吳 寧，馬海寬，曹 煊，張盈盈，褚東志，張述偉，吳丙偉，馬 然

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋監(jiān)測(cè)儀器裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東青島 266001)

0 引言

海水葉綠素含量是評(píng)價(jià)海水水質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)化程度的重要參數(shù)。為完全解決傳統(tǒng)方法存在維護(hù)復(fù)雜，分析過(guò)程繁瑣，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，二次污染嚴(yán)重，且不能用于浮標(biāo)、岸站等載體進(jìn)行定點(diǎn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等缺點(diǎn)[1]。研制體積小、精度高、功耗低、集成化程度高，具有實(shí)時(shí)性和連續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)的海水光學(xué)葉綠素傳感器是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向和趨勢(shì)，對(duì)監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境、預(yù)警海洋生態(tài)災(zāi)害等具有重要的意義。

本文提出一種基于熒光法的光學(xué)海水葉綠素傳感器，采用470 nm波長(zhǎng)LED作為激發(fā)光源激發(fā)海水浮游植物葉綠素產(chǎn)生熒光[2-3]。傳感器采用一體化三光學(xué)探頭設(shè)計(jì)，能同時(shí)檢測(cè)海水葉綠素濃度、濁度以及溫度，并且能對(duì)低濁度、溫度變化時(shí)對(duì)葉綠素濃度產(chǎn)生的影響進(jìn)行自動(dòng)校正，除此之外，傳感器配有機(jī)械電刷，可有效防止生物附著等問(wèn)題。且特殊研發(fā)的電路和算法可以有效去除環(huán)境光的影響，避免了環(huán)境光對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。不僅適用于浮標(biāo)、臺(tái)站等海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)，且可用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和便攜野外測(cè)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

傳感器原理圖如圖1所示，主要包括光路模塊、信號(hào)處理模塊、溫度檢測(cè)模塊、清潔電刷模塊、供電管理模塊、通信模塊以及機(jī)械外殼等主要部分。首先將470 nm的激發(fā)光源LED分別通過(guò)數(shù)字頻率合成器(DDS單元)調(diào)制成1 kHz頻率的光，通過(guò)照射海水分別激發(fā)同頻同相1 kHz的熒光，然后將檢測(cè)到的熒光信號(hào)通過(guò)光學(xué)探頭中的濾光片和透鏡進(jìn)入到光電二極管，熒光信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理單元進(jìn)行同步解調(diào)，解調(diào)后得到的信號(hào)可以有效抑制非調(diào)制頻率的噪聲源的干擾，提高輸出信號(hào)的信噪比，從而將深埋在大量非相關(guān)噪聲中的痕量熒光信號(hào)有效地檢測(cè)出來(lái)，完成檢測(cè)。

圖1 傳感器原理圖

傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖如圖2所示，主要結(jié)構(gòu)由電機(jī)組件、電路板組件、電刷桿、光學(xué)組件、端蓋、外罩、水密頭和固定螺栓組成。儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、合理，除此之外傳感器配有機(jī)械電刷，可有效防止生物附著等問(wèn)題。

圖2 傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖

2 光學(xué)探頭模塊設(shè)計(jì)

光學(xué)探頭結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，采用一體化光學(xué)探頭封裝設(shè)計(jì)技術(shù)，探頭主要由直徑3 mm的470 nm超高亮發(fā)光二極管作為激發(fā)光源、熒光接收光電二極管、光纖、濾光片和透鏡等組成。激發(fā)光路與檢測(cè)光路設(shè)計(jì)成夾角40°，其中檢測(cè)光路與光學(xué)基體軸線平行。

光學(xué)探頭裝配流程主要分為鏡片安裝和光源、檢測(cè)器的裝配2部分，鏡片裝配過(guò)程中通過(guò)光學(xué)膠紫外固化與基體結(jié)合，光源、檢測(cè)器裝配過(guò)程通過(guò)加工件定位和光學(xué)膠固定。封裝過(guò)程采用模具灌注方式完成，裝配完成實(shí)物如圖3(b)所示。

圖3 傳感器一體封裝光學(xué)探頭

LED光經(jīng)透鏡匯聚于海水中激發(fā)活體葉綠素產(chǎn)生熒光，熒光經(jīng)透鏡后向收集，通光濾光片匯聚于光電二極管完成檢測(cè)。

3 電路模塊設(shè)計(jì)

為提取強(qiáng)背景噪聲環(huán)境下的微弱熒光信號(hào)，設(shè)計(jì)了數(shù)字正交相敏檢波信號(hào)處理電路[5-6]，采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)，對(duì)波長(zhǎng)470 nm的激發(fā)LED光源進(jìn)行調(diào)制，然后采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)與迭代數(shù)字濾波算法，實(shí)現(xiàn)微弱熒光信號(hào)的同步解調(diào)。通過(guò)使用調(diào)制光和數(shù)字混合解調(diào)技術(shù)，傳感器可以有效抑制非調(diào)制頻率的噪聲源，提供出色的檢測(cè)精度。電路模塊包括LED恒流源驅(qū)動(dòng)模塊、I/V轉(zhuǎn)模塊及數(shù)字正交相敏檢波模塊。采用調(diào)制470 nm波長(zhǎng)激發(fā)光源，從而產(chǎn)生同頻同相熒光信號(hào)的方法進(jìn)行葉綠素相對(duì)熒光強(qiáng)度的采集。

3.1 激發(fā)光源LED恒流源調(diào)制電路設(shè)計(jì)

選用中心波長(zhǎng)為470 nm的LED作為海水葉綠素測(cè)定的激勵(lì)光源，如圖4所示，采用單片MAX1916恒流源芯片作為激勵(lì)光源的驅(qū)動(dòng)電路。其中MAX1916作為專用LED驅(qū)動(dòng)芯片，電流匹配度可達(dá)0.3%，且具有壓差低、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。驅(qū)動(dòng)信號(hào)為1 kHz的方波信號(hào)，分別與MAX1916的EN端相連接。其中方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)由系統(tǒng)DDS單元產(chǎn)生，采用了基于查表法和Coedic算法相結(jié)合的原理產(chǎn)生，內(nèi)部參考相對(duì)相位精度：0.001°@F=10 kHz，T=25 ℃。

圖4 激發(fā)光源LED恒流源調(diào)制電路

3.2 I/V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

可編程跨阻式I/V轉(zhuǎn)換放大電路如圖5所示。

圖5 可編程跨阻式I/V轉(zhuǎn)換放大電路

可編程跨阻式I/V轉(zhuǎn)換放大電路采用了低失調(diào)電壓、低噪聲、低輸入偏置電流的AD8616運(yùn)放器[1]。其中光電二極管輸出的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)可編程跨阻I/V轉(zhuǎn)換放大電路，將電流轉(zhuǎn)換為電壓并進(jìn)行放大，由于光電二極管產(chǎn)生的極小電流，因此設(shè)計(jì)采用了1 MΩ的反饋電阻，為了保證輸出的穩(wěn)定性，使用反饋電容以補(bǔ)償總輸入電容以及反饋電阻產(chǎn)生的極點(diǎn)，保證電路的穩(wěn)定性。AD8231主要是對(duì)轉(zhuǎn)換完成的信號(hào)進(jìn)行次級(jí)放大，其中AD8231為超低噪聲、軌對(duì)軌程控放大器，可根據(jù)量程實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的自動(dòng)補(bǔ)償[7-8]。

3.3 數(shù)字正交同步檢波電路設(shè)計(jì)

微弱熒光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)是本傳感器的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計(jì)了數(shù)字正交相敏檢波信號(hào)處理電路來(lái)實(shí)現(xiàn)微弱熒光信號(hào)的提取。通過(guò)使用調(diào)制光和數(shù)字正交同步檢波而非直流源，系統(tǒng)可以有效抑制非調(diào)制頻率的噪聲源，提供出色的檢測(cè)精度。

數(shù)字正交相敏檢波電路原理如圖6所示，利用數(shù)字技術(shù)(FPGA)實(shí)現(xiàn)相敏檢波和低通濾波功能。信號(hào)輸入通道與模擬鎖相放大器相同，經(jīng)抗混疊濾波器、ADC 轉(zhuǎn)換后送入到數(shù)字信號(hào)處理單元。該設(shè)計(jì)的數(shù)字正交同步檢波功能電路的輸出通道中沒(méi)有直流放大器，可以避免直流放大器的噪聲、不穩(wěn)定、溫度漂移等缺點(diǎn)；內(nèi)部晶振時(shí)鐘源隨時(shí)間和溫度變化小，減小參考信號(hào)的不穩(wěn)定帶來(lái)的誤差，能在短時(shí)間內(nèi)完成鎖相功能；具有出色的正交解調(diào)性能。

圖6 數(shù)字正交相敏檢波電路原理圖

信號(hào)經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換放大后經(jīng)過(guò)工頻限波和抗混疊濾波，得到輸入信號(hào)，送入到數(shù)字信號(hào)處理單元分別與相位差為90°的參考信號(hào)進(jìn)行乘法(PSD)運(yùn)算，產(chǎn)生2個(gè)低頻解調(diào)信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換和FIR/IIR混合低通濾波后得到結(jié)果，最后通過(guò)STM32F407單片機(jī)運(yùn)算單元進(jìn)行平方根運(yùn)算就可得到待測(cè)信號(hào)的幅值和相位。

本設(shè)計(jì)著重從相關(guān)檢測(cè)原理算法、移相算法、直接頻率合成算法(DDS正交參考信號(hào))、IIR和FIR混合濾波算法等軟件上實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字正交檢波電路。

除此之外，傳感器還能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量濁度對(duì)測(cè)得的葉綠素進(jìn)行校準(zhǔn)。濁度測(cè)量原理與葉綠素測(cè)量原理相同。DDS單元同時(shí)產(chǎn)生2路不同頻同相參考信號(hào)，一路用于葉綠素調(diào)制解調(diào)，另一路用于濁度調(diào)制解調(diào)。

4 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

配置一定濃度梯度為0.5、5、10、50 μg/L的葉綠素標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照一定比例進(jìn)行稀釋配成系列標(biāo)準(zhǔn)液并加入到標(biāo)定裝置內(nèi)，將傳感器分別置于不同濃度的標(biāo)定裝置內(nèi)，儀器響應(yīng)值(A/D值)與濃度梯度曲線如圖7所示，從圖7可以看出研制的葉綠素傳感器信號(hào)值測(cè)量結(jié)果與葉綠素濃度結(jié)果成良好的線性關(guān)系，R2值為0.999 9。

圖7 儀器響應(yīng)值與濃度擬合曲線

5 性能測(cè)試

完成標(biāo)定后將進(jìn)行傳感器的準(zhǔn)確度、精密度及分辨率等性能指標(biāo)實(shí)驗(yàn)，將標(biāo)定完成的傳感器和已檢定的日本亞力克多參數(shù)傳感器(AAQ171-0321)分別置于濃度為10、20、25、50 μg/L的葉綠素樣品中。每個(gè)濃度樣品測(cè)量6次取其平均值作為儀器的測(cè)量值，計(jì)算得到儀器的精密度和準(zhǔn)確度分別如表1和表2所示。

表1 基于熒光法的光學(xué)海水葉綠素傳感器精密度與準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)表

表2 日本亞力克多參數(shù)傳感器(AAQ171-0321)精密度與準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)基于熒光法的光學(xué)海水葉綠素傳感器在準(zhǔn)確度與精密度方面已經(jīng)達(dá)到了國(guó)外儀器水平，且優(yōu)于日本亞力克多參數(shù)傳感器(AAQ171-0321)。

6 海試實(shí)驗(yàn)

完成實(shí)驗(yàn)室測(cè)試后將在青島中苑碼頭附近海域進(jìn)行如圖8所示的海試聯(lián)調(diào)，利用浮標(biāo)、躉船等平臺(tái)供電，接入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行海試測(cè)試，并同步掛載檢定合格的亞力克多參數(shù)水質(zhì)儀(AAQ171-0321)進(jìn)行穩(wěn)定性、可靠性、精確度等性能比對(duì)測(cè)試。

圖8 傳感器海試聯(lián)調(diào)測(cè)試

其中隨機(jī)抽取2018年12月22-23日2天的數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果如圖9所示，從圖9可以看出傳感器樣機(jī)與國(guó)外儀器的綜合趨勢(shì)基本一致，且穩(wěn)定性要優(yōu)于國(guó)外同類儀器水平。

(a)2018年12月22日

(b)2018年12月23日?qǐng)D9 與國(guó)外儀器數(shù)據(jù)對(duì)比

7 結(jié)束語(yǔ)

傳感器采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)前期大量的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、岸邊測(cè)試、海試，以驗(yàn)證海水光學(xué)葉綠素傳感器在實(shí)際環(huán)境中的性能。其中實(shí)驗(yàn)過(guò)程載體為浮標(biāo)和躉船。為了保證測(cè)試的效果，期間躉船同步掛載2臺(tái)海水光學(xué)葉綠素傳感器與檢定合格的亞力克多參數(shù)水質(zhì)儀(AAQ171-0321)進(jìn)行性能比對(duì)。浮標(biāo)同步掛載2臺(tái)海水葉綠素傳感器與檢定合格的亞力克多參數(shù)水質(zhì)儀(AAQ171-0321)進(jìn)行性能比對(duì)。通過(guò)長(zhǎng)期的掛載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明研制的海水光學(xué)葉綠素傳感器具有體積小、系統(tǒng)集成度高、功耗低、成本低、探頭可集成等優(yōu)點(diǎn)，適合躉船、浮標(biāo)和臺(tái)站等原位快速測(cè)量，也適用實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和便攜野外測(cè)量。已經(jīng)完全滿足業(yè)務(wù)需求且綜合性能指標(biāo)優(yōu)于國(guó)外同類儀器水平。