一种基于紫外-可见光谱处理的水质浊度解算方法
【专利摘要】一种基于紫外-可见光谱处理的水质浊度解算方法，1)先建立包含不同水样样本光谱的水样特征库；2)采集检测水样紫外-可见光谱；3)匹配得到与检测光谱最接近的样本光谱；4)选取匹配得到的样本光谱中浊度为0的光谱为标准光谱，将检测光谱及其它浊度光谱与标准光谱一元线性回归运算，得到各光谱基线平移量和倾斜偏移量；5)对检测光谱进行修正得到修正后的光谱曲线；6)选取基线平移量与浊度进行拟合，建立函数关系，从而求解出检测水样的浊度值。本发明采用多元散射校正来修正光谱曲线，由修正得到的参数拟合求解出水质浊度，同时消除了浊度影响，提高了光谱信号的信噪比，为化学计量法建立水质参数分析模型提供了帮助。
【专利说明】一种基于紫外-可见光谱处理的水质浊度解算方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水质监测中浊度的解算方法，具体涉及消除水质中浊度对其他参数监测的影响及基于紫外-可见光谱处理的水质浊度值的在线解算方法，属于水质检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]水资源是一切生物生存的物质基础，随着近年来全球人口的急剧增加和工业化的迅速发展，人类对水资源的需求与日俱增，同时水体环境恶化已经成为世界水资源与环境面临的重大问题。化学需氧量(COD)，反映了水体中还原性物质的污染程度，是评价水质的一个重要指标，近年来随着国内外光谱检测仪器设备的日趋成熟，利用化学计量法建立一个准确、有效的水质参数分析模型已成为制约直接光谱法检测水质的瓶颈，而浊度是影响其建模的一个重要参数，因此选取恰当的方法对光谱进行处理，消除浊度的影响成为直接光谱法检测水质COD的关键技术问题。
[0003]浊度的准确测量普遍采用仪器分析法，根据测量原理的不同，浊度测量分为透射法、散射法、散射光和透射光比值法，即利用光学透射或散射原理，将透射或散射光信号通过光电探测器转换为电信号，进而转换为浊度值。随着水质监测技术的发展，为提高水质监测的效率，实现水质的多 参数、原位、实时在线检测成为新的发展趋势，具有广泛的应用前
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【发明内容】
[0004]针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种基于紫外-可见光谱处理的水质浊度解算方法，本方法可以在线、实时、准确地测量水质浊度动态值。
[0005]本发明的技术方案是这样实现的:
[0006]一种基于紫外-可见光谱处理的水质浊度解算方法，步骤如下，
[0007]I)先建立水样特征库，水样特征库包含不同水样的样本光谱，每种水样的样本光谱为一组仅浊度值不同的紫外-可见吸收光谱，其中浊度值包括浊度为O和浊度为其它具有梯度性的浊度；
[0008]2)使用光谱仪对检测水样进行紫外-可见光谱采集，并进行预处理去噪；
[0009]3)对第2)步预处理后的检测光谱进行特征提取，并与水样特征库中所有样本光谱进行模式匹配，匹配得到与检测光谱最接近的样本光谱；
[0010]4)采用多元散射校正方法对检测光谱进行校正，选取匹配得到的样本光谱中浊度为O的光谱为标准光谱，将检测光谱及匹配得到的样本光谱中其它浊度的紫外-可见光谱分别与标准光谱进行一元线性回归运算，根据下式可求得检测光谱及其它浊度光谱相对于标准光谱的基线平移量和倾斜偏移量；
[0011]Ai =IIii A+Ir[0012]其中Ai表示单个光谱矢量，J表示O浊度光谱，Hii和匕分别表示检测光谱及其它浊度光谱分别与O浊度光谱进行一元线性回归后得到的倾斜偏移量和基线平移量；
[0013]5)检测光谱减去对应的基线平移量后除以倾斜偏移量，即4(MSo = (A厂，)，At_
表示经过校正后的检测光谱，mt表示检测光谱对应的倾斜偏移量，bt表示检测光谱对应的基线平移量，实现对检测光谱的修正，得到检测光谱修正后的光谱曲线；
[0014]6)由于其它浊度光谱的基线平移量与浊度已知，选取光谱基线平移量与浊度两个参数进行拟合，建立两者之间的函数关系，再根据检测光谱的基线平移量结合函数关系即可求解出检测水样的浊度值。
[0015]光谱仪采集检测水样光谱时，光纤探头位于水样中，光谱仪输出接主机，水样特征库预先存储在主机中，步骤3)-步骤6)均在主机内进行，从而实现实时、在线监测水质浊度，并通过显示器进行显示。
[0016]第3)步检测光谱与样本光谱进行模式匹配时，先根据系统提取的水质特征将检测光谱初步归为地表水、生活污水和工业废水中一种，地表水、生活污水和工业废水分别有不同的样本光谱，再在地表水、生活污水和工业废水下进行进一步的模式匹配。
[0017]相比现有技术，本发明具有如下有益效果:
[0018]在水质监测过程中，光谱仪光纤探头采集的紫外-可见吸收透射光谱，包含了浊度信息，为消除水质中浊度的散射对其他参数监测的影响，本发明采用多元散射校正(MSC)方法，并对此方法进行改进用来修正光谱曲线，一方面由修正得到的参数拟合求解出水质的浊度值，实现水质浊度的原位、实时监测；另一方面也消除了浊度影响，提高了光谱信号的信噪比，并为化学计量法建立准确、有效的水质参数(如COD等)分析模型进行数据处理提供了一种新的途径。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明浊度在线监测算法流程图；
[0020]图2为光谱仪采集的一组不同浊度值的福尔马肼溶液的原始紫外-可见吸收光谱图；
[0021]图3为某待测水样光谱曲线经过改进型MSC算法处理前后与标准光谱的对比图；
[0022]图4为浊度值对应基线平移量的散点图与曲线拟合图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0024]本发明基于紫外-可见光谱处理的水质浊度解算方法，步骤如下，可以参见图1，
[0025]I)先建立水样特征库，水样特征库包含不同水样的样本光谱，每种水样的样本光谱为一组仅浊度值不同的紫外-可见吸收光谱，其中浊度值包括浊度为O和浊度为其它具有梯度性的浊度。
[0026]2)使用光谱仪对检测水样进行紫外-可见光谱采集，并进行预处理去噪；本发明使用DH2000光源及Maya4000光谱仪对水样进行吸收光谱采集。[0027]3)对第2)步预处理后的检测光谱进行特征提取，并与水样特征库中所有样本光谱进行模式匹配，匹配得到与检测光谱最接近的样本光谱。
[0028]然后对检测光谱进行校正，得到校正后的检测光谱曲线，并通过校正后的参数拟合函数关系而求出检测水样的浊度值。本发明采用多元散射校正方法进行校正，具体如下:
[0029]4)选取匹配得到的样本光谱中浊度为O的光谱为标准光谱，将检测光谱及匹配得到的样本光谱中其它浊度的紫外-可见光谱分别与标准光谱进行一元线性回归运算，根据下式可求得检测光谱及其它浊度光谱相对于标准光谱的基线平移量(回归常数)和倾斜偏移量(回归系数)；
[0030]
【权利要求】
1.一种基于紫外-可见光谱处理的水质浊度解算方法，其特征在于:步骤如下， 1)先建立水样特征库，水样特征库包含不同水样的样本光谱，每种水样的样本光谱为一组仅浊度值不同的紫外-可见吸收光谱，其中浊度值包括浊度为O和浊度为其它具有梯度性的浊度； 2)使用光谱仪对检测水样进行紫外-可见光谱采集，并进行预处理去噪； 3)对第2)步预处理后的检测光谱进行特征提取，并与水样特征库中所有样本光谱进行模式匹配，匹配得到与检测光谱最接近的样本光谱； 4)采用多元散射校正方法对检测光谱进行校正，选取匹配得到的样本光谱中浊度为O的光谱为标准光谱，将检测光谱及匹配得到的样本光谱中其它浊度的紫外-可见光谱分别与标准光谱进行一元线性回归运算，根据下式可求得检测光谱及其它浊度光谱相对于标准光谱的基线平移量和倾斜偏移量；
A1 -1ni A+Iyi 其中Ai表示单个光谱矢量表示O浊度光谱，Hii和h分别表示检测光谱及其它浊度光谱分别与O浊度光谱进行一元线性回归后得到的倾斜偏移量和基线平移量； 5)检测光谱减去对应的基线平移量后除以倾斜偏移量，即
2.根据权利要求1所述的基于紫外-可见光谱处理的水质浊度解算方法，其特征在于:光谱仪采集检测水样光谱时，光纤探头位于水样中，光谱仪输出接主机，水样特征库预先存储在主机中，步骤3)-步骤6)均在主机内进行，从而实现实时、在线监测水质浊度，并通过显示器进行显示。
3.根据权利要求1所述的基于紫外-可见光谱处理的水质浊度解算方法，其特征在于:第3)步检测光谱与样本光谱进行模式匹配时，先根据系统提取的水质特征将检测光谱初步归为地表水、生活污水和工业废水中一种，地表水、生活污水和工业废水分别有不同的样本光谱，再在地表水、生活污水和工业废水下进行进一步的模式匹配。
【文档编号】G01N21/31GK103983595SQ201410228062
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】冯鹏, 罗继阳, 汤斌, 魏彪, 米德伶 申请人:重庆大学