一种基于水下放电发射光谱的元素检测装置及方法

本发明属于水下原位检测领域，尤其涉及一种基于水下放电发射光谱的元素检测装置及方法。

背景技术：

1、水体元素检测是海洋环境监测、深海资源开发、矿区排水监管、工业废水治理和生态预警中的重要技术环节。传统检测方式通常需要现场取样、样品保存、运输和实验室分析，常用仪器包括原子吸收光谱仪、icp-oes和icp-ms等。上述方法灵敏度高，但难以反映水下现场的实时变化，也不适合长期无人值守和动态平台搭载的原位检测任务。

2、激光诱导击穿光谱（libs）能够实现多元素快速分析，但在水下应用时通常需要将激光聚焦于水体或样品表面并在激光焦点附近形成等离子体和空化气泡。该类方案对激光器、准直聚焦系统和光学窗口要求较高，激光能量在液体中易受吸收、散射、浑浊介质和气泡扰动影响；对于随机分布的悬浮颗粒物，激光焦点与颗粒位置难以稳定重合，导致对悬浮颗粒物或流动颗粒物的检测重复性不足。此外，libs的气泡形成位置与光谱有效采集位置往往受激光焦点、样品表面和采集光路共同制约，光谱传播仍可能经历较长水体路径，从而带来光路损失、色散和浑浊干扰。

3、然而，现有相关方案往往将放电结构限定为特定电极对或特定脉冲形式，对单电极放电、多电极放电、开放海水环境检测、流通式耐压检测腔以及不同水下移动和固定平台布放等场景覆盖不足。同时，复杂海水中的盐分、悬浮颗粒、生物污损和腐蚀性介质会影响外置式光纤传感器和放电电极的长期可靠性；放电结构与检测结构的位置关系、气泡区域对光路和电极端部的作用、放电与光谱采集之间的同步策略也需要进一步明确。

4、专利文献cn120703067a公开了一种检测氦和氩的尖端放电原子发射光谱分析装置与方法，装置包括气体稀释仪、流量计、尖端放电系统、循环水泵、高压电源、聚焦透镜和小型ccd光谱检测器，其中，尖端放电系统是在聚四氟乙烯底座上构建一个尖端放电腔室，顶部是冷却循环水储存槽，两侧对称设置一对尖端电极；方法为：氦气或氩气由气体稀释仪和流量计输送，然后经过尖端放电系统后进入尖端放电腔室被激发；产生的光线被聚焦透镜聚焦进入光纤中，最终被小型ccd光谱检测器检测，从而单独或同时测定氦气、氩气发射谱线的强度，最终经计算得到氦气和氩气样品的相应浓度。

5、专利文献cn121113993a公开了一种铁水中元素的检测方法，包括以下步骤：s1、取样制样；s2、使用火花放电原子发射光谱法进行检测，参数设置包括：氩气冲洗时间2～7s，预燃时间8～12s，曝光时间9～13s。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于水下放电发射光谱的元素检测装置及方法，该装置能在水下原始环境中完成水体元素的原位观测工作。

2、为了实现本发明的第一个目的，提供了如下技术方案：一种基于水下放电发射光谱的元素检测装置，包括：

3、放电模块，包括暴露在目标水域中且用于实现尖端放电的电极，所述电极用于汽化尖端区域的水体以产生气泡；

4、放电电源，为所述放电模块提供脉冲电压；

5、控制模块，接收到启动信号时，延后预设的时间步长后驱动光谱采集模块进行上一段时序或多段光谱采集工作；

6、光谱采集模块，用于采集放电过程中所述气泡内部区域的光谱信息，所述光谱采集模块采用内置式或外置式；

7、所述内置式包括沿电极轴线方向嵌入在电极内部；

8、所述外置式包括单电极垂直布放，单电极正对布放，多电极同轴平行布放以及多电极垂直布放；

9、数据处理模块，对采集获得的光谱信息进行数据分析，以生成目标水域中的元素种类和/或含量，所述数据分析包括原始数据的去噪与校正，以及波峰的特征提取与分析预测。

10、本发明利用放电端部形成的气泡区域作为目标，利用同轴布置的采集设备进行光谱采集，从而为后续的分析任务提供更加全面的数据支持。

11、具体的，所述电极的放电形式包括单电极放电，多电极放电、电极对放电、针-针放电、针-板放电、针-环放电、同轴电极放电、电晕放电、火花放电、辉光放电或流注放电中的一种或多种。

12、具体的，所述放电形式的选择基于工程意义和部署场景而定，其中单电极结构能够通过周围待测水体、平台导电结构、屏蔽结构、参考电极或远端接地结构形成回流路径，在单个电极端部形成局部强电场、水下放电等离子体和元素发射光谱；

13、双电极或多电极结构则可以在两个或多个电极之间形成更明确的放电间隙或多个放电位置，用于增强放电能量、提高放电重复性、扩大有效激发区域或适配流通式检测腔。

14、具体的，所述光谱采集模块包括光接收组件和与所述光接收组件光学连接的光谱分析组件；

15、所述光接收组件用于采集来自所述放电电极尖端附近和/或气泡内部区域的元素发射光；

16、所述光谱分析组件用于分析元素发射光，以生成对应的光谱信息。

17、具体的，所述放电电源的输出值基于水域中目标元素、待测水体电导率、盐度、压力、浊度、气泡形成状态或光谱信噪比进行调节；所述输出值为脉冲电压或脉冲电流。

18、具体的，所述输出值的电流峰值不低于10 a。

19、具体的，还包括用于容纳放电模块和光谱采集模块的耐压检测腔，所述耐压检测腔的两端设有水体入口和水体出口，且水体入口和水体出口均设有杂质过滤结构。

20、为了实现本发明的第二个目的，提供了如下方案：一种元素检测方法，通过上述的基于水下放电发射光谱的元素检测装置来实现检测任务，包括：

21、通过电极尖端放电将尖端区域的水体进行汽化，以获得对应的气泡；

22、基于预设时间步长的延迟，对所述气泡内部区域进行光谱检测，以获得对应的光谱信息；

23、基于所述光谱信息进行数据分析，以获得水体中元素种类或/和含量。

24、具体的，所述数据分析的过程如下：

25、对原始光谱进行波长及强度校正、sg滤波、背景扣除、电极谱线扣除和异常光谱剔除；对于重叠谱线，采用pso优化的伪voigt模型进行分峰，并提取分峰的数据特征，随后将数据特征输入预训练的浓度反演模型进行浓度预测，以输出目标元素浓度。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果：

27、无需激光器和精密聚焦光路，降低水下系统复杂度；不仅采集气泡中的元素，同时气泡区域承担短光程传播、电极端部清理和降低液相基体影响的作用；通过耐腐蚀材料、隔海水光路、耐压检测腔和场景化光谱处理，提高海水及深海原位检测的可实施性。

1.一种基于水下放电发射光谱的元素检测装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于水下放电发射光谱的元素检测装置，其特征在于，所述电极的放电形式包括单电极放电、多电极放电、电极对放电、针-针放电、针-板放电、针-环放电、同轴电极放电、电晕放电、火花放电、辉光放电或流注放电中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的基于水下放电发射光谱的元素检测装置，其特征在于，所述光谱采集模块包括光接收组件和与所述光接收组件光学连接的光谱分析组件；

4.根据权利要求1所述的基于水下放电发射光谱的元素检测装置，其特征在于，所述放电电源的输出值基于水域中目标元素、待测水体电导率、盐度、压力、浊度、气泡形成状态或光谱信噪比进行调节；

5.根据权利要求4所述的基于水下放电发射光谱的元素检测装置，其特征在于，所述输出值的电流峰值不低于10 a。

6.根据权利要求1所述的基于水下放电发射光谱的元素检测装置，其特征在于，还包括用于容纳放电模块和光谱采集模块的耐压检测腔，所述耐压检测腔的两端设有水体入口和水体出口，且水体入口和水体出口均设有杂质过滤结构。

7.一种元素检测方法，其特征在于，通过如权利要求1~6任一项所述的基于水下放电发射光谱的元素检测装置来实现检测任务，包括：

8.根据权利要求7所述的元素检测方法，其特征在于，所述数据分析的过程如下：