本發(fā)明涉及水體沉積物測(cè)量技術(shù)，特別是涉及一種水體沉積物原位檢測(cè)裝置和方法。

背景技術(shù)：

1、沉積物作為水體環(huán)境的重要組成部分，包含了豐富的地質(zhì)和生物信息，對(duì)研究水體生態(tài)系統(tǒng)的演變、物質(zhì)循環(huán)以及環(huán)境變化具有重要意義。沉積物不僅記錄了水體物理、化學(xué)和生物過(guò)程，還反映了地球氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)水體環(huán)境的影響。沉積物中的顆粒物，如有機(jī)質(zhì)、礦物質(zhì)、微塑料等，直接影響水體生物的生存和水體生態(tài)系統(tǒng)的健康。因此，準(zhǔn)確測(cè)量和分析沉積物中的顆粒物種類、濃度及其分層分布，對(duì)深入理解水體環(huán)境變化和維護(hù)水體生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要。

2、傳統(tǒng)的沉積物測(cè)量方法包括取樣分析、聲學(xué)探測(cè)和地質(zhì)勘探等。這些方法在揭示沉積物成分、結(jié)構(gòu)和沉積過(guò)程方面取得了重要成果。然而，傳統(tǒng)方法往往面臨取樣困難、測(cè)量精度有限、空間覆蓋不足等挑戰(zhàn)。對(duì)沉積物的測(cè)量往往需要取樣后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，成本高昂且測(cè)量周期長(zhǎng)，無(wú)法滿足高時(shí)空分辨率的研究需求。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)測(cè)量方法因其高分辨率、快速等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛關(guān)注?，F(xiàn)有的新型光學(xué)手段如電鏡、x射線衍射和熒光等方法需要對(duì)樣本進(jìn)行特殊處理且測(cè)量操作復(fù)雜。因此亟待發(fā)展新型沉積物原位檢測(cè)方法和裝置。

3、目前正在發(fā)展中的偏振成像測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、海洋科學(xué)、大氣遙感等領(lǐng)域。偏振測(cè)量與傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)兼容，無(wú)需對(duì)測(cè)量樣本進(jìn)行特殊處理，具有非侵入、無(wú)損傷、在體原位、數(shù)據(jù)量大、對(duì)微觀結(jié)構(gòu)敏感等優(yōu)點(diǎn)。然而，在將偏振成像測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到沉積物原位檢測(cè)中，如何實(shí)現(xiàn)高分辨率和高通量的原位測(cè)量，如何準(zhǔn)確獲取沉積物的內(nèi)部成分和結(jié)構(gòu)信息，以及如何有效減少水下測(cè)量操作對(duì)沉積物的擾動(dòng)及樣本粘附等影響檢測(cè)準(zhǔn)確性的問(wèn)題，仍存在著諸多的挑戰(zhàn)。

4、需要說(shuō)明的是，在上述背景技術(shù)部分公開的信息僅用于對(duì)本申請(qǐng)的背景的理解，因此可以包括不構(gòu)成對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于解決上述背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種水體沉積物原位檢測(cè)裝置和方法。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種水體沉積物原位檢測(cè)裝置，包括：

4、光源，用于提供測(cè)量所需的照明；

5、起偏器，用于對(duì)照明光源進(jìn)行偏振調(diào)制，以產(chǎn)生所需偏振態(tài)的入射光入射至沉積物樣品；

6、檢偏器，與所述起偏器相對(duì)應(yīng)，用于測(cè)量沉積物樣品的出射光的偏振態(tài)信息；

7、成像系統(tǒng)，用于捕獲和記錄由檢偏器測(cè)量的偏振態(tài)信息，生成繆勒矩陣圖像；

8、數(shù)據(jù)處理模塊，用于處理繆勒矩陣圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)圖像數(shù)據(jù)計(jì)算繆勒矩陣，分析沉積物樣品的偏振特性以對(duì)沉積物樣品進(jìn)行識(shí)別分析；

9、原位內(nèi)窺探頭，包括具有光學(xué)窗口和防水封裝的外殼，所述光學(xué)窗口用于對(duì)水體沉積物進(jìn)行原位光學(xué)測(cè)量，所述光源、所述起偏器、所述檢偏器、所述成像系統(tǒng)和所述數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)置在所述外殼中。

10、進(jìn)一步地：

11、所述起偏器包括線偏振片和四分之一波片，所述四分之一波片安裝于可旋轉(zhuǎn)設(shè)備。

12、所述檢偏器和成像系統(tǒng)由雙偏振相機(jī)模組，所述雙偏振相機(jī)模組包括兩個(gè)偏振相機(jī)和非偏振分光棱鏡，所述非偏振分光棱鏡將出射光平分為兩束，分別由兩個(gè)偏振相機(jī)接收以記錄偏振態(tài)，并在其中一條光路中插入四分之一波片。

13、所述偏振相機(jī)的靶面每個(gè)像素鍍有不同線偏振方向的偏振薄膜，相鄰的2×2范圍的像素組成一個(gè)四通道超像素，其中每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一次偏振調(diào)制，從而得到對(duì)應(yīng)的偏振方向分量，兩個(gè)偏振相機(jī)組成八通道檢偏系統(tǒng)；其中每個(gè)超像素獲得一組偏振數(shù)據(jù)，并列的多個(gè)超像素組成偏振圖像。

14、照明光路與接收光路與豎直方向的夾角不大于30度。

15、所述原位內(nèi)窺探頭的外殼設(shè)置成錐形結(jié)構(gòu)，以降低水中阻力，減少對(duì)沉積物的擾動(dòng)。

16、所述原位內(nèi)窺探頭的外殼設(shè)置成斜錐形結(jié)構(gòu)，所述光學(xué)窗口設(shè)置在所述斜錐形結(jié)構(gòu)的傾斜面上，優(yōu)選地，經(jīng)過(guò)所述起偏器的入射光與被測(cè)沉積物樣品成約15度夾角，且沉積物樣品整體處于同一個(gè)成像端焦平面，所述檢偏器接收出射光的路徑與沉積物樣本表面成90度夾角，在所述探頭內(nèi)部設(shè)置反射鏡以調(diào)整和引導(dǎo)光路，使反射光被所述偏振相機(jī)準(zhǔn)確接收。

17、所述數(shù)據(jù)處理模塊用四維矢量斯托克斯矢量表征偏振態(tài)，記錄下起偏器產(chǎn)生的偏振態(tài)以及檢偏器檢測(cè)到的偏振態(tài)后，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，得到沉積物樣本散射前后偏振態(tài)矢量的變化矩陣即繆勒矩陣。

18、所述數(shù)據(jù)處理模塊利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)沉積物樣本的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、粒徑及成分進(jìn)行識(shí)別分類，以實(shí)現(xiàn)對(duì)沉積物特性的高通量、高分辨率分析。所述機(jī)器學(xué)習(xí)模型是通過(guò)測(cè)量已知樣本建立數(shù)據(jù)庫(kù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法使用所述數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練得到的分類模型。

19、一種水體沉積物原位檢測(cè)方法，使用所述的水體沉積物原位檢測(cè)裝置進(jìn)行水體沉積物原位檢測(cè)。

20、本發(fā)明具有如下有益效果：

21、本發(fā)明提出一種沉積物原位檢測(cè)方法和裝置，無(wú)需復(fù)雜的樣本準(zhǔn)備，可以實(shí)現(xiàn)水體原位測(cè)量，或者將樣本直接置于系統(tǒng)中測(cè)量。通過(guò)測(cè)量樣本的繆勒矩陣圖像，不僅獲得樣本結(jié)構(gòu)形貌信息，通過(guò)不同沉積物在偏振性質(zhì)上的差異，實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部成分信息的獲取。本發(fā)明具有高通量、高分辨率、信息維度高、原位實(shí)時(shí)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，可以有效提升對(duì)沉積物特性和環(huán)境變化的認(rèn)知。

22、進(jìn)一步地，本發(fā)明原位內(nèi)窺探頭的斜錐形外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，配合光學(xué)窗口在傾斜面上的設(shè)置，斜錐形結(jié)構(gòu)有效降低了水下阻力，同時(shí)減少了探頭下沉過(guò)程中對(duì)沉積物的擾動(dòng)，保證了沉積物原貌的完整性，而光學(xué)窗口成角度設(shè)置使入射光與沉積物樣品之間形成夾角，有效防止沉積物在探頭下沉?xí)r粘附在窗口上而影響測(cè)量精度；檢偏器接收出射光的路徑與沉積物樣本表面成90度夾角的設(shè)計(jì)，使沉積物樣品整體處于成像端焦平面上，借助反射鏡引導(dǎo)光路，實(shí)現(xiàn)了圖像的清晰一致性，并結(jié)合入射光與沉積物樣品之間的夾角，有利于減小因照明臂和接收臂引入的系統(tǒng)誤差，最大限度地減少其他角度光線的干擾，確保了偏振態(tài)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

23、本發(fā)明實(shí)施例中的其他有益效果將在下文中進(jìn)一步述及。

技術(shù)特征：

1.一種水體沉積物原位檢測(cè)裝置，其特征在于，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的水體沉積物原位檢測(cè)裝置，其特征在于，所述起偏器包括線偏振片和四分之一波片，所述四分之一波片安裝于可旋轉(zhuǎn)設(shè)備。

3.如權(quán)利要求1或2所述的水體沉積物原位檢測(cè)裝置，其特征在于，所述檢偏器和成像系統(tǒng)由雙偏振相機(jī)模組，所述雙偏振相機(jī)模組包括兩個(gè)偏振相機(jī)和非偏振分光棱鏡，所述非偏振分光棱鏡將出射光平分為兩束，分別由兩個(gè)偏振相機(jī)接收以記錄偏振態(tài)，并在其中一條光路中插入四分之一波片。

4.如權(quán)利要求3所述的水體沉積物原位檢測(cè)裝置，其特征在于，所述偏振相機(jī)的靶面每個(gè)像素鍍有不同線偏振方向的偏振薄膜，相鄰的2×2范圍的像素組成一個(gè)四通道超像素，其中每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一次偏振調(diào)制，從而得到對(duì)應(yīng)的偏振方向分量，兩個(gè)偏振相機(jī)組成八通道檢偏系統(tǒng)；其中每個(gè)超像素獲得一組偏振數(shù)據(jù)，并列的多個(gè)超像素組成偏振圖像。

5.如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的水體沉積物原位檢測(cè)裝置，其特征在于，照明光路與接收光路與豎直方向的夾角不大于30度。

6.如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的水體沉積物原位檢測(cè)裝置，其特征在于，所述原位內(nèi)窺探頭的外殼設(shè)置成錐形結(jié)構(gòu)，以降低水中阻力，減少對(duì)沉積物的擾動(dòng)。

7.如權(quán)利要求6所述的水體沉積物原位檢測(cè)裝置，其特征在于，所述原位內(nèi)窺探頭的外殼設(shè)置成斜錐形結(jié)構(gòu)，所述光學(xué)窗口設(shè)置在所述斜錐形結(jié)構(gòu)的傾斜面上，優(yōu)選地，經(jīng)過(guò)所述起偏器的入射光與被測(cè)沉積物樣品成約15度夾角，且沉積物樣品整體處于同一個(gè)成像端焦平面，所述檢偏器接收出射光的路徑與沉積物樣本表面成90度夾角，并設(shè)置反射鏡以調(diào)整和引導(dǎo)光路，以使反射光被所述偏振相機(jī)準(zhǔn)確接收。

8.如權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的水體沉積物原位檢測(cè)裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊用四維矢量斯托克斯矢量表征偏振態(tài)，記錄下起偏器產(chǎn)生的偏振態(tài)以及檢偏器檢測(cè)到的偏振態(tài)后，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，得到沉積物樣本散射前后偏振態(tài)矢量的變化矩陣即繆勒矩陣。

9.如權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的水體沉積物原位檢測(cè)裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)沉積物樣本的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、粒徑及成分進(jìn)行識(shí)別分類，以實(shí)現(xiàn)對(duì)沉積物特性的高通量、高分辨率分析；其中，所述機(jī)器學(xué)習(xí)模型是通過(guò)測(cè)量已知樣本建立數(shù)據(jù)庫(kù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法使用所述數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練得到的分類模型。

10.一種水體沉積物原位檢測(cè)方法，其特征在于，使用如權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的水體沉積物原位檢測(cè)裝置進(jìn)行水體沉積物原位檢測(cè)。

技術(shù)總結(jié)
一種水體沉積物原位檢測(cè)裝置和方法，包括：光源，用于提供測(cè)量所需的照明；起偏器，用于對(duì)照明光源進(jìn)行偏振調(diào)制，以產(chǎn)生所需偏振態(tài)的入射光入射至沉積物樣品；檢偏器，與所述起偏器相對(duì)應(yīng)，用于測(cè)量沉積物樣品的出射光的偏振態(tài)信息；成像系統(tǒng)，用于捕獲和記錄由檢偏器測(cè)量的偏振態(tài)信息，生成繆勒矩陣圖像；數(shù)據(jù)處理模塊，用于處理繆勒矩陣圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)圖像數(shù)據(jù)計(jì)算繆勒矩陣，分析沉積物樣品的偏振特性以對(duì)沉積物樣品進(jìn)行識(shí)別分析；原位內(nèi)窺探頭，包括具有光學(xué)窗口和防水封裝的外殼。通過(guò)該水體原位內(nèi)窺測(cè)量方案，能夠?qū)崿F(xiàn)沉積物的高效、準(zhǔn)確原位測(cè)量，獲取沉積物在自然環(huán)境下的真實(shí)偏振信息，為水體環(huán)境研究和沉積物分析提供可靠數(shù)據(jù)支持。

技術(shù)研發(fā)人員：廖然,胡崢,馬輝
受保護(hù)的技術(shù)使用者：清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30