一种水体悬浮颗粒物多角度缪勒矩阵测量的方法和装置

本发明涉及水体悬浮颗粒物检测，特别是一种水体悬浮颗粒物多角度缪勒矩阵测量的方法和装置。

背景技术：

1、水体中颗粒物检测对于水体生态学研究、环境安全监测具有重要意义。水中悬浮颗粒物包括微藻、微塑料、泥沙等。海洋微藻是初级生产力的主要贡献者，是地球氧气的重要来源，是海洋生态系统的支柱；对海洋微藻的探测是海洋生态、环境相关领域的必要环节。微塑料作为一种新型污染物，近年来成为海洋环境安全监测的重要目标。悬浮泥沙的输运与沉积塑造了河口、近岸地貌，对悬浮泥沙的识别与浓度检测是水体遥感和污染监测的重要指标。所以，对于水体悬浮颗粒物的检测非常必要。

2、光学方法因为分辨率高、易于原位测量、非接触等优点在颗粒物探测领域广受关注，人们已经发展了多种方法来探测悬浮颗粒物，主要有光学成像法、荧光法、激发发射谱法、光散射法、流式细胞术等。光学成像法因为受制于景深、分辨率、视野之间的冲突难以发挥技术优点。荧光法以及更全面的激发发射谱法利用颗粒物内色素的特异性来探测颗粒物，但是受制于信号比较弱，需要整体测量，对颗粒物的细致分类能力有限。光散射法测量颗粒物的强度以及角分布来反演颗粒物大小、形态、结构等，但分辨率稍差。流式细胞术利用流体动力学聚焦方法将颗粒物分成一个一个的，测量它的散射、荧光或图像，获得大小、结构和色素信息，但它的样品准备繁琐，对于粒径分布大的样品，效果不能总让人满意。因此，悬浮颗粒物探测依然需要发展新的探测方法。

3、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种水体悬浮颗粒物多角度缪勒矩阵测量的方法和装置。

2、本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，提供了一种水体悬浮颗粒物多角度缪勒矩阵测量的装置，包括照明光路、接收光路、样品池和处理模块；所述照明光路包括光源、偏振调制模块和第一透镜，所述接收光路包括接收光路光学模块和一维偏振分析模块；所述光源发出的光束经过所述偏振调制模块后，产生偏振态按时序变化的偏振光，同时在所述偏振调制模块中监测入射光的偏振态，经过所述第一透镜聚焦后照射所述样品池内的悬浮颗粒物，所述悬浮颗粒物发生散射后，发出散射光；所述散射光被所述接收光路模块接收、整形，然后由所述一维偏振分析模块计算出悬浮颗粒物的散射光的多个散射角度的斯托克斯向量；所述处理模块分别与所述偏振调制模块和所述接收光路连接，用于接收入射光的斯托克斯向量和散射光的多个散射角度的斯托克斯向量，并计算得到悬浮颗粒物的多角度缪勒矩阵。

4、优选地，所述接收光路设置在悬浮颗粒物发生散射的散射角度90°处。

5、优选地，所述装置还包括光阱，用于吸收多余的透射光，减少环境光干扰。

6、优选地，所述偏振调制模块包括第一电光调制器、第二电光调制器和分光笼；所述光源发出的光束依次经过所述第一电光调制器、所述第二电光调制器、所述分光笼和所述第一透镜后照射所述样品池内的悬浮颗粒物；所述处理模块与所述分光笼连接，用于获取并后续处理入射光的斯托克斯向量。

7、优选地，所述第一电光调制器的快轴角为45度，所述第二电光调制器的快轴角为90度，以使得所述光源发出的光束通过所述第一电光调制器和所述第二电光调制器后，能够产生周期性快速变化的偏振光。

8、优选地，所述分光笼包括第一30:70不等比分光棱镜、第二30:70分光棱镜、50：50分光棱镜、水平偏振片、垂直偏振片、45度偏振片、左旋偏振片、第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管、第四光电倍增管；其中，从所述第二电光调制器出射的光经所述第一30:70分光棱镜分成两束，一束依次通过所述水平偏振片和所述第一光电倍增管，另一束入射到所述第二30:70分光棱镜，经所述第一30:70分光棱镜分成两束，一束依次通过所述垂直偏振片和所述第二光电倍增管，另一束入射到所述50：50分光棱镜，经所述50：50分光棱镜分成两束，一束依次通过所述45度偏振片和所述第三光电倍增管，另一束依次经过所述左旋偏振片和所述第四光电倍增管；所述处理模块分别与第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管、第四光电倍增管连接。

9、优选地，所述处理模块包括第一采集卡、第二采集卡和处理单元，所述第一采集卡收集所述接收光路接收的散射光的多个散射角度的斯托克斯向量并发送给所述处理单元，所述第二采集卡收集由所述偏振调制模块接收的入射光的斯托克斯向量并发送给所述处理单元，所述处理单元计算得到悬浮颗粒物的多角度缪勒矩阵。

10、优选地，所述第一采集卡与所述第二采集卡连接，所述第一采集卡被设置成当其被触发而开始采集散射光的多个散射角度的斯托克斯向量时，产生一个触发电压给所述第二采集卡，使所述第二采集卡开始采集入射光的斯托克斯向量。

11、优选地，所述接收光路模块包括第二透镜、第三透镜、小孔、第四透镜、10:90分光棱镜、第五透镜、第五光电倍增管和第六透镜，所述一维偏振分析模块为偏振线扫描相机；其中，所述小孔放置于光经过所述第三透镜后的像点位置，所述悬浮颗粒物发出的散射光依次经过所述第二透镜、所述第三透镜、所述小孔和所述第四透镜后，转换为平行光，通过所述10:90分光棱镜分出两束光，一束经过所述第五透镜后聚焦到所述第五光电倍增管，由所述第五光电倍增管给所述第一采集卡触发电压以进行采集，另一束经过所述第六透镜聚焦后被所述偏振线扫描相机接收，得到散射光的多角度斯托克斯向量，所述偏振线扫描相机与所述第一采集卡连接。

12、优选地，所述光源采用532nm大功率激光器，光功率≥0.5w，连续照明。

13、优选地，通过调整所述小孔的大小、所述第二透镜、所述第三透镜和所述小孔的相对位置来调整探测区域的大小，从而使得散射体积足够小到在所述散射体积内只有单个颗粒；所述第二透镜和所述第三透镜用于扩大接收的散射光的角度范围使其在60-12°范围内。

14、第二方面，本发明还提供一种水体悬浮颗粒物多角度缪勒矩阵测量的方法，使用如第一方面所述的装置进行多角度缪勒矩阵的检测。

15、优选地，还包括如下步骤：将检测得到的多角度缪勒矩阵输入预先经过训练得到的预测模型以预测出被测颗粒物的折射率、粒径以及颗粒物的种类。

16、本发明具有如下有益效果：

17、本发明提出一种悬浮颗粒物的多角度缪勒矩阵快速测量方法和装置，通过利用偏振调制模块来快速地改变入射偏振光，在短时间内以多个不同斯托克斯向量的入射光照射到同一个悬浮颗粒物上，同时测量多个散射角度的散射光斯托克斯向量，即可推导计算出悬浮颗粒物的多角度缪勒矩阵，从而达到快速原位识别悬浮颗粒物的目的。

技术特征：

1.一种水体悬浮颗粒物多角度缪勒矩阵测量的装置，其特征在于，包括照明光路、接收光路、样品池和处理模块；所述照明光路包括光源、偏振调制模块和第一透镜，所述接收光路包括接收光路光学模块和一维偏振分析模块；

2.如权利要求1所述的水体悬浮颗粒物多角度缪勒矩阵测量的装置，其特征在于：所述接收光路设置在悬浮颗粒物发生散射的散射角度90°处，优选地，所述装置还包括光阱，用于吸收多余的透射光，减少环境光干扰。

3.如权利要求1所述的水体悬浮颗粒物多角度缪勒矩阵测量的装置，其特征在于：所述偏振调制模块包括第一电光调制器、第二电光调制器和分光笼；所述光源发出的光束依次经过所述第一电光调制器、所述第二电光调制器、所述分光笼和所述第一透镜后照射所述样品池内的悬浮颗粒物；所述处理模块与所述分光笼连接，用于获取并后续处理入射光的斯托克斯向量；优选地，所述第一电光调制器的快轴角为45度，所述第二电光调制器的快轴角为90度，以使得所述光源发出的光束通过所述第一电光调制器和所述第二电光调制器后，能够产生周期性快速变化的偏振光。

4.如权利要求3所述的水体悬浮颗粒物多角度缪勒矩阵测量的装置，其特征在于：所述分光笼包括第一30:70不等比分光棱镜、第二30:70分光棱镜、50：50分光棱镜、水平偏振片、垂直偏振片、45度偏振片、左旋偏振片、第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管、第四光电倍增管；其中，从所述第二电光调制器出射的光经所述第一30:70分光棱镜分成两束，一束依次通过所述水平偏振片和所述第一光电倍增管，另一束入射到所述第二30:70分光棱镜，经所述第一30:70分光棱镜分成两束，一束依次通过所述垂直偏振片和所述第二光电倍增管，另一束入射到所述50：50分光棱镜，经所述50：50分光棱镜分成两束，一束依次通过所述45度偏振片和所述第三光电倍增管，另一束依次经过所述左旋偏振片和所述第四光电倍增管；所述处理模块分别与第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管、第四光电倍增管连接。

5.如权利要求1所述的水体悬浮颗粒物多角度缪勒矩阵测量的装置，其特征在于：所述处理模块包括第一采集卡、第二采集卡和处理单元，所述第一采集卡收集所述接收光路接收的散射光的多个散射角度的斯托克斯向量并发送给所述处理单元，所述第二采集卡收集由所述偏振调制模块接收的入射光的斯托克斯向量并发送给所述处理单元，所述处理单元计算得到悬浮颗粒物的多角度缪勒矩阵；优选地，所述第一采集卡与所述第二采集卡连接，所述第一采集卡被设置成当其被触发而开始采集散射光的多个散射角度的斯托克斯向量时，产生一个触发电压给所述第二采集卡，使所述第二采集卡开始采集入射光的斯托克斯向量。

6.如权利要求5所述的水体悬浮颗粒物多角度缪勒矩阵测量的装置，其特征在于：所述接收光路模块包括第二透镜、第三透镜、小孔、第四透镜、10:90分光棱镜、第五透镜、第五光电倍增管和第六透镜，所述一维偏振分析模块为偏振线扫描相机；其中，所述小孔放置于光经过所述第三透镜后的像点位置，所述悬浮颗粒物发出的散射光依次经过所述第二透镜、所述第三透镜、所述小孔和所述第四透镜后，转换为平行光，通过所述10:90分光棱镜分出两束光，一束经过所述第五透镜后聚焦到所述第五光电倍增管，由所述第五光电倍增管给所述第一采集卡触发电压以进行采集，另一束经过所述第六透镜聚焦后被所述偏振线扫描相机接收，得到散射光的多角度斯托克斯向量，所述偏振线扫描相机与所述第一采集卡连接。

7.如权利要求1所述的水体悬浮颗粒物多角度缪勒矩阵测量的装置，其特征在于：所述光源采用532nm大功率激光器，光功率≥0.5w，连续照明。

8.如权利要求6所述的水体悬浮颗粒物多角度缪勒矩阵测量的装置，其特征在于：通过调整所述小孔的大小、所述第二透镜、所述第三透镜和所述小孔的相对位置来调整探测区域的大小，从而使得散射体积足够小到在所述散射体积内只有单个颗粒；所述第二透镜和所述第三透镜用于扩大接收的散射光的角度范围使其在60-12°范围内。

9.一种水体悬浮颗粒物多角度缪勒矩阵测量的方法，其特征在于，使用如权利要求1至8任一项所述的装置进行多角度缪勒矩阵的检测。

10.如权利要求9所述的水体悬浮颗粒物多角度缪勒矩阵测量的方法，其特征在于，还包括如下步骤：将检测得到的多角度缪勒矩阵输入预先经过训练得到的预测模型以预测出被测颗粒物的折射率、粒径以及颗粒物的种类。

技术总结
本发明公开了一种水体悬浮颗粒物多角度缪勒矩阵测量的装置及方法，该装置包括照明光路、接收光路、样品池、处理模块；照明光路包括光源、偏振调制模块和第一透镜，接收光路包括接收光路光学模块和一维偏振分析模块；光源发出的光束经偏振调制模块后，产生偏振态按时序变化的偏振光，同时在偏振调制模块中监测入射光的偏振态，经过第一透镜后照射样品池内的悬浮颗粒物，颗粒物发生散射后的散射光被接收光路模块接收、整形，由一维偏振分析模块计算颗粒物的散射光的多角度斯托克斯向量；处理模块根据入射光的斯托克斯向量和散射光的多个散射角度的斯托克斯向量计算得到颗粒物的多角度缪勒矩阵。本发明可对颗粒物的多角度缪勒矩阵进行快速测量。

技术研发人员：廖然,郑奕,马辉
受保护的技术使用者：清华大学深圳国际研究生院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15