本發(fā)明涉及光學(xué)測量，特別是涉及一種基于后向偏振成像的微塑料快速檢測裝置和方法。

背景技術(shù)：

1、微塑料通常被定義粒徑小于5毫米的塑料顆粒，主要來自塑料制品的破碎和降解。近年來，微塑料作為一種新型的人造污染物，已成為全球主要的環(huán)境問題之一，其在水體中的分布受到了科學(xué)界、社會與公眾的重點(diǎn)關(guān)注。受人為排放與水域運(yùn)輸?shù)囊蛩?，水體環(huán)境中微塑料含量不斷增多，并且難以進(jìn)行收集與清理。微塑料極易被水生生物攝入，對生物的健康產(chǎn)生持續(xù)的負(fù)面影響。由于無法通過新陳代謝排出體外，微塑料會在食物鏈不斷累積，對水生生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的破壞。同時(shí)，微塑料也會通過食物鏈和飲用水被人體攝入，可能會導(dǎo)致一系列的健康問題，對人類生命構(gòu)成潛在的威脅。因此，亟待發(fā)展對微塑料的檢測方法和裝置，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)微塑料的豐度與分布情況，加強(qiáng)對水體環(huán)境中微塑料的監(jiān)測與管理，對微塑料污染問題的實(shí)時(shí)監(jiān)測、明確排放源頭、精準(zhǔn)水體處理提供有力的數(shù)據(jù)支持。

2、水體中微塑料樣品一般通過采樣與預(yù)處理獲取，對于預(yù)處理后的微塑料檢測方法包括目視法、光譜法、熱分析法等。目視法用裸眼或者通過顯微鏡對顆粒物進(jìn)行觀察，進(jìn)行計(jì)數(shù)并記錄其顏色、形態(tài)等信息。目視法操作簡單，但無法對微塑料的組成成分進(jìn)行判斷，準(zhǔn)確率較低。另外，由于傳統(tǒng)投射式顯微鏡的光源無法穿透較厚的樣品，因此目視法對樣品的要求更高，往往需要繁瑣的預(yù)處理操作。光譜法通過傅立葉變換紅外光譜、拉曼光譜等技術(shù)對樣品進(jìn)行圖譜檢測與分析，具有無損傷、準(zhǔn)確率高的特點(diǎn)。光譜法耗時(shí)較長，因此通常將目視法與光譜法相結(jié)合，先用目視法將疑似微塑料的顆粒物樣品挑選出來，再進(jìn)行光譜法分析。這樣能提高微塑料的檢測準(zhǔn)確率，但多儀器使用不僅考驗(yàn)操作人員的專業(yè)技術(shù)，且檢測成本較高、耗時(shí)難以降低。熱分析法將微塑料聚合物熱裂解生成特征熱解圖譜，可分析微塑料的化學(xué)成分，準(zhǔn)確度較高，但耗時(shí)過長，無法應(yīng)用于快速測量場景。

3、cn116840120a公開了一種水體懸浮顆粒物的流式偏振成像與分類裝置，包括流式進(jìn)液系統(tǒng)、采集模塊和處理模塊，所述采集模塊包括檢測腔、閃光燈、起偏器與圖像-偏振檢測模塊；所述流式進(jìn)液系統(tǒng)與所述檢測腔連通，用于向所述檢測腔內(nèi)注入待測樣品；所述閃光燈用于發(fā)出強(qiáng)度均勻的非偏振光束；所述起偏器用于將所述閃光燈發(fā)出的所述非偏振光束調(diào)節(jié)到預(yù)定的偏振態(tài)并在采樣過程中保持恒定；所述圖像-偏振檢測模塊用于以固定的頻率對所述檢測腔內(nèi)的待測樣品進(jìn)行原始圖像采集；所述處理模塊用于對所述原始圖像進(jìn)行處理得到斯托克斯圖像，并根據(jù)所述斯托克斯圖像同時(shí)獲得待測樣品中的懸浮顆粒物的偏振信息和形態(tài)學(xué)信息。然而，該裝置在實(shí)現(xiàn)對微塑料顆粒的快速、精準(zhǔn)檢測識別方面存在局限性和不足，其從原始偏振圖像中提取和分類微塑料的特征信息時(shí)，難以高效精準(zhǔn)地自動(dòng)化解析和識別微塑料顆粒的獨(dú)特光學(xué)特性，缺少對偏振圖像中的微塑料顆粒物進(jìn)行快速準(zhǔn)確識別與分類的能力，且需要較為復(fù)雜的圖像預(yù)處理和閾值分割等步驟。

4、因此，目前仍然亟需發(fā)展新的方案以更準(zhǔn)確、快速檢測微塑料顆粒。

5、需要說明的是，在上述背景技術(shù)部分公開的信息僅用于對本申請的背景的理解，因此可以包括不構(gòu)成對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于解決上述背景技術(shù)中存在的問題，提供一種基于后向偏振成像的微塑料快速檢測裝置和方法。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種基于后向偏振成像的微塑料快速檢測裝置，包括：

4、偏振狀態(tài)發(fā)生器，用于產(chǎn)生特定偏振狀態(tài)的偏振光，照射水體中微塑料樣品；

5、偏振狀態(tài)接收器，用于接收后向散射偏振光的偏振信息，以獲取包含偏振參數(shù)的偏振圖像；

6、偏振圖像檢測識別裝置，其經(jīng)配置以：將偏振圖像分拆為多個(gè)偏振像素點(diǎn)，每個(gè)偏振像素點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)包含多個(gè)元素的一維向量，所述一維向量中的各元素值代表相應(yīng)偏振像素點(diǎn)在多個(gè)不同偏振狀態(tài)下的偏振值，從而捕捉每個(gè)偏振像素點(diǎn)的完整偏振特性；通過一維數(shù)據(jù)分類模型1d-resnet，對每個(gè)偏振像素點(diǎn)進(jìn)行分類，得到每個(gè)偏振像素點(diǎn)的分類標(biāo)簽；將分類結(jié)果重新映射回到圖像空間，實(shí)現(xiàn)對每個(gè)微塑料樣品的快速檢測和可視化識別。

7、一種使用所述的微塑料快速檢測裝置的微塑料快速檢測方法，包括：

8、偏振狀態(tài)發(fā)生器產(chǎn)生特定偏振狀態(tài)的偏振光，照射水體中微塑料樣品；

9、偏振狀態(tài)接收器接收后向散射偏振光的偏振信息，以獲取包含偏振參數(shù)的偏振圖像；

10、偏振圖像檢測識別裝置將偏振圖像拆分為多個(gè)偏振像素點(diǎn)，每個(gè)偏振像素點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)包含多個(gè)元素的一維向量，所述一維向量中的各元素值代表相應(yīng)偏振像素點(diǎn)在多個(gè)不同偏振狀態(tài)下的偏振值，從而捕捉每個(gè)偏振像素點(diǎn)的完整偏振特性；通過一維數(shù)據(jù)分類模型1d-resnet，對每個(gè)偏振像素點(diǎn)進(jìn)行分類，得到每個(gè)偏振像素點(diǎn)的分類標(biāo)簽；將分類結(jié)果重新映射回到圖像空間，實(shí)現(xiàn)對每個(gè)微塑料樣品的快速檢測和可視化識別。

11、本發(fā)明具有如下有益效果：

12、本發(fā)明提供了一種創(chuàng)新的基于后向偏振成像的微塑料快速檢測裝置和方法，本發(fā)明中，通過偏振狀態(tài)發(fā)生器產(chǎn)生特定偏振狀態(tài)的偏振光并照射水體中的微塑料，利用偏振狀態(tài)接收器接收后向散射的偏振光以獲取包含偏振參數(shù)的偏振圖，并將偏振圖像分拆為多個(gè)偏振像素點(diǎn)，形成一維向量，并通過一維數(shù)據(jù)分類模型1d-resnet對每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行分類，從而實(shí)現(xiàn)對微塑料顆粒的像素級別識別與分類。本發(fā)明的解決方案不僅避免了復(fù)雜的圖像預(yù)處理和閾值分割，而且通過將分類結(jié)果重新映射到圖像空間，實(shí)現(xiàn)了快速檢測和可視化識別，顯著提高了檢測的效率和準(zhǔn)確性。此外，本發(fā)明允許對不同形態(tài)和厚度的微塑料進(jìn)行測量，無需進(jìn)行切片、染色等預(yù)處理，進(jìn)一步簡化了檢測流程，使其成為一種對環(huán)境微塑料污染問題具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的快速、準(zhǔn)確檢測技術(shù)。

13、本發(fā)明實(shí)施例中的其他有益效果將在下文中進(jìn)一步述及。

技術(shù)特征：

1.一種基于后向偏振成像的微塑料快速檢測裝置，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微塑料快速檢測裝置，其特征在于，所述偏振狀態(tài)發(fā)生器包括準(zhǔn)直透鏡、線偏振片與四分之一波片，用于形成不同偏振態(tài)的入射光。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微塑料快速檢測裝置，其特征在于，所述偏振狀態(tài)接收器包括準(zhǔn)直透鏡、非偏振光束棱鏡、四分之一波片與至少兩個(gè)相機(jī)，用于獲取斯托克斯圖像和繆勒圖像。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微塑料快速檢測裝置，其特征在于，所述偏振狀態(tài)接收器經(jīng)配置，來自樣品的后向散射光被所述準(zhǔn)直透鏡沿樣品表面法線方向收集，再次形成平行光束，隨后由所述非偏振光束棱鏡按照50：50的比例分成兩束偏振狀態(tài)相同的光束，其中，透射光經(jīng)過固定的所述四分之一波片后由一個(gè)相機(jī)采集，反射光由另一相機(jī)采集，兩個(gè)相機(jī)拍攝的偏振圖像經(jīng)過圖像處理后得到微塑料樣品的斯托克斯圖像。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微塑料快速檢測裝置，其特征在于，通過至少旋轉(zhuǎn)四次所述四分之一波片的角度，得到不同偏振態(tài)入射下的斯托克斯圖像，再計(jì)算出對應(yīng)繆勒圖像。

6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的微塑料快速檢測裝置，其特征在于，對偏振狀態(tài)發(fā)生器和偏振狀態(tài)接收器之間的角度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化測量。

7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的微塑料快速檢測裝置，其特征在于，所述偏振圖像檢測識別裝置將得到的分類結(jié)果，通過顏色編碼映射到原始圖像空間；其中，所述偏振圖像檢測識別裝置配置有預(yù)定義的顏色映射表，用于將不同的分類標(biāo)簽與特定的顏色相對應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)對背景、不同塑料種類的直觀區(qū)分和可視化識別。

8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的微塑料快速檢測裝置，其特征在于，所述偏振圖像的偏振參數(shù)包括斯托克斯向量、繆勒矩陣和/或其衍生的偏振量。

9.一種使用如權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的微塑料快速檢測裝置的微塑料快速檢測方法，其特征在于，包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的微塑料快速檢測方法，其特征在于，還包括在測量前以空氣為標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測量來校準(zhǔn)系統(tǒng)。

技術(shù)總結(jié)
一種基于后向偏振成像的微塑料快速檢測裝置和方法，包括：偏振狀態(tài)發(fā)生器，產(chǎn)生偏振光照射水體中微塑料；偏振狀態(tài)接收器，接收后向散射偏振光的偏振信息，獲取包含偏振參數(shù)的偏振圖像；偏振圖像檢測識別裝置，將偏振圖像分拆為多個(gè)偏振像素點(diǎn)，每個(gè)偏振像素點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)包含多個(gè)元素的一維向量，一維向量中的各元素值代表相應(yīng)偏振像素點(diǎn)在多個(gè)不同偏振狀態(tài)下的偏振值，從而捕捉每個(gè)偏振像素點(diǎn)的完整偏振特性；通過一維數(shù)據(jù)分類模型1D?ResNet，對每個(gè)偏振像素點(diǎn)進(jìn)行分類，得到每個(gè)偏振像素點(diǎn)的分類標(biāo)簽；將分類結(jié)果重新映射回到圖像空間，實(shí)現(xiàn)對水體微塑料的快速檢測和可視化識別。相比現(xiàn)有的檢測技術(shù)，本發(fā)明能夠更為快速、準(zhǔn)確地檢測水體中的微塑料顆粒。

技術(shù)研發(fā)人員：廖然,楊建雄,馬輝
受保護(hù)的技術(shù)使用者：清華大學(xué)深圳國際研究生院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14