水體懸浮顆粒物多模態信息高通量檢測方法和裝置制造方法及圖紙

一種水體懸浮顆粒物多模態信息高通量檢測方法，包括如下步驟：S1、使用多個傳感器同時采集水體中來自同一目標顆粒物的多模態信息；S2、通過融合所述多模態信息，來預測所述顆粒物的屬性。一種水體懸浮顆粒物多模態信息高通量檢測裝置，包括多個傳感器和處理器，所述多個傳感器經設置以同時采集水體中來自同一目標顆粒物的多模態信息，所述處理器融合所述多模態信息，來預測所述顆粒物的屬性。通過獲取水體中的多種模態信息，融合所述多模態信息，可實現對水體懸浮顆粒物的形態、結構、粒徑、表面特性、內部成分等多重信息的同時獲取，有利于開展顆粒物的識別、分類研究以及在水中懸浮顆粒物在水生態環境等領域的研究。顆粒物在水生態環境等領域的研究。顆粒物在水生態環境等領域的研究。

【技術實現步驟摘要】
水體懸浮顆粒物多模態信息高通量檢測方法和裝置


[0001]本專利技術涉及水體懸浮顆粒物檢測，特別是一種水體懸浮顆粒物多模態信息高通量檢測方法和裝置。

技術介紹

[0002]水體中存在著多種多樣的懸浮顆粒物，如微藻、微塑料和泥沙等；監測顆粒物的種類和濃度對于研究水生態系統和保護水環境安全具有重要意義。舉例來說，微藻作為水生態系統中的主要初級生產者，通過色素的光合作用將太陽能轉化為氧氣和有機物，為水生生物提供物質和能量基礎。微塑料指粒徑小于5毫米的塑料顆粒，它們污染水體，給水生生物和人類健康帶來潛在危害。另外，泥沙吸附生物/非生物物質、攜帶電荷、塑造水體底部或岸邊，為提供水生生物棲息和繁殖場所，維持水生態系統穩定。為了加強對這些顆粒物探測與研究，科學家需要使用多種方法，以期準確地獲得顆粒物種類、濃度以及時空分布等信息。
[0003]光學方法由于具有高分辨率、易于原位測量和非接觸等優點而備受顆粒物探測領域關注。目前，已經發展了多種光學方法來探測懸浮顆粒物，包括光學成像、熒光、偏振光散射和流式細胞術等。光學成像方法通過高分辨率顆粒物形態圖像鑒定其種類，但面臨視野和景深的掣肘。熒光法探測顆粒物內色素的特異性光譜，但許多藻類的存在重疊熒光信號，降低了識別和分類準確率。偏振光散射對對顆粒物的微觀結構尤為敏感，在對大氣顆粒物、海藻、微塑料的識別和分類方面取得了飛速地進展。流式細胞術通過將顆粒物一個個排列通過檢測區域，并測量顆粒物散射、熒光或圖像，來獲得其粒徑、結構和色素信息，但其樣品準備過程繁瑣，且粒徑分布大的樣品容易導致流管堵塞。因此，現在仍然亟待發展新的方法探測懸浮顆粒物。
[0004]需要說明的是，在上述
技術介紹
部分公開的信息僅用于對本申請的背景的理解，因此可以包括不構成對本領域普通技術人員已知的現有技術的信息。

技術實現思路

[0005]本專利技術的主要目的在于針對上述
技術介紹
的不足，提供一種水體懸浮顆粒物多模態信息高通量檢測方法和裝置。
[0006]為實現上述目的，本專利技術采用以下技術方案：
[0007]一種水體懸浮顆粒物多模態信息高通量檢測方法，包括如下步驟：
[0008]S1、使用多個傳感器同時采集水體中來自同一目標顆粒物的多模態信息；
[0009]S2、通過融合所述多模態信息，來預測所述顆粒物的屬性。
[0010]進一步地：
[0011]步驟S1中，通過流管傳輸含有懸浮顆粒物的水樣，所述多個傳感器同時采集所述水樣中來自同一目標顆粒物的多模態信息。
[0012]所述流管的內徑為毫米級，通過水泵將水中的顆粒物傳輸經過所述多個傳感器的
檢測區。
[0013]所述流管為透明管，步驟S1中使用光源照射所述流管內的顆粒物以產生所述多模態信息，所述多模態信息包括圖像、散射光偏振態角譜、熒光光譜中的兩種以上信息。
[0014]所述屬性包括顆粒物的種類、形態、結構、粒徑、折射率、表面特性、內部成分中的任一種屬性。
[0015]步驟S2具體包括如下步驟：
[0016]S21、使用所述多個傳感器中的第一組傳感器采集的顆粒物的多模態信息構建特征集，并提取顆粒物的屬性；
[0017]S22、從所述特征集抽取出信息維度低于所述特征集的第一特征子集；
[0018]S23、基于統計分析或機器學習的方法，根據所述屬性與所述第一特征子集訓練顆粒物屬性預測模型；
[0019]S24、使用對應于所述第一特征子集的信息維度的第二組傳感器采集新的顆粒物的多模態信息，構建第二特征子集；
[0020]S25、將所述第二特征子集輸入所述顆粒物屬性預測模型，預測新的目標顆粒物的屬性。
[0021]所述第一組傳感器中，所述第二組傳感器的信號采集速率高于所述第二組傳感器之外的傳感器的信號采集速率；優選地，所述第一組傳感器采集的顆粒物的多模態信息包括散射光、熒光和圖像，所述第二組傳感器采集的顆粒物的多模態信息包括散射光和熒光。
[0022]一種水體懸浮顆粒物多模態信息高通量檢測裝置，包括多個傳感器和處理器，所述多個傳感器經設置以同時采集水體中來自同一目標顆粒物的多模態信息，所述處理器融合所述多模態信息，來預測所述顆粒物的屬性。
[0023]進一步地：
[0024]還包括光源，所述多個傳感器包括光電轉換器、偏振
?
熒光傳感器和相機，所述光源照射水體中的顆粒物，所述光電轉換器在采集到信號光時產生觸發信號，通過所述觸發信號同步觸發所述相機和偏振
?
熒光傳感器采集數據。
[0025]控制照明光束和各傳感器檢測端相交的體積剛好覆蓋同一個顆粒物。
[0026]優選地，對于多個光學傳感器，利用棱鏡分光的方式，將來自于顆粒物的光信號分成多束，分別進入不同的光學傳感器。
[0027]本專利技術具有如下有益效果：
[0028]本專利技術提出了一種水體懸浮顆粒物多模態信息高通量檢測方法和裝置，通過獲取水體中的多種模態信息，如高分辨率圖像、散射光偏振態角譜、熒光光譜等，可實現對水體懸浮顆粒物的形態、結構、粒徑、表面特性、內部成分等多重信息的同時獲取，有利于開展顆粒物的識別、分類研究以及在水中懸浮顆粒物在水生態環境等領域的研究。
[0029]與傳統技術相比，本專利技術實施例的優點主要體現在如下方面：
[0030]對水體懸浮顆粒物直接測量，無需復雜樣品準備，直接用讓水樣流過流管即可完成懸浮顆粒物測量。本專利技術測量的顆粒物的多模態信息是指從不同方面獲取的顆粒物的特征信息，包括形態、尺寸、折射率、表面特性和內部成分等，這些信息從不同角度揭示了顆粒物的特性和組成，對于顆粒物的識別和分類研究具有重要意義。比如，高分辨率圖像可以揭示顆粒物的形態、結構和表面特性，散射光偏振態角譜可以獲取顆粒物的粒徑、折射率等信
息，熒光光譜可以揭示顆粒物內部成分。并且，依據同一個顆粒物的多模態信息之間的聯系，分析它們之間相互關聯，實現多源信息的融合，提高顆粒物信息的準確度。該方法具有高通量、高分辨率、多維信息和實時原位監測等優點，應用范圍廣。此外，該方法還具有較高的靈活性和適用性，可以根據實際需要選擇合適的傳感器進行數據采集和處理。
[0031]在優選的方案中，本專利技術的多模態傳感器融合的顆粒物屬性預測方法可實現僅通過少量但信息全面的特征集訓練出一個預測模型，然后用該預測模型和信息維度較低的特征集預測顆粒物的屬性，進而實現顆粒物屬性的高通量檢測。該方法可應用于任意多種傳感器、多種特征的模型中。例如，使用本專利技術實施例的基于圖像輔助的顆粒物種類預測方法，即使沒有圖像數據，使用已建立的模型將大量的[散射，熒光]特征集輸入到顆粒物種類預測模型中，即可預測該顆粒物的種類。
[0032]本專利技術實施例中的其他有益效果將在下文中進一步述及。
附圖說明
[0033]圖1為本專利技術檢測方法和裝置的光路示意圖。
[0034]圖2為本專利技術實施例的多模態傳感器融合的顆粒物屬性預測方法示意圖。...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種水體懸浮顆粒物多模態信息高通量檢測方法，其特征在于，包括如下步驟：S1、使用多個傳感器同時采集水體中來自同一目標顆粒物的多模態信息；S2、通過融合所述多模態信息，來預測所述顆粒物的屬性。2.如權利要求1所述的水體懸浮顆粒物多模態信息高通量檢測方法，其特征在于，步驟S1中，通過流管傳輸含有懸浮顆粒物的水樣，所述多個傳感器同時采集所述水樣中來自同一目標顆粒物的多模態信息。3.如權利要求2所述的水體懸浮顆粒物多模態信息高通量檢測方法，其特征在于，所述流管的內徑為毫米級，通過水泵將水中的顆粒物傳輸經過所述多個傳感器的檢測區。4.如權利要求2或3所述的水體懸浮顆粒物多模態信息高通量檢測方法，其特征在于，所述流管為透明管，步驟S1中使用光源照射所述流管內的顆粒物以產生所述多模態信息，所述多模態信息包括圖像、散射光偏振態角譜、熒光光譜中的兩種以上信息。5.如權利要求1至4任一項所述的水體懸浮顆粒物多模態信息高通量檢測方法，其特征在于，所述屬性包括顆粒物的種類、形態、結構、粒徑、折射率、表面特性、內部成分中的任一種屬性。6.如權利要求1至5任一項所述的水體懸浮顆粒物多模態信息高通量檢測方法，其特征在于，步驟S2具體包括如下步驟：S21、使用所述多個傳感器中的第一組傳感器采集的顆粒物的多模態信息構建特征集，并提取顆粒物的屬性；S22、從所述特征集抽取出信息維度低于所述特征集的第一特征子集；S23、基于統計分析或機器學習的方法，根據所述屬性與所述第一特征子集訓練顆粒物屬性預測模型；S...

【專利技術屬性】
技術研發人員：廖然，馬輝，熊志航，
申請(專利權)人：清華大學深圳國際研究生院，
類型：發明
國別省市：