基于偏振数字全息术进行微塑料识别的方法和装置

本发明涉及偏振数字全息术。更具体地说，本发明涉及使用偏振数字全息术进行微塑料识别的方法和装置。

背景技术：

1、微塑料是近年来成为主要环境关注焦点的小型塑料颗粒。它们可以通过各种来源进入环境。识别和量化微塑料对于解问题的规模和范围，并制定有效的解决策略至关重要。然而，小尺寸和多样范围的微塑料使得识别和量化微塑料具有挑战性。

2、为解决海洋污染问题，水陆两用数字全息装置是一种紧凑且便携的内置设备，能够在不同环境中检测各种尺寸的微塑料样本。从硬件和软件方面，所述装置预计将实现高分辨率成像和高准确度识别/分类的进步。

3、然而，不稳定的背景环境可能使得所述装置提供的识别变得困难。例如，在水相中进行微塑料检测的图像质量相对较低，这是由于成像中的光散射造成的。此外，实现在空气和水域环境中对微塑料进行高通量分类和自动监测也很困难。

4、目前，传统的全息装置可能不适合所需的检测条件。一些现有的全息装置需要大量额外的光学组件，如镜子或显微镜目镜，这可能会使其配置复杂化。整合不同的功能组件，如电源、处理器单元和防水外壳，也可能具有挑战性，但这是必要的，以支持在实地使用的便携式、实时装置的功能。此外，还必须考虑水下性能，因为设计用于水下情景中目标微塑料的全息装置需要封闭的外壳组件来支持其潜水能力。

5、因此，有必要通过一种快速简单的方法改进数字全息装置在微塑料识别方面的性能。

技术实现思路

1、在本公开中，提供一种基于偏振数字全息成像特征利用深度学习模型评估微塑料(microplastic，mp)形态参数和材料类型的新方法。分析表明，这种方法能够有效地识别和分类不同类型的微塑料材料。提供的方法引入一种实时、高通量的微塑料分析器，利用多维信息增强微塑料的定量化，并为处理策略提供参考。此外，所述方法具有高分类准确度、鲁棒性和普适性，使其成为未来评估和管理微塑料污染的有前景的工具。

2、微塑料污染物已经成为全球环境关注的焦点，导致开发和应用各种检测方法，包括基于成像、热和化学分析技术。实际的微塑料检测通常需要使用多种方法来获得可靠的结果。将热和化学技术与基于成像的方法相结合，可以提供更全面的微塑料检测方法。识别和量化微塑料颗粒及其化学成分和形态分布是非常可取的。近年来，一些新兴的成像技术已经应用到微塑料检测领域。这些成像技术可以为微塑料的识别和分析提供有价值的信息，并可能带来对环境中微塑料分布和影响的新见解。例如，已经测试中子和x射线层析成像相结合来检测沙质沉积物中的微塑料颗粒。此外，流式细胞术(flowcam)可用于检测和分析水样中的微塑料，将高分辨率成像与流式细胞术相结合，以捕获颗粒的图像。随着更多技术的发展，可以获得更多的微塑料特征。我们可以进一步探索增强新先进技术与当前微塑料检测方法集成的可能性。

3、然而，微塑料分析仍存在复杂的情况。例如，真实海水样本中存在多重散射和吸收，通常与大量杂质混合，影响成像效果。已经初步证明，本公开的成像系统能够透过散射介质并获取关于物体的多模态信息。结果表明，偏振特征可以大幅提高图像对比度，即使在高浑浊水域中也是如此。

4、本发明的目标是提供一种用于水域微塑料识别的装置和方法，以解决上述技术问题。

5、根据本发明的第一方面，提供一种基于偏振数字全息水域微塑料识别的装置。所述装置包括激光源、偏振摄像机、取样通道、记录仪和形态分析模块。激光源配置为提供激光束。偏振摄像机位于激光源下方，使所述激光源与所述偏振摄像机对准，以与所述偏振摄像机光学耦合，并将所述激光束发射到所述偏振摄像机。所述偏振摄像机包括安装在所述偏振摄像机前方的偏振器，以与所述偏振摄像机的摄像机镜头光学耦合，并致能所述摄像机镜头同时获取不同偏振态的图像。所述取样通道位于所述激光源和所述偏振摄像机之间。所述记录仪与所述偏振摄像机电耦合，且所述偏振摄像机还用于在取样通道中拍摄微塑料样本的取样图像并将其传输到所述记录仪。所述形态分析模块与所述记录仪电耦合，用于访问所述记录仪进行实时跟踪和分析，以对所述微塑料样本进行分类。所述形态分析模块根据所述取样图像显示的目标波和参考波叠加产生的干涉图案对所述微塑料样本进行分类。

6、根据本发明的第二方面，提供一种水域微塑料识别装置。所述装置包括外壳、激光源、偏振摄像机和微处理器。所述壳体具有第一空间和第二空间，所述第一空间和所述第二空间相互隔开，以在中间产生样本通道。所述激光源设置在所述第一空间内，用于向所述样本通道发射至少一道光束。所述偏振摄像机设置在所述第二空间内，其中所述激光源与所述偏振摄像机对准，以与所述偏振摄像机光学耦合，并将激光束发射到所述偏振摄像机。所述偏振摄像机包括安装在所述偏振摄像机前方的偏振器，以与所述偏振摄像机的摄像机镜头光学耦合，并致能所述摄像机镜头同时获取不同偏振态的图像。所述微处理器与所述偏振摄像机电耦合，其应用形态分析模块进行实时跟踪和分析，以便对取样通道内的微塑料(microplastic，mp)样本进行分类。所述形态分析模块根据所述偏振摄像机拍摄的取样图像显示的目标波和参考波叠加产生的干涉图案对所述微塑料样本进行分类。

7、根据本发明的第三方面，提供一种水域微塑料识别方法。所述方法包括以下步骤：从激光源发射激光束，使激光束穿过取样通道中含有微塑料样本的液体样本，再穿过偏振器，并被偏振摄像机接收；用所述偏振摄像机捕捉所述微塑料样本的取样图像，其中取样图像包括目标波和参考波叠加产生的干涉图案；以及将所述干涉图案输入形态分析模块，利用轻量级卷积神经网络(convolutional neural network，cnn)模型进行实时跟踪和分析，从而对所述微塑料样本进行分类。

技术特征：

1.一种基于偏振数字全息技术进行水域微塑料识别的装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述形态分析模块对所述微塑料样本进行的分类包括对所述微塑料样本进行分割、测量和计数。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述偏振器具有四个方向，其代表不同的偏振态区域，分别为0°、45°、90°、135°四种不同的偏振态。

4.权利要求3所述的装置，其特征在于，所述偏振器采用斯托克斯(stokes)掩膜偏振器。

5.权利要求1所述的装置，其特征在于，包括：

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括两个管子，其连接到所述取样通道的相对两侧表面，用于促进所述取样通道中液体的流入和流出。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述取样通道是由透明石英玻璃制成的透光流体通道。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述形态分析模块包括一个轻量级卷积神经网络(convolutional neural network，cnn)模型。

11.一种用于识别水域微塑料的设备，其特征在于，包括：

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，还包括透镜，设置在所述第一空间内，并在所述激光源和所述偏振摄像机之间光学耦合，其中所述透镜用于在所述光束通过所述取样通道之前准直所述光束。

13.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述微处理器的所述形态分析模块对所述微塑料样本进行的分类包括对所述微塑料样本进行分割、测量和计数。

14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述偏振器具有四个方向，其代表不同的偏振态区域，分别为0°、45°、90°、135°四种不同的偏振态。

15.根据权利要求14的装置，其特征在于，所述偏振器采用斯托克斯(stokes)掩膜偏振器。

16.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述微处理器的所述形态分析模块包括轻量级卷积神经网络(convolutional neural network，cnn)模型。

17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微处理器还用于响应所述偏振摄像机拍摄的图像，生成至少一偏振角(angle of polarization；aop)图像和至少一线性偏振度(degree of linear polarization；dolp)图像。

18.一种水域微塑料识别方法，其特征在于，包括：

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，微处理器的所述形态分析模块对所述微塑料样本进行的分类包括对所述微塑料样本进行分割、测量和计数。

20.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述偏振器具有四个方向，其代表不同的偏振态区域，分别为0°、45°、90°、135°四种不同的偏振态。

技术总结本发明提供一种水域微塑料识别的方法。该方法包括以下步骤：从激光源发射激光束，使激光束穿过样品通道中含有微塑料样品的液体样品，然后通过偏振器，再被偏振摄像机接收；通过偏振摄像机捕获微塑料样品的样品图像，其中样品图像包括由目标波和参考波叠加而成的干涉图案；将干涉图案输入形态分析模块，通过使用轻量级卷积神经网络模型进行实时跟踪和分析，以对微塑料样品进行分类。技术研发人员：朱琰珉,李钰星,林彦民受保护的技术使用者：香港大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10