 I-U轉換，并剔除了系統(tǒng)中的噪音(暗電流)，放大 有效信號；
[0033] 8)本發(fā)明的原位測定裝置中采用ZigBee無線傳輸方式將采集數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)采 集器，傳輸距離最遠可達上百米，大大增加了儀器的靈活性與智能性；
[0034] 9)本發(fā)明的原位測定裝置以無線傳感器網(wǎng)絡的形式，可以實現(xiàn)對大面積水產養(yǎng)殖 池塘的實時、多點測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035] 圖1是本發(fā)明水體葉綠素和濁度原位測定裝置的總體結構示意圖；
[0036] 圖2是圖1所示信息測量裝置的結構示意圖；
[0037] 圖3是圖2所示信息測量裝置的光路單元工作原理圖；
[0038] 圖4是圖3所示光路單元的光學通道結構示意圖；
[0039] 圖5是圖4所示光學通道中準直器的結構示意圖；
[0040] 圖6a是圖2所示信息測量裝置的光路-電路轉換單元中電壓轉換電路原理圖 (9V-5V)；
[0041] 圖6b是圖2所示信息測量裝置的光路-電路轉換單元中電壓轉換電路原理圖 (5V-3. 3V)；
[0042] 圖7是圖2所示信息測量裝置的光路-電路轉換單元中I-U轉換電路原理圖； [0043] 圖8是圖2所示信息測量裝置的光路-電路轉換單元中濾波放大電路原理圖；
[0044] 圖9是圖2所示信息測量裝置的工作流程圖；
[0045] 圖10是圖1所示數(shù)據(jù)采集器的結構示意圖；
[0046] 圖11是圖10所示數(shù)據(jù)采集器的串口電路原理圖；
[0047] 圖12是圖10所示數(shù)據(jù)采集器的工作流程圖；
[0048] 圖13是本發(fā)明水體葉綠素樣本的二維同步相關光譜圖；
[0049] 圖14是本發(fā)明水體濁度與光譜反射率的相關關系曲線圖；
[0050] 圖15是本發(fā)明水體葉綠素測定模型示意圖；
[0051] 圖16是本發(fā)明水體濁度測定模型示意圖。
[0052] 附圖標記說明：1-信息測量裝置；11-光路單元；111-光學通道；1111-三棱鏡； 1111a-第一直角面；1111b-第二直角面；1112-準直器；1112a準直透鏡；1112b-保護玻璃； 1113-光源；1114-光電探測器；112-遮光壁；1121-通孔；12-電路單元；121-無線通信模 塊；121a-I/0端口；121b-A/D轉換模塊；121c-信號發(fā)送模塊；13-光路-電路轉換單元； 2_數(shù)據(jù)采集器；21-處理器；22-無線通信模塊。

【具體實施方式】
[0053] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明，需要說明的是，附圖僅用于解釋本 發(fā)明，是對本發(fā)明實施例的示意性說明，而不能理解為對本發(fā)明的限定；其中自始至終相同 或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。
[0054] 在本發(fā)明的描述中，術語"第一"、"第二"、"第三"等僅用于描述目的，而不能理解 為指示或暗示相對重要性。除非另有明確的規(guī)定和限定，術語"安裝"、"相連"、"連接"應做 廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接， 也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的 連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含 義。
[0055] 如圖1所示，本發(fā)明水體葉綠素和濁度原位測定裝置包括：信息測量裝置1和數(shù)據(jù) 采集器2。信息測量裝置1可優(yōu)選由多個光譜傳感器構成，主要用于測量水體葉綠素和濁度 雙參量水質信息，即主要負責光信號的采集、放大與發(fā)送等；數(shù)據(jù)采集器2用于對信息測量 裝置1所測信息進行接收和處理，即負責將信息測量裝置1從其各個節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù) 進行分類、計算、顯示及存儲等。
[0056] 具體地，如圖2?圖8所示,信息測量裝置1總體包括：光路單元11、電路單元12 和光路-電路轉換單元13。光路單元11用于采集、處理和發(fā)送光信號，電路單元12用于接 收、處理和發(fā)送電信號，光路-電路轉換單元13分別與光路單元11和電路單元12連接，用 于將光信號轉換成電信號。
[0057] 光路單元11包括光學通道111以及設置在光學通道111下方的遮光壁112,光學 通道主要由三棱鏡1111、準直器1112、光源1113及光電探測器1114等構成。準直器1112 垂直固定在三棱鏡1111第一直角面1111a上，其與第一直角面1111a共同形成入射光路； 光源1113安裝在準直器1112遠離被測水體的一端；光電探測器1114垂直固定在三棱鏡 1111第二直角面1111b上，其與第二直角面1111b共同形成反射光路。光學通道111的數(shù) 量可根據(jù)敏感波段的數(shù)量確定，比如采用2個單波段可見光LED作為主動光源1113,則光路 通道111就為兩路，每路光路通道111中包括光源1113,準直器1112,三棱鏡1111以及光 電探測器1114。遮光壁112主要是為了避免環(huán)境光對光信號造成影響，本發(fā)明的實施例中 在遮光壁112為筒形，遮光壁112上并開有兩個通孔1121，通孔1121位置高于三棱鏡1111 底面，保證湖水可以進入遮光臂112并接觸三棱鏡1111底面。
[0058] 電路單元12包括無線通信模塊121，其具有I/O端口 121a、A/D轉換模塊121b和 信號發(fā)送模塊121c。光路-電路轉換單元13包括電壓轉換電路、I-U轉換電路，濾波放大 電路和供電電池。
[0059] 下面結合實施例對本發(fā)明中信息測量裝置1的結構設計做出詳細說明。
[0060] 第一實施例
[0061] 本實施例中選用兩個波段（410nm和676nm)的光電二極管作為光源1113,考慮到 當兩個LED光源1113同時發(fā)光時，對應的光電探測器1114會被其他光源影響，因此本實施 例中利用JN5139通信模塊中的I/O端口控制兩個LED依次通斷。光路-電路轉換單元13 部分包括放大電路，濾波電路和JN5139通信模塊等，負責光信號的前處理、A/D轉換、數(shù)據(jù) 發(fā)送等工作。采用ZigBee技術提供信息測量裝置1 (由多個傳感器構成）與數(shù)據(jù)采集器2 之間的無線通訊服務。
[0062] 如圖3所示，本發(fā)明原位測定裝置選用中心波長為410nm和676nm的LED作為主 動光源1113。光信號通過對應的準直器1112射入三棱鏡1111，一部分光束進入水中，并被 水體本身或其中的其他物質（葉綠素、顆粒物等）吸收，另一部分光束在水體表面發(fā)生反射。 兩束反射信號被相應的光電探測器1114采集得到。圖中，1 1；是67611111的入射光強，^是 410nm的入射光強.IKw和I Bw表不兩波段光信號進入水體的光強，和IBl?代表來自水體表 面的反射光強。
[0063] 如圖4、圖5所示，光學通道111主要依靠準直器1112和三棱鏡1111來完成光信 號的傳輸和反射工作，主要由兩部分組成，光源產生結構和光信號傳輸通路。根據(jù)低功耗， 窄帶寬，便攜式的原則，選擇2個單波段發(fā)光二極管作為入射光源1113,準直器1112和三棱 鏡1111共同構成傳輸通路。準直器1112遠離被測水體一端安裝電源1113,靠近被測水體 一端設有準直透鏡1112a和保護玻璃1112b (圖5)。
[0064] 如圖6、圖7所示，本發(fā)明共需兩次電壓轉換，包括9V到5V以及5V到3. 3V的轉 換。9V-5V電壓轉換電路優(yōu)選采用LM7805芯片用來將電池的9V電壓轉化為5V芯片供電電 壓(如圖6a)。5V-3. 3V電壓轉換電路優(yōu)選采用SP6201芯片用來將5V電壓轉化為3. 3V芯 片供電電壓，由于主控單元、U盤模塊、液晶模塊等都支持3. 3V供電，所以此處采用Sipex公 司生產的SP6201調節(jié)器。它有很高的輸出電壓精度，誤差不超過2%;功耗也非常的低。供 電電池采用1300mA · h的扁平鋰電池，其容量大、體積小、便于集成，還能反復充電使用（如 圖 6b)。
[0065] 如圖7所示，由于本發(fā)明所采用的信號是由可將光發(fā)光二極管發(fā)出，由準直器 1112和三棱鏡111 1傳輸，信號比較微弱，再經(jīng)過光電探測器1114轉換后得到的電信號更加 微弱，此外，在這個過程中還夾雜了各種噪聲的干擾，因此選用了高輸入阻抗的集成運算放 大器CA3140,實現(xiàn)I-U轉換的同時，消除暗電流并實現(xiàn)微弱信號的第一次放大功能。
[0066] 如圖8所示，電路單元12中采用英國JENNIC公司的JN5139通信模塊作為主控芯 片。微弱信號的二次放大功能是由LM358實現(xiàn)的，通過調節(jié)R9電位器的阻值將信號放大了 380倍，通過R-C組成的一階低通濾波器將信號送入JN5139通信模塊進行發(fā)送。
[0067] 如圖9所示，本發(fā)明中信息測量裝置1的工作過程是：程序啟動初始化后打開定 時器，當時鐘溢出時產生中斷，確認定時完成后，給I/O端口 121a賦值，選擇相應的光學通 道111，同時通過設置A/D轉換模塊121b端口地址依次選擇相應的光學通道111，開始進行 數(shù)據(jù)采集。每個光學通道111重復采集10次后求平均值，然后選取下一通光學通道111繼 續(xù)采集，當所有光學通道111信號都采集完畢，將信息測量裝置1本身節(jié)點號及采集的數(shù)據(jù) 信息通過RF射頻無線發(fā)送至數(shù)據(jù)采集器2,最后再次打開定時器，軟件中將定時器設置為 10000s，運行的結果就是信息測量裝置1每隔10000s傳送1組數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)采集器2。
[0068] 本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集器2包括：處理器21、無線通信模塊22和串口電路。處理器21 用于顯示、存儲和處理測量數(shù)據(jù)；無線通信模塊22具有一個或多個串口，用于實現(xiàn)與信息 測量裝置1之間通信；處理器21和無線通信模塊22通過串口電路連接。
[0069] 下面結合實施例對本發(fā)明中數(shù)據(jù)采集器2的結構設計做出詳細說明。
[0070] 第二實施例
[0071] 如圖10所示，本實施例中處理器21優(yōu)選采用PDA，主要用于對測量的控制和對無 線網(wǎng)絡的協(xié)調，優(yōu)選在其內嵌一個JN5139通信模塊121，以實現(xiàn)與信息測量裝置1的節(jié)點無 線組網(wǎng)。JN5139通信模塊121接收信息測量裝置1節(jié)點無線傳送的數(shù)據(jù)，然后通過串口將 數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇DA處理器，從而在PDA處理器顯示、儲存及處理。
[0072] 如圖11所示，串口電路采用MAX3232E芯片，該芯片供電電壓為3V，芯片具有低功 耗、高數(shù)據(jù)速率、增強型ESD保護等特性。JN5139通信模塊121提供了兩個串口，為了節(jié)省 空間及簡化電路設計，本發(fā)明中用一個串口同時實現(xiàn)JN5139通信模塊121的程序下載以及 其與PDA處理器間的數(shù)據(jù)通信。
[0073] 如圖12所示，在整個信息測量-數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)采集器2是網(wǎng)絡中的唯一 協(xié)調器，負責組建整個網(wǎng)絡。由于要時刻準備接收來自終端的無線數(shù)據(jù)，它不能進入休眠模 式，否則將無法接收到數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器2上電后就立刻進入初始化程序，搜索并組建整個 網(wǎng)絡，然后進入等待中斷的空閑模式。
[0074] 具體地，數(shù)據(jù)采集器2上電后，首先進行網(wǎng)絡的初始化操作，包括Zigbee協(xié)議棧的 初始化及外設的初始化；接著進行信道查詢，選擇合適的信道，并設置網(wǎng)絡相應的PAN ID， 將信息測量裝置1各節(jié)點接入網(wǎng)絡；當數(shù)據(jù)采集器2搜索到請求組網(wǎng)的信息測量裝置1節(jié) 點后，其自動接收信息測量裝置1發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過RS232接口與PDA處理器相連，實現(xiàn) 在PDA處理器界面上的實時顯示。光譜數(shù)據(jù)保存在PDA處理器的儲存器中，可以方便計算 得到相關水體葉綠素光譜指數(shù)。
[0075] 本發(fā)明水體葉綠素和濁度原位測定方法主要包括如下步驟：S1，選取目標水體，通 過相關分析確定水體葉綠素和濁度的敏感波長，根據(jù)基于光譜反射原理測定的反射率分別 建立水體葉綠素測定模型和水體濁度測定模型，并將經(jīng)檢驗滿足實用精度的水體葉綠素測 定模型和水體濁度測定模型嵌入信息測量裝置1，實現(xiàn)同時原位測量水體葉綠素和濁度兩 種水質參數(shù)含量；S2,開啟數(shù)據(jù)采集器2,同時將信息測量裝置1放入待檢測的水域中并開 啟開關，通過無線通訊模塊，組建數(shù)據(jù)采集器2與信息測量裝置1之間實時、多點的節(jié)點鏈 接網(wǎng)絡；S3,啟動信息測量裝置1，采集水體葉綠素和濁度光信號，并將采集的光信號轉換 成電信號后發(fā)送至數(shù)據(jù)采集器2 ;S4,數(shù)據(jù)采集器2依據(jù)建立好的水體葉綠素測定模型和水 體濁度測定模型計算得出被測水體葉綠素含量和濁度值，并對所得數(shù)據(jù)進行處理。
[0076] 在本發(fā)明的原位測定方法中，信息測量裝置1與上文所述的原位測定裝置中信息 測量裝置1的結構及工作原理可完全相同，即包括光路單元11、電路單元12及光路-電路 轉換單元13等。同樣，涉及到的數(shù)據(jù)采集器2等結構也與上文所述一致或者相似，此處不 再多述。
[0077] 下面結合實施例對本發(fā)明中水體葉綠素和濁度原位測定方法做出詳細說明。
[0078] 第三實施例
[0079] 1、水體葉綠素和濁度敏感波長的確定
[0080] 如圖13所示，本發(fā)明通過對采自實際水產養(yǎng)殖池塘的含不同葉綠素含量水樣的 光譜數(shù)據(jù)進行二維相關計算，利用同步相關光譜來分析對葉綠素含量變化最敏感的波段區(qū) 間。同步相關譜關于主對角線對稱，表示兩個動態(tài)光譜信號之間的協(xié)同程度。對角線上的 峰值是由動態(tài)光譜信號自相關得到，稱為自動峰。其強度代表外擾引起化學基團變化的敏 感程度。圖中，變量410nm和676nm處形成了自相關峰，說明這兩個波長處的光譜強度隨葉 綠素含量變化而漲落。同時在410nm和676nm處存在正交叉峰，說明兩個波段處的透射峰 強度隨外擾同向同時變化，來源于同一種物質即水體中的葉綠素。因此本發(fā)明確定410nm 和676nm為水體葉綠素的敏感波段。
[0081] 如圖14所示，為了探究反應水體濁度信息的敏感波段，本發(fā)明計算了各個波長下 原始光譜反射率與濁度之間的相關系數(shù)。圖中示出了 350-900nm之間水體濁度與光譜反射 率之間的相關系數(shù)，它表明濁度對于波長的變化并不敏感。從350nm到900nm，光譜信號與 濁度信息之間一直呈現(xiàn)一種連續(xù)且極高的負相關。這表明反應水體葉綠素含量的敏感波段 的反射率與濁度之間同樣具有極高的相關性，可以同時反應水體的濁度信息。
[0082] 根據(jù)以上研究結果，本發(fā)明采用410nm和676nm作為兩主動光源的中心波長，用來 測量水體的葉綠素和濁度信息。
[0083] 2、水體葉綠素測定模型和水體濁度測定模型的建立
[0084] 如圖15所示，本發(fā)明基于所選光譜參數(shù)建立了水體葉綠素測定模型。首先將通 過二維相關光譜分析技術選取的葉綠素敏感波段410nm和676nm與水體葉綠素含量以及 濁度值建立線性回歸模型。實驗室條件下自制37個葉綠素標準樣本(葉綠素含量范圍為 0. 01-10mg/L，濁度范圍為0-100NTU)，選取其中32個樣本作為校正集進行回歸建模校正； 5個樣本作為測定集進行測定驗證。
[0085] 建立的水體葉綠素測定模型為：
[0086] yi = 38. 0058-0. 0072χη1_0· 37831^
[0087] 式中，yi為水體樣本中的葉綠素含量，xnl、Xn2分別為水體樣本在波長nlnm和n2nm 處的原始光譜反射率。當nl、n2分別為410nm和676nm時，水體葉綠素測定模型即為：
[0088] yj = 38. 0058-0. 0072x41〇-〇. 3783x676 ( 1)
[0089] 針對所建模型作測定值和觀察值的1:1關系圖展示所選模型的可靠性和一致性 (圖15)。其測定系數(shù)Rc 2為0. 9389,驗證結果測定系數(shù)Rv2也達到了 0.8288。
[0090] 同樣，使用相同波段建立的水體濁度測定模型為：
[0091] y2 = 233. 805+0. 1905xnl-2. 2334xn2
[0092] 式中，y2為水體樣本中的濁度值，xnl、x"2分別為水體樣本在波長nlnm和n2nm處 的原始光譜反射率。當nl、n2分別為410nm和676nm時，水體濁度測定模型即為：
[0093] y2 = 233. 805+0. 1905x41〇-2. 2334x676 (2)
[0094] 3、儀器標定
[0095] 本發(fā)明因采用LED作為主動光源1113,因此只需在出廠時進行一次標定工作即 可。首先，將白板覆蓋在三棱鏡1111底面，采集到的輸出電壓為％，Vi為本儀器的標定系 數(shù)。然后將儀器放置于不同濃度下的水體樣本中，分別得到不同的輸出電壓V n。最終每個 樣本的反射率Ref可以通過式（3)得到。
[0096]

【權利要求】
1. 一種水體葉綠素和濁度原位測定方法，其特征在于，其包括如下步驟： S1 :選取目標水體，通過相關分析確定水體葉綠素和濁度的敏感波長，根據(jù)基于光譜反 射原理測定的反射率分別建立水體葉綠素測定模型和水體濁度測定模型，并將經(jīng)檢驗滿足 實用精度的水體葉綠素測定模型和水體濁度測定模型嵌入信息測量裝置（1)，實現(xiàn)同時原 位測量水體葉綠素和濁度兩種水質參數(shù)含量； S2:開啟數(shù)據(jù)采集器（2)，同時將信息測量裝置（1)放入待檢測的水域中并開啟開關， 通過無線通訊模塊，組建數(shù)據(jù)采集器（2)與信息測量裝置（1)之間實時、多點的節(jié)點鏈接網(wǎng) 絡； S3:啟動信息測量裝置（1)，采集水體葉綠素和濁度光信號，并將采集的光信號轉換成 電信號后發(fā)送至數(shù)據(jù)采集器（2); S4 :數(shù)據(jù)采集器（2)依據(jù)建立好的水體葉綠素測定模型和水體濁度測定模型，計算得 出被測水體的葉綠素含量和濁度值，并對所得數(shù)據(jù)進行處理。
2. 根據(jù)權利要求1所述的測定方法，其特征在于，步驟1)中所述水體葉綠素測定模型 為： Y! = 38. 0058-0. 0072xnl-0. 3783xn2 式中，yi為水體樣本中的葉綠素含量，Xnl、x"2分別為水體樣本在波長nlnm和n2nm處 的原始光譜反射率； 所述水體濁度測定模型為： y2 = 233. 805+0. 1905xnl-2. 2334xn2 式中，y2為水體樣本中的池度值，xni、Xn2分別為水體樣本在波長nlnm和n2nm處的原 始光譜反射率。
3. 根據(jù)權利要求2所述的測定方法，其特征在于，所述nl為410nm，所述n2為676nm。
4. 一種水體葉綠素和濁度原位測定裝置，其特征在于，其包括： 用于測量水體葉綠素和濁度雙參量水質信息的信息測量裝置（1);以及 用于接收和處理信息測量裝置（1)所測信息的數(shù)據(jù)采集器（2);其中， 所述信息測量裝置（1)包括： 用于采集、處理和發(fā)送光信號的光路單元（11); 用于接收、處理和發(fā)送電信號的電路單元（12);以及 分別與光路單元（11)和電路單元（12)連接的用于將光信號轉換成電信號的光路-電 路轉換單元（13)。
5. 根據(jù)權利要求4所述的水體葉綠素和濁度原位測定裝置，其特征在于，所述光路單 元（11)包括： 光學通道（111);以及 設置在光學通道（111)下方的遮光壁（112)。
6. 根據(jù)權利要求5所述的水體葉綠素和濁度原位測定裝置，其特征在于，所述光學通 道（111)包括： 三棱鏡（1111); 垂直固定在三棱鏡（ill 1)第一直角面（ill la)的準直器（1112)，其與所述第一直角面 (1111a)共同形成入射光路； 安裝在準直器（1112)遠離被測水體一端的光源（1113);以及 垂直固定在三棱鏡（1111)第二直角面（1111b)的光電探測器（1114)，其與所述第二直 角面（1111b)共同形成反射光路。
7. 根據(jù)權利要求4所述的水體葉綠素和濁度原位測定裝置，其特征在于，所述電路單 元（12)包括： 無線通信模塊（121)，其具有I/O端口（121a)、A/D轉換模塊（121b)和信號發(fā)送模塊 (121c)。
8. 根據(jù)權利要求4所述的水體葉綠素和濁度原位測定裝置，其特征在于，所述光路-電 路轉換單元（13)包括： 電壓轉換電路、I-U轉換電路，濾波放大電路和供電電池。
9. 根據(jù)權利要求4所述的水體葉綠素和濁度原位測定裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采 集器（2)包括： 用于顯示、存儲和處理測量數(shù)據(jù)的處理器（21); 用于實現(xiàn)與所述信息測量裝置（1)之間通信的無線通信模塊（22)，其具有一個或多個 串口；以及 分別與處理器（21)和無線通信模塊（22)連接的串口電路。
10. 根據(jù)權利要求9所述的水體葉綠素和濁度原位測定裝置，其特征在于，所述處理 器（21)為PDA處理器；所述無線通信模塊（22)為JN5139通信模塊；所述串口電路為采用 MAX3232E芯片的串口電路；所述信息測量裝置（1)由多個光譜傳感器構成。
【文檔編號】G01N21/27GK104155247SQ201310618190
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權日:2013年11月27日
【發(fā)明者】鄭立華, 張瑤, 李民贊, 張琴, 孫紅, 糜修塵 申請人:中國農業(yè)大學