一種測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及養(yǎng)殖水體水質(zhì)的檢測，特別涉及一種測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]葉綠素a是評價養(yǎng)殖水體水質(zhì)的重要有機營養(yǎng)物指標，同時還是維持養(yǎng)殖水體持續(xù)供養(yǎng)的必須物質(zhì)。目前檢測養(yǎng)殖水體中葉綠素a的裝置及方法有常規(guī)的理化實驗法和遙感高光譜測定法。然而這些裝置及方法耗時，費力，昂貴難以滿足現(xiàn)代養(yǎng)殖水體營養(yǎng)物在線快速檢測的需求。因此，發(fā)展一種無損、快速、準確的檢測裝置及方法來檢測養(yǎng)殖水體中葉綠素a含量有著重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。高光譜遙感技術(shù)作為新興的無損檢測技術(shù)，能夠同時快速、無損地獲取光譜信息和空間分布信息，從而實現(xiàn)定性、定量及定位的全方位檢測，在養(yǎng)殖水體檢測中表現(xiàn)出極強的優(yōu)越性。
[0003]葉綠素a含量是非常重要的水質(zhì)指標，與水體營養(yǎng)水平息息相關(guān)。而且除了對光合作用的重要性，葉綠素a通常被作為主要的估計量對內(nèi)陸水域浮游植物進行分析。因此，量化葉綠素a可以作為一個標準的方式對水體中的生物化學(xué)成分和水生生態(tài)系統(tǒng)進行評價。目前采集高光譜圖像的裝置及方法通常是，將裝有檢測水樣的檢測容器放在載物臺上，通過移動載物臺進行線掃描獲得高光譜圖像。但是由于水樣的強烈鏡面反射，使得光譜吸收值極低，導(dǎo)致無法準確的計算養(yǎng)殖水體中葉綠素a的含量。如中國專利CN201410185064.3公布的基于數(shù)據(jù)同化的內(nèi)陸水體葉綠素濃度多模型協(xié)同反演裝置及方法中利用反演模型檢測水樣中的葉綠素濃度、中國專利CN201410031687.3公布的基于遙感的湖泊水體藍藻豐度的估算裝置及方法中采用遙感技術(shù)避免了水面的強烈反射但是遙感技術(shù)并不適合于一般的實驗室測定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的裝置，避免了水樣的鏡面反射導(dǎo)致吸收光譜值很低的問題，提高了養(yǎng)殖水體中葉綠素a含量測定的準確度。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供基于上述測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的裝置的測定方法。
[0006]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0007]一種測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的裝置，包括高光譜掃描系統(tǒng)、入射角測量盤和折射角測試系統(tǒng)；高光譜掃描系統(tǒng)、入射角測量盤和折射角測試系統(tǒng)的中軸線重合；
[0008]所述高光譜掃描系統(tǒng)包括鏡頭、高光譜儀、CCD相機和對稱設(shè)置的兩個單側(cè)光源；
[0009]所述入射角測量盤為兩個，分別固定于高光譜掃描系統(tǒng)的兩個單側(cè)光源上；所述入射角測量盤為以單側(cè)光源為軸心的90°扇形量角器圓盤；
[0010]所述折射角測試系統(tǒng)設(shè)于高光譜掃描系統(tǒng)下方；所述折射角測試系統(tǒng)包括進水系統(tǒng)、出水系統(tǒng)和折射角測試裝置；所述折射角測試裝置包括水樣容器，所述水樣容器的上開口由密封層密封，所述密封層的材料的折射率為1.45-1.55 ；
[0011]所述水樣容器內(nèi)部的下方設(shè)有折射檢測升降臺，所述折射檢測升降臺的上方設(shè)有感光板，所述感光板隨折射檢測升降臺運動；所述折射檢測升降臺上設(shè)有壓力傳感器，所述壓力傳感器根據(jù)壓力控制折射檢測升降臺上升或下降。
[0012]所述折射檢測升降臺由防水膜密封，與水樣容器中的水樣隔絕。
[0013]所述折射檢測升降臺包括臺面，雙剪叉桿和液壓缸；所述臺面由雙剪叉桿支撐；所述雙剪叉桿由第一支撐桿和第二支撐桿鉸接而成，所述液壓缸的兩端分別固定于第一支撐桿和第二支撐桿上，用于控制雙剪叉桿的升降；所述液壓缸與壓力傳感器連接；所述壓力傳感器固定在臺面上。
[0014]所述進水系統(tǒng)包括進水腔、水泵和進水槽，所述進水腔設(shè)置在水樣容器的底部，進水腔、水泵和進水槽依次通過導(dǎo)管連接。
[0015]所述出水系統(tǒng)包括出水腔和出水槽，所述出水腔設(shè)置于在水樣容器頂部，所述出水腔和出水槽通過導(dǎo)管連接。
[0016]所述感光板上設(shè)有刻度。
[0017]所述的測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的方法，包括以下步驟:
[0018]S1、選取多個種類的水樣作為測試樣本；
[0019]S2、通過進水系統(tǒng)抽取第j種水樣，此時水樣容器中第j種水樣的深度至少高過感光板；j為正整數(shù)；
[0020]S3、調(diào)節(jié)入射光線的角度，雙側(cè)光源對稱調(diào)節(jié)，保證光源恰巧打在水面正中央，分別記錄下入射角旋轉(zhuǎn)的角度a和入射角角度測量盤的角度即入射角的角度1、水面到感光板的距離h、感光板上的感光范圍s ;所述入射角旋轉(zhuǎn)的角度a為入射光線與水平方向的夾角；
[0021]S4、計算折射角r的正切值tanr = s/2h,計算折射角r = arctan(s/2h);利用入射角i和折射角r計算第j種水樣的折射率η ;
[0022]S5、將光源順時針旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)入射光線的角度，重復(fù)步驟S3?S4 ;
[0023]S6、改變第j種水樣的體積，重復(fù)S2?S5多次；
[0024]S7、計算前述步驟多次測量得到的第j種水樣的折射率的平均值，得到平均折射率η ；
[0025]S8、采用傳統(tǒng)的乙醇分光光度法測定第j種水樣的葉綠素a含量；
[0026]S9、改變水樣的種類，重復(fù)步驟S2?S8多次；
[0027]S10、利用步驟S2?S9測量到的多個種類的水樣的平均折射率η和其對應(yīng)的葉綠素a含量，建立平均折射率η和葉綠素a含量的一次函數(shù)解析式；
[0028]S11、利用光譜掃描系統(tǒng)采集各個種類的水樣的平均光譜c ;利用步驟S2?S9測量到的多個種類的水樣的平均折射率η和其對應(yīng)的平均光譜c建立相關(guān)偏最小二乘模型；
[0029]S12、利用光譜掃描系統(tǒng)采集待測水樣的平均光譜，代入步驟Sll中建立的偏最小二乘模型中確定待測水樣的折射率，將計算的折射率帶入到SlO已經(jīng)建立的葉綠素a濃度和折射率的一次函數(shù)解析式中確定養(yǎng)殖水體中的葉綠素a含量。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果:
[0031](I)本發(fā)明的測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的裝置，利用光的折射定律避免了水樣的鏡面反射導(dǎo)致吸收光譜值很低的問題，提高了養(yǎng)殖水體中葉綠素a含量測定的準確度。
[0032](2)本發(fā)明的測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的方法，實時測定了入射角和折射角，計算方便，實現(xiàn)了由線到面的測定葉綠素a含量。
[0033](3)本發(fā)明通過對不同角度的入射光線、不同體積的水樣進行折射率測定，利用多次測定的結(jié)果進行建模，進一步保證了測試模型的準確性。
【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明的實施例的測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的裝置的示意圖。
[0035]圖2為本發(fā)明的實施例的折射角測試裝置的示意圖。
[0036]圖3為本發(fā)明的實施例的折射檢測升降臺的示意圖。
[0037]圖4為本發(fā)明的實施例測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的方法的原理圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0039]如圖1所示，測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的裝置，由上至下依次包括高光譜掃描系統(tǒng)、入射角測量盤和折射角測試系統(tǒng)；高光譜掃描系統(tǒng)、入射角測量盤2和折射角測試系統(tǒng)的中軸線重合；所述高光譜掃描系統(tǒng)包括鏡頭1-UOLE23，德國施耐德公司)、高光譜儀l-2(ImSpector V10E，芬蘭光譜成像有限公司，波長范圍為400_1000nm，波長分辨率是1.2nm)、CCD相機1-3 (DL-604M，愛爾蘭安道爾公司，像素是1004*501，機曝光時間為20s)和對稱設(shè)置的兩個單側(cè)光源1-4 ;所述入射角測量盤為兩個，分別固定于高光譜掃描系統(tǒng)的兩個單側(cè)光源上；所述入射角測量盤為以單側(cè)光源為軸心的90°扇形量角器圓盤，所述的入射角測量盤為以單側(cè)光源為軸心的90°扇形量角器圓盤，入射角可以在此范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)和計量，順時針旋轉(zhuǎn)不同的光線入射角，且雙側(cè)可見光光源為對稱調(diào)節(jié)，以保證入射光線匯聚在檢測水樣表面正中央，以方便后續(xù)折射角計算。
[0040]如圖1所示，所述折射角測試系統(tǒng)包括進水系統(tǒng)、出水系統(tǒng)和折射角測試裝置；如圖2?3所示，所述折射角測試裝置包括水樣容器3-6，所述水樣容器3-6的上開口由密封層3-2密封，所述密封層的材料的折射率為1.45-1.55 ;所述水樣容器內(nèi)部的下方設(shè)有折射檢測升降臺，所述折射檢測升降臺的上方設(shè)有感光板3-1，感光板上設(shè)有刻度；感光板隨折射檢測升降臺運動。所述折射檢測升降臺包括臺面3-7，雙剪叉桿和液壓缸3-5 ;所述臺面由雙剪叉桿支撐；所述壓力傳感器3-3固定在臺面3-7上，所述壓力傳感器根據(jù)壓力控制折射檢測升降臺上升或下降。所述雙剪叉桿由第一支撐桿3-8和第二支撐桿3-9鉸接而成，所述液壓缸的兩端分別固定于第一支撐桿和第二支撐桿上，用于控制雙剪叉桿的升降；所述液壓缸與壓力傳感器連接。所述折射檢測升降臺由防水膜3-4密封，與水