原位海水葉綠素a含量檢測系統的設計

吳 寧 曹 煊 褚東志馬 然 吳丙偉 張穎穎 張述偉 張 穎

(山東省海洋環境監測技術重點實驗室1，山東 青島 266001；山東省科學院海洋儀器儀表研究所2，山東 青島 266001)

原位海水葉綠素a含量檢測系統的設計

吳 寧2曹 煊1褚東志2馬 然2吳丙偉2張穎穎1張述偉1張 穎1

(山東省海洋環境監測技術重點實驗室1，山東 青島 266001；山東省科學院海洋儀器儀表研究所2，山東 青島 266001)

為了檢測LED激發海水浮游植物體內的葉綠素a所發出的痕量熒光信號，實現海水葉綠素a含量檢測，預防赤潮等災害，設計了基于STM32單片機和FPGA的數字鎖相放大器。FPGA實現系統正交矢量數字鎖相放大和LED光源調制驅動信號DDS的產生；STM32單片機主要完成數據處理、溫度補償以及通信接口等功能。試驗證明，該方案不僅能在自然環境下完成海水葉綠素a的實時檢測，且具有較高的測量精度。基于該方案的原位海水葉綠素a傳感器，具有結構簡單便攜、精度高、穩定性高和抗干擾能力強等特點，具有廣闊的應用前景。

葉綠素a 熒光信號 LED 傳感器 數字鎖相放大器 實時檢測

0 引言

海水葉綠素a濃度直接反映了浮游植物的活躍度和生物量，因此葉綠素a濃度檢測已經成為評價海洋水質營養化和預測赤潮災害的最重要參數[1-3]。目前，在線檢測海水葉綠素a濃度最有效的方法是熒光檢測法，通過中心波長為470 nm的LED激發浮游植物體內葉綠素a發出熒光信號，通過測量熒光信號,間接跟蹤水體營養化程度的變化。但激發出的熒光信號為痕量信號，易受到環境光等背景光影響而淹沒在強噪聲背景下，因此采用傳統模擬、放大、濾波等檢測方法檢測該類信號非常困難[4-5]。為了提取和測量強噪聲背景下的痕量熒光信號，提出了一種數字正交鎖相放大(digital lock-in amplifier，DLIA)檢測技術。該方法基于互相關原理，使輸入待測的微弱周期信號與頻率相同的參考信號在相關器中實現互相關，從而有效地檢測出深埋在大量非相關噪聲中的痕量熒光信號,完成葉綠素a的檢測。該方法顯著提高了測量信噪比、靈敏度和準確度，彌補了模擬器件存在的溫度漂移、噪聲大等缺點[6]。

1 系統方案設計

系統主要由中心波長為460 nm、作為激發光源(窄角15°)的高亮度藍光LED、S2386- 44K型光電接收器、正交矢量數字鎖相放大器以及作為溫度補償的DS18B20溫度傳感器組成。為了實現高精度、低成本、模塊化葉綠素a檢測儀器，整個系統的功能框圖如圖1所示。系統是以STM32和FPGA為核心的檢測系統。

圖1 檢測系統原理圖Fig.1 The principle of detection system

1.1 FPGA模塊設計

系統中的FPGA模塊主要包括直接頻率合成器(direct digital synthesizer,DDS)、相敏檢波(phase sensitive detection,PSD)和IIR低通數字濾波(infinite impulse response filter,IIR)。DDS信號發生單元采用基于查表法和CORDIC算法相結合的原理設計完成，利用較少的硬件資源和存儲資料實現較高精度和較低延時的1 kHz調制正余弦信號的產生，以避除外界背景雜光的影響[7-8]。除此之外,DDS單元也為PSD提供了正交參考信號。PSD主要由乘法器組成，它對同頻率的被測信號和參考信號進行乘法運算,得到和頻與差頻信號。和頻信號經過IIR低通濾波器以后，可以濾出所有頻率高于截止頻率的信號，差頻信號為直流信號。為了提高系統的存儲容量和運算速度，FPGA選用的是ALTERA Cyclone II器件，它具有豐富的運算單元和RAM存儲單元，適合實時性信號處理。

1.2 鎖相放大器檢測原理

如圖1所示，假設輸入被測信號Y為Y=s1(t)+n(t)，由DDS信號發生單元產生的正交參考信號f1=s2(t)、f2=s3(t)，假設s1(t)=Asin(2πft+φ)、s2(t)=sin(2πft)、s3(t)=cos(2πft)。由于被測信號Y與參考信號f1、f2的頻率相同，則有：

Yf1(t)=Asin(2πft+φ)sin(2πft)+

(1)

Yf2(t)= Asin(2πft+φ)cos(2πft)+

(2)

從式(1)和式(2)可以看出，由于輸入信號和參考信號的頻率相同，經過積化和差公式后得到一個和頻信號和一個差頻信號，其中和頻信號為高頻信號，差頻信號為直流信號。經過窄帶低通濾波之后(其中截止頻率fc≤f),就可以濾除高頻，得到如式(3)和式(4)所示的同相輸出M和正交輸出N。通過STM32運算單元的處理，可以得到待測有用信號Y的幅值A和相位φ[8-11]。

(3)

(4)

1.3 數據處理模塊

STM32是本系統的主控部分，主要完成數據處理、溫度補償和通信。其中STM32的數據中斷程序流程圖如圖2所示。

圖2 STM32中斷程序流程圖Fig.2 Flowchart of the interrupt routine in STM32

經過鎖相放大器輸出的數據會觸發STM32的外部中斷，從而使STM32讀取鎖相放大器數據并對連續采樣得到的100個數據進行算數平均，以抑制干擾。然后將得到的數據通過標定的葉綠素a與熒光強度的線性關系轉換為葉綠素a的濃度值，并通過溫度補償算法對得到的結果進行修正，從而得到正確結果，最后通過USB或者RS- 485將結果發送到上位機。

1.4 LED驅動電路設計

圖3 LED驅動電路原理圖Fig.3 The principle of LED drive circuit

2 試驗結果與討論

2.1 電路系統噪聲性能測試

為了驗證電路的性能，將輸入端用小電阻與地短接，實測10組數據輸出，結果如表1所示。

表1 電路輸出噪聲Tab.1 Output noises of the circuit

2.2 對比試驗

基于上述原理所制成的葉綠素a檢測儀在經過實驗室環境標定之后，分別對不同濃度的葉綠素a標準溶液與美國YSI葉綠素a測試儀進行了對比測試，測試數據如表2所示。

表2 比對試驗Tab.2 The inter-comparison tests

從表2可以看出,該儀器表現出良好的性能，反映了葉綠素a濃度與熒光的良好的線性關系。同時，該儀器能夠實現最低檢出限0.1 μg/L，與美國YSI葉綠素a測試儀基本具有相同的測量精度。此外，該儀器還具有低噪聲、低功耗、低漂移以及高靈敏度等特點。

3 結束語

系統以葉綠素熒光誘導檢測原理為基礎，利用互相關原理實現了痕量熒光信號的檢測。基于數字正交鎖相放大器原理設計完成的傳感器，經過試驗證明，該儀器不僅能夠實時檢測海水中葉綠素a，并且具有諧波抑制能力強、無直流漂移、功耗低、便攜化、精度高等特點。系統的反應強度與葉綠素a濃度具有很好的線性關系，能夠實時、連續地反映海水中葉綠素a濃度的變化趨勢，可與國外傳感器媲美。同時該儀器可以作為水質傳感器，用于水質多參數浮標監測系統平臺實現實時檢測，也可用于海水濁度參數的檢測。

[1] 王巖石，張杰，孫培光，等.用于海洋現場監測的小型葉綠素a熒光計和濁度計[J].海洋技術，2007，26(1)：29-33.

[2] 胡輝，謝靜.葉綠素a在監視赤潮和評價海水環境中的應用[J].環境監測管理與技術，2005，13(5)：43-44.

[3] 董大圣，程群，陳世哲，等.原位葉綠素a和濁度傳感器[J].儀表技術與傳感器，2012(10)：15-17.

[4] 李璟，樂靜，萬文博，等.LED誘導葉綠素熒光光譜檢測系統的設計[J].分析儀器，2014(2)：11-15.

[5] 武會江，張曉，王蒙，等.葉綠素熒光檢測系統的設計與實現[J].電子測量技術，2014，37(7)：121-124.

[6] 康躍騰，胡曉婭，汪秉文.基于鎖相放大原理的微弱信號檢測電路[J].電子設計工程，2013，21(6)：162-164.

[7] 倪士虎，劉先勇，曹新丹，等.基于FPGA的LIA設計及其在光聲檢測中的應用[J].電子科技，2013，26(12)：110-113.

[8] 范松濤，周燕，張強，等.基于FPGA的數字鎖相放大器在氣體探測中的應用[J].計算機測量與控制，2012，20(11)：3027-3041.

[9] 梁世盛，喬鳳斌，張燕.基于FPGA的數字相敏檢波算法實現[J].自動化儀表，2013，34(11)：13-16.

[10]孫紅兵，莫永新.微弱光電信號檢測電路設計[J].現代電子技術，2007，30(18)：156-158.

[11]吳明華，鄭剛，江斌，等.一種新的應用于鎖相放大器的數字相關電路結構設計[J].計算機測量與控制，2010，18(12)：2824-2827.

Design of the In-situ Detection System for the Content of Chlorophyll-a in Seawater

To detect the trace amount of fluorescence signals emitted from chlorophyll-a inside hytoplankton in seawater under LED excitation for implementing detection of chlorophyll-a in seawater, and protecting red tide and other disasters, the digital lock-in amplifier has been designed based on STM32 single chip computer and FPGA. The orthogonal vector lock-in amplifier and generation of the LED light source modulation driving signal DDS are realized by FPGA; while the functions of data processing, temperature compensation and communication are accomplished by STM32. The results of experiments indicate that design scheme can detect chlorophyll-a in seawater in real time under natural environment, and offer higher measurement accuracy. The in-situ seawater chlorophyll-a sensor based on this scheme features simple structure and easy to carry, high accuracy, high stability, and strong anti-interference capability, and possesses wide applicable prospects.

Chlorophyll-a Fluorescent signal LED Sensor Digital lock-in amplifier(DLIA) Real-time detection

國家自然科學基金資助項目(編號：41206076)；

國際合作基金資助項目(編號：2013DFR90220)；

青島市基礎研究基金資助項目(編號：13-1-4-160-jch)。

吳寧(1987-)，男，2013年畢業于北京化工大學控制科學與工程專業，獲碩士學位，高級工程師；主要從事海洋儀器儀表研發、微弱信號檢測與處理、智能控制的研究。

TH13

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506020

海洋公益性行業專項科研經費項目(編號：201005025)；

修改稿收到日期：2014-12-24。