针对水质监测的紫外-可见光谱双光程融合优化算法

紫外-可见光谱法多参数水质在线监测系统面对复杂水体时,常需要频繁改变探头光程以保持光谱较高的信噪比。然而,适合的光程往往需要大量实验才可确定,难以满足在线监测系统对实时性、精度、灵敏度、稳定性等的实际需求。研究了一种紫外-可见光谱双光程融合优化算法,将同时采集的长短两种光程光谱使用了滑窗法估计它们光谱噪声方差分布,确定光谱强噪声区间;由于长短光程光谱的信号强度不同,使用了遗传算法计算得到双光谱融合的最佳增益匹配倍率;最后,按噪声方差分布使用分段加权方式得到较高信噪比的双光程融合光谱。实验结果表明,利用该法对重庆长寿湖水样、嘉陵江某排污口及邻苯二甲酸氢钾标准溶液三种样本进行测试,其融合光谱在200~250 nm区域的强噪声得到抑制,零值干扰左推至220nm之前,样本的峰值信噪比均有显著提高,证明了算法的有效性和普适性。该算法无需大量实验以获得最佳光程,对于拓宽紫外-可见光谱水质在线监测系统的应用范围具有较为重要的现实意义。

一种紫外-可见光谱法水质COD检测的预测模型研究

针对紫外-可见光谱法水质COD检测在线、实时性的测量要求,研究了一种基于主成分分析(PCA)联合粒子群优化极限学习机(PSO-ELM)预测模型,借以预测水质COD检测数据。通过采用PCA对水质COD检测的光谱数据进行降维处理,提取其特征信息,消除向量相关性并送入PSO-ELM模型中进行建模及预测。研究结果表明,基于PCA联合PSO-ELM进行紫外-可见光谱法水质COD检测的预测模型研究,不仅预测精度较单纯的ELM模型提高了近10倍,而且相对于PSO-ELM模型的预测效率(运行时间)提升了一个数量级,这为紫外-可见光谱法水质COD在线、实时性检测创造了条件。

一种紫外-可见光谱法水质监测系统的可变光程光谱探头设计

根据紫外-可见光谱法水质多参数实时监测需要,提出了一种可变光程光谱探头设计方案。针对氙灯光源光斑直径大难以耦合至光纤的问题,设计了一套组合透镜置于光源出射端。针对光纤出射光线发散性强且发散光线源于光轴不同点的问题,使用Zemax的多重结构优化准直透镜的设计。通过采用Zemax和Trace Pro光学软件分析工具仿真研究,结果表明,优化设计的光路系统将粗光束变为细光束后,再经聚焦透镜耦合至光纤,提高了光源与光纤的耦合效率,其辐射通量效率相对于初始结构提高了13.89%。同时,将本文设计的光谱探头与美国Ocean Optics公司的光谱测量系统进行对比实验,本文设计的可变光程探头的辐射通量效率较之于海洋公司光学系统的辐射通量效率,提高了3.26%-9.58%,验证了本文设计的光谱探头的可靠性及高效性。

基于Mie散射的水体紫外-可见光谱浊度干扰补偿

紫外-可见光谱法水质检测中,检测设备面对多样性的地表水体容易受到悬浮颗粒物引起的浊度干扰,导致谱线整体非线性抬升,测量精度显著下降。研究了一种基于Mie散射理论的紫外-可见水质光谱浊度干扰补偿算法,借以提高可溶有机物含量的检测精度。通过截取水样本紫外-可见光谱中主要由颗粒物散射引起的450~1100nm段光谱,采用基于Mie散射理论的光全散射颗粒物粒径分析法,重建了水样本所含颗粒物的粒径分布。利用粒径分布的二次反演,估计了220~450nm可溶有机污染特征光谱段中由颗粒物引起的消光值,实现了对浊度干扰的精确补偿。实验结果表明,该算法对不同地表水样本均表现出了良好的浊度补偿效果,化学需氧量解算精度得到较大提高。且补偿算法无需大量实验获取先验数据,可提高紫外-可见光谱法水体可溶有机物检测的准确性和检测部署的灵活性与适应性,具备实用价值。

基于WSN的紫外-可见光谱水质COD监测仪采传系统设计

针对日益严重的水环境问题,水质化学需氧量(COD)的实时在线监测对水质污染预警具有十分重要的意义。依据紫外-可见光谱分析法可实现水质COD参数在线、原位测量的原理,将无线传感网络(WSN)技术与光谱法水质COD监测技术相结合,研究了一种适用于大面积水域水质COD监测的信息采集与传输系统。基于Coxtex-A7硬件平台,采用数据压缩和无线传感网络等技术实现了水质COD的无线实时监测。实验测试结果表明,该系统能够实现水质COD监测数据的采集与高效、可靠的传输。该系统不仅具有功耗低、流域覆盖面积广、响应速度快、易于维护等特点,还可为水体流域内水质环境的综合分析提供依据。