[發(fā)明專利]偏振光譜特征融合的水中氨氮檢測方法

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• 申請日: 2022-05-10
• 公開（公告）號: CN114965293A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發(fā)明（設計）人: 許廷發(fā);樊阿馨;李佳男;張宇寒;王茜;徐暢
• 申請（專利權）人: 北京理工大學重慶創(chuàng)新中心;北京理工大學
• 主分類號: G01N21/21
• 分類號: G01N21/21;G01N21/25;G06K9/62;G06N20/10;G06F17/16
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 陽佑虹

本發(fā)明提供了一種偏振光譜特征融合的水中氨氮檢測方法，用于偏振光譜特征融合系統(tǒng)，系統(tǒng)包括光源、反射鏡、四分之一波片、線偏振片、光纖透鏡和光纖光譜儀；方法包括：C1：通過系統(tǒng)基于目標水樣，采集偏振調制光譜；C2：解調目標水樣反射光波的四個斯托克斯參量光譜；C3：選取不同數(shù)量的偏振調制光譜和斯托克斯參量光譜分別進行光譜特征融合；C4：基于氨氮濃度不同的目標水樣的特征融合光譜，進行光譜分類。本發(fā)明實現(xiàn)了基于偏振特征融合光譜檢測水中氨氮，通過光與物質之間的相互作用，無需使用輔助試劑，準確的檢測水中氨氮濃度。

技術領域

本發(fā)明涉及偏振光譜水質檢測技術領域，特別涉及偏振光譜特征融合的水中氨氮檢測方法。

背景技術

水不僅是生命之源，更是生命之必需。然而，水資源短缺是全球日益嚴重的環(huán)境問題。眾所周知，水資源短缺主要是由水污染引起的。不出所料，水污染通常來自我們的日常生活，包括但不限于垃圾場和非衛(wèi)生垃圾填埋場、豬廢水、農業(yè)和采礦活動。因此，這些有意識的行為和其他無意識的行為將各種污染物帶入水中。然而，越來越多的研究集中在一些主要污染物，如微塑料、重金屬、石油烴和抗生素。在化學成分方面，氨氮因其在地表水中的普遍存在和高毒性而引起了全世界的持續(xù)關注。氨氮的氧化作用可以降低水中溶解氧的濃度，使水變黑、變臭，而水質惡化會進一步影響水生動植物的生存，水資源的可持續(xù)利用離不開水污染檢測。

為了改善水質并挽救生命，檢測水中的污染物以進行進一步處理是至關重要和緊迫的。近年來氨氮的檢測主要有光學、電化學和生物酶法。在關注氨氮光學性質的光學方法方面，基于分光光度法、熒光和光纖的傳感策略在世界范圍內得到了廣泛的發(fā)展和應用。

最初，分光光度法采用貝特洛試劑，一種苯酚和次氯酸鹽的堿性溶液，用混合綠色指示劑檢測氨。然后改進了貝特洛反應以優(yōu)化反應條件，主要通過用水楊酸鹽代替有毒苯酚、改變水楊酸鹽的取代基和蒸發(fā)溶解的氨。此外，氨可以與熒光試劑反應生成熒光化合物，從而吸收外部能量，發(fā)出具有一定波長和濃度相關強度的光。然而，分光光度法和熒光法都需要輔助試劑來定量氨，操作復雜，反應條件受限，并可能造成二次污染。

作為一種新穎的方法，光纖檢測利用光纖傳輸對外部環(huán)境敏感的光。通常氨與光纖的涂層材料發(fā)生反應，首先改變折射率，然后調制透射光。調制的光被檢測并進一步解調以量化氨。然而，折射率的變化或涂層材料的吸附性差可能會降低低濃度時的檢測靈敏度。同時，這些現(xiàn)有的光學方法需要氨與指定物質發(fā)生反應，這限制了它們在實際環(huán)境中的應用和長期實時監(jiān)測。

本發(fā)明提出了受偏振啟發(fā)的特征融合光譜(PIFFS)方法，以簡化氨氮檢測并避免二次污染；PIFFS系統(tǒng)主要由光源、反射鏡、四分之一波片(QWP)、線偏振片(LP)、光纖透鏡和光纖光譜儀組成；在光譜域，PIFFS系統(tǒng)可以有效地獲取可見光譜。

發(fā)明內容

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種偏振光譜特征融合的水中氨氮檢測方法，在偏振域中，光源發(fā)出的光首先被水樣改變，然后被偏振光學元件調制，最后被光纖光譜儀接收。顯然，關鍵的氨濃度反映在水樣改變的光中；通過調整QWP和LP角度對目標光進行四次調制，計算其四個斯托克斯參數(shù)，然后，可以通過機器學習算法對不同濃度的氨樣品的調制或計算光譜進行分類。本發(fā)明為結合偏振法和光譜法的光學檢測水中氨氮開辟了一條新途徑。

本發(fā)明提供了一種偏振光譜特征融合的水中氨氮檢測方法，具體技術方案如下：

方法用于偏振光譜特征融合系統(tǒng)，所述偏振光譜特征融合系統(tǒng)包括光源、反射鏡、四分之一波片、線偏振片、光纖透鏡和光纖光譜儀；

所述方法包括如下步驟：

C1：通過所述偏振光譜特征融合系統(tǒng)，基于目標水樣，采集偏振調制光譜；

C2：解調目標水樣反射光波的四個斯托克斯參量光譜；

C3：選取不同數(shù)量的偏振調制光譜和斯托克斯參量光譜分別進行光譜特征融合；