多光谱融合的化学需氧量测试方法及装置与流程

本发明涉及技术水质检测领域，特别涉及一种多光谱融合的化学需氧量测试方法及装置。

背景技术：

单一谱源检测水质参数的方法已得到广泛的应用，主要包括紫外-可见吸收光谱法、近红外吸收法，而采用紫外-可见吸收光谱法检测水中有机物时，水中有机物浓度高时，检测灵敏度高，如果有机物浓度低，则检测误差会比较大；采用近红外吸收法检测时，水中有机物在近红外谱区的吸收强度相对较弱，光谱信噪比低，测量误差大。

因此，需要提出一种弥补上述两种方法缺陷的水质检测方法，实现水质化学需氧量的高精度测量。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提出一种，旨在解决的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种多光谱融合的化学需氧量测试方法，包括以下步骤：

获取标准水样的多个光谱的采集数据；

根据所述采集数据，提取多个所述光谱的特征值，以构建对应的多个光谱模型；

根据多个所述光谱模型，通过信息融合算法计算得到光谱融合模型；

其中，所述光谱融合模型用于在待测水样的测试中输出所述待测水样化学需氧量。

可选地，所述多个光谱包括紫外吸收光谱、红外吸收光谱和荧光发射光谱中的两个或三个。

可选地，所述根据所述多个光谱模型，通过信息融合算法计算得到光谱融合模型的步骤之后，还包括：

分析并计算环境因素对所述光谱融合模型的干扰，以进行补偿校正。

可选地，所述分析并计算环境因素对所述光谱融合模型的干扰，并进行补偿校正的步骤，具体包括：

获取包含所述环境因素的样本水样以及其化学需氧量值，并计算其化学需氧量值与所述光谱融合模型的输出结果的差值，其中，包含所述环境因素的样本水样以及其化学需氧量值通过先期试验获得。

可选地，所述环境因素包括温度、浊度、ph值、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮、盐度和重金属离子浓度中的一个或多个。

可选地，所述根据所述采集数据，提取多个所述光谱的特征值，以构建对应的多个光谱模型的步骤，具体包括：

根据所述采集数据，提取多个所述光谱的特征值；

将多个所述光谱的特征值输入到预设的神经网络，预设的所述神经网络用于输出每一所述光谱对应的所述水样化学需氧量；

其中，预设的所述神经网络是通过带有化学需氧量标记的若干样本水样的光谱采集数据进行训练后获得的。

可选地，所述获取标准水样的多个光谱的采集数据的步骤之后，还包括：

对多个所述光谱的采集数据进行去噪处理，以去除噪声信号的干扰。

可选地，所述对多个所述光谱的采集数据进行去噪处理，以去除噪声信号的干扰的步骤，具体包括：

对多个所述光谱的采集数据进行平滑处理和规范化处理；

对多个所述光谱的采集数据进行校正；

对多个所述光谱的采集数据进行求一阶导和二阶导，以计算得到对应的多个光谱图，每一所述光谱图用于关联光谱的波长和吸光度。

此外，本发明还提出一种多光谱融合的化学需氧量测试装置，包括：

光谱采集装置，所述光谱采集装置包括用于获取标准水样的多个光谱的采集数据；以及，

控制器，所述控制器与所述光谱采集装置电性连接，所述控制器包括存储介质，所述存储介质存储有多光谱融合的化学需氧量测试程序，所述多光谱融合的化学需氧量测试程序执行如权1-8的多光谱融合的化学需氧量测试方法的步骤。

本发明的技术方案中，所述多光谱融合的化学需氧量测试方法和装置将单一谱源对水质化学需氧量的检测融合在一起，可以有效地弥补不同光谱在检测时的缺点，进而对水质进行无污染、低成本、快速地原位检测。通过对标准水样的测试建立光谱融合模型，使该模型对化学需氧量的测试达到与实际结果更匹配的效果，进一步提高了测试的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的多光谱融合的化学需氧量测试方法的一实施例的流程示意图；

图2为本发明提供的多光谱融合的化学需氧量测试方法的另一实施例的流程示意图；

图3为本发明提供的多光谱融合的化学需氧量测试装置的结构示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

单一谱源检测水质参数的方法已得到广泛的应用，主要包括紫外-可见吸收光谱法、近红外吸收法，而采用紫外-可见吸收光谱法检测水中有机物时，水中有机物浓度高时，检测灵敏度高，如果有机物浓度低，则检测误差会比较大；采用近红外吸收法检测时，水中有机物在近红外谱区的吸收强度相对较弱，光谱信噪比低，测量误差大。

基于上述问题，本发明提出了一种多光谱融合的化学需氧量测试方法，请参阅图1-2，为本发明的具体实施例。所述多光谱融合的化学需氧量测试方法包括以下步骤：

s100：获取标准水样的多个光谱的采集数据；

s200：根据所述采集数据，提取多个所述光谱的特征值，以构建对应的多个光谱模型；

本步骤中，每个光谱模型都用于将对应光谱的采集数据和标准水样的水样化学需氧量关联起来。

s300：根据多个所述光谱模型，通过信息融合算法计算得到光谱融合模型；

其中，所述光谱融合模型用于在待测水样的测试中输出所述待测水样化学需氧量。

本实施例的方法中，对标准水样进行了多个光谱的检测，其中，多个光谱可以是常见的紫外光谱或和红外光谱等，然后将单一光谱源对水质化学需氧量的检测融合在一起，可以有效地弥补不同光谱在检测时的缺点，进而对水质进行无污染、低成本、快速地原位检测。本发明的方法中，通过对标准水样的测试建立光谱融合模型，使该模型对化学需氧量的测试达到与实际结果更匹配的效果，进一步提高了测试的精度。

本实施例中，所述多个光谱包括紫外吸收光谱、红外吸收光谱和荧光发射光谱中的两个或三个。本实施例中，多个光谱包括了紫外吸收光谱、红外吸收光谱和荧光发射光谱，其中，红外吸收光谱主要用于测量水样中悬浮物浊度对测量的影响。

进一步地，所述根据所述多个光谱模型，通过信息融合算法计算得到光谱融合模型的步骤之后，还包括：

s400：分析并计算环境因素对所述光谱融合模型的干扰，以进行补偿校正。

在待测水样中，通常存在多种类型的有机溶解物和悬浮物，单一的光谱测试会产生误差，造成测试精度降低，而即使融合形成的光谱融合模型，也存在上述问题。为了提高测试精度，本实施例中对常见的环境因素对检测水质化学需氧量的影响进行分析计算，通过计算得到的影响结果进行补偿校正，以最终达到与待测水样的实际化学需氧量值最佳匹配效果。

进一步地，所述分析并计算环境因素对所述光谱融合模型的干扰，并进行补偿校正的步骤，具体包括：

获取包含所述环境因素的样本水样以及其化学需氧量值，并计算其化学需氧量值与所述光谱融合模型的输出结果的差值，其中，包含所述环境因素的样本水样以及其化学需氧量值通过先期试验获得。

具体的，本实施例中，所述环境因素包括温度、浊度、ph值、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮、盐度和重金属离子浓度中的一个或多个。

进一步地，所述根据所述采集数据，提取多个所述光谱的特征值，以构建对应的多个光谱模型的步骤，具体包括：

根据所述采集数据，提取多个所述光谱的特征值；

将多个所述光谱的特征值输入到预设的神经网络，预设的所述神经网络用于输出每一所述光谱对应的所述水样化学需氧量；

其中，预设的所述神经网络是通过带有化学需氧量标记的若干样本水样的光谱采集数据进行训练后获得的。

具体地，本实施例中，通过神经网络进行建模，可以快速准确地确定光谱的特征值和化学需氧量之间的非线性关系，其非线性逼近和容错能力更强，因此，水质化学需氧量的测试结果更加精确。

进一步地，所述获取标准水样的多个光谱的采集数据的步骤之后，还包括：

对多个所述光谱的采集数据进行去噪处理，以去除噪声信号的干扰。

本实施例中，多个所述光谱的采集数据通常包括了光谱图，而原始的光谱图存在噪声和基线漂移，因此需要有效抑制噪声干扰，减小外界因素的影响，提高光谱图和标准水样的实际化学成分之间的现骨干型。

所述对多个所述光谱的采集数据进行去噪处理，以去除噪声信号的干扰的步骤，具体包括：

对多个所述光谱的采集数据进行平滑处理和规范化处理；

对多个所述光谱的采集数据进行校正；

对多个所述光谱的采集数据进行求一阶导和二阶导，以计算得到对应的多个光谱图，每一所述光谱图用于关联光谱的波长和吸光度。

请参阅图3，本发明还提出一种多光谱融合的化学需氧量测试装置100，所述多光谱融合的化学需氧量测试装置100包括光谱采集装置101以及控制器102，光谱采集装置101包括用于获取标准水样的多个光谱的采集数据，控制器102与光谱采集装置101电性连接，具体地，控制器102与光谱采集装置101均与通信总线103电性连接，控制器102包括存储介质，存储介质存储有多光谱融合的化学需氧量测试程序，多光谱融合的化学需氧量测试程序执行如本发明的多光谱融合的化学需氧量测试方法的步骤。本发明的多光谱融合的化学需氧量测试装置100将单一谱源对水质化学需氧量的检测融合在一起，可以有效地弥补不同光谱在检测时的缺点，进而对水质进行无污染、低成本、快速地原位检测。过对标准水样的测试建立光谱融合模型，使该模型对化学需氧量的测试达到与实际结果更匹配的效果，进一步提高了测试的精度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。