本发明涉及一种基于光谱法的多参数水质实时在线监测装置。该装置包括疝灯光源、前置光路、光谱获取单元、快速处理平台以及输出单元；疝灯光源出射光经过前置光路后分为校正参考光路以及测量光路；校正参考光路通过待测水样入射至光谱获取单元；测量光路通过标准水样入射至光谱获取单元；校正参考光路以及测量光路经过光谱获取单元同步获取后转化成两组光谱曲线数字信号后发送至快速处理单元；快速处理单元分别对两组光谱曲线数字信号进行处理后获得待测水样中存在的待测物质及待测物质的浓度后通过输出单元输出到本地或远程从而实现监控。该装置测试周期短、体积小、成本低并且能够实现实时、多参数的水质测量。
1.一种基于光谱法的多参数水质实时在线监测装置，其特征在于：包括疝灯光源、前置光路、光谱获取单元、快速处理平台以及输出单元；
疝灯光源出射光经过前置光路后分为校正参考光路以及测量光路；校正参考光路通过待测水样入射至光谱获取单元；测量光路通过标准水样入射至光谱获取单元；校正参考光路以及测量光路经过光谱获取单元同步获取后转化成两组光谱曲线数字信号后发送至快速处理单元；快速处理单元分别对两组光谱曲线数字信号进行处理后获得待测水样中存在的待测物质及待测物质的浓度后通过输出单元输出到本地或远程从而实现监控；
快速处理单元为基于ARM的水质多参数智能处理平台；
光谱获取单元包括第一准直镜、狭缝、第一反射镜、光纤束、光栅、第二准直镜、探测器、第二反射镜组成；
校正参考光路在经过标准水样后，经过第二准直镜、在第二准直镜的一次像面位置通过光纤束传送至狭缝，再通过第一反射镜反射至光栅，光栅对校正参考光路进行色散后经过第二反射镜反射由探测器接收；
测量光路在经过待测水样后，经第一准直镜、在第一准直镜的一次像面位置通过光纤束至狭缝，再通过第一反射镜反射至光栅，光栅对待测水样光路进行色散后经过第二反射镜反射后由探测器接收；
快速处理单元分别对两组同步获取的光谱曲线数字信号进行处理，包括以下步骤：
1)建立标准数据库；标准样本数据库包括水里溶解的不同物质，不同物质的特征光谱，通过特征光谱的“反射峰”或者“吸收谷”确定物质成份；通过每种物质成份在特征光谱位置对应的幅度值的大小确定物质的浓度；
2.1)通过标准水样的光谱曲线数字信号获取标准水样的特征光谱A；
2.2)通过待测水样的光谱曲线数字信号获取待测水样的特征光谱B；
2.3)标准水样的特征光谱A和待测水样的特征光谱B归一化作差后获得特征光谱C的“反射峰”或者“吸收谷”，查找标准数据库，判断待测水样的物质成份，若是待测水样中只含单一物质，则进行步骤3)；若是待测水样中含多种物质，则进行步骤4)；
3.1)依据样本数据库和吸光度公式计算出系数矩阵K,如下式：
式中：I1、I2、…In为标准数据库中测量光路多次经过待测水样后已知的连续谱幅度值，I0‑1、I0‑2、I0‑n为标准数据库中校正参考光路多次经过标准水样后已知的连续谱幅度值，C1、C2、…Cn为每个吸光度下的成份浓度，L是固定的光程差；
3.2)再依据朗伯‑比尔定律的吸光度公式，计算校正参考光路第i次通过待测水样后测量的浓度：式中：Ii为经过待测水样后获取的连续谱幅度值，I0‑i为经过标准水样的获取的连续谱幅度值，Ci为待测水样中单一物质浓度，L是固定的光程差，代入求得的K值后可得待测样本中物质的浓度，如下式所示：
4.1)依据样本数据库和吸光度公式计算出系数矩阵K,如下式：
式中：I1、I2、…In为标准数据库中测量光路多次经过待测水样后已知的连续谱幅度值，I0‑1、I0‑2、I0‑n为标准数据库中校正参考光路多次经过标准水样后已知的连续谱幅度值，Cnm为第m种物质的第n种浓度浓度，L是固定的光程差；
4.2)再依据朗伯‑比尔定律的吸光度公式，计算校正参考光路第i次通过待测水样后测量的浓度：Ii为经过待测水样后连续谱的幅度值，I0‑i为经过标准水样后连续谱的幅度值，Ci为第i种成份及其浓度，L是固定的光程差，代入求得的K值后可得待测浓度，如下式所示：则C1、C2、…Ci、Cn分别为对应的待测水样中多种物质的浓度。
2.根据权利要求1所述的基于光谱法的多参数水质实时在线监测装置，其特征在于：所述疝灯光源模块发的出射光的谱段包括紫外光、可见光、近红外光，光谱谱段为185nm～
3.根据权利要求2所述的基于光谱法的多参数水质实时在线监测装置，其特征在于：所述光栅为平面光栅、凹面光栅、凹面全息光栅或可调闪耀光栅。
4.根据权利要求3所述的基于光谱法的多参数水质实时在线监测装置，其特征在于：所述探测器为硅光电管或面阵探测器。
5.根据权利要求4所述的基于光谱法的多参数水质实时在线监测装置，其特征在于：输出单元为网络传输线、无线传输或固态存储。
6.根据权利要求5所述的基于光谱法的多参数水质实时在线监测装置，其特征在于：所述前置光路包括成像镜和准直镜。
一种基于光谱法的多参数水质实时在线监测装置
技术领域
[0001] 本发明属于光学探测技术领域，具体涉及一种基于光谱法的多参数水质实时在线监测装置。
背景技术
[0002] 水资源污染是当今世界水环境面临的最严峻的问题之一，如何及时、准确、快速、全面的反映水体环境质量和污染源的状况，是制定切实可行的污染防治规划和污染源状况的前提和基础。
[0003] 目前，基于水质探测有以下几种方法：化学分析法、原子或者分子光谱法、色谱分离技术、电化学分析技术、生物传感技术；
[0004] 其中，基于化学法的水质分析仪在水质监测时存在采样测试周期长、单参数测量、二次污染、费时费力等问题；
[0005] 基于原子或者分子光谱、色谱分离的水质分析仪在水质监测时存在不能多参数同时分析、标准工作曲线线性范围窄、复杂样品分析时精度偏低等问题；
[0006] 基于电化学分析技术的水质分析仪虽然便携，但在水质监测时存在污染、耗能、处理费用高等问题。
[0007] 生物传感技术会出现识别元件与待测物质发生不可逆化学反应等情况，影响识别能力和灵敏度，另外小型化实现困难。
发明内容
[0008] 为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种测试周期短、体积小、成本低并且能够实现实时、多参数的水质测量的基于光谱法的多参数水质实时在线监测装置。
[0009] 本发明的基本原理是：
[0010] 基于光谱法的多参数水质实时在线监测装置，是利用水体中污染元素的在不同波长位置的吸收光谱曲线来判断污染元素的成份和含量的方法。依据朗伯‑比尔定律，通过污染元素光谱曲线“峰”和“谷”的位置来判断污染物的成份、通过其幅值并结合定标方法来判断该污染元素的浓度，并以此实现多个水质参数的定性定量检测。对水体测量的原始数据，通过基于高速ARM处理单元，进行水体多种污染物光谱曲线的解混、实时重构、再通过无线方式、有线方式、固态存储等多种形式提供至用户单元。
[0011] 该装置可实现对水体的色度、浊度、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)、硝酸盐、氰离子、六价铬、溴离子(Br‑，bromide)，有色溶解有机物(CDOM)等多种物质属性和含量的监测。
[0012] 本发明的具体技术方案是：
[0013] 本发明提供了一种基于光谱法的多参数水质实时在线监测装置，其特征在于：包括氙灯源、前置光路、光谱获取单元、快速处理平台以及输出单元；
[0014] 氙灯源出射光经过前置光路后分为校正参考光路以及测量光路；校正参考光路通过待测水样入射至光谱获取单元；测量光路通过标准水样入射至光谱获取单元；校正参考光路以及测量光路经过光谱获取单元同步获取后转化成两组光谱曲线数字信号后发送至快速处理单元；快速处理单元分别对两组光谱曲线数字信号进行处理后获得待测水样中存在的待测物质及待测物质的浓度后通过输出单元输出到本地或远程从而实现监控；
[0015] 快速处理单元为基于ARM的水质多参数智能处理平台。
[0016] 其中，光谱获取单元包括第一准直镜、狭缝、第一反射镜、光纤束、光栅、第二准直镜、探测器、第二反射镜组成；
[0017] 校正参考光路在经过标准水样后，经过第二准直镜、在第二准直镜的一次像面位置通过光纤束传送至狭缝，再通过第一反射镜反射至光栅，光栅对校正参考光路进行色散后经过第二反射镜反射由探测器接收；
[0018] 测量光路在经过待测水样后，经第一准直镜、在第一准直镜的一次像面位置通过光纤束至狭缝，再通过第一反射镜反射至光栅，光栅对待测水样光路进行色散后经过第二反射镜反射后由探测器接收。
[0019] 上述氙灯源模块发的出射光的谱段包括紫外光、可见光、近红外光，光谱谱段为185nm～1100nm。
[0020] 上述光栅为平面光栅、凹面光栅、凹面全息光栅或可调闪耀光栅。
[0021] 上述探测器为硅光电管或面阵探测器。
[0022] 其中，输出单元为网络传输线、无线传输或固态存储。
[0023] 具体来讲，所述前置光路包括成像镜和准直镜。
[0024] 本发明中快速处理单元分别对两组光谱曲线数字信号进行处理，其具体的处理过程包括以下步骤：
[0025] 1)建立标准数据库；标准样本数据库包括水里溶解的不同物质，不同物质的特征光谱，通过特征光谱的“反射峰”或者“吸收谷”确定物质成份；通过每种物质成份在特征光谱位置对应的幅度值的大小确定物质的浓度；
[0026] 2)待测水样中物质的确定；
[0027] 2.1)通过标准水样的光谱曲线数字信号获取标准水样的特征光谱A；
[0028] 2.2)通过待测水样的光谱曲线数字信号获取待测水样的特征光谱B；
[0029] 2.3)标准水样的特征光谱A和待测水样的特征光谱B归一化作差后获得特征光谱C的“反射峰”或者“吸收谷”，查找标准数据库，判断待测水样的物质成份，若是待测水样中只含单一物质，则进行步骤3)；若是待测水样中含多种物质，则进行步骤4)；
[0030] 3)待测水样中只含单种物质的浓度检测：
[0031] 3.1)依据样本数据库和吸光度公式计算出系数矩阵K,如下式：
[0032]
[0033] 式中：I1、I2、…In为标准数据库中测量光路多次经过待测水样后已知连续谱的幅度值，I0‑1、I0‑2、I0‑n为标准数据库中校正参考光路经过标准水样后的已知的连续谱幅度值，C1、C2、…Cn为每个吸光度下的成份浓度，L是固定的光程差；
[0034] 3.2)再依据朗伯‑比尔定律的吸光度公式，计算校正参考光路第i次通过待测水样后测量的浓度：
[0035]
[0036] 式中：Ii为经过待测水样后获取的连续谱的幅度值，I0‑i为经过标准水样的连续谱的幅度值，Ci为待测水样中单一物质浓度，L是固定的光程差，代入求得的K值后可得待测样本中物质的浓度，如下式所示：
[0037]
[0038] 4)待测水样中含多种物质的浓度检测：
[0039] 4.1)依据样本数据库和吸光度公式计算出系数矩阵K,如下式：
[0040]
[0041] 式中：I1、I2、…In为数据库中测量光路多次经过待测水样后已知的连续谱的幅度值，I0‑1、I0‑2、I0‑n为数据库中校正参考光路经过标准水样后连续谱的幅度值，Cnm为第m种物质的第n种浓度浓度，L是固定的光程差；
[0042] 4.2)再依据朗伯‑比尔定律的吸光度公式，计算校正参考光路第i次通过待测水样后测量的浓度：
[0043]
[0044] Ii为经过待测水样后的幅度值，I0‑i为经过标准水样的强度值，Ci为第i种成份及其浓度，L是固定的光程差，代入求得的K值后可得待测浓度，如下式所示：
[0045]
[0046] 则C1、C2、…Ci、Cn分别为对应的待测水样中多种物质的浓度。
[0047] 本发明的优点在于：
[0048] 1、现有的化学法水质测量只能测量单一水质元素的成份和浓度，本发
[0049] 明具备多参数水质成份和浓度获取的能力。
[0050] 2、现有的光学法水质测量没有同步测量的参考校正设计，本发明设计了同步测量的双光束参比光路，具备系统误差的主动校正能力，长期测量使用的精度非常高，尤其针对氙灯长期使用光强衰减的校正。
[0051] 3、本发明采用凹面全息光栅或者可调闪耀光栅，相比传统方法，可在实现样机小型化的同时，获取高的信噪比和测量精度。
[0052] 4、本发明对应的仪器体积小、重量轻、无需试剂及预先采样样品、即插即用、快速响应。
[0053] 5、本发明不需添加任何化学溶液进行测量，不会造成水体的二次污染，相比传统的化学法有显著优点。
[0054] 6、本发明具备对水质多参数的实时在线处理分析能力，可以组网探测，相比传统探测方式的单一探头，非实时测量等具有明显优势。
[0055] 7、本发明采用多接口灵活输出，相比传统的单一接口，人工读数等具备显著优势。
附图说明
[0056] 图1为本发明光学结构示意图。
[0057] 附图标记如下：
[0058] 1‑氙灯光源、2‑前置光路、3‑第一准直镜、4‑狭缝、5‑第一反射镜、6‑光纤束、7‑光栅、8‑第二准直镜、9‑探测器、10‑第二反射镜、11‑快速处理平台、12‑输出单元。
具体实施方式
[0059] 如图1所示，本发明提供的光基于光谱法的多参数水质实时在线监测装置包括氙灯光源1、2前置光路2、第一准直镜3、狭缝4、第一反射镜5、光纤束6、光栅7、第二准直镜8、探测器9、第二反射镜10、快速处理平台11、输出单元12。
[0060] 本发明的具体实施方式如下：
[0061] 氙灯光源1(氙灯光源的谱段覆盖：紫外光、可见光、近红外光，光谱谱段为185nm～1100nm)发出的光经过前置光路2，分成两束，第一束光(此束光为校正参考光路)经过标准水样，第二束光(此束光为测量光路)经过待测水样，其中，第一束经过第二准直镜8后，在第二准直镜8一次像面通过光纤束6将光信号传送至狭缝4，再入射到第一反射镜5经过光栅7(光栅可选择平面光栅、凹面光栅、凹面全息光栅、可调闪耀光栅等不同的光栅)的色散后经第二反射镜10反射至探测器9(探测器可选择硅光电管、面阵探测器)。
[0062] 第二束光经过第一准直镜3后，在第一准直镜3一次像面通过光纤束6将光信号传送至狭缝4，入射到第一反射镜5经第一反射镜5反射后经光栅7色散，再经第二反射镜10后至探测器9，这两束光色散开后分布在探测器的不同行像元上，经过光电转换，得到的光谱信息数字信号传输至快速处理平台11(基于ARM的水质多参数智能处理平台)，快速处理平台11对两束光转换的电信号进行暗电流去除、滤波、光谱数据提取、水质多参数光谱解混等处理后获得获得待测水样中存在的待测物质及待测物质的浓度，通过输出单元12发出到本地或远程从而实现监控；，输出单元包含多种形式网络传输线、有线方式、天线、固态存储等。
[0063] 其中，基于ARM的水质多参数智能处理平台是基于ARM芯片处理器的电路板卡，在这个芯片器件上，可以装载linux和安卓系统，进行算法处理。
[0064] 具体的算法处理包括以下步骤：
[0065] 快速处理单元分别对两组光谱曲线数字信号进行处理，包括以下步骤：
[0066] 步骤1)建立标准数据库；标准样本数据库包括水里溶解的不同物质，不同物质的特征光谱，通过特征光谱的“反射峰”或者“吸收谷”确定物质成份；通过每种物质成份在特征光谱位置对应的幅度值的大小确定物质的浓度；
[0067] 步骤2)待测水样中物质的确定；
[0068] 步骤2.1)通过标准水样的光谱曲线数字信号获取标准水样的特征光谱A；
[0069] 步骤2.2)通过待测水样的光谱曲线数字信号获取待测水样的特征光谱B；
[0070] 步骤2.3)标准水样的特征光谱A和待测水样的特征光谱B归一化作差后获得特征光谱C的“反射峰”或者“吸收谷”，查找标准数据库，判断待测水样的物质成份，若是待测水样中只含单一物质，则进行步骤3)；若；若是待测水样中含多种物质，则进行步骤4)；
[0071] 步骤3)待测水样中只含单种物质的浓度检测：
[0072] 步骤3.1)依据样本数据库和吸光度公式计算出系数矩阵K,如下式：
[0073]
[0074] 式中：I1、I2、…In为标准数据库中测量光路多次经过待测水样后连续谱的幅度值，I0‑1、I0‑2、I0‑n为标准数据库中校正参考光路经过标准水样后的连续谱的幅度值，C1、C2、…Cn为每个吸光度下的成份浓度，L是固定的光程差；
[0075] 步骤3.2)再依据朗伯‑比尔定律的吸光度公式，计算校正参考光路第i次通过待测水样后测量的浓度：
[0076]
[0077] 式中：Ii为经过待测水样后获取的幅度值，I0‑i为经过标准水样后获取的幅度值，Ci为成份浓度，L是固定的光程差，代入求得的K值后可得待测样本中物质的浓度，如下式所示：
[0078]
[0079] 步骤4)待测水样中含多种物质的浓度检测：
[0080] 步骤4.1)依据样本数据库和吸光度公式计算出系数矩阵K,如下式：
[0081]
[0082] 式中：I1、I2、…In为标准数据库中测量光路多次经过待测水样后连续谱的幅度值，I0‑1、I0‑2、I0‑n为标准数据库中校正参考光路经过标准水样后连续谱的幅度值，Cnm为第m种物质的第n种浓度浓度，L是固定的光程差；
[0083] 步骤4.2)再依据朗伯‑比尔定律的吸光度公式，计算校正参考光路第i次通过待测水样后测量的浓度：
[0084]
[0085] Ii为经过待测水样后的获取的幅度值，I0‑i为经过标准水样后获取的幅度值，Ci为第i种成份及其浓度，L是固定的光程差，代入求得的K值后可得待测浓度，如下式所示：
[0086]
[0087] 则C1、C2、…Ci、Cn分别为对应的各组份的浓度。
[0088] 需要补充说明的一点是：标准水样为不含有待测物质成份的纯净的或者干净透明的水体。
