本發(fā)明涉及浮游植物在線檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光合色素?zé)晒獾母∮沃参镌辉诰€檢測裝置。

背景技術(shù)：

水體富營養(yǎng)化與藻類水華是全球普遍現(xiàn)象，已成為水環(huán)境污染的主要形式之一，對生態(tài)系統(tǒng)和水功能造成破壞，影響人類生產(chǎn)生活，甚至危及飲用水水質(zhì)安全。據(jù)不完全統(tǒng)計，近年來我國河流湖庫水華發(fā)生頻次從20世紀(jì)80年代每年1～2次上升到2000年以后的每年近10次，常見水華藻有：藍(lán)藻占81％，甲藻、綠藻、硅藻各占6％，裸藻占1％，湖泊以藍(lán)藻水華為主，河流藻華則因不同水域而異。面對日益加劇的水環(huán)境問題，有關(guān)部門高度重視并采取了一系列治理措施。2016年12月11日，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于全面推行河長制的意見》，其中第二條基本原則中提到了要立足不同地區(qū)不同河湖實際，實行一河一策、一湖一策；第八條指出要通過建立健全水環(huán)境風(fēng)險評估排查、預(yù)警預(yù)報與響應(yīng)機制來加強水環(huán)境治理。

目前，我國雖然已經(jīng)在一些重點流域和敏感水域建立了水質(zhì)在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和預(yù)警系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)以常規(guī)水質(zhì)理化參數(shù)為主，缺乏針對藻類水華的監(jiān)測和預(yù)警，而傳統(tǒng)的在實驗室采用分光光度計、熒光光度計分析或人工計數(shù)法存在測量周期長、效率低的問題。因此，亟需發(fā)展浮游植物原位在線檢測技術(shù)，直觀、實時地反映敏感水域浮游植物的生長狀況，在某些優(yōu)勢藻種種群濃度到達(dá)警戒閾值前采取措施，防止發(fā)生大規(guī)模水華。

現(xiàn)有的浮游植物在線檢測技術(shù)主要有葉綠素?zé)晒鈾z測技術(shù)，利用浮游植物所含葉綠素a受激勵光照射能產(chǎn)生熒光且熒光強度與葉綠素a含量相關(guān)的原理，通過檢測激發(fā)熒光強度獲得水體中葉綠素a含量從而表征浮游植物生物量。然而，對葉綠素a濃度進(jìn)行在線監(jiān)測僅僅獲得水體中浮游植物的總體生物量，還有必要針對我國不同水域富營養(yǎng)化的差異性，對不同的優(yōu)勢藻種有針對性的監(jiān)測。不同浮游植物由于所含光合色素不同，除了都含葉綠素a以外還具有不同的捕光色素，如綠藻的輔助捕光色素是葉綠素b，藍(lán)藻則依靠藻膽蛋白捕光，除含藻膽蛋白的藻和綠藻外的其他藻類，主要依靠類胡蘿卜素捕光，因此它們通過吸收不同波段的可見光而產(chǎn)生熒光?；诩ぐl(fā)熒光特性的差異，可采用多波長激發(fā)光取代單波長激發(fā)光，實現(xiàn)浮游植物分類測量。

此外，盡管采用葉綠素?zé)晒鈾z測技術(shù)可以對浮游植物生物量進(jìn)行在線監(jiān)測，但并不能直接預(yù)警水華的發(fā)生，還需要考慮環(huán)境因素及浮游植物的生理活性，如果環(huán)境因素的變化抑制了浮游植物生長，即使浮游植物生物量偏高也不會爆發(fā)大規(guī)模水華。浮游植物的生理活性可以用光合作用活性來表征。目前主流的測定方法是葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)法：利用飽和脈沖法測量葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線，獲得F_o、F_m、F_t、F_m’、F_S、F_o’等參數(shù)，再進(jìn)一步計算獲得最大光化學(xué)量子產(chǎn)量F_v/F_m＝(F_m-F_o)/F_m和有效光化學(xué)量子產(chǎn)量Y(Ⅱ)＝Φ_PSⅡ＝ΔF/F_m’＝(F_m’-F_S)/F_m’等參數(shù)，表征光合作用活性。目前學(xué)術(shù)界基本達(dá)成共識，在健康生理狀態(tài)下，絕大多數(shù)高等植物的F_v/F_m在0.8～0.85之間，藻類中綠藻門一般在0.7～0.75，硅藻門和甲藻門一般在0.65～0.7，藍(lán)藻門因不同藍(lán)藻而異，有研究表明太湖藍(lán)藻的F_v/F_m在0.33～0.53。

現(xiàn)有的典型技術(shù)成果如下：

葉綠素?zé)晒鈾z測方面：授權(quán)公告號為CN 102095706 B的專利公開了一種浸入式光纖熒光浮游植物測量系統(tǒng)，利用葉綠素?zé)晒鈾z測技術(shù)實現(xiàn)了葉綠素a濃度的原位測量，該系統(tǒng)采用單波長激發(fā)光源，僅能反映浮游植物總體生物量。

浮游植物分類測量方面：Beutler等人(2002)利用浮游藻類活體葉綠素激發(fā)熒光光譜，將浮游藻類分為四大類識別測定，建立了浮游藻群落測定方法；張前前(2004)對中國東海6種藻種分屬于4個門類，用三維熒光光譜判別浮游植物種類，能區(qū)分金藻、綠藻和硅藻(中肋骨條藻)。上述分類方法依賴于復(fù)雜的光譜分析技術(shù)，需要豐富的浮游藻類特征熒光譜庫、精密的光譜分析儀器的支持，成本高且無法滿足現(xiàn)場快速測量的要求。林耿銳(2013)研制了船載式浮游植物多激發(fā)波長熒光檢測器，并基于非負(fù)最小二乘法實現(xiàn)了對藍(lán)藻門、綠藻門和硅藻門的識別，該研究采用抽水泵采水，在船載條件下有一定應(yīng)用價值；公開號為CN 103616354 A的專利公開了一種藻類濃度原位熒光檢測裝置，采用多個光纖構(gòu)成端窗式熒光激發(fā)-發(fā)射的光路結(jié)構(gòu)，采用流通型水樣池，通過測量468nm、525nm、572nm、590nm和610nm波長的激發(fā)熒光光譜反演得到多種藻類濃度。以上研究實現(xiàn)了不同浮游植物的分類測量，但仍舊局限于生物量的檢測。

測量光合活性方面：公開號為CN 104819968A的專利公開了一種基于葉綠素?zé)晒獾母∮沃参锕夂献饔帽O(jiān)測裝置與方法，實現(xiàn)了光誘導(dǎo)熒光動力學(xué)過程的快速準(zhǔn)確測量從而獲得葉綠素?zé)晒鈪?shù)，該專利采用單波長激發(fā)光源，僅對浮游植物總體或特定種類進(jìn)行檢測，且著眼于光合作用檢測方法的實現(xiàn)，只給出了光路與電路模塊的設(shè)計，缺少明確的裝置結(jié)構(gòu)，是否適用于原位水下檢測存疑。劉晶(2013)設(shè)計了以高亮LED和激光二極管為光源的浮游植物光合作用活性原位測量系統(tǒng)，以環(huán)境光為光化光，通過測量葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線上的F_t和F_m’兩個參數(shù)值，獲得小球藻、銅綠微囊藻和梅尼小環(huán)藻的實際光化學(xué)效率，其熒光激發(fā)光路采用普通的正交結(jié)構(gòu)，激發(fā)光源從水樣池一端照射。上述專利或論文僅涉及光合作用活性檢測，沒有與生物量檢測相結(jié)合。

以上三方面的技術(shù)成果都存在功能單一的不足，無法系統(tǒng)、全面地反映浮游植物生長狀況，以供藻華預(yù)警所需。隨著浮游植物在線檢測技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已有一些功能相對豐富的浮游植物在線檢測儀器或裝置設(shè)計：Phyto-PAM系列浮游植物熒光儀可對藍(lán)藻、綠藻和硅/甲藻進(jìn)行分類，可自動化測量葉綠素a濃度以及葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)，該儀器適用于現(xiàn)場測量，具有簡單快速、功能豐富的特點，但該儀器為便攜式儀器，需要預(yù)先配制好水樣、人工輔以交互操作來完成測量，一次測量一個水樣，難以實現(xiàn)水下任意多個目標(biāo)位置的快速測量。王志剛等人(2007)利用葉綠素a離散激發(fā)熒光光譜，研發(fā)了藍(lán)藻、綠藻和褐藻分類測量方法與系統(tǒng)，實現(xiàn)原位測量，該裝置采用空心流通型水樣池，水樣隨水體時刻變化，存在水流波動的干擾，難以長期連續(xù)監(jiān)測。

綜上所述，目前尚缺乏可以同時測量浮游植物生物量和浮游植物生理活性的、適用于多種水華藻類的、可直接在水下原位檢測的浮游植物在線檢測裝置。此外，現(xiàn)有的用于野外測量的浮游植物熒光檢測裝置一般需要將水樣采到岸上測量，無法充分保證浮游植物的原位生長環(huán)境，且大多需要人工交互操作而非全自動化測量，而采用流通型水樣池的水下熒光檢測裝置則存在水流波動干擾；另一方面，現(xiàn)有技術(shù)中激發(fā)光源一般采用LED陣列從水樣池一端照射，這種光源布置方式只能在靠近光源側(cè)的有限照明距離內(nèi)產(chǎn)生均勻光照，難以兼顧光源利用率和光照均勻性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于光合色素?zé)晒獾母∮沃参镌辉诰€檢測裝置，可以同時對浮游植物生物量及其生理活性進(jìn)行原位在線檢測且適用于多種水華藻類。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于光合色素?zé)晒獾母∮沃参镌辉诰€檢測裝置，包括LED環(huán)狀光源、圓柱形水樣池、熒光探測模塊、微控電路模塊、外殼和底蓋；

所述LED環(huán)狀光源包括3個環(huán)狀光源帶，沿圓柱形水樣池軸向環(huán)繞布置在圓柱形水樣池側(cè)壁外側(cè)，各環(huán)狀光源帶所在平面與圓柱形水樣池底面平行，每個環(huán)狀光源帶都包含多組不同波長的LED燈組；

所述圓柱形水樣池位于所述浮游植物原位在線檢測裝置的底部，其側(cè)壁設(shè)有若干個用于透過激發(fā)光的光學(xué)窗口Ⅰ，與所述LED環(huán)狀光源的LED燈對應(yīng)，每個光學(xué)窗口Ⅰ與相應(yīng)的LED燈之間設(shè)有窄帶濾光片，所述圓柱形水樣池下底面開口，上底面設(shè)有用于透過熒光的光學(xué)窗口Ⅱ，上底面邊緣還設(shè)有與裝置外部連接的導(dǎo)管；

所述熒光探測模塊置于所述圓柱形水樣池的正上方，與所述光學(xué)窗口Ⅱ相對，所述熒光探測模塊包括帶通濾光片、聚焦透鏡和光電探測器；

所述微控電路模塊置于密閉箱體內(nèi)，包括電源電路、MCU主控電路、恒流驅(qū)動電路、信號處理電路和通信電路，其中，MCU主控電路負(fù)責(zé)控制其余電路協(xié)同工作、處理測量數(shù)據(jù)并進(jìn)行計算；恒流驅(qū)動電路接收MCU主控電路發(fā)送的脈沖控制信號，驅(qū)動所述LED環(huán)狀光源產(chǎn)生光強可調(diào)、波長可選的激發(fā)光；信號處理電路對熒光探測模塊光電轉(zhuǎn)換后的電流信號進(jìn)行前置放大、選頻帶通濾波、二級放大、整流、低通濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將表征熒光強度的數(shù)字信號傳送給MCU主控電路；MCU主控電路對測量結(jié)果進(jìn)行分析處理；通信電路將MCU主控電路計算結(jié)果傳給外部數(shù)據(jù)采集設(shè)備；

所述外殼為密封外殼，外殼底部開口并匹配有底蓋；所述底蓋包括與其配合的聯(lián)動裝置，所述聯(lián)動裝置包括電動推桿、滑塊和固定桿，所述電動推桿固定在所述微控電路模塊所在的箱體上并與其電連接，所述電動推桿的伸縮軸豎直向下與所述滑塊螺合，所述滑塊通過固定桿與底蓋相連。

本發(fā)明裝置各模塊的補充說明如下：

(1)LED環(huán)狀光源

為了實現(xiàn)對藍(lán)藻、綠藻、硅藻、甲藻和裸藻這些我國常見水華藻的檢測，根據(jù)不同藻類對不同波長激發(fā)光的吸收和熒光響應(yīng)程度的差異性，優(yōu)選地，所述LED環(huán)狀光源的每個環(huán)狀光源帶均各自包括4種可選激發(fā)波長的LED燈組，4種可選激發(fā)波長分別為440nm、475nm、525nm和620nm，分別對應(yīng)葉綠素a(浮游植物總體指示型色素)、葉綠素b(綠藻門指示型色素)和類胡蘿卜素(硅藻門、甲藻門、褐藻門、裸藻門和隱藻門的指示型色素)和藻藍(lán)蛋白(藍(lán)藻門指示型色素)這4種活體光合色素的特征吸收波長。

為了提高激發(fā)光源的均勻性和穩(wěn)定性，作為優(yōu)選，每種波長的LED燈組至少由3個LED燈在所在環(huán)狀光源上等間距排列組成，構(gòu)成中心對稱的穩(wěn)定光源，在所述圓柱形水樣池的中心區(qū)域形成均勻光照，提高了光源利用率。

所述LED環(huán)狀光源的3個環(huán)狀光源帶從上至下依次為第一環(huán)狀光源、第二環(huán)狀光源和第三環(huán)狀光源，所述第一環(huán)狀光源上的LED燈組為普通LED燈組，提供多波長的光強較弱的調(diào)制測量光，測量光光量子通量密度要求小于1μmol/m²/s；第二環(huán)狀光源上的LED燈組為超高亮LED燈組，提供多波長的用于熒光誘導(dǎo)的光化光，光化光光量子通量密度要求200～2000μmol/m²/s；第三環(huán)狀光源上的LED燈組為超高亮LED燈組，提供多波長的高強度的飽和脈沖光，飽和脈沖光光量子通量密度要求大于6000μmol/m²/s。

由于浮游植物在不同波長激發(fā)下產(chǎn)生本底熒光所需的光強閾值不同，同時不同波長LED光源具有不同的發(fā)光特性，因此，要使激發(fā)熒光強度能與浮游植物生物量對應(yīng)，且熒光強度范圍與探測模塊的響應(yīng)范圍匹配，同時使不同波長的LED都能產(chǎn)生滿足要求的光量子通量密度，那么就要求所述LED環(huán)狀光源激發(fā)作用光的光強可調(diào)。優(yōu)選地，所述第一環(huán)狀光源上的每個LED燈利用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)實現(xiàn)其提供的測量光光強可調(diào)，保證各波長測量光不產(chǎn)生色譜偏移；所述第二環(huán)狀光源上的每個LED燈利用脈沖幅度調(diào)制技術(shù)(PAM)實現(xiàn)其提供的光化光光強可調(diào)；而第三環(huán)狀光源由于要提供高強度的飽和脈沖光，其每個LED燈均由發(fā)光二極管陣列組成，控制發(fā)光二極管數(shù)量并結(jié)合脈沖幅度調(diào)制技術(shù)(PAM)以實現(xiàn)其提供的飽和光光強可調(diào)。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述第三環(huán)狀光源上的每個LED燈所需的發(fā)光二極管個數(shù)由以下公式計算獲得：

式中，683表示光譜光視效能最大值，lm/W；V(λ)為λ波長光的視見函數(shù)；N_A為阿伏伽德羅常量；h為普朗克常數(shù)；c為真空中光速；PPFD_總為第三環(huán)狀光源上λ波長的LED燈組總的光量子通量密度，該值由所需飽和光的最大光強確定；m為第三環(huán)狀光源上λ波長的LED燈組包含的LED燈個數(shù)；E為單個λ波長的發(fā)光二極管所能提供的光照度，可由照度測試儀測定。

(2)圓柱形水樣池

為了濾除可能通過導(dǎo)管進(jìn)入水樣池內(nèi)的雜散光，作為優(yōu)選，所述圓柱形水樣池上底面邊緣的導(dǎo)管管壁涂黑。

所述圓柱形水樣池下底面開口作為水樣流通口，所述導(dǎo)管通過外殼側(cè)壁的孔道與裝置外部連通，作為排氣口和輔助水樣流通口。

(3)熒光探測模塊

所述熒光探測模塊用于接收浮游植物水樣產(chǎn)生的與調(diào)制測量光同頻的熒光信號，熒光信號經(jīng)帶通濾光片濾波、聚焦透鏡聚焦后由光電探測器轉(zhuǎn)換為電流信號。

為了避免激發(fā)光源反射光以及水樣中雜散光對熒光強度的影響，實現(xiàn)對多波長激發(fā)熒光快速、可靠的檢測，優(yōu)選地，采用響應(yīng)速度快、頻帶寬、靈敏度高、暗電流低的硅PIN光電二極管作為光電探測器；由于浮游植物通過不同捕光色素吸收不同波長激發(fā)光后，都是由反應(yīng)中心的葉綠素a產(chǎn)生熒光，熒光波段在660nm～700nm之間，主要是685nm左右，因此選擇中心波長為685nm、帶寬為40nm的帶通濾光片，以保證各波長的激發(fā)熒光通過，而對激發(fā)光波段和水樣雜散光截止。

(4)微控電路模塊

為了使本發(fā)明能在水下原位保持高性能地長期作業(yè)，作為優(yōu)選，所述微控電路模塊中，MCU主控電路采用STM32L151作為主控芯片，STM32L151主控芯片的ARM Cortex-M3 32MHz處理器可以快速處理各種計算、高效進(jìn)行控制，其超低功耗的特性適用于長期連續(xù)的水下原位檢測，其自帶高達(dá)4K字節(jié)的EEPROM，可以用于預(yù)存計算所需的熒光特性數(shù)據(jù)和浮游植物生物量與熒光強度對應(yīng)關(guān)系表格、存儲中間過程參數(shù)、以及存儲最終結(jié)果，而無需外加數(shù)據(jù)存儲電路。

為了驅(qū)動所述第一、第二、第三LED環(huán)狀光源產(chǎn)生光強可調(diào)的測量光、光化光和飽和光，作為優(yōu)選，所述微控電路模塊中，恒流驅(qū)動電路采用MAX16823作為LED驅(qū)動芯片，MAX16823具有3個亮度調(diào)節(jié)(DIM)輸入，每個通道可實現(xiàn)獨立的PWM調(diào)光以及輸出通/斷控制，對應(yīng)3個獨立的恒流輸出通道，每個通道可為一列或多列高亮度LED提供5～70mA可調(diào)的恒定輸出電流，采用外部BJT時可高達(dá)2A，完全可以滿足所述3個LED環(huán)狀光源的不同驅(qū)動要求；此外，MAX16823還具有LED開路檢測功能，可以保證LED環(huán)狀光源的可靠性。

本發(fā)明中，測量結(jié)果的分析與計算由所述微控電路模塊中的MCU主控電路實現(xiàn)，作為優(yōu)選，所述MCU主控電路將各激發(fā)波長對應(yīng)的熒光強度與預(yù)存的不同浮游植物熒光特性數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析所測水域浮游植物分布狀況，然后查詢預(yù)存的浮游植物生物量與熒光強度對應(yīng)關(guān)系表格，計算浮游植物生物量，再根據(jù)葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線測量過程中獲得的基礎(chǔ)參數(shù)，按照葉綠素?zé)晒鈪?shù)計算公式，計算光化學(xué)效率相關(guān)參數(shù)，表征其生理活性。

(5)外殼與底蓋

所述外殼為密封外殼，防水耐腐蝕，外殼的頂部與側(cè)壁均密封設(shè)計，所述微控電路模塊、熒光探測模塊、圓柱形水樣池由上至下依次固定在所述外殼內(nèi)；所述外殼底部開口并匹配有底蓋，頂部設(shè)有電纜接口、繩扣和螺孔；所述電纜接口通過防水電纜與外部電源相連；所述繩扣和螺孔用于固定與安裝所述浮游植物原位在線檢測裝置。

所述底蓋中心向上凸起且凸起大小與所述圓柱形水樣池下底面開口匹配，在底蓋閉合時凸起部分嵌入所述圓柱形水樣池底部并通過密封膠圈膠合。

本發(fā)明采用可開合的底蓋實現(xiàn)原位采水及測量，作為優(yōu)選，由所述MCU主控電路控制所述電動推桿上下伸縮，帶動滑塊、固定桿和底蓋上下聯(lián)動，實現(xiàn)底蓋開合。底蓋打開，圓柱形水樣池下底面被打開，與位于圓柱形水樣池上底面邊緣的導(dǎo)管形成水流通路，實現(xiàn)對目標(biāo)測量點自動采水；底蓋閉合則圓柱形水樣池下底面被關(guān)閉，避免環(huán)境光和水流波動對測量過程造成干擾。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是：

(1)基于葉綠素?zé)晒鈾z測技術(shù)和葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)理論，實現(xiàn)浮游植物生物量和浮游植物生理活性兩項指標(biāo)的檢測，全面反映浮游植物的生長狀況。

(2)采用環(huán)狀布置的激發(fā)光源，與現(xiàn)有技術(shù)采用從水樣池一端照射的光路結(jié)構(gòu)相比，能在水樣池中心區(qū)域形成穩(wěn)定、均勻的高強度光照，提高了光源利用率。

(3)采用多波長激發(fā)-單探測器檢測的方法，利用不同浮游植物所含光合色素的激發(fā)熒光特征，實現(xiàn)對我國幾種常見水華藻的原位在線檢測，滿足對水華頻發(fā)的重點水域進(jìn)行長期連續(xù)在線監(jiān)測的需求。

(4)采用STM32L151作為主控芯片，該芯片高性能的處理器和超低功耗的特性使本發(fā)明能在水下長期高效地作業(yè)，且其自帶高達(dá)4K字節(jié)的EEPROM，可以用于預(yù)存計算所需的熒光特性數(shù)據(jù)和浮游植物生物量與熒光強度對應(yīng)關(guān)系表格、存儲中間過程參數(shù)、以及存儲最終結(jié)果，而無需外加數(shù)據(jù)存儲電路，從而簡化微控電路模塊。

(5)采用可開合的底蓋實現(xiàn)原位采水及測量，底蓋打開與水樣池上底面輔助導(dǎo)管配合形成水流通路，可使水樣池中的水樣隨著裝置的移動而同步更新，相比于用泵抽取水樣的方法更快速便捷且不會改變浮游植物原位生長環(huán)境；底蓋閉合可使水樣與外部水環(huán)境隔離，相比于現(xiàn)有水下熒光檢測裝置采用流通型水樣槽的方法，克服了環(huán)境光和水流波動對測量過程的干擾。

附圖說明

圖1是本發(fā)明浮游植物原位在線檢測裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明浮游植物原位在線檢測裝置的外部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明浮游植物原位在線檢測裝置的底蓋及其聯(lián)動裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例中單個環(huán)狀光源的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例中單個LED燈組(3個相同波長的LED燈)作為激發(fā)光源的光照示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例中測量光路原理的示意圖(圖中僅畫出1個LED燈以作示意)；

圖7是本發(fā)明實施例中恒流驅(qū)動電路的原理圖。

具體實施方式

如圖1～3所示，本實施例的基于光合色素?zé)晒獾母∮沃参镌粰z測裝置，包括LED環(huán)狀光源1、圓柱形水樣池2、熒光探測模塊3、微控電路模塊箱體401與402、外殼5和底蓋6；

LED環(huán)狀光源1包括3個環(huán)狀光源帶，沿圓柱形水樣池軸向環(huán)繞布置在圓柱形水樣池側(cè)壁外側(cè)，從上至下依次為第一環(huán)狀光源101、第二環(huán)狀光源102、第三環(huán)狀光源103，各環(huán)狀光源帶所在平面與圓柱形水樣池2底面平行；

第一環(huán)狀光源101、第二環(huán)狀光源102和第三環(huán)狀光源103都各自包含多組不同波長的LED燈組，其中，第一環(huán)狀光源101提供多波長的調(diào)制測量光，第二環(huán)狀光源102提供多波長的光化光，第三環(huán)狀光源103提供多波長的飽和脈沖光；

圓柱形水樣池2位于本實施例裝置的底部，其側(cè)壁設(shè)有36個用于透過激發(fā)光的光學(xué)窗口901，其底部開口7作為水樣流通口，其上底面設(shè)有用于透過熒光的光學(xué)窗口902，上底面邊緣還設(shè)有與本實施例裝置外部連通的導(dǎo)管8，作為排氣口和輔助水樣流通口且管壁涂黑，側(cè)壁底部有密封膠圈；

熒光探測模塊3置于圓柱形水樣池2的正上方，用于接收浮游植物水樣產(chǎn)生的與調(diào)制測量光同頻的熒光信號；

微控電路模塊，包括電源電路、MCU主控電路、恒流驅(qū)動電路、信號處理電路和通信電路，其中恒流驅(qū)動電路、信號處理電路置于靠近圓柱形水樣池2的Ⅰ號密閉箱體401內(nèi)，而電源電路、MCU主控電路和通信電路置于本實施例裝置上部的Ⅱ號密閉箱體402內(nèi)，Ⅰ號密閉箱體401與Ⅱ號密閉箱體402通過導(dǎo)線10電連接且都固定在防水耐腐蝕的外殼5的內(nèi)壁上。

外殼5防水耐腐蝕，頂部與側(cè)壁均密封設(shè)計，有效保護(hù)所述浮游植物原位在線檢測裝置的內(nèi)部模塊，微控電路模塊箱體401與402、熒光探測模塊3、圓柱形水樣池2與LED環(huán)狀光源1由上至下依次固定在外殼5內(nèi)；外殼5底部開口并匹配有底蓋6，頂部設(shè)有電纜接口11、繩扣和螺孔，電纜接口11通過防水電纜與外部電源相連，當(dāng)選擇串口通信模式時，電纜接口11通過防水電纜還需與外部數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接，繩扣和螺孔用于本實施例裝置的固定與安裝；防水耐腐蝕的外殼5側(cè)壁下方設(shè)有一小孔12，用于引出圓柱形水樣池的導(dǎo)管8。

可開合的底蓋6還包括與其配合的聯(lián)動裝置，聯(lián)動裝置包括可伸縮的電動推桿13、滑塊14和固定桿15，電動推桿13固定在Ⅱ號密閉箱體402上并與其電連接，電動推桿13的伸縮軸豎直向下與滑塊14螺合，滑塊14與其下方的底蓋6通過固定桿15連接，滑塊14上開有小孔16使導(dǎo)線10穿過，固定桿15共有4根，豎直放置且圍繞圓柱形水樣池2均勻布置，其下端固定在底蓋6的邊緣，底蓋6大小與外殼5底部的開口匹配，底蓋6中心圓形區(qū)域17相對于底蓋邊緣向上凸起且其大小與圓柱形水樣池2的下底面開口7匹配，凸起的圓形區(qū)域17在底蓋6閉合時嵌入圓柱形水樣池2底部并通過密封膠圈膠合，電動推桿13受Ⅱ號密閉箱體402內(nèi)MCU主控電路的控制上下伸縮，帶動滑塊14、固定桿15和底蓋6上下聯(lián)動，實現(xiàn)底蓋6的開合。

各模塊的補充說明如下：

如圖1、圖4、圖5所示，LED環(huán)狀光源1中，第一環(huán)狀光源101、第二環(huán)狀光源102和第三環(huán)狀光源103都各自包含四組波長分別為440nm、475nm、525nm和620nm的LED燈組1801～1804，其中，第一環(huán)狀光源101的LED燈組為普通LED燈組，提供調(diào)制測量光，第二環(huán)狀光源102和第三環(huán)狀光源103的LED燈組為超高亮LED燈組，分別提供測量浮游植物葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)所需的光化光、飽和光。每種波長的LED燈組均由3個該波長的LED燈構(gòu)成，LED燈在其所在的環(huán)狀光源上沿環(huán)帶19等間距交叉均勻排列，以任意環(huán)狀光源環(huán)帶上波長為440nm的LED燈組1801為例，3個波長為440nm的LED燈在環(huán)帶19上兩兩間隔120°呈等邊三角形排列，在圓柱形水樣池中心區(qū)域形成穩(wěn)定、均勻的激發(fā)光照，其光照示意圖如圖5所示。

圖6為本實施例的測量光路原理示意圖，環(huán)狀光源上的單個LED燈20與圓柱形水樣池2側(cè)壁的其中1個光學(xué)窗口901之間設(shè)有與該LED燈波長對應(yīng)的窄帶濾光片21，激發(fā)光經(jīng)濾波之后通過光學(xué)窗口901射入圓柱形水樣池2中；熒光探測模塊3正對圓柱形水樣池2上底面的光學(xué)窗口902，與激發(fā)光路垂直，熒光探測模塊3沿著豎直方向的熒光發(fā)射光路依次設(shè)有中心波長為685nm、帶寬為40nm的帶通濾光片22、聚焦透鏡23和光電探測器24，本實施例采用硅PIN光電二極管作為光電探測器24，其具有響應(yīng)速度快、頻帶寬、靈敏度高、暗電流低的優(yōu)點。

如圖1所示，Ⅱ號密閉箱體402中的MCU主控電路是控制與運算核心，采用STM32L151作為主控芯片，控制本實施例中的其余電路協(xié)同工作、以及處理測量數(shù)據(jù)和進(jìn)行計算；電源電路為本實施例中的其余電路供電；Ⅰ號密閉箱體401中的恒流驅(qū)動電路采用MAX16823LED驅(qū)動芯片，接收Ⅱ號密閉箱體402中的MCU主控電路發(fā)送的脈沖控制信號，驅(qū)動環(huán)狀光源1分時產(chǎn)生光強可調(diào)、波長可選的激發(fā)光；信號處理電路對熒光探測模塊3光電轉(zhuǎn)換后的電流信號進(jìn)行前置放大、選頻帶通濾波、二級放大、整流、低通濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將表征熒光強度的數(shù)字信號傳送給Ⅱ號密閉箱體402中的MCU主控電路，MCU主控電路將各激發(fā)波長對應(yīng)的熒光強度與預(yù)存的不同浮游植物熒光特性數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析所測水域浮游植物分布狀況，然后查詢預(yù)存的浮游植物生物量與熒光強度對應(yīng)關(guān)系表格，計算浮游植物生物量，再根據(jù)葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)曲線測量過程中獲得的基礎(chǔ)參數(shù)，按照葉綠素?zé)晒鈪?shù)計算公式，計算光化學(xué)效率相關(guān)參數(shù)，表征其生理活性；Ⅱ號密閉箱體402中的通信電路提供但不限于無線通信和串口通信兩種通信模式，將經(jīng)過MCU主控電路的計算結(jié)果傳給外部數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

如圖7所示，本實施例的微控電路模塊中，STM32L151主控芯片25的引腳37～39與MAX16823LED驅(qū)動芯片26的引腳1～3相連，STM32L151主控芯片25的3個PWM波輸出通道發(fā)出控制信號到MAX16823LED驅(qū)動芯片26的3個調(diào)光(DIM)輸入通道，使每個通道實現(xiàn)獨立的調(diào)光以及輸出通/斷控制，MAX16823LED驅(qū)動芯片26的引腳14～16為對應(yīng)的3個輸出通道，驅(qū)動LED環(huán)狀光源；其中，輸入通道DIM1為頻率一定的脈寬調(diào)制(PWM)控制信號，輸出通道OUT1提供5mA～70mA可調(diào)的恒定輸出電流，驅(qū)動第一環(huán)狀光源，實現(xiàn)測量光可調(diào)；輸入通道DIM2為脈沖通斷控制信號，輸出通道OUT2外接BJT Q1，驅(qū)動第二環(huán)狀光源，調(diào)節(jié)供電電壓V_IN和檢流電阻R_CS2阻值實現(xiàn)電流脈沖幅度調(diào)制(PAM)，從而實現(xiàn)光化光可調(diào)，最大電流可達(dá)2A；輸入通道DIM3為頻率一定、脈寬一定的脈沖控制信號，輸出通道OUT3外接BJT Q2，驅(qū)動第三環(huán)狀光源，調(diào)節(jié)供電電壓V_IN和檢流電阻R_CS3阻值實現(xiàn)電流脈沖幅度調(diào)制(PAM)，從而實現(xiàn)飽和光可調(diào)，最大電流可達(dá)2A；MAX16823LED驅(qū)動芯片26中其它引腳的電氣連接關(guān)系、外圍元件設(shè)計如圖所示，對此不展開論述。

微控電路模塊中的信號處理電路和通信電路屬本領(lǐng)域公知，可采用已有技術(shù)實現(xiàn)，故提及，但不展開論述。

本實施例中，為了使飽和光光強得到保證，除了采用MAX16823驅(qū)動芯片實現(xiàn)調(diào)光，同時，第三環(huán)狀光源上的每個LED燈由發(fā)光二極管陣列組成，每個LED燈所需的發(fā)光二極管個數(shù)由以下公式計算獲得：

式中，683表示光譜光視效能最大值，lm/W；V(λ)為λ波長光的視見函數(shù)；N_A為阿伏伽德羅常量；h為普朗克常數(shù)；c為真空中光速；PPFD_總為第三環(huán)狀光源上λ波長的LED燈組總的光量子通量密度，該值由所需飽和光的最大光強確定,本實施例中飽和脈沖光的光量子通量密度達(dá)6000μmol/m²/s以上，取PPFD_總為6000μmol/m²/s；m為第三環(huán)狀光源上λ波長的LED燈組包含的LED燈個數(shù)，本實施例中m即為3；E為單個λ波長的發(fā)光二極管所能提供的光照度，可由照度測試儀測定。

以波長為440nm的LED燈組為例，視見函數(shù)V(λ)值為0.023，選取發(fā)光二極管光照度E約為4500lux，計算可得n約等于1.9，取為2，即第三環(huán)狀光源上每個440nm的LED燈(共3個)由2個發(fā)光二極管組成。

針對本實施例的浮游植物原位在線檢測裝置，下面提供一種浮游植物原位檢測的測量方法，以便對本發(fā)明充分理解，但不限于以下步驟：

(1)將裝置浸入目標(biāo)水體，啟動裝置，裝置底蓋打開，水樣池底部開口與上底面輔助導(dǎo)管形成水流通路，實現(xiàn)對目標(biāo)位置原位采水，并且水樣池中的水樣隨著裝置移動而同步更新；

(2)探測不同波長激發(fā)光作用下的活體熒光：底蓋關(guān)閉，暗適應(yīng)10分鐘，打開第一環(huán)狀光源，依次產(chǎn)生440nm、475nm、525nm、620nm波長的調(diào)制測量光，調(diào)制頻率為2kHz，每種波長測量光持續(xù)5s(保證LED充分預(yù)熱并穩(wěn)定工作)，依次檢測與調(diào)制測量光同頻的激發(fā)熒光信號；

(3)獲取浮游植物生物量：先將各激發(fā)波長對應(yīng)的熒光信號處理為熒光強度值，與預(yù)存的不同浮游植物熒光特性數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)合相關(guān)分類算法分析所測水域優(yōu)勢藻種，然后根據(jù)相應(yīng)的浮游植物生物量與熒光強度對應(yīng)關(guān)系，計算浮游植物生物量，對于與預(yù)存數(shù)據(jù)匹配度很低的測量結(jié)果，無法明確分析出優(yōu)勢藻種，則僅計算浮游植物總體生物量；

(4)按照常規(guī)的飽和脈沖法測量葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)曲線，獲得F_o、F_m、F_S、F_m’4個熒光參數(shù)：具體地，底蓋閉合且所有環(huán)狀光源關(guān)閉提供暗適應(yīng)條件，第一環(huán)狀光源提供波長為440nm、調(diào)制頻率為2kHz、光量子通量密度小于1μmol/m²/s的調(diào)制測量光，第二環(huán)狀光源提供波長為440nm、連續(xù)的光化光進(jìn)行誘導(dǎo)，持續(xù)約6分鐘，第三環(huán)狀光源提供波長為440nm、光量子通量密度大于6000μmol/m²/s的440nm飽和脈沖光，脈寬約1.2s；

(5)如果步驟(3)中未明確分析出優(yōu)勢藻種，則直接轉(zhuǎn)步驟(6)；如果步驟(3)中分析出優(yōu)勢藻種，則查詢預(yù)存數(shù)據(jù)，選擇該優(yōu)勢藻種在除440nm(葉綠素a特征吸收波長)外激發(fā)熒光最強的特征波長λ_優(yōu)(475nm、525nm或620nm)，按步驟(4)的方法，測量在波長為λ_優(yōu)的測量光、光化光與飽和光作用下的葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)曲線，同樣獲得F_o、F_m、F_S、F_m’4個熒光參數(shù)；

(6)獲取浮游植物光合作用活性：根據(jù)步驟(4)、(5)測量獲得的F_o、F_m、F_S、F_m’，計算獲得PSII最大光合效率(F_m-F_o)/F_m和PSII實際光合效率(F_m’-F)/F_m’，分別表征浮游植物最大光合作用活性、浮游植物實際光合作用活性；對于明確優(yōu)勢藻種的情況，需要先將所測的兩組熒光參數(shù)加權(quán)平均后再計算。