陳 巍 陳 濤 張 亮 周志盛 祝 銘 陳良培 劉 鵬 章逸舟 李劍平

(中國科學院深圳先進技術(shù)研究院 深圳 518055)

1 引 言

海洋占據(jù)地球超過三分之二的面積，是生命的起源，也是未來的糧倉，在人類發(fā)展歷程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而人類對于海洋的探索和開發(fā)從未止步。隨著人類活動的加劇，海洋污染問題日益嚴重。作為大陸和海洋的連接帶，近岸海域是人類和海洋交流活動最頻繁的區(qū)域，也是污染最為嚴重的區(qū)域。國家海洋局發(fā)布的《2019 年中國海洋環(huán)境狀況公報》顯示，我國近岸海域環(huán)境問題依然突出。部分近岸海域污染依然嚴重，陸源入海污染居高不下，陸源入海排污口達標排放率仍然較低，88% 的排污口鄰近海域水質(zhì)不能滿足所在海洋功能區(qū)環(huán)境質(zhì)量要求。

為了監(jiān)測和保護海洋環(huán)境，國家制定了嚴格的近岸海水監(jiān)測規(guī)范和標準，如《海水水質(zhì)標準》(GB3097-1997)[1]和《近岸海域環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(HJ442-2008)[2]。這些標準詳細規(guī)定了海水水質(zhì)分類標準、監(jiān)測參數(shù)種類和方法等，為海洋環(huán)境的評價提供了權(quán)威的評價標準。但是，這些標準中規(guī)定的海水水質(zhì)監(jiān)測方法多為化學方法。以測量化學需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)的堿性高錳酸鉀法(GB17378.4-2007)為例，測量過程中不僅需要加熱、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試劑[3]。雖然這種測量方法作為海水測量的金標準，測量精度高、重復性好，但測量時間長、操作復雜，容易造成二次污染，并不能實時準確地反映海水當前的狀態(tài)，也無法實現(xiàn)海水水質(zhì)長期連續(xù)原位監(jiān)測。

隨著光學技術(shù)的進步，基于光譜分析的水質(zhì)原位監(jiān)測技術(shù)得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。海水中不同的物質(zhì)存在不同的光學性質(zhì)，通過特定的方法測量這些光學性質(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)熒光的強度與水中葉綠素 a 濃度成正比例關(guān)系[4]；水體中類色氨酸物質(zhì)熒光峰(T2, 280nm/360nm)與五日法生化需氧量值(Five-day Biochemical Oxygen Demand，BOD5)具有最強線性相關(guān)性[5-6]；根據(jù)分子的選擇性吸收原理，大部分有機物中外層電子躍遷吸收的光子能量集中在紫外-可見波段[7]，而有機物是水體中 COD 的主要貢獻物質(zhì)。因此，可以通過測量水體的熒光或吸光特性，來計算葉綠素 a、COD 和 BOD 濃度。這些光學測量方法，具有檢測速度快、靈敏度高、無需化學試劑等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于水質(zhì)原位測量，并已有商業(yè)化產(chǎn)品出現(xiàn)，如測量葉綠素 a 的 ECO FL 系列產(chǎn)品(美國海鳥科技公司)，測量 COD 的 S::CAN 系列產(chǎn)品(奧地利勢能公司)和測量 BOD 的 Uvilux 系列產(chǎn)品(英國 CTG 公司)。但是，這些產(chǎn)品大都針對淡水環(huán)境使用，在海水中的準確度、可靠性和使用周期存疑。特別是對于海水長期腐蝕和生物附著環(huán)境，缺乏針對性的設(shè)計和研究，無法在海洋原位環(huán)境下長期使用。

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，對水質(zhì)變化敏感，能夠較為準確地反映水質(zhì)的變化情況，更需要在原位狀態(tài)下進行長時間監(jiān)測，但一直缺乏相關(guān)的技術(shù)手段和方法[8-11]。美國 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 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]，初步實現(xiàn)了對于浮游生物的長期原位觀測。但目前上述國外儀器仍處于科研樣機的階段，未能裝備化應(yīng)用于海洋監(jiān)測，也尚未有部署于浮標平臺的記錄，未針對中國近海的水體環(huán)境進行研究和優(yōu)化，也未建立近海海域的浮游生物數(shù)據(jù)庫，無法直接用于我國近海的浮游生物觀測。國內(nèi)方面，中國海洋大學團隊開展了一些相關(guān)的工作，并在 2018 年報道了一臺可以在水下采集浮游生物多個放大倍率圖像的浮游生物粒徑譜監(jiān)測系統(tǒng)的科學樣機[16]，但國內(nèi)也未見將浮游生物原位檢測技術(shù)用于近岸浮標上進行長時間水下監(jiān)測的報道。

本文在科技部重點研發(fā)計劃項目的支持下，開展基于光學傳感的海水葉綠素 a、COD 和 BOD 傳感器和浮游生物成像儀的研制，完成傳感器與浮標平臺的集成，并在廣東省深圳市大亞灣海域開展了連續(xù) 6 個月以上的海試研究，實現(xiàn)了上述參數(shù)長期原位觀測，為海洋環(huán)境監(jiān)測提供了新的技術(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生產(chǎn)力，是評估海水水質(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，能輻射出波長比激發(fā)光更長的熒光，在一定濃度范圍內(nèi)熒光強度與葉綠素 a 濃度成線性比例，因此通過測量熒光信號強度可以檢測葉綠素 a 濃度[4]。據(jù) Babin[20]報道，葉綠素 a(溶于丙酮)在可見光波段有兩個吸收峰，分別是以 430 nm 為峰值的藍光吸收波段和以 662 nm 為峰值的紅光吸收波段，兩個熒光發(fā)射峰波長分別在 668 nm 和 710 nm。然而，對于海水浮游植物的在體葉綠素 a，吸收峰和熒光發(fā)射峰波長往往發(fā)生紅移，如矮海鏈藻的吸收峰波長為 440 nm、熒光發(fā)射峰波長為 685 nm[20]。圖 1 所示為利用分光光度計實測葉綠素 a 標準品溶液(無水乙醇)得到的吸光度光譜曲線。

2.1.2 海水葉綠素 a 原位傳感器設(shè)計與工程實現(xiàn)

葉綠素 a 傳感器采用單石英玻璃平面窗口，激發(fā)光源透過窗口照射探測區(qū)域的葉綠素 a 并激發(fā)熒光，熒光透過窗口被傳感器探測，如圖 2 所示。整個探測器設(shè)計包括激發(fā)光源、探測光路和探測三個部分。

圖1 葉綠素 a 標準品溶液(無水乙醇)吸光度光譜曲線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

傳感器采用藍光 LED 作為激發(fā)光源，具有體積小、功耗低的特點，而且 LED 端部帶有玻璃透鏡，出射光束發(fā)散角小。探測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，可實現(xiàn)微弱熒光探測與光電轉(zhuǎn)換。為了提高傳感器的靈敏度和信噪比，增強傳感器熒光探測能力以及對干擾光影響的抑制能力：一方面，通過光路結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，提高探測區(qū)域的激發(fā)光功率密度，使探測區(qū)域內(nèi)葉綠素 a 激發(fā)出更強的熒光，同時使探測區(qū)域與探測器感光面形成共軛匹配，限制雜散光和環(huán)境光進入探測器。另一方面，采用藍光濾光片過濾 LED 光源中的紅光成分，避免其對熒光產(chǎn)生干擾，同時在熒光探測光路中設(shè)置紅光窄帶濾光片，過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)透過率高，在 LED 光源波段截止深度大。此外，為了進一步抑制環(huán)境光的影響，使傳感器能夠在復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，通過脈沖方式觸發(fā) LED 光源激發(fā)相應(yīng)脈沖熒光，熒光對應(yīng)于固定頻率的交流信號，而環(huán)境光則是直流以及低頻信號，通過濾波方法實現(xiàn)熒光信號和環(huán)境光信號的分離。本文所設(shè)計的傳感器結(jié)構(gòu)和實物圖如圖 3 所示。

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

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

經(jīng)第三方出具的檢測報告，海水葉綠素 a 傳感器參數(shù)如表 1 所示。同時作為比對，表 1 還列出了國際知名產(chǎn)商 Turnerdesigns 的一款先進產(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，但檢測限指標 0.01 μg/L 優(yōu)于 CYCLOPS-6K。目前國際上商業(yè)產(chǎn)品檢測限普遍在 0.02～0.1 μg/L，檢測限達到 0.01 μg/L 的產(chǎn)品鮮有報道。此外，Zeng 等[4]對已報道的 18 種葉綠素原位傳感器(系統(tǒng))進行了總結(jié)，其中檢測限最高為 0.01 μg/L。這表明本文所研制傳感器檢測限指標達到國際先進水平。

2.2 海水 COD 原位傳感器研制

2.2.1 海水 COD 原位傳感器檢測原理

化學需氧量是指在一定條件下，水中的還原性物質(zhì)被氧化分解時所消耗氧化劑的數(shù)量，單位以氧的濃度(mg/L)表示?；瘜W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)包括有機物、亞硝酸鹽和硫化物等，其中有機物是主要污染源[7]。

如圖 4 所示，根據(jù) Lambert-Beer 定律[21]，光強為 I0的入射光，傳輸經(jīng)過厚度為 L 的溶液池后，透射光強 I 滿足公式(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 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，當溶液厚度一定時，吸光度與溶液的濃度成正比。換言之，在固定吸光光程下，測量溶液的吸光度可以計算溶液的濃度。作為 COD 主要貢獻物質(zhì)的有機物，其中外層電子躍遷吸收的能量大都在紫外-可見波段。因此，通過測量海水紫外-可見波段的吸光度，可以計算海水中有機物等物質(zhì)的濃度，進而間接計算海水 COD 值。

實際研究過程中，需要建立大量海水吸光度值與國標法測量 COD 值之間的對應(yīng)數(shù)據(jù)集，并通過科學統(tǒng)計學建模方法來實現(xiàn) COD 值的精確測量[22-24]。

2.2.2 海水 COD 原位傳感器設(shè)計與工程實現(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；另一路作為探測光路，直接通過開放式探測光路中的海水吸收后，再由光纖接收輸入到另一個光譜模塊。兩個光譜模塊響應(yīng)波段 190～650 nm，信噪比 1 500∶1，光學分辨率可達 1 nm。針對海水 COD 濃度較低的特性，本文詳細研究了測量光程對檢測限和測量范圍的影響，選取合適的測量光程，滿足海水 COD 測量范圍和檢測限的檢測需求。

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，經(jīng)過探測光路和參比光路產(chǎn)生各自的光譜信號，分別被兩個光譜模塊采集探測。通過兩路光信號的標定、校正后可計算海水的吸光譜，再通過光譜預(yù)處理、去噪、濁度補償和統(tǒng)計學建模方法后，即可計算出 COD 值。

本文所設(shè)計的海水 COD 原位傳感器工程樣機如圖 6 所示。

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

經(jīng)過第三方出具的檢測報告，傳感器的參數(shù)如表 2 所示，其檢測限、檢測范圍可以媲美國際知名品牌的 COD 傳感器。本文針對海水長期原位觀測進行了針對性的設(shè)計優(yōu)化，這種可以長期布放于浮標平臺完成海水 COD 原位監(jiān)測的傳感器鮮見報道[25]。

表2 海水 COD 原位傳感器性能指標表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 原位傳感器檢測原理

生化需氧量是指在一定條件下(20 ℃，避光)、一定時間內(nèi)水中好氧微生物分解水中可生化降解有機物所進行的生物化學反應(yīng)過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)來表示[5]。它是間接反映水中有機污染物含量的一個綜合指標，其值越高，表明水中有機物污染越嚴重，故而長期作為一項環(huán)境監(jiān)測指標，目前在淡水中已經(jīng)開展了大量研究并得到廣泛應(yīng)用。

以熒光分光光度技術(shù)為代表的光學傳感技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測上的發(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)，類色氨酸物質(zhì)熒光峰(T2, 280 nm/360 nm)與 BOD5值具有最強線性相關(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)，進而與水體中的氧氣消耗速度關(guān)聯(lián)，相關(guān)文獻數(shù)據(jù)表明該相關(guān)性可達 0.8 以上[6]。因此，通過測量水體 T2 熒光峰強度可以間接測量 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)計與工程實現(xiàn)

通過對實際海水的三維熒光光譜(Excitation-Emission Matrix Fluorescence Spectroscopy)進行分析發(fā)現(xiàn)，實際海水中類色氨酸物質(zhì)熒光峰(T2，280 nm/360 nm)信號相對其他峰要弱很多，而且峰的半高寬比較大。另一方面，太陽在長波紫外線(UVA)波段仍然具有較強的輻射強度。因此，如何抑制背景噪聲影響，提取 T2 峰信號并進行準確探測，是傳感器研制的關(guān)鍵。

如圖 8 所示，光學方面，BOD 傳感器的光源采用 LED 型紫外光源，以便于實現(xiàn)傳感器小型化和低功耗；探測器選用靈敏度高、增益可調(diào)的光電倍增管，以滿足弱信號探測需求；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)域與探測光區(qū)域有著較大的重合率，容易實現(xiàn)更優(yōu)的檢測限，結(jié)構(gòu)緊湊，傳感器出光口為一個端面，便于安裝遮光罩和清潔電刷。但在落射式光路中，激發(fā)光在光學窗口表面和其他反射面反射后容易進入到探測光路，且 LED 型光源出射光中的 360 nm 波段成分不可忽略，會混入探測信號而帶來一定的噪聲。另外，光學窗口、遮光罩上附著的微小生物幼體(電刷無法完全清除)含有大量有機物，部分成分能夠產(chǎn)生強烈的熒光，會帶來極大的信號干擾。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，既有效避免太陽光散射的干擾，同時通過通水孔設(shè)計確保水體流通性。

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

所設(shè)計的海水 BOD 原位傳感器工程樣機實物如圖 9 所示，經(jīng)過第三方出具的檢測報告，傳感器的參數(shù)如表 3 所示。整個傳感器重量 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)計圖(a)與實物圖(b)Fig. 9 Design drawing (a) and physical image of the in-situ BOD sensor (b)

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

綜合對比國內(nèi)外 BOD 原位、在線傳感技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品，本論文的 BOD 傳感器針對海水的長期、快速、原位監(jiān)測需求進行了更為充分的設(shè)計，在防生物污損干擾、浮標平臺集成和長期可靠性方面具有一定的優(yōu)勢。依托近海浮標平臺進行海水 BOD 熒光傳感器長期部署觀測的嘗試，據(jù)了解國內(nèi)尚屬第一次，對豐富環(huán)境監(jiān)測浮標的監(jiān)測參數(shù)，推動海水水質(zhì)的綜合評價具有重要意義。

2.4 浮游生物成像儀研制

2.4.1 浮游生物成像儀的觀測原理

浮游生物成像儀通過與成像光軸垂直的照明光層進行照明，完全利用目標的側(cè)向散射光進行成像，抑制水體的前向和背向散射光對成像的影響，從而提高成像的對比度和信噪比，原理如圖 10 所示。通過照明光路的設(shè)計，壓縮光層，并將光線限制在視場中，避免光線泄露至周圍水體，減少趨光性對浮游生物觀測的影響。通過采用白色的 LED 照明，實現(xiàn)浮游生物的彩色成像，還可以通過更換不同放大倍率的鏡頭來采集不同尺度的浮游生物圖像。

采集的浮游生物圖像經(jīng)過預(yù)處理后得到單個目標的感興趣區(qū)域(Region of Interest，ROI)圖像，通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行分類識別，并在長時間尺度上對豐度進行統(tǒng)計分析，從而實現(xiàn)對浮游生物進行長時間的水下觀測。

2.4.2 浮游生物成像儀設(shè)計與工程實現(xiàn)

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

光學方面，本文設(shè)計了 360°環(huán)形對中照明的照明器，使用 0.5× 的遠心鏡頭配合彩色工業(yè)相機對目標進行成像，相機的圖像分辨率為3 376×2 704 像素，像素尺寸為 3.69 μm。

儀器內(nèi)部的工控機可以實現(xiàn)圖像的采集和預(yù)處理，包括減背景、目標檢測與 ROI 分割、聚焦評價和白平衡，然后存儲在硬盤中，等待圖像自動傳輸程序?qū)D像上傳至服務(wù)器。

為了實現(xiàn)浮游生物成像儀的水下原位工作，所有光學和電子部件都被固定在一個帶有透明窗口的密閉艙體中，光學信號通過透明的光學窗口進入容器，電學信號則通過水密電纜進行傳輸。浮游生物成像儀的工程樣機如圖 11 所示。經(jīng)過上述光學、機械結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計、圖像預(yù)處理和防生物附著的設(shè)計后，浮游生物成像儀的性能指標如表 4 所示。

圖11 浮游生物成像儀設(shè)計圖(a)與實物圖(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表Table 4 Specifications of the plankton imager

本文對所設(shè)計的浮游生物成像儀的成像能力和識別性能進行了第三方檢測，為后續(xù)成像儀的長期浮標海試做準備。利用符合 USAF1951 標準的特制分辨率靶標和 5 μm 的懸浮微球?qū)Τ上駜x的成像性能進行檢測，檢測結(jié)果符合設(shè)計要求。通過浮游生物專家隨機選擇 100 張數(shù)據(jù)庫外的圖片，并將專家的鑒定結(jié)果與算法識別結(jié)果進行比對，以對成像儀的識別性能進行檢測。檢測得到識別算法的準確率為 86%，同樣滿足設(shè)計要求。

3 基于浮標平臺的系統(tǒng)集成與近岸海試研究

3.1 傳感器與浮標的系統(tǒng)集成

四個傳感器設(shè)計、加工與裝配完成后，為了開展原位實驗和驗證，采用深圳市朗誠科技股份有限公司定制研發(fā)的 3 m 浮標平臺進行集成，如圖 12 所示。4 個傳感器分別由 3 個儀器架固定，分布在浮標平臺周邊的 3 個儀器阱中。浮標布放后，4 個傳感器可以完全浸入海水中對各參數(shù)進行原位測量。

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

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

3.2 近岸海試研究

3.2.1 驗證性海試

為了測試浮標和傳感器的各項功能，2019 年 11 月 12 日至 12 月 11 日，本文作者團隊在廣東省深圳市大亞灣海域進行了浮標集成與淺海試驗(見圖 14)，浮標所處地理位置為(22°120′,114°31.077′)。

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

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

在為期 1 個月的海試中，各傳感器均遭受了嚴重的生物附著，如圖 15 所示。其中，傳感器、支架，特別是光學窗口上，附著了各種海洋生物。通過顯微鏡分析，附著生物包括藤壺和端足類。由于附著嚴重，用于清潔窗口的機械毛刷也出現(xiàn)卡住、停止工作等問題，直接導致 4 個光學傳感器無法正常采集數(shù)據(jù)，但儀器的供電、通訊保持正常，初步驗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)境下的長期穩(wěn)定工作，團隊經(jīng)過大量的實驗研究，針對性地設(shè)計了兩種防生物附著策略。

在材料方面，結(jié)合長期掛板實驗的結(jié)果，選用環(huán)境友好的生物附著材料對傳感器的外殼、夾具進行了噴涂[26]；在機械結(jié)構(gòu)方面，重新設(shè)計并改進了水下機械刷，對機械刷的材質(zhì)、阻尼和工作頻率等進行了針對性的研究。重新設(shè)計后的傳感器在 2020 年 6 月 23 日投放到浮標平臺進行海試，連續(xù)運行 30 天后，傳感器與驗證性海試的對比結(jié)果如圖 16 所示。從圖 16 可看出，新設(shè)計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)整后的機械刷也能夠連續(xù)正常工作，并且不會刮傷傳感器的光學窗口，使傳感器具備了水下長期原位觀測的能力。

圖15 生物附著實物圖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 日開始，基于浮標集成的海洋葉綠素 a、COD、BOD 原位傳感器已在深圳市大亞灣海域連續(xù)工作 6 個月以上，并在 2020 年 10 月 29 日至 11 月 29 日期間，開展了 1 個月的示范性海試。在海試過程中，獲得了大量原位監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立了浮游生物數(shù)據(jù)庫，并積累了豐富的傳感器維護、傳感器現(xiàn)場校正經(jīng)驗，為傳感器未來實際使用，奠定了良好的基礎(chǔ)。

4 海試結(jié)果分析與討論

基于浮標平臺搭載海水 COD 和 BOD 在線監(jiān)測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)測手段。深圳現(xiàn)有的生態(tài)浮標主要監(jiān)測海水的濁度、溫度和鹽度等物理參數(shù)[27]，對于 COD、BOD 的原位監(jiān)測，幾乎未見報道，而基于浮標平臺的原位浮游生物成像，尚未見報道。本論文創(chuàng)新地基于浮標平臺集成自研的葉綠素 a、COD、BOD 原位傳感器和水下浮游生物成像儀并進行長期海洋原位觀測。

如圖 17 所示，葉綠素 a 傳感器共獲得約 12 萬個數(shù)據(jù)，測量值主要在 2～5 μg/L，平均值為 3.41 μg/L，而隨著每天太陽光照的晝夜周期變化，葉綠素 a 測量數(shù)據(jù)也發(fā)生類周期性變化；COD 傳感器共獲得海水原位吸收光譜 1 536 組，測量值主要在 2～6 mg/L。由于探測海區(qū)海水較淺，海水的濁度變化較大，水中顆粒物散射導致部分測量值偏高；BOD 傳感器共獲得約 5 萬個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)相對平穩(wěn)，多數(shù)測量值在 0～2 mg/L，表明有機物污染程度相對較輕。同時，還發(fā)現(xiàn)小部分數(shù)據(jù)異常偏高，根據(jù)現(xiàn)場分析，推測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 在線傳感技術(shù)(33 min)的周期[28]。以上測試結(jié)果表明，3 個傳感器可以在海洋原位情況下長期連續(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帶來了巨大的挑戰(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的側(cè)向散射光進行成像，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，對于絕大多數(shù)的浮游生物而言，能夠得到更高對比度的圖像和目標物更豐富的色彩及紋理細節(jié)信息，如圖 18 所示。其中，更高對比度的圖像使我們利用簡單的固定閾值方法即可完成目標檢測與 ROI 提取，大大降低了目標檢測的難度和計算復雜度；豐富的色彩和紋理細節(jié)信息能為浮游生物分類專家在鑒定時提供更多的參考信息，提升建庫時的準確率，進而實現(xiàn)高準確和高精度的識別和分類。此外，成像儀還能較好地將照明光線束縛在視場區(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泄露造成周圍水體中浮游生物的非自然分布對豐度統(tǒng)計正確率的影響，進一步提升觀測的準確率。

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(見圖 19)，而在 7 月 3 日后，逐漸消失。這一監(jiān)測結(jié)果與黃洪輝等[29]通過人工采樣對該次尖筆帽螺暴發(fā)事件進行研究的報道接近，證明了浮游生物成像儀在有害生物暴發(fā)監(jiān)測方面的潛力。

5 結(jié) 論

本文針對海洋生物化學常規(guī)要素原位在線監(jiān)測的應(yīng)用需求，開展基于光學傳感的海水葉綠素 a、COD、BOD 和浮游生物成像儀研制，所研制的傳感器在檢測范圍、檢測限等指標上，與國際上先進的同類產(chǎn)品相當?；诟似脚_，解決了傳感器在原位測量過程中遇到的生物附著等工程問題，完成了 4 個傳感器的原位測量實驗和驗證。在廣東深圳市大亞灣海域開展了連續(xù) 6 個月以上的海試研究，獲取了大量的原位監(jiān)測數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果準確反映了海水的真實狀態(tài)。這些傳感器的研制和海試研究，對提升海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)水平，支撐海洋環(huán)境安全保障體系的建設(shè)，具有重要的促進作用。此外，本研究結(jié)果為上述儀器的國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)，有望為我國海洋業(yè)務(wù)化管理部門和科研單位等用戶提供新型的海水水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)手段和國產(chǎn)化儀器。

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