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申请/专利权人：中国科学院南京地理与湖泊研究所

摘要：本发明公开了一种湖泊藻类色素浓度快速监测装置，包括支撑杆，所述支撑杆上设有藻类色素浓度传感器，所述藻类色素浓度传感器包括下行辐照度传感器，水面辐亮度传感器和天空辐亮度传感器；所述传感器结构包括光管和依次间隔排列于光管中的光电探测器阵列、滤光片、清洁玻璃，所述光管靠近光电探测器阵列的一端管口固定有滤波圈；所述下行辐照度传感器中的滤波圈表面贴有均光板。本发明的装置为手持式装置，体积小，采用非接触式测量，可以在不破坏水面漂浮的藻华分布的情况下，快速获取藻类色素浓度。并且针对高浑浊水体，选取敏感波段更好的提取色素信息，避免数值饱和，可更准确的实现富营养化湖泊的色素浓度监测。

主权项：1.一种湖泊藻类色素浓度快速监测装置，其特征在于，包括支撑杆，所述支撑杆上设有藻类色素浓度传感器，所述藻类色素浓度传感器包括下行辐照度传感器、水面辐亮度传感器和天空辐亮度传感器；所述传感器结构包括光管和依次间隔排列于光管中的光电探测器阵列、滤光片、清洁玻璃，所述光管靠近光电探测器阵列的一端管口固定有滤波圈；所述下行辐照度传感器中的滤波圈表面贴有均光板；所述光管视场角为25o，孔深36mm，孔径24mm；所述光电探测器阵列由四个光电二极管间隔排列而成；滤光片选用中心波段为665nm，681nm，709nm，753nm，带宽9nm-10nm；使用时，测量获取下行辐照度Ed，天空辐亮度Lsky，水面辐亮度Lsw，计算水体遥感反射比； （1） （2）其中，λi为波段i下的波长值，λ1=665nm、λ2=681nm、λ3=709nm、λ4=753nm；之后基于水体遥感反射比，采用二波段算法计算色素浓度： （3）。

全文数据：一种湖泊藻类色素浓度快速监测装置技术领域[0001]本发明一种湖泊藻类色素浓度快速监测装置，涉及湖泊中的藻类色素浓度监测，针对富营养化湖泊藻华时常暴发的问题，提供一种快速获取色素浓度的装置，可应用于富营养化湖泊藻华暴发的预测、预警及湖泊富营养化的监管领域。背景技术[0002]湖泊藻类色素浓度是湖泊富营养化状况及预测预警的重要指示因素，对作物的生长发育、产量品质起着决定性的作用。目前测量藻类色素浓度的方法有:计数法、黑白瓶法、14C法、分光光度法、实验室荧光测量法等。分光光度法大多采用Lorenzen1966提出的单色分光光度。分光光度法测量需要进行叶绿素、藻蓝素的取样、萃取和离心等工序，在操作上较为繁琐。使用该方法时，采集的样品必须经过预处理，检测极限为lygL。荧光光度法测定水体中藻类色素的原理是:用430nm波长的光照射水中浮游植物，浮游植物中的叶绿素或藻蓝素将产生波长约为677nm或620nm的荧光，测定这种荧光的强度，通过其与叶绿素浓度、藻蓝素浓度的对应关系得出水中藻类色素的含量。激发光源和发射光会受到水体中悬浮微粒的散射作用影响而减小光强，并且水体受到光照时，除了荧光物质发光外，还存在入射光相同的液体分子散射，无机悬浮物的粒子散射等。上述两种方法的缺陷是:藻类色素的光谱或者荧光特征在萃取的过程中受光照、温度等影响，存在萃取不完全或者色素变质的情况，此时测定的色素浓度误差较大;将水样采集到室内进行分析，取样过程的随机性和不均匀也影响了色素浓度的分布;在实验室测定过程中，也耗费较大的人力、物力，不能快速测定得到色素浓度。[0003]现有的叶绿素测量仪器产品（YSI、水质仪等）在浑浊、富营养化的湖泊水体使用时，均会数值饱和的情况，主要原因是在浑浊水体无机悬浮物含量太高、影响了叶绿素的荧光信号。因此需要研制一种可在浑浊、富营养化湖泊中快速准确监测藻类色素浓度的装置。发明内容[0004]本发明的目的是针对现有湖泊藻类色素浓度监测不能满足日常监测需求的问题，提供一种实时的湖泊藻类色素浓度监测仪器，以实现便携、低成本、低功耗的测量湖泊水体的光合有效辐射、反射光谱、藻类的叶绿素a浓度、藻蓝素浓度等光学和水质参数。[0005]为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案，[0006]—种湖泊藻类色素浓度快速监测装置，其特征在于，包括支撑杆，所述支撑杆上设有藻类色素浓度传感器，所述藻类色素浓度传感器包括下行辐照度传感器，水面辐亮度传感器和天空辐亮度传感器;所述传感器结构包括光管和依次间隔排列于光管中的光电探测器阵列、滤光片、清洁玻璃，所述光管靠近光电探测器阵列的一端管口固定有滤波圈；所述下行辐照度传感器中的滤波圈表面贴有均光板。[0007]作为本发明的进一步改进，所述光管视场角为25°，孔深36mm，孔径24mm。[0008]作为本发明的进一步改进，所述光电探测器阵列由四个光电二极管间隔排列而成；滤光片选用中心波段为665nm，681nm，709nm，753nm，带宽9nm-10nm〇[0009]作为本发明的进一步改进，所述水面辐亮度传感器、天空辐亮度传感器中的滤波圈表面设有保护玻璃。[0010]作为本发明的进一步改进，所述下行辐照度传感器垂直于支撑杆连接在支撑杆上表面;水面福亮度传感器固定连接在支撑杆前端，与支撑杆间倾角为-40°;天空福亮度传感器与水面辐亮度传感器相互垂直，与支撑杆间倾角为50°，并与水面辐亮度传感器、支撑杆在一个平面内。进一步的，所述非接触式测量装置背向太阳方向测量，观测平面与太阳入射平面的方位角夹角呈135°。由于水体反射光较强，进入传感器的光信号携带了水面反射信息及天空光信息，会直接影响了传感器的测量精度。将本发明的装置与太阳入射平面的方位角为135°的平面内，以最大限度降低太阳反射光的影响。[0011]进一步的，所述下行辐照度传感器、水面辐亮度传感器和天空辐亮度传感器与支撑杆以可拆卸的方式连接。[0012]作为本发明的进一步改进，所述装置还包括低通滤波模块、AD转换模块和数据处理模块，所述数据处理模块包括微处理器和控制键盘;所述下行辐照度传感器、水面辐亮度传感器和天空辐亮度传感器通过三芯电缆线连接低通滤波电路，输出信号经AD转换电路转换为离散信号后发送至微处理器数据处理模块;所述微处理器选用AVR单片机;所述控制键盘控制微处理器工作模式。优选还包括显示装置，所述显示装置连接微处理器，用于输出测量参数。还包括无线通信装置，所述无线通信装置连接微处理器，用于远程通信。[0013]本发明的装置在使用时，下行辐照度传感器、水面辐亮度传感器、天空辐亮度传感器通过螺丝固定在支撑杆上;野外测量时，水面辐亮度传感器距离水面0.5m〜Im，伸出船体外侧Im以上，避免船体阴影的影响;传感器输出的信号运用低通滤波电路从频域中分离出特征光谱信息;分离出的特征光谱信息通过AD转换电路转换为单片微型处理器可以执行的标准数字信号。[0014]本发明的湖泊藻类色素浓度快速监测装置为手持式装置，体积小，采用非接触式测量，可以在不破坏水面漂浮的藻华分布的情况下，快速获取藻类色素浓度。采用四个测量波段时，可以实现多种波段的组合形式，以观测富营养化、浑浊水体等极端条件下的水体光谱信息。藻类色素在665nm的反射谷和709nm的反射峰是浑浊水体中藻类色素的明显标志性波段。通过681nm作为中间波段，可以容易的构建基于基线法的色素浓度识别指数。此外，在藻华大面积爆发时，藻颗粒聚集在水体表面，具有植被的光谱特征，753nm可以反映藻华爆发时的光谱信息。并且针对高浑浊水体，现有装置采用连续光谱传感器抗干扰能力较差;而单个敏感波段的测量，具有更高的信噪比，在浑浊或者富营养化水体等高反射的水体不容易达到饱和，本发明的装置选取敏感波段更好的提取色素信息，避免数值饱和，可更准确的实现富营养化湖泊的色素浓度监测，能够用于实时快速地进行蓝藻水华暴发预警。附图说明[0015]图1本发明监测装置结构示意图；[0016]图2为传感器俯视结构示意图；[0017]图3为下行辐照度传感器剖视图；[0018]图4为水体、天空辐亮度传感器剖视图；[0019]图5为本发明监测装置使用状态示意图；[0020]图6为不同采样点的实测结果与采用本发明装置测量采用不同算法测量结果对比图；[0021]图7为采用实施例2所述方法测量结果与实测结果对比图；[0022]图中：12、下行辐照度传感器，13、水面辐亮度传感器，14、天空辐亮度传感器，15、支撑杆，16、集成模块，17、三芯电缆线，18、光管，19、光电探测器阵列，20、滤光片，21、清洁玻璃，22、滤波圈，23、均光板，24、保护玻璃。具体实施方式[0023]实施例1[0024]本实施例说明本发明装置的具体技术方案。[0025]如图1所示的湖泊藻类色素监测装置，包括支撑杆15,所述支撑杆15上设有藻类色素浓度传感器，所述藻类色素浓度传感器包括下行辐照度传感器12,水面辐亮度传感器13和天空辐亮度传感器14;均光板23可实现不同角度的太阳入射辐射的积分。[0026]所述传感器的结构包括光管18和依次间隔排列于光管中的光电探测器阵列19、滤光片20、清洁玻璃21，所述光管18靠近光电探测器阵列19的一端管口固定有滤波圈22;所述下行辐照度传感器12中的滤波圈22表面贴有均光板23。所述水面辐亮度传感器13、天空辐亮度传感器14中的滤波圈22表面设有保护玻璃24。[0027]下行辐照度传感器12测量的是整个上半球空间的太阳入射辐射，垂直于支撑杆15连接在支撑杆15上表面;水面福亮度传感器13固定连接在支撑杆15前端，与支撑杆15间倾角为-45°;天空辐亮度传感器14与水面辐亮度传感器13以支撑杆15为对称轴对称连接，与支撑杆15间倾角为45°，并与水面辐亮度传感器13、支撑杆15在一个平面内。所述下行辐照度传感器12、水面辐亮度传感器13和天空辐亮度传感器14与支撑杆15之间以可拆卸的方式连接。[0028]所述装置还包括低通滤波模块、AD转换模块、数据处理模块和显示装置，所述数据处理模块包括微处理器和控制键盘;所述下行辐照度传感器12、水面辐亮度传感器13和天空辐亮度传感器14通过三芯电缆线17连接低通滤波电路，输出信号经AD转换电路转换为离散信号后发送至微处理器数据处理模块;所述微处理器选用AVR单片机;所述控制键盘控制微处理器工作模式;所述显示装置用于输出测量参数。为便于携带使用，低通滤波模块、AD转换模块、数据处理模块和显示装置集成在一起，为集成模块16，固定在支撑杆15上。[0029]本实施例中，光管18视场角为25°，孔深36mm，孔径24mm。光电探测器阵列19由四个光电二极管间隔排列而成；滤光片20选用中心波段为665]1111，68111111，70911111，75311111，带宽911111-10nm〇[0030]微处理器的工作模式可根据需要设定，本实施例中设置“测量”、“监测”和“重设”三种模式，则控制键盘包括“测量”、“监测”、“重设”三个控制键，控制键盘切换为“测量”模式时，单片微处理器实时采集水体光谱信息且对采集到的信息进行处理，并将结果实时显示在显示装置上；切换为“监测”模式时，微处理器中断当前实时测量，捕捉当前值，显示装置显示光合有效辐射及色素浓度，包括叶绿素a浓度、藻蓝素浓度等;切换为“重设”模式时，系统及屏幕恢复至初始化状态。[0031]如图5所示，在监测湖泊藻类色素浓度时，手持或固定支撑杆15—端，使固定支撑杆15位于水平位置，支撑杆15与测量人员所在的平面垂直于太阳与测量人员所在的平面，支撑杆水平放置，水面福亮度传感器13高于水面0.5m〜lm。同时，支撑杆15伸出船体Im以夕卜，以避免船体本身的影响。[0032]由于仪器的测量角度对光谱的影响较大，在野外测量船测量时，待测量船平稳以后，避开水体中泡沫及船体阴影的影响。当风速大于3ms时，需要测量多次，在数据后处理过程中，选取光谱最低的一条作为该测量点的最佳值。[0033]实施例2[0034]本实施例以叶绿素a为例，具体说明采用实施例1所述装置可用的几种获取色素浓度的方法，包括如下步骤：[0035]1测量获取下行辐照度Ed，天空辐亮度Lsky，水面辐亮度Lsw，计算水体遥感反射比；[0036]LwAi=LswAi-0.028Lskyλ〇I[0037]RrsAi=LwAiEdAi2[0038]其中，为波段i下的波长值，A1=GsSnnKA2=GSlnnKA3=TOgnnKA4=TSSnm;[0039]2基于水体遥感反射比计算色素浓度。[0040]分别采用二波段算法、MCI算法、FLH算法计算叶绿素a浓度，具体如下：[0041]二波段算法：[0042]index=Rrs入3Rrsλι[0043]Chla=-45.5Xindex2+220.1Xindex-137.63[0044]MCI算法：[0047]FLH算法：[0050]计算获取叶绿素a浓度数值，取平均后作为最终叶绿素a浓度数值。图6为不同采样点的实测结果与采用本发明装置获取的参数值分别应用二波段算法、MCI算法、FLH算法单独测量结果对比，平均相对误差分别为27.6%、35.8%、32.7%;图7为采用本发明装置获取的参数值应用上述算法获取的Chla数值与实测Chla真值比较，平均相对误差为25.3%，R2为〇.76，均具有较高精度，并且未出现数值饱和，可满足实际测量的需要。[0051]采用上述方法实时获取叶绿素a浓度数值，进而获取2016年-2017年巢湖、太湖的虚拟站点的水体叶绿素a浓度时序数据。在不需要实验室测量的情况下，可以实时反映监测点的叶绿素a变化情况，以分析短时间内Chla的变化原因，做出快速及时的响应，即实现湖泊藻类色度浓度的快速监测。

权利要求：1.一种湖泊藻类色素浓度快速监测装置，其特征在于，包括支撑杆，所述支撑杆上设有藻类色素浓度传感器，所述藻类色素浓度传感器包括下行辐照度传感器、水面辐亮度传感器和天空辐亮度传感器;所述传感器结构包括光管和依次间隔排列于光管中的光电探测器阵列、滤光片、清洁玻璃，所述光管靠近光电探测器阵列的一端管口固定有滤波圈；所述下行辐照度传感器中的滤波圈表面贴有均光板。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光管视场角为25°，孔深36mm，孔径24mm〇3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电探测器阵列由四个光电二极管间隔排列而成；滤光片选用中心波段为665]1111，68111111，70911111，75311111，带宽911111-1〇11111〇4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水面辐亮度传感器、天空辐亮度传感器中的滤波圈表面设有保护玻璃。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述下行辐照度传感器垂直于支撑杆连接在支撑杆上表面;水面福亮度传感器固定连接在支撑杆前端，与支撑杆间倾角为-40°;天空辐亮度传感器与水面辐亮度传感器相互垂直，与支撑杆间倾角为50°，并与水面辐亮度传感器、支撑杆在一个平面内。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述非接触式测量装置背向太阳方向测量，观测平面与太阳入射平面的方位角夹角呈135°。7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述下行辐照度传感器、水面辐亮度传感器和天空辐亮度传感器与支撑杆以可拆卸的方式连接。8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括低通滤波模块、AD转换模块和数据处理模块，所述数据处理模块包括微处理器和控制键盘;所述下行辐照度传感器、水面辐亮度传感器和天空辐亮度传感器通过三芯电缆线连接低通滤波电路，输出信号经AD转换电路转换为离散信号后发送至微处理器数据处理模块;所述微处理器选用AVR单片机;所述控制键盘控制微处理器工作模式。9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括显示装置，所述显示装置连接微处理器，用于输出测量参数。10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括无线通信装置，所述无线通信装置连接微处理器，用于远程通信。

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