陳 巍 陳 濤 張 亮 周志盛 祝 銘 陳良培 劉 鵬 章逸舟 李劍平

(中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055)

1 引 言

海洋占據(jù)地球超過(guò)三分之二的面積，是生命的起源，也是未來(lái)的糧倉(cāng)，在人類(lèi)發(fā)展歷程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而人類(lèi)對(duì)于海洋的探索和開(kāi)發(fā)從未止步。隨著人類(lèi)活動(dòng)的加劇，海洋污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。作為大陸和海洋的連接帶，近岸海域是人類(lèi)和海洋交流活動(dòng)最頻繁的區(qū)域，也是污染最為嚴(yán)重的區(qū)域。國(guó)家海洋局發(fā)布的《2019 年中國(guó)海洋環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，我國(guó)近岸海域環(huán)境問(wèn)題依然突出。部分近岸海域污染依然嚴(yán)重，陸源入海污染居高不下，陸源入海排污口達(dá)標(biāo)排放率仍然較低，88% 的排污口鄰近海域水質(zhì)不能滿(mǎn)足所在海洋功能區(qū)環(huán)境質(zhì)量要求。

為了監(jiān)測(cè)和保護(hù)海洋環(huán)境，國(guó)家制定了嚴(yán)格的近岸海水監(jiān)測(cè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，如《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097-1997)[1]和《近岸海域環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》(HJ442-2008)[2]。這些標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了海水水質(zhì)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)測(cè)參數(shù)種類(lèi)和方法等，為海洋環(huán)境的評(píng)價(jià)提供了權(quán)威的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。但是，這些標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的海水水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法多為化學(xué)方法。以測(cè)量化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)的堿性高錳酸鉀法(GB17378.4-2007)為例，測(cè)量過(guò)程中不僅需要加熱、滴定等人工操作流程，還涉及到高錳酸鉀、碘化鉀和硫代硫酸鈉等化學(xué)試劑[3]。雖然這種測(cè)量方法作為海水測(cè)量的金標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量精度高、重復(fù)性好，但測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、操作復(fù)雜，容易造成二次污染，并不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映海水當(dāng)前的狀態(tài)，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)海水水質(zhì)長(zhǎng)期連續(xù)原位監(jiān)測(cè)。

隨著光學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，基于光譜分析的水質(zhì)原位監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。海水中不同的物質(zhì)存在不同的光學(xué)性質(zhì)，通過(guò)特定的方法測(cè)量這些光學(xué)性質(zhì)，可以間接反映海水的各種參數(shù)。葉綠素 a 分子在特定波段光源照射下可以被激發(fā)出熒光，且一定范圍內(nèi)激發(fā)熒光的強(qiáng)度與水中葉綠素 a 濃度成正比例關(guān)系[4]；水體中類(lèi)色氨酸物質(zhì)熒光峰(T2, 280nm/360nm)與五日法生化需氧量值(Five-day Biochemical Oxygen Demand，BOD5)具有最強(qiáng)線(xiàn)性相關(guān)性[5-6]；根據(jù)分子的選擇性吸收原理，大部分有機(jī)物中外層電子躍遷吸收的光子能量集中在紫外-可見(jiàn)波段[7]，而有機(jī)物是水體中 COD 的主要貢獻(xiàn)物質(zhì)。因此，可以通過(guò)測(cè)量水體的熒光或吸光特性，來(lái)計(jì)算葉綠素 a、COD 和 BOD 濃度。這些光學(xué)測(cè)量方法，具有檢測(cè)速度快、靈敏度高、無(wú)需化學(xué)試劑等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于水質(zhì)原位測(cè)量，并已有商業(yè)化產(chǎn)品出現(xiàn)，如測(cè)量葉綠素 a 的 ECO FL 系列產(chǎn)品(美國(guó)海鳥(niǎo)科技公司)，測(cè)量 COD 的 S::CAN 系列產(chǎn)品(奧地利勢(shì)能公司)和測(cè)量 BOD 的 Uvilux 系列產(chǎn)品(英國(guó) CTG 公司)。但是，這些產(chǎn)品大都針對(duì)淡水環(huán)境使用，在海水中的準(zhǔn)確度、可靠性和使用周期存疑。特別是對(duì)于海水長(zhǎng)期腐蝕和生物附著環(huán)境，缺乏針對(duì)性的設(shè)計(jì)和研究，無(wú)法在海洋原位環(huán)境下長(zhǎng)期使用。

另一方面，作為海洋生態(tài)系統(tǒng)和海洋食物鏈和食物網(wǎng)基礎(chǔ)，浮游生物生命周期短，對(duì)水質(zhì)變化敏感，能夠較為準(zhǔn)確地反映水質(zhì)的變化情況，更需要在原位狀態(tài)下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，但一直缺乏相關(guān)的技術(shù)手段和方法[8-11]。美國(guó) Coastal Ocean Vision 公司研制的連續(xù)顆粒物成像分析儀——CPICS(Continuous Particle Imaging Classification System)[12-13]和美國(guó) Scripps 海洋研究所研制的浮游生物照相系統(tǒng)——SPC(Scripps Plankton Camera System)[14-15]，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)于浮游生物的長(zhǎng)期原位觀測(cè)。但目前上述國(guó)外儀器仍處于科研樣機(jī)的階段，未能裝備化應(yīng)用于海洋監(jiān)測(cè)，也尚未有部署于浮標(biāo)平臺(tái)的記錄，未針對(duì)中國(guó)近海的水體環(huán)境進(jìn)行研究和優(yōu)化，也未建立近海海域的浮游生物數(shù)據(jù)庫(kù)，無(wú)法直接用于我國(guó)近海的浮游生物觀測(cè)。國(guó)內(nèi)方面，中國(guó)海洋大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了一些相關(guān)的工作，并在 2018 年報(bào)道了一臺(tái)可以在水下采集浮游生物多個(gè)放大倍率圖像的浮游生物粒徑譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的科學(xué)樣機(jī)[16]，但國(guó)內(nèi)也未見(jiàn)將浮游生物原位檢測(cè)技術(shù)用于近岸浮標(biāo)上進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間水下監(jiān)測(cè)的報(bào)道。

本文在科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持下，開(kāi)展基于光學(xué)傳感的海水葉綠素 a、COD 和 BOD 傳感器和浮游生物成像儀的研制，完成傳感器與浮標(biāo)平臺(tái)的集成，并在廣東省深圳市大亞灣海域開(kāi)展了連續(xù) 6 個(gè)月以上的海試研究，實(shí)現(xiàn)了上述參數(shù)長(zhǎng)期原位觀測(cè)，為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了新的技術(shù)手段。

2 海洋生化要素原位傳感器研制

2.1 海水葉綠素 a 原位傳感器研制

2.1.1 海水葉綠素 a 原位傳感器檢測(cè)原理

葉綠素 a(Chlorophyll a)是植物光合作用的主要色素[17]，廣泛存在于海洋浮游植物體內(nèi)。測(cè)定海水中葉綠素 a 含量，不僅能間接反映海水浮游植物的生物量，而且可以推算海洋初級(jí)生產(chǎn)力，是評(píng)估海水水質(zhì)、了解海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要參數(shù)[18-19]。

葉綠素 a 吸收特定波段的激發(fā)光，能輻射出波長(zhǎng)比激發(fā)光更長(zhǎng)的熒光，在一定濃度范圍內(nèi)熒光強(qiáng)度與葉綠素 a 濃度成線(xiàn)性比例，因此通過(guò)測(cè)量熒光信號(hào)強(qiáng)度可以檢測(cè)葉綠素 a 濃度[4]。據(jù) Babin[20]報(bào)道，葉綠素 a(溶于丙酮)在可見(jiàn)光波段有兩個(gè)吸收峰，分別是以 430 nm 為峰值的藍(lán)光吸收波段和以 662 nm 為峰值的紅光吸收波段，兩個(gè)熒光發(fā)射峰波長(zhǎng)分別在 668 nm 和 710 nm。然而，對(duì)于海水浮游植物的在體葉綠素 a，吸收峰和熒光發(fā)射峰波長(zhǎng)往往發(fā)生紅移，如矮海鏈藻的吸收峰波長(zhǎng)為 440 nm、熒光發(fā)射峰波長(zhǎng)為 685 nm[20]。圖 1 所示為利用分光光度計(jì)實(shí)測(cè)葉綠素 a 標(biāo)準(zhǔn)品溶液(無(wú)水乙醇)得到的吸光度光譜曲線(xiàn)。

2.1.2 海水葉綠素 a 原位傳感器設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)

葉綠素 a 傳感器采用單石英玻璃平面窗口，激發(fā)光源透過(guò)窗口照射探測(cè)區(qū)域的葉綠素 a 并激發(fā)熒光，熒光透過(guò)窗口被傳感器探測(cè)，如圖 2 所示。整個(gè)探測(cè)器設(shè)計(jì)包括激發(fā)光源、探測(cè)光路和探測(cè)三個(gè)部分。

圖1 葉綠素 a 標(biāo)準(zhǔn)品溶液(無(wú)水乙醇)吸光度光譜曲線(xiàn)Fig. 1 Spectra of light absorption by pure chlorophyll a dissolved in alcohol

圖2 海水葉綠素 a 原位傳感器光路圖Fig. 2 Light path diagram of the in-situ chlorophyll a sensor

傳感器采用藍(lán)光 LED 作為激發(fā)光源，具有體積小、功耗低的特點(diǎn)，而且 LED 端部帶有玻璃透鏡，出射光束發(fā)散角小。探測(cè)器采用高靈敏度硅基光電二極管，光響應(yīng)度高、噪聲低，結(jié)合低噪音光電轉(zhuǎn)換放大電路，可實(shí)現(xiàn)微弱熒光探測(cè)與光電轉(zhuǎn)換。為了提高傳感器的靈敏度和信噪比，增強(qiáng)傳感器熒光探測(cè)能力以及對(duì)干擾光影響的抑制能力：一方面，通過(guò)光路結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高探測(cè)區(qū)域的激發(fā)光功率密度，使探測(cè)區(qū)域內(nèi)葉綠素 a 激發(fā)出更強(qiáng)的熒光，同時(shí)使探測(cè)區(qū)域與探測(cè)器感光面形成共軛匹配，限制雜散光和環(huán)境光進(jìn)入探測(cè)器。另一方面，采用藍(lán)光濾光片過(guò)濾 LED 光源中的紅光成分，避免其對(duì)熒光產(chǎn)生干擾，同時(shí)在熒光探測(cè)光路中設(shè)置紅光窄帶濾光片，過(guò)濾光源在透鏡和窗口的反射光、光源在水中散射光、環(huán)境光以及水中其他物質(zhì)熒光。熒光濾光片采用高性能干涉型帶通濾光片，通帶內(nèi)透過(guò)率高，在 LED 光源波段截止深度大。此外，為了進(jìn)一步抑制環(huán)境光的影響，使傳感器能夠在復(fù)雜的海水原位條件下正常工作，傳感器采用交流調(diào)制的工作方式，通過(guò)脈沖方式觸發(fā) LED 光源激發(fā)相應(yīng)脈沖熒光，熒光對(duì)應(yīng)于固定頻率的交流信號(hào)，而環(huán)境光則是直流以及低頻信號(hào)，通過(guò)濾波方法實(shí)現(xiàn)熒光信號(hào)和環(huán)境光信號(hào)的分離。本文所設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖如圖 3 所示。

圖3 海水葉綠素 a 原位傳感器設(shè)計(jì)圖 (a) 與實(shí)物圖 (b)Fig. 3 Design drawing (a) and the in-situ chlorophyll a sensor photo (b)

表1 海水葉綠素 a 傳感器性能指標(biāo)表Table 1 Specifications of the in-situ chlorophyll a sensor

經(jīng)第三方出具的檢測(cè)報(bào)告，海水葉綠素 a 傳感器參數(shù)如表 1 所示。同時(shí)作為比對(duì)，表 1 還列出了國(guó)際知名產(chǎn)商 Turnerdesigns 的一款先進(jìn)產(chǎn)品 CYCLOPS-6K 的參數(shù)。從表 1 可以看出，所研制的傳感器在外形尺寸、重量、功耗與 CYCLOPS-6K 相當(dāng)，但檢測(cè)限指標(biāo) 0.01 μg/L 優(yōu)于 CYCLOPS-6K。目前國(guó)際上商業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)限普遍在 0.02～0.1 μg/L，檢測(cè)限達(dá)到 0.01 μg/L 的產(chǎn)品鮮有報(bào)道。此外，Zeng 等[4]對(duì)已報(bào)道的 18 種葉綠素原位傳感器(系統(tǒng))進(jìn)行了總結(jié)，其中檢測(cè)限最高為 0.01 μg/L。這表明本文所研制傳感器檢測(cè)限指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

2.2 海水 COD 原位傳感器研制

2.2.1 海水 COD 原位傳感器檢測(cè)原理

化學(xué)需氧量是指在一定條件下，水中的還原性物質(zhì)被氧化分解時(shí)所消耗氧化劑的數(shù)量，單位以氧的濃度(mg/L)表示?；瘜W(xué)需氧量反映的是水體受還原性物質(zhì)污染的程度，這些物質(zhì)包括有機(jī)物、亞硝酸鹽和硫化物等，其中有機(jī)物是主要污染源[7]。

如圖 4 所示，根據(jù) Lambert-Beer 定律[21]，光強(qiáng)為 I0的入射光，傳輸經(jīng)過(guò)厚度為 L 的溶液池后，透射光強(qiáng) I 滿(mǎn)足公式(1)：其中，k 為摩爾吸光系數(shù)，與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長(zhǎng) λ 有關(guān)；C 為溶液濃度。

定義吸光度 A 如下：

圖4 Lambert-Beer 定律原理圖Fig. 4 Principle of Lambert-Beer Law

可知，當(dāng)溶液厚度一定時(shí)，吸光度與溶液的濃度成正比。換言之，在固定吸光光程下，測(cè)量溶液的吸光度可以計(jì)算溶液的濃度。作為 COD 主要貢獻(xiàn)物質(zhì)的有機(jī)物，其中外層電子躍遷吸收的能量大都在紫外-可見(jiàn)波段。因此，通過(guò)測(cè)量海水紫外-可見(jiàn)波段的吸光度，可以計(jì)算海水中有機(jī)物等物質(zhì)的濃度，進(jìn)而間接計(jì)算海水 COD 值。

實(shí)際研究過(guò)程中，需要建立大量海水吸光度值與國(guó)標(biāo)法測(cè)量 COD 值之間的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)集，并通過(guò)科學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)建模方法來(lái)實(shí)現(xiàn) COD 值的精確測(cè)量[22-24]。

2.2.2 海水 COD 原位傳感器設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)

為了獲得穩(wěn)定的吸光度數(shù)據(jù)，本文采用全光譜和雙光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)海水 COD 原位傳感器，如圖 5 所示。照明光源選擇脈沖氙燈，其光譜范圍覆蓋 185～2 000 nm。氙燈光源發(fā)出的光直接經(jīng)由光纖輸出，被光纖分束器分為兩路：其中一路作為參比光路，經(jīng)過(guò)封住純水的石英池吸收后，再由光纖輸入到光譜模塊 1；另一路作為探測(cè)光路，直接通過(guò)開(kāi)放式探測(cè)光路中的海水吸收后，再由光纖接收輸入到另一個(gè)光譜模塊。兩個(gè)光譜模塊響應(yīng)波段 190～650 nm，信噪比 1 500∶1，光學(xué)分辨率可達(dá) 1 nm。針對(duì)海水 COD 濃度較低的特性，本文詳細(xì)研究了測(cè)量光程對(duì)檢測(cè)限和測(cè)量范圍的影響，選取合適的測(cè)量光程，滿(mǎn)足海水 COD 測(cè)量范圍和檢測(cè)限的檢測(cè)需求。

圖5 海水 COD 原位傳感器光路圖Fig. 5 Light path diagram of the in-situ COD sensor

氙燈光源發(fā)出的寬波段光信號(hào)，經(jīng)過(guò)探測(cè)光路和參比光路產(chǎn)生各自的光譜信號(hào)，分別被兩個(gè)光譜模塊采集探測(cè)。通過(guò)兩路光信號(hào)的標(biāo)定、校正后可計(jì)算海水的吸光譜，再通過(guò)光譜預(yù)處理、去噪、濁度補(bǔ)償和統(tǒng)計(jì)學(xué)建模方法后，即可計(jì)算出 COD 值。

本文所設(shè)計(jì)的海水 COD 原位傳感器工程樣機(jī)如圖 6 所示。

圖6 海水 COD 原位傳感器設(shè)計(jì)圖(a)與實(shí)物圖(b)Fig. 6 Design drawing (a) and the in-situ COD sensor photo (b)

經(jīng)過(guò)第三方出具的檢測(cè)報(bào)告，傳感器的參數(shù)如表 2 所示，其檢測(cè)限、檢測(cè)范圍可以媲美國(guó)際知名品牌的 COD 傳感器。本文針對(duì)海水長(zhǎng)期原位觀測(cè)進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)優(yōu)化，這種可以長(zhǎng)期布放于浮標(biāo)平臺(tái)完成海水 COD 原位監(jiān)測(cè)的傳感器鮮見(jiàn)報(bào)道[25]。

表2 海水 COD 原位傳感器性能指標(biāo)表Table 2 Specifications of the in-situ COD sensor

2.3 海水 BOD 原位傳感器研制

2.3.1 海水 BOD 原位傳感器檢測(cè)原理

生化需氧量是指在一定條件下(20 ℃，避光)、一定時(shí)間內(nèi)水中好氧微生物分解水中可生化降解有機(jī)物所進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中所消耗的溶解氧的量(一般為 5 天，即 BOD5)，以氧的質(zhì)量濃度(mg/L)來(lái)表示[5]。它是間接反映水中有機(jī)污染物含量的一個(gè)綜合指標(biāo)，其值越高，表明水中有機(jī)物污染越嚴(yán)重，故而長(zhǎng)期作為一項(xiàng)環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)，目前在淡水中已經(jīng)開(kāi)展了大量研究并得到廣泛應(yīng)用。

以熒光分光光度技術(shù)為代表的光學(xué)傳感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)上的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)自然水體中熒光激發(fā)發(fā)射譜各特征峰中(圖 7)，類(lèi)色氨酸物質(zhì)熒光峰(T2, 280 nm/360 nm)與 BOD5值具有最強(qiáng)線(xiàn)性相關(guān)性，這是由于該熒光峰與水體中的微生物群落的活躍程度有關(guān)，進(jìn)而與水體中的氧氣消耗速度關(guān)聯(lián)，相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)表明該相關(guān)性可達(dá) 0.8 以上[6]。因此，通過(guò)測(cè)量水體 T2 熒光峰強(qiáng)度可以間接測(cè)量 BOD5。

圖7 深圳灣海水熒光激發(fā)-發(fā)射譜Fig.7 Fluorescence excitation-emission matrices (EEMs) for the seawater in Shenzhen Bay, China

2.3.2 海水 BOD 原位傳感器設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)實(shí)際海水的三維熒光光譜(Excitation-Emission Matrix Fluorescence Spectroscopy)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)際海水中類(lèi)色氨酸物質(zhì)熒光峰(T2，280 nm/360 nm)信號(hào)相對(duì)其他峰要弱很多，而且峰的半高寬比較大。另一方面，太陽(yáng)在長(zhǎng)波紫外線(xiàn)(UVA)波段仍然具有較強(qiáng)的輻射強(qiáng)度。因此，如何抑制背景噪聲影響，提取 T2 峰信號(hào)并進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)，是傳感器研制的關(guān)鍵。

如圖 8 所示，光學(xué)方面，BOD 傳感器的光源采用 LED 型紫外光源，以便于實(shí)現(xiàn)傳感器小型化和低功耗；探測(cè)器選用靈敏度高、增益可調(diào)的光電倍增管，以滿(mǎn)足弱信號(hào)探測(cè)需求；濾光片選用截止深度高的干涉型濾光片，盡可能消除光源和其他波段的熒光的噪聲干擾。熒光光路采用垂直光路的方式。相比于垂直光路，落射式光路的激發(fā)光區(qū)域與探測(cè)光區(qū)域有著較大的重合率，容易實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的檢測(cè)限，結(jié)構(gòu)緊湊，傳感器出光口為一個(gè)端面，便于安裝遮光罩和清潔電刷。但在落射式光路中，激發(fā)光在光學(xué)窗口表面和其他反射面反射后容易進(jìn)入到探測(cè)光路，且 LED 型光源出射光中的 360 nm 波段成分不可忽略，會(huì)混入探測(cè)信號(hào)而帶來(lái)一定的噪聲。另外，光學(xué)窗口、遮光罩上附著的微小生物幼體(電刷無(wú)法完全清除)含有大量有機(jī)物，部分成分能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的熒光，會(huì)帶來(lái)極大的信號(hào)干擾。綜合考慮這些因素，本文采用垂直光路。另外，為了減少環(huán)境光的干擾，本文采用了遮光罩的設(shè)計(jì)，既有效避免太陽(yáng)光散射的干擾，同時(shí)通過(guò)通水孔設(shè)計(jì)確保水體流通性。

圖8 海水 BOD 熒光檢測(cè)原理圖Fig. 8 Schematic design of the fluorescence detection for seawater BOD

所設(shè)計(jì)的海水 BOD 原位傳感器工程樣機(jī)實(shí)物如圖 9 所示，經(jīng)過(guò)第三方出具的檢測(cè)報(bào)告，傳感器的參數(shù)如表 3 所示。整個(gè)傳感器重量 1.5 kg，尺寸為 Φ69 mm×205 mm，功耗小于 5 W，采用 6 芯水密接插件。

圖9 海水 BOD 傳感器設(shè)計(jì)圖(a)與實(shí)物圖(b)Fig. 9 Design drawing (a) and physical image of the in-situ BOD sensor (b)

表3 海水 BOD 傳感器指標(biāo)表Table 3 Specification of the in-situ BOD sensor

綜合對(duì)比國(guó)內(nèi)外 BOD 原位、在線(xiàn)傳感技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品，本論文的 BOD 傳感器針對(duì)海水的長(zhǎng)期、快速、原位監(jiān)測(cè)需求進(jìn)行了更為充分的設(shè)計(jì)，在防生物污損干擾、浮標(biāo)平臺(tái)集成和長(zhǎng)期可靠性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。依托近海浮標(biāo)平臺(tái)進(jìn)行海水 BOD 熒光傳感器長(zhǎng)期部署觀測(cè)的嘗試，據(jù)了解國(guó)內(nèi)尚屬第一次，對(duì)豐富環(huán)境監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的監(jiān)測(cè)參數(shù)，推動(dòng)海水水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)具有重要意義。

2.4 浮游生物成像儀研制

2.4.1 浮游生物成像儀的觀測(cè)原理

浮游生物成像儀通過(guò)與成像光軸垂直的照明光層進(jìn)行照明，完全利用目標(biāo)的側(cè)向散射光進(jìn)行成像，抑制水體的前向和背向散射光對(duì)成像的影響，從而提高成像的對(duì)比度和信噪比，原理如圖 10 所示。通過(guò)照明光路的設(shè)計(jì)，壓縮光層，并將光線(xiàn)限制在視場(chǎng)中，避免光線(xiàn)泄露至周?chē)w，減少趨光性對(duì)浮游生物觀測(cè)的影響。通過(guò)采用白色的 LED 照明，實(shí)現(xiàn)浮游生物的彩色成像，還可以通過(guò)更換不同放大倍率的鏡頭來(lái)采集不同尺度的浮游生物圖像。

采集的浮游生物圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理后得到單個(gè)目標(biāo)的感興趣區(qū)域(Region of Interest，ROI)圖像，通過(guò)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，并在長(zhǎng)時(shí)間尺度上對(duì)豐度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)浮游生物進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的水下觀測(cè)。

2.4.2 浮游生物成像儀設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)

圖10 浮游生物成像儀光學(xué)成像原理示意圖Fig. 10 Optical imaging principle of the underwater plankton imager

光學(xué)方面，本文設(shè)計(jì)了 360°環(huán)形對(duì)中照明的照明器，使用 0.5× 的遠(yuǎn)心鏡頭配合彩色工業(yè)相機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像，相機(jī)的圖像分辨率為3 376×2 704 像素，像素尺寸為 3.69 μm。

儀器內(nèi)部的工控機(jī)可以實(shí)現(xiàn)圖像的采集和預(yù)處理，包括減背景、目標(biāo)檢測(cè)與 ROI 分割、聚焦評(píng)價(jià)和白平衡，然后存儲(chǔ)在硬盤(pán)中，等待圖像自動(dòng)傳輸程序?qū)D像上傳至服務(wù)器。

為了實(shí)現(xiàn)浮游生物成像儀的水下原位工作，所有光學(xué)和電子部件都被固定在一個(gè)帶有透明窗口的密閉艙體中，光學(xué)信號(hào)通過(guò)透明的光學(xué)窗口進(jìn)入容器，電學(xué)信號(hào)則通過(guò)水密電纜進(jìn)行傳輸。浮游生物成像儀的工程樣機(jī)如圖 11 所示。經(jīng)過(guò)上述光學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)、圖像預(yù)處理和防生物附著的設(shè)計(jì)后，浮游生物成像儀的性能指標(biāo)如表 4 所示。

圖11 浮游生物成像儀設(shè)計(jì)圖(a)與實(shí)物圖(b)Fig. 11 Design drawing (a) and the in-situ plankton image photo (b)

表4 浮游生物成像儀性能指標(biāo)表Table 4 Specifications of the plankton imager

本文對(duì)所設(shè)計(jì)的浮游生物成像儀的成像能力和識(shí)別性能進(jìn)行了第三方檢測(cè)，為后續(xù)成像儀的長(zhǎng)期浮標(biāo)海試做準(zhǔn)備。利用符合 USAF1951 標(biāo)準(zhǔn)的特制分辨率靶標(biāo)和 5 μm 的懸浮微球?qū)Τ上駜x的成像性能進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。通過(guò)浮游生物專(zhuān)家隨機(jī)選擇 100 張數(shù)據(jù)庫(kù)外的圖片，并將專(zhuān)家的鑒定結(jié)果與算法識(shí)別結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以對(duì)成像儀的識(shí)別性能進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)得到識(shí)別算法的準(zhǔn)確率為 86%，同樣滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 基于浮標(biāo)平臺(tái)的系統(tǒng)集成與近岸海試研究

3.1 傳感器與浮標(biāo)的系統(tǒng)集成

四個(gè)傳感器設(shè)計(jì)、加工與裝配完成后，為了開(kāi)展原位實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，采用深圳市朗誠(chéng)科技股份有限公司定制研發(fā)的 3 m 浮標(biāo)平臺(tái)進(jìn)行集成，如圖 12 所示。4 個(gè)傳感器分別由 3 個(gè)儀器架固定，分布在浮標(biāo)平臺(tái)周邊的 3 個(gè)儀器阱中。浮標(biāo)布放后，4 個(gè)傳感器可以完全浸入海水中對(duì)各參數(shù)進(jìn)行原位測(cè)量。

葉綠素 a、COD、BOD 三個(gè)傳感器均采用 6 芯水密接插件與浮標(biāo)平臺(tái)連接。其中兩芯為供電接口，直接由浮標(biāo)平臺(tái)蓄電池供電，供電電壓為 9～18 V，另外 4 芯為 RS485 通信接口，連接浮標(biāo)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集器。三套設(shè)備采用 3 個(gè)不同的設(shè)備地址，并采用行業(yè)通用的 MODBUS 通信協(xié)議與浮標(biāo)平臺(tái)通信。浮游生物成像儀與浮標(biāo)通過(guò) 13 芯的水密電纜進(jìn)行連接，供電電壓也是 9～18 V，其余 11 芯用于通信和數(shù)據(jù)傳輸，連接到浮標(biāo)平臺(tái)的 4G DTU 模塊。4 個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，都可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳回云端的服務(wù)器，供用戶(hù)實(shí)時(shí)查閱。整個(gè)傳感器的電路連接圖，如圖 13 所示。

圖12 傳感器與浮標(biāo)平臺(tái)集成框架示意圖Fig. 12 Schematic diagram of sensor and buoy platform integration

3.2 近岸海試研究

3.2.1 驗(yàn)證性海試

為了測(cè)試浮標(biāo)和傳感器的各項(xiàng)功能，2019 年 11 月 12 日至 12 月 11 日，本文作者團(tuán)隊(duì)在廣東省深圳市大亞灣海域進(jìn)行了浮標(biāo)集成與淺海試驗(yàn)(見(jiàn)圖 14)，浮標(biāo)所處地理位置為(22°120′,114°31.077′)。

圖13 傳感器與浮標(biāo)平臺(tái)電氣連接示意圖Fig. 13 Schematic diagram of electrical connection between sensors and buoy platform

圖14 海試地點(diǎn)(a)與浮標(biāo)實(shí)物圖(b)Fig. 14 Location of the sea trial (a) and physical image of the buoy platform (b)

在為期 1 個(gè)月的海試中，各傳感器均遭受了嚴(yán)重的生物附著，如圖 15 所示。其中，傳感器、支架，特別是光學(xué)窗口上，附著了各種海洋生物。通過(guò)顯微鏡分析，附著生物包括藤壺和端足類(lèi)。由于附著嚴(yán)重，用于清潔窗口的機(jī)械毛刷也出現(xiàn)卡住、停止工作等問(wèn)題，直接導(dǎo)致 4 個(gè)光學(xué)傳感器無(wú)法正常采集數(shù)據(jù)，但儀器的供電、通訊保持正常，初步驗(yàn)證了傳感器水下工作特性。

3.2.2 防生物附著措施與示范性海試

為了保證傳感器在海洋原位環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究，針對(duì)性地設(shè)計(jì)了兩種防生物附著策略。

在材料方面，結(jié)合長(zhǎng)期掛板實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，選用環(huán)境友好的生物附著材料對(duì)傳感器的外殼、夾具進(jìn)行了噴涂[26]；在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，重新設(shè)計(jì)并改進(jìn)了水下機(jī)械刷，對(duì)機(jī)械刷的材質(zhì)、阻尼和工作頻率等進(jìn)行了針對(duì)性的研究。重新設(shè)計(jì)后的傳感器在 2020 年 6 月 23 日投放到浮標(biāo)平臺(tái)進(jìn)行海試，連續(xù)運(yùn)行 30 天后，傳感器與驗(yàn)證性海試的對(duì)比結(jié)果如圖 16 所示。從圖 16 可看出，新設(shè)計(jì)的傳感器生物附著程度有著明顯地減輕，幾乎看不到任何生物附著的痕跡。調(diào)整后的機(jī)械刷也能夠連續(xù)正常工作，并且不會(huì)刮傷傳感器的光學(xué)窗口，使傳感器具備了水下長(zhǎng)期原位觀測(cè)的能力。

圖15 生物附著實(shí)物圖Fig. 15 Photos of the biological fouling

圖16 防生物附著效果圖Fig. 16 Anti-fouling eあect of the sensors after long time sea trial

從 2020 年 6 月 23 日開(kāi)始，基于浮標(biāo)集成的海洋葉綠素 a、COD、BOD 原位傳感器已在深圳市大亞灣海域連續(xù)工作 6 個(gè)月以上，并在 2020 年 10 月 29 日至 11 月 29 日期間，開(kāi)展了 1 個(gè)月的示范性海試。在海試過(guò)程中，獲得了大量原位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了浮游生物數(shù)據(jù)庫(kù)，并積累了豐富的傳感器維護(hù)、傳感器現(xiàn)場(chǎng)校正經(jīng)驗(yàn)，為傳感器未來(lái)實(shí)際使用，奠定了良好的基礎(chǔ)。

4 海試結(jié)果分析與討論

基于浮標(biāo)平臺(tái)搭載海水 COD 和 BOD 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)傳感器以及水下浮游生物成像儀，是新型的海洋生化要素原位監(jiān)測(cè)手段。深圳現(xiàn)有的生態(tài)浮標(biāo)主要監(jiān)測(cè)海水的濁度、溫度和鹽度等物理參數(shù)[27]，對(duì)于 COD、BOD 的原位監(jiān)測(cè)，幾乎未見(jiàn)報(bào)道，而基于浮標(biāo)平臺(tái)的原位浮游生物成像，尚未見(jiàn)報(bào)道。本論文創(chuàng)新地基于浮標(biāo)平臺(tái)集成自研的葉綠素 a、COD、BOD 原位傳感器和水下浮游生物成像儀并進(jìn)行長(zhǎng)期海洋原位觀測(cè)。

如圖 17 所示，葉綠素 a 傳感器共獲得約 12 萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)，測(cè)量值主要在 2～5 μg/L，平均值為 3.41 μg/L，而隨著每天太陽(yáng)光照的晝夜周期變化，葉綠素 a 測(cè)量數(shù)據(jù)也發(fā)生類(lèi)周期性變化；COD 傳感器共獲得海水原位吸收光譜 1 536 組，測(cè)量值主要在 2～6 mg/L。由于探測(cè)海區(qū)海水較淺，海水的濁度變化較大，水中顆粒物散射導(dǎo)致部分測(cè)量值偏高；BOD 傳感器共獲得約 5 萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)相對(duì)平穩(wěn)，多數(shù)測(cè)量值在 0～2 mg/L，表明有機(jī)物污染程度相對(duì)較輕。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)小部分?jǐn)?shù)據(jù)異常偏高，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分析，推測(cè)漂浮顆粒物和浮游生物的干擾可能性最大。另外，BOD 傳感器“采樣-讀數(shù)”周期不到 10 s，大大低于現(xiàn)有微生物電極法海水 BOD 在線(xiàn)傳感技術(shù)(33 min)的周期[28]。以上測(cè)試結(jié)果表明，3 個(gè)傳感器可以在海洋原位情況下長(zhǎng)期連續(xù)工作。

圖17 葉綠素 a、COD 和 BOD 傳感器連續(xù) 32 天的海試數(shù)據(jù)Fig. 17 Sea trial results of the Chlorophyll a, COD and BOD sensors

浮游生物成像儀共采集了約 140 萬(wàn)張浮游生物和顆粒物圖像，其中顆粒物圖像占到了 90%以上，大量的顆粒物圖像給我們建庫(kù)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。海試期間采集的一部分浮游生物圖像如圖 18 所示。成像儀完全利用目標(biāo)的側(cè)向散射光進(jìn)行成像，相比于 CPICS 和 SPC 利用“前向散射光＋透射光”的成像方法而言，景深外的顆粒物散射對(duì)成像的影響更小，而且側(cè)向散射光攜帶了更多的高頻信息，對(duì)于絕大多數(shù)的浮游生物而言，能夠得到更高對(duì)比度的圖像和目標(biāo)物更豐富的色彩及紋理細(xì)節(jié)信息，如圖 18 所示。其中，更高對(duì)比度的圖像使我們利用簡(jiǎn)單的固定閾值方法即可完成目標(biāo)檢測(cè)與 ROI 提取，大大降低了目標(biāo)檢測(cè)的難度和計(jì)算復(fù)雜度；豐富的色彩和紋理細(xì)節(jié)信息能為浮游生物分類(lèi)專(zhuān)家在鑒定時(shí)提供更多的參考信息，提升建庫(kù)時(shí)的準(zhǔn)確率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確和高精度的識(shí)別和分類(lèi)。此外，成像儀還能較好地將照明光線(xiàn)束縛在視場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，這相比于 CPICS 和 SPC 采用的照明技術(shù)而言，極大地減小了因光線(xiàn)泄露造成周?chē)w中浮游生物的非自然分布對(duì)豐度統(tǒng)計(jì)正確率的影響，進(jìn)一步提升觀測(cè)的準(zhǔn)確率。

圖18 海試期間采集的一部分浮游生物圖像Fig. 18 Selected marine plankton images captured by underwater imager

值得一提的是，在 2020 年 6 月底至 7 月初，浮游生物成像儀拍攝到了大量的尖筆帽螺的圖像(見(jiàn)圖 19)，而在 7 月 3 日后，逐漸消失。這一監(jiān)測(cè)結(jié)果與黃洪輝等[29]通過(guò)人工采樣對(duì)該次尖筆帽螺暴發(fā)事件進(jìn)行研究的報(bào)道接近，證明了浮游生物成像儀在有害生物暴發(fā)監(jiān)測(cè)方面的潛力。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)海洋生物化學(xué)常規(guī)要素原位在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求，開(kāi)展基于光學(xué)傳感的海水葉綠素 a、COD、BOD 和浮游生物成像儀研制，所研制的傳感器在檢測(cè)范圍、檢測(cè)限等指標(biāo)上，與國(guó)際上先進(jìn)的同類(lèi)產(chǎn)品相當(dāng)?；诟?biāo)平臺(tái)，解決了傳感器在原位測(cè)量過(guò)程中遇到的生物附著等工程問(wèn)題，完成了 4 個(gè)傳感器的原位測(cè)量實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證。在廣東深圳市大亞灣海域開(kāi)展了連續(xù) 6 個(gè)月以上的海試研究，獲取了大量的原位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確反映了海水的真實(shí)狀態(tài)。這些傳感器的研制和海試研究，對(duì)提升海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)水平，支撐海洋環(huán)境安全保障體系的建設(shè)，具有重要的促進(jìn)作用。此外，本研究結(jié)果為上述儀器的國(guó)產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)，有望為我國(guó)海洋業(yè)務(wù)化管理部門(mén)和科研單位等用戶(hù)提供新型的海水水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)手段和國(guó)產(chǎn)化儀器。

圖19 尖筆帽螺原位圖像Fig. 19 Creseis acicula in-situ images