IOE优硕风采 | 王宏剑：水体悬浮颗粒物的光声多模态探测方法研究

论文中文标题：水体悬浮颗粒物的光声多模态探测方法研究

论文英文标题:Study on opto-acoustic multimodal detection method of aquatic suspended particles

作者：王宏剑

指导教师：廖然

培养院系：深圳国际研究生院

学科：电子信息

学习感言：大胆假设，小心求证

获得荣誉：2023年清华大学优秀硕士学位论文、2023年北京市优秀毕业生、2022年研究生国家奖学金、2023年清华大学深圳国际研究生院学术新秀提名奖、2023年清华大学深圳国际研究生院专业实践三等奖、2021年清华大学深圳国际研究生院综合优秀二等奖学金。

主要研究内容

       本论文围绕着“水体悬浮颗粒物的光声多模态探测”展开。首先，搭建了一套偏振荧光细致分析仪，再进一步优化和拓展了偏振荧光探测，实现了单个悬浮颗粒物的偏振光散射、荧光、光致发声的多模态同时测量。之后，通过测量多种生物和非生物颗粒对装置进行了校准和定量评估，通过降维分析、机器学习方法利用多模态参数，验证了装置在表征亚微米颗粒物和区分不同种悬浮颗粒物的能力。

图1：光声多模态探测系统

       接着，在不同的细致分类场景下对装置进行了应用探索，包括不同种单细胞鞭毛类藻、同属不同种的螺旋藻和不同状态的微囊藻。进一步，建立了理论模型，从光的吸收和能量利用的视角，结合实验测量的单细胞多模态参数，给出了几种藻细胞的计算示例，以评估单细胞的叶绿素含量和光合作用能量消耗。在以上精细分类、理论评估的基础上，接着研究了偏振测量方法在识别不同状态的微囊藻上的应用，通过构建分类模型识别临界状态的微囊藻细胞，给出了蓝藻水华的早期预警策略，讨论了原位监测和预警水华的可行性。

图2：水华预警时样机在水下部署场景

       基于实验数据的分析，进一步发现、讨论和利用了光声多模态探测系统的异常尖峰信号。尖峰信号是在散射通道中快速变化的信号，后续分析将散射通道的测量信号细分为普通脉冲和尖峰信号，研究了散射信号中脉冲和尖峰两种信号与其他信号的共存关系，并通过多组实验分析对尖峰信号进行了解读。最后，构建了特征空间协同利用不同的模态信息，展示了如何利用尖峰信号对不同的颗粒物进行表征和分类。

2、本研究利用单个颗粒物多模态数据，展示了该方法在多种应用场景中的应用潜力。通过物理建模、信号处理、大数据方法充分利用了多模态参数信息，实现了对多种形态相似的微藻细胞的细致分类，提出了基于本多模态系统的单细胞尺度叶绿素和能量消耗评估方法。此外，展示了在蓝藻水华应用场景下的动态表征能力。