基于背景噪声消除的非接触水质COD检测装置及方法

本发明涉及水质检测，特别是涉及一种基于背景噪声消除的非接触水质cod检测装置及方法。

背景技术：

1、水是人类赖以生存的物质基础，对人类的生命活动发挥着重要作用，水污染问题是全世界面临的严峻挑战，水质监测能够对水环境的质量和污染状况进行准确、全面和及时的反映，是现代环境管理的重点内容之一。水质检测的方法主要有化学法和物理法，目前，国际上检测水质化学需氧量(chemical oxygen demand，cod)的标准方法为化学法，但化学法存在需要试剂、操作复杂、耗时较长、易产生二次污染等问题，不利于现场实时在线检测。与化学法相比，物理法是目前水质现场快速检测的主要方法，主要可分为电子学方法和光学方法，其中吸光光度法和荧光光谱法是光学法中的两种主要检测方式，已成为目前水质分析的重要手段。传统的水质检测方法一般采用取样检测或接触水体的方式进行测量，然而接触式检测过程中水质传感器与水体接触，不仅易受水体的腐蚀，且检测速度一般比较慢，在很多复杂的环境中不便于使用。因此，人们对非接触方式的水质检测方法进行了研究。魏志强设计了一款机载荧光激光雷达系统，用于海洋荧光探测，实验测量了从烟台到荣成沿岸地区海洋表层的叶绿素a浓度。frank e.hoge利用机载激光雷达对海水叶绿素生物量进行了测量，提出了一种基于机载激光诱导叶绿素荧光和有色可溶有机物(coloreddissolved organic matter，cdom)荧光对海水中叶绿素生物量进行反演的算法，实验对机载飞行航线上的叶绿素进行反演，并与船载激光荧光仪对叶绿素的检测结果进行对比，结果表明该算法对海水叶绿素生物量提供了准确的反演。2017年，陈鹏等开发了一种便携式、低成本的激光诱导荧光探测仪器，以非接触方式对现场水质cdom和叶绿素参数进行快速测量，此仪器搭载舰船对杭州湾海水和千岛湖内陆水体的cdom和叶绿素进行了现场测量。robertw.bogue提出了一种用于水质监测的低成本光学传感器系统，该系统对距离为2m处的水样进行非接触测量。实验中，利用该系统对污水的cod进行测定。2022年，cai jn利用飞机遥感高光谱图像对城市河流的cod进行定量表征和估算，采用波段比和神经网络算法等建立了cod浓度的反演模型，可对河流cod浓度进行准确的预测。2018年，陈鹏将激光荧光仪、现场光谱荧光标记技术和cdom荧光温度校正算法相结合，设计了一款简单灵活的激光诱导荧光装置，用于对海水cdom的评估。利用激光荧光仪在东海河口和海岸带开展了实验室和现场研究，该仪器在中国东海的测量结果与常规仪器测量结果具有显著的相关性，实验结果表明激光诱导荧光技术在cdom实时监测上具有较大的应用潜力。王志刚研制了一套激光诱导荧光(laser-induced fluorescence，lif)遥测系统，对太湖水域进行了非接触的船载实验测量。

2、但是，目前非接触水质检测仪器仍然存在检测精度较低、体积大、造价高、操作复杂等特点，多采用飞机、舰船或卫星对仪器进行搭载，不方便对较近距离的水质进行现场快速检测。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于背景噪声消除的非接触水质cod检测装置及方法，提高了水质cod的检测精度。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于背景噪声消除的非接触水质cod检测装置，包括：激光器、滤光片、光谱仪、控制系统和计算机；所述激光器和所述光谱仪均与所述控制系统连接，所述光谱仪和所述控制系统均与所述计算机连接；

4、所述控制系统，用于：

5、控制所述激光器在预设时段内按照预设频率开启和关闭，使得当所述激光器开启时向被测水体发射激光；

6、控制所述光谱仪在所述激光器开启时采集所述被测水体受激光激发产生的水体光信号，在所述激光器关闭时采集背景光信号；所述水体光信号包括散射光、拉曼光和荧光；

7、所述计算机，用于：

8、分别对所述预设时段内采集到的所有相邻的水体光信号和背景光信号作差，得到多条初始光谱曲线；

9、采用滤波算法对所述预设时段内所有所述初始光谱曲线进行滤波处理，得到所述被测水体的有效光谱曲线；

10、根据所述有效光谱曲线计算所述被测水体的cod。

11、可选地，基于背景噪声消除的非接触水质cod检测装置还包括：激光电源；所述激光器通过所述激光电源与所述控制系统连接；

12、所述控制系统通过所述激光电源控制所述激光器在预设时段内按照预设频率开启和关闭。

13、可选地，基于背景噪声消除的非接触水质cod检测装置还包括：准直透镜；所述准直透镜设置在所述激光器的出射光路上；

14、所述激光经过所述准直透镜的准直后入射至所述被测水体。

15、可选地，基于背景噪声消除的非接触水质cod检测装置还包括：接收镜头，所述接收镜头设置在所述水体光信号的出射光路上，所述接收镜头的光轴与所述出射光路成预设夹角；

16、所述接收镜头用于接收所述水体光信号并将所述水体光信号汇聚到所述光谱仪的光输入端。

17、可选地，基于背景噪声消除的非接触水质cod检测装置还包括：滤光片；所述滤光片设置在所述接收镜头的光轴上，且设置在所述接收镜头和所述光谱仪的光输入端之间；

18、所述滤光片用于滤除所述水体光信号中的部分散射光。

19、可选地，基于背景噪声消除的非接触水质cod检测装置还包括：显示器；所述显示器与所述计算机连接；

20、所述显示器用于显示所述被测水体的有效光谱曲线与cod。

21、可选地，所述激光器为半导体激光器。

22、一种基于背景噪声消除的非接触水质cod检测方法，基于如上述任一项所述的基于背景噪声消除的非接触水质cod检测装置实现，所述方法包括：

23、在预设时段内按照预设频率向被测水体发射激光；

24、按照预设频率，采集所述被测水体受激光激发产生的水体光信号，采集背景光信号；所述水体光信号包括散射光、拉曼光和荧光；

25、分别对所述预设时段内采集到的所有相邻的水体光信号和背景光信号作差，得到多条初始光谱曲线；

26、采用滤波算法对所述预设时段内所有所述初始光谱曲线进行滤波处理，得到所述被测水体的有效光谱曲线；

27、根据所述有效光谱曲线计算所述被测水体的cod。

28、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

29、本发明公开了一种基于背景噪声消除的非接触水质cod检测装置及方法，激光器在预设时段内按照预设频率开启和关闭，使得当激光器开启时向被测水体发射激光；光谱仪在激光器开启时采集被测水体受激光激发产生的水体光信号，激光器关闭时采集背景光信号；分别对预设时段内采集到的所有相邻的水体光信号和背景光信号作差，得到多条初始光谱曲线；采用滤波算法对预设时段内所有初始光谱曲线进行滤波处理，得到被测水体的有效光谱曲线；根据有效光谱曲线计算被测水体的cod。本发明利用水体光信号和背景光信号和滤波算法得到有效光谱曲线从而确定被测水体的cod，减轻了背景光的干扰，提高了水质cod的检测精度。