徐元哲，徐云升，謝鑫剛，吳路光，呂健威

(1.瓊州學(xué)院電子通信學(xué)院，海南三亞572020;2瓊州學(xué)院食品學(xué)院，海南三亞572020;3.東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林吉林132013)

由于世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水體富營養(yǎng)化程度加劇，導(dǎo)致藻類大量繁殖，造成了水體環(huán)境生態(tài)的破壞，另一面浮游植物是海洋中重要的初級(jí)生產(chǎn)者和能量的轉(zhuǎn)換者。研究浮游植物的含量分布監(jiān)測(cè)對(duì)于海洋生態(tài)的評(píng)估及海洋生物資源的開發(fā)均有實(shí)際意義［1，2］，因此國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)藻類濃度測(cè)量進(jìn)行了研究［3－7］。

一般采用測(cè)量水體中葉綠素a濃度的方法來獲取海洋中浮游植物的濃度。檢測(cè)葉綠素a濃度的方法目前有分光光度法、高效液相色譜法、實(shí)驗(yàn)室熒光光譜法和遙感法。這些方法各有利弊，本文論述利用熒光圖像檢測(cè)藻類的一種新方法，這種方法的優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，本檢測(cè)裝置適用于無人駕駛船船載檢測(cè)。

1 系統(tǒng)檢測(cè)原理

(1)當(dāng)特定波長的光子碰撞到葉綠素分子時(shí)，光子被分子吸收，使分子的能量升高;處于較高能態(tài)的分子是不穩(wěn)定的，要通過釋放吸收的能量而回到穩(wěn)定的基態(tài)即最低能級(jí)，其中一部分能量以熱輻射的形勢(shì)耗散，另一部分以熒光的形勢(shì)釋放出來。分子必須在吸收一定頻率范圍的激發(fā)光后，通過振動(dòng)弛豫回到第一激發(fā)電子態(tài)的最低能級(jí)，由此向下的輻射躍遷才可能產(chǎn)生熒光［8，9］。如圖1所示為某一種綠藻葉綠素a的激發(fā)光譜和熒光發(fā)射光譜。我們可以清晰地看到，當(dāng)激發(fā)光中心波長為435 nm時(shí)，葉綠素a發(fā)出峰值熒光波長為685 nm的熒光。

圖1 葉綠素a的激發(fā)光光譜和熒光發(fā)射光譜

(2)如圖2所示，激光垂直入射到裝有濃度為c的葉綠素a溶液時(shí)，設(shè)激光入射光強(qiáng)為I0，摩爾吸收系數(shù)為ε，激光達(dá)到溶液的不同深度時(shí)的光強(qiáng)為I，則

圖2 激光激發(fā)葉綠素產(chǎn)生熒光的示意圖

設(shè)Q為物質(zhì)熒轉(zhuǎn)化率，F(xiàn)=QI，式中F1為被激發(fā)的熒光強(qiáng)度I為激發(fā)光光強(qiáng)，在弱光前提下認(rèn)為物質(zhì)熒光轉(zhuǎn)化率與物質(zhì)濃度呈線性關(guān)系，即Q=Kc。K值為常數(shù)，則在x處產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度為

此處熒光強(qiáng)度達(dá)到液體表面的光強(qiáng)為

在垂直入射方向上看熒光光斑就是不同深度產(chǎn)生的熒光光斑強(qiáng)度傳播到液體表面，在液體表面進(jìn)行累加。用F代表熒光光斑在液體表面光強(qiáng)的累加的結(jié)果，液體的深度設(shè)為L，即

εcL?1時(shí)

即濃度c與熒光灰度F之間存在線性關(guān)系。

激發(fā)光光強(qiáng)，摩爾吸收系數(shù)一定的情況下產(chǎn)生的熒光光強(qiáng)與葉綠素濃度有關(guān)與樣品池中液體的高度有關(guān)。本文就是通過實(shí)驗(yàn)確定入射光光強(qiáng)與樣品池液體高度，使葉綠素a濃度與產(chǎn)生的熒光灰度之間成線性。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

近海藻類監(jiān)測(cè)裝置有高性能窄帶激勵(lì)光源系統(tǒng)、CCD攝像系統(tǒng)和DM642圖像處理系統(tǒng)三大部分組成。系統(tǒng)總的檢測(cè)流程是激光驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)激勵(lì)光源產(chǎn)生激光，激光打入不同濃度的藻類實(shí)驗(yàn)樣品中，藻類產(chǎn)生熒光反應(yīng)，CCD攝像機(jī)進(jìn)行熒光圖像采集，然后圖像進(jìn)入DM642圖像處理系統(tǒng)中，最后得到處理后的信息顯示。如圖3為系統(tǒng)的檢測(cè)流程圖。

圖3 系統(tǒng)的檢測(cè)流程圖

2.1 光源系統(tǒng)

光源采用435 nm波長總功率為150 mw的紫色激光器［10］。激光器的恒流驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。其工作原理如下:通過R1和R2分壓，給運(yùn)算放大器正相輸入端一個(gè)偏置電壓V，有運(yùn)算放大器輸入端對(duì)電壓虛短、電流虛斷的原理可知，運(yùn)算放大器的反向電壓也為V，也就是三極管的發(fā)射極的電壓為V，發(fā)射極對(duì)于地只有一個(gè)電阻R4，由于流過三極管基極的電流可以忽略不計(jì)，所以流過激光器LD電流就是I=V/R4，與接入的負(fù)載無關(guān)。在光源的驅(qū)動(dòng)模塊中設(shè)計(jì)的還有LD光源的TTL調(diào)制電路，可以調(diào)節(jié)激光器的功率輸出大?。?1，12］。

2.2 CCD攝像系統(tǒng)

CCD攝像系統(tǒng)有CCD攝像頭、鏡頭和熒光濾光片三部分組成。CCD攝像頭選用的是高清SONY－CCD700線的攝像頭，熒光濾光片采用685nm的窄帶干涉濾光片，使在圖像接收部分，保證接收的熒光在685±5 nm范圍內(nèi)。

2.3 DM642圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心，影響著系統(tǒng)的工作效率和速度，因此選用的TMS320DM642開發(fā)板，在圖像處理中，先對(duì)藻類產(chǎn)生的熒光圖像進(jìn)行采集，由于采集的圖像是YUV彩色圖像［13］。因此需要將其轉(zhuǎn)化為灰度圖像。YUV(亦稱YCrCb)是被歐洲電視系統(tǒng)采用的一種顏色編碼方法，它屬于PAL制，其中Y表示明亮度，也就是灰階值;U和V表示的是色度，作用是用來描述影像色彩及飽和度，用來指定像素的顏色。因此，我們只需提取Y通道中的信號(hào)就能得到與之對(duì)應(yīng)的灰度圖像［14，15］。

然后再進(jìn)行對(duì)熒光圖像進(jìn)行去噪處理，去噪處理的算法采用圖像的加權(quán)平均法－圖像平滑方法，也就是用像素的某鄰域內(nèi)諸像素灰度的加權(quán)平均值來代替原像素的灰度值［16］，從而達(dá)到消除噪聲的干擾。平滑處理完成后對(duì)圖像中的熒光點(diǎn)進(jìn)行灰度值讀取，根據(jù)灰度值的大小來反應(yīng)出藻類濃度的大小。圖5為實(shí)驗(yàn)裝置圖。

圖4 激光器的恒流驅(qū)動(dòng)電路

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(1)不同激發(fā)功率時(shí)葉綠素a濃度與熒光圖像灰度之間的關(guān)系。

圖6為檢測(cè)液面高度為10 cm，從下到上為激發(fā)功率為15 mw，30 mw，60 mw，90 mw，120 mw，150 mw時(shí)的葉綠素a濃度與熒光灰度之間的關(guān)系。激發(fā)功率為15mw時(shí)在本實(shí)驗(yàn)條件下基本上符合線性規(guī)律，即符合在弱光前提下的理論關(guān)系。對(duì)于其他強(qiáng)光激發(fā)下隨著濃度的增加灰度值趨于飽和。

(2)不同液體高度下濃度與熒光圖像灰度之間的關(guān)系。

圖7為激勵(lì)光源功率輸出為15 mw時(shí)，從上到下樣品池的高度分別為25 cm，20 cm，15 cm和10 cm時(shí)的葉綠素a濃度與熒光圖像灰度值之間的關(guān)系。根據(jù)公式(6)可知εcL因子決定葉綠素a與熒光圖像灰度值的線性關(guān)系，因此ε一定的情況下，L值越大線性度就越差，根據(jù)公式(7)可知L值越大靈敏度就越大，但是L越大線性度越差，在選擇L時(shí)保證線性度的情況下，盡量要選擇靈敏度大的L。由實(shí)驗(yàn)可知檢測(cè)樣品池液體高度的高度等于10 cm時(shí)基本成線性直線，而且靈敏度相對(duì)大。因此在本實(shí)驗(yàn)條件下高度等于10 cm時(shí)為最佳測(cè)量條件。

由實(shí)驗(yàn)可知檢測(cè)樣品池液體高度的高度小于10 cm并激光器的功率選擇小于15 mw時(shí)基本成線性直線，因此也為最佳測(cè)量條件。

圖6 不同激光功率下濃度與灰度值之間的關(guān)系

(3)不同濃度葉綠素a的熒光圖。

不同濃度葉綠素a產(chǎn)生的熒光灰度圖見圖8。通過圖可以看出隨著葉綠素a濃度的增加，熒光圖像逐漸變亮，其灰度值逐漸變大。

(4)標(biāo)準(zhǔn)熒光光度計(jì)測(cè)量值與熒光圖像灰度值之間的關(guān)系。

樣品液體高度為10 cm、激發(fā)功率為15 mw時(shí)，檢測(cè)到的熒光圖像灰度值與島津RF－5301PC熒光分光光度計(jì)測(cè)量值的關(guān)系曲線(見圖9)。從曲線可以看出有較好的線性。線性關(guān)系為y=0.1017x－5.0451，線性誤差為6.091%。

圖7 不同高度下的濃度與灰度之間的關(guān)系

圖8 不同濃度葉綠素a的熒光圖

圖9 標(biāo)準(zhǔn)熒光光度計(jì)測(cè)量值與熒光圖像灰度值之間的關(guān)系

4 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)確定了熒光圖像法測(cè)量藻類葉綠素a的最佳激光激發(fā)功率，并給出了樣品池液面高度確定的實(shí)驗(yàn)方法。通過實(shí)驗(yàn)可知，激光激發(fā)功率采用小于15 mw樣品池的高度小于10 cm時(shí)線性度較好，并與標(biāo)準(zhǔn)的熒光光度計(jì)進(jìn)行比較結(jié)果有較好的線性關(guān)系。該方法最大優(yōu)點(diǎn)是可快速檢測(cè)藻類葉綠素a的濃度。

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