一種基于紫外-可見光譜處理的水質濁度解算方法
【專利摘要】一種基于紫外-可見光譜處理的水質濁度解算方法，1)先建立包含不同水樣樣本光譜的水樣特征庫；2)采集檢測水樣紫外-可見光譜；3)匹配得到與檢測光譜最接近的樣本光譜；4)選取匹配得到的樣本光譜中濁度為0的光譜為標準光譜，將檢測光譜及其它濁度光譜與標準光譜一元線性回歸運算，得到各光譜基線平移量和傾斜偏移量；5)對檢測光譜進行修正得到修正后的光譜曲線；6)選取基線平移量與濁度進行擬合，建立函數關系，從而求解出檢測水樣的濁度值。本發明采用多元散射校正來修正光譜曲線，由修正得到的參數擬合求解出水質濁度，同時消除了濁度影響，提高了光譜信號的信噪比，為化學計量法建立水質參數分析模型提供了幫助。
【專利說明】一種基于紫外-可見光譜處理的水質濁度解算方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種水質監測中濁度的解算方法，具體涉及消除水質中濁度對其他參數監測的影響及基于紫外-可見光譜處理的水質濁度值的在線解算方法，屬于水質檢測【技術領域】。
【背景技術】
[0002]水資源是一切生物生存的物質基礎，隨著近年來全球人口的急劇增加和工業化的迅速發展，人類對水資源的需求與日俱增，同時水體環境惡化已經成為世界水資源與環境面臨的重大問題?；瘜W需氧量(COD)，反映了水體中還原性物質的污染程度，是評價水質的一個重要指標，近年來隨著國內外光譜檢測儀器設備的日趨成熟，利用化學計量法建立一個準確、有效的水質參數分析模型已成為制約直接光譜法檢測水質的瓶頸，而濁度是影響其建模的一個重要參數，因此選取恰當的方法對光譜進行處理，消除濁度的影響成為直接光譜法檢測水質COD的關鍵技術問題。
[0003]濁度的準確測量普遍采用儀器分析法，根據測量原理的不同，濁度測量分為透射法、散射法、散射光和透射光比值法，即利用光學透射或散射原理，將透射或散射光信號通過光電探測器轉換為電信號，進而轉換為濁度值。隨著水質監測技術的發展，為提高水質監測的效率，實現水質的多 參數、原位、實時在線檢測成為新的發展趨勢，具有廣泛的應用前
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【發明內容】
[0004]針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的在于提供一種基于紫外-可見光譜處理的水質濁度解算方法，本方法可以在線、實時、準確地測量水質濁度動態值。
[0005]本發明的技術方案是這樣實現的:
[0006]一種基于紫外-可見光譜處理的水質濁度解算方法，步驟如下，
[0007]I)先建立水樣特征庫，水樣特征庫包含不同水樣的樣本光譜，每種水樣的樣本光譜為一組僅濁度值不同的紫外-可見吸收光譜，其中濁度值包括濁度為O和濁度為其它具有梯度性的濁度；
[0008]2)使用光譜儀對檢測水樣進行紫外-可見光譜采集，并進行預處理去噪；
[0009]3)對第2)步預處理后的檢測光譜進行特征提取，并與水樣特征庫中所有樣本光譜進行模式匹配，匹配得到與檢測光譜最接近的樣本光譜；
[0010]4)采用多元散射校正方法對檢測光譜進行校正，選取匹配得到的樣本光譜中濁度為O的光譜為標準光譜，將檢測光譜及匹配得到的樣本光譜中其它濁度的紫外-可見光譜分別與標準光譜進行一元線性回歸運算，根據下式可求得檢測光譜及其它濁度光譜相對于標準光譜的基線平移量和傾斜偏移量；
[0011]Ai =IIii A+Ir[0012]其中Ai表示單個光譜矢量，J表示O濁度光譜，Hii和匕分別表示檢測光譜及其它濁度光譜分別與O濁度光譜進行一元線性回歸后得到的傾斜偏移量和基線平移量；
[0013]5)檢測光譜減去對應的基線平移量后除以傾斜偏移量，即4(MSo = (A廠，)，At_
表示經過校正后的檢測光譜，mt表示檢測光譜對應的傾斜偏移量，bt表示檢測光譜對應的基線平移量，實現對檢測光譜的修正，得到檢測光譜修正后的光譜曲線；
[0014]6)由于其它濁度光譜的基線平移量與濁度已知，選取光譜基線平移量與濁度兩個參數進行擬合，建立兩者之間的函數關系，再根據檢測光譜的基線平移量結合函數關系即可求解出檢測水樣的濁度值。
[0015]光譜儀采集檢測水樣光譜時，光纖探頭位于水樣中，光譜儀輸出接主機，水樣特征庫預先存儲在主機中，步驟3)-步驟6)均在主機內進行，從而實現實時、在線監測水質濁度，并通過顯示器進行顯示。
[0016]第3)步檢測光譜與樣本光譜進行模式匹配時，先根據系統提取的水質特征將檢測光譜初步歸為地表水、生活污水和工業廢水中一種，地表水、生活污水和工業廢水分別有不同的樣本光譜，再在地表水、生活污水和工業廢水下進行進一步的模式匹配。
[0017]相比現有技術，本發明具有如下有益效果:
[0018]在水質監測過程中，光譜儀光纖探頭采集的紫外-可見吸收透射光譜，包含了濁度信息，為消除水質中濁度的散射對其他參數監測的影響，本發明采用多元散射校正(MSC)方法，并對此方法進行改進用來修正光譜曲線，一方面由修正得到的參數擬合求解出水質的濁度值，實現水質濁度的原位、實時監測；另一方面也消除了濁度影響，提高了光譜信號的信噪比，并為化學計量法建立準確、有效的水質參數(如COD等)分析模型進行數據處理提供了一種新的途徑。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明濁度在線監測算法流程圖；
[0020]圖2為光譜儀采集的一組不同濁度值的福爾馬肼溶液的原始紫外-可見吸收光譜圖；
[0021]圖3為某待測水樣光譜曲線經過改進型MSC算法處理前后與標準光譜的對比圖；
[0022]圖4為濁度值對應基線平移量的散點圖與曲線擬合圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0024]本發明基于紫外-可見光譜處理的水質濁度解算方法，步驟如下，可以參見圖1，
[0025]I)先建立水樣特征庫，水樣特征庫包含不同水樣的樣本光譜，每種水樣的樣本光譜為一組僅濁度值不同的紫外-可見吸收光譜，其中濁度值包括濁度為O和濁度為其它具有梯度性的濁度。
[0026]2)使用光譜儀對檢測水樣進行紫外-可見光譜采集，并進行預處理去噪；本發明使用DH2000光源及Maya4000光譜儀對水樣進行吸收光譜采集。[0027]3)對第2)步預處理后的檢測光譜進行特征提取，并與水樣特征庫中所有樣本光譜進行模式匹配，匹配得到與檢測光譜最接近的樣本光譜。
[0028]然后對檢測光譜進行校正，得到校正后的檢測光譜曲線，并通過校正后的參數擬合函數關系而求出檢測水樣的濁度值。本發明采用多元散射校正方法進行校正，具體如下:
[0029]4)選取匹配得到的樣本光譜中濁度為O的光譜為標準光譜，將檢測光譜及匹配得到的樣本光譜中其它濁度的紫外-可見光譜分別與標準光譜進行一元線性回歸運算，根據下式可求得檢測光譜及其它濁度光譜相對于標準光譜的基線平移量(回歸常數)和傾斜偏移量(回歸系數)；
[0030]
【權利要求】
1.一種基于紫外-可見光譜處理的水質濁度解算方法，其特征在于:步驟如下， 1)先建立水樣特征庫，水樣特征庫包含不同水樣的樣本光譜，每種水樣的樣本光譜為一組僅濁度值不同的紫外-可見吸收光譜，其中濁度值包括濁度為O和濁度為其它具有梯度性的濁度； 2)使用光譜儀對檢測水樣進行紫外-可見光譜采集，并進行預處理去噪； 3)對第2)步預處理后的檢測光譜進行特征提取，并與水樣特征庫中所有樣本光譜進行模式匹配，匹配得到與檢測光譜最接近的樣本光譜； 4)采用多元散射校正方法對檢測光譜進行校正，選取匹配得到的樣本光譜中濁度為O的光譜為標準光譜，將檢測光譜及匹配得到的樣本光譜中其它濁度的紫外-可見光譜分別與標準光譜進行一元線性回歸運算，根據下式可求得檢測光譜及其它濁度光譜相對于標準光譜的基線平移量和傾斜偏移量；
A1 -1ni A+Iyi 其中Ai表示單個光譜矢量表示O濁度光譜，Hii和h分別表示檢測光譜及其它濁度光譜分別與O濁度光譜進行一元線性回歸后得到的傾斜偏移量和基線平移量； 5)檢測光譜減去對應的基線平移量后除以傾斜偏移量，即
2.根據權利要求1所述的基于紫外-可見光譜處理的水質濁度解算方法，其特征在于:光譜儀采集檢測水樣光譜時，光纖探頭位于水樣中，光譜儀輸出接主機，水樣特征庫預先存儲在主機中，步驟3)-步驟6)均在主機內進行，從而實現實時、在線監測水質濁度，并通過顯示器進行顯示。
3.根據權利要求1所述的基于紫外-可見光譜處理的水質濁度解算方法，其特征在于:第3)步檢測光譜與樣本光譜進行模式匹配時，先根據系統提取的水質特征將檢測光譜初步歸為地表水、生活污水和工業廢水中一種，地表水、生活污水和工業廢水分別有不同的樣本光譜，再在地表水、生活污水和工業廢水下進行進一步的模式匹配。
【文檔編號】G01N21/31GK103983595SQ201410228062
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月27日 優先權日:2014年5月27日
【發明者】馮鵬, 羅繼陽, 湯斌, 魏彪, 米德伶 申請人:重慶大學
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