基于多光谱信息融合的水质COD检测模型与实验研究

发布时间：2020-11-19 05:32

　　 水是人类生命的源泉,人类的生产生活均离不开水。而近年来,由于我国经济的高速发展和城市化进程的加快,水环境污染问题也日趋严重,各种水质安全事故或水体污染事件频发,严重危害了人们的身体健康和社会的和谐安定。因此对水质准确且快速的监测变得尤为重要且意义重大。本文在对目前水质化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)检测的各种方法进行了大量调研的基础上,为解决传统的水质检测过程复杂、设备维护量大且会造成二次污染等问题,以水质化学需氧量这一综合指标为研究对象,结合信息融合理论,研究基于多光谱融合的检测水质化学需氧量的新方法。论文的主要研究内容有:(1)研究了光谱法检测水质COD的测量原理及国内外研究现状。详细介绍了紫外光谱和三维荧光光谱的基本原理;分析了水体水质化学需氧量的紫外吸收光谱、三维荧光光谱特性和化学计量学等方法的特点,提出了本文的研究思路和模型建立的方法,并给出定量分析理论模型。(2)研究了基于光谱法检测水质COD相关的化学计量学算法理论及模型建立方法。以标准液浓度和包括海水与地表水在内的实际水样的COD为研究对象,利用紫外吸收光谱和三维荧光光谱数据,研究了基于紫外吸收光谱法、三维荧光光谱法、紫外/荧光多光谱融合及荧光多光谱融合的水质COD的检测方法;研究基于不同的特征提取算法(SiPLS、MWPLS、ACO-iPLS)和不同的化学计量学方法(PLS、PSO-LSSVM)的建模算法;将不同的建模方法得到最优检测模型的预测效果进行对比,确立本文的最佳建模方法。本文的最优检测模型为ACO-iPLS特征光谱提取方法和PSO-LSSVM算法相结合的基于荧光多光谱特征级融合模型。(3)研究了光谱法检测水质COD时水中各参量对COD检测值的影响规律。以标准液和实际水样为研究对象,分别研究温度、浊度、pH、亚硝酸盐氮(NO_2-N)、硝酸盐氮(NO_3-N)及盐度等因素对紫外吸收光谱和三维荧光光谱法检测水质COD的影响规律,并对温度、浊度、pH等以参数对紫外吸光度和荧光强度及荧光峰中心位置的影响机理进行了相关的理论分析,通过实验建立了抑制温度和浊度等影响的补偿模型,且补偿后的预测值与真实值具有较好的一致性;通过理论推导和实验验证等方式研究建立了水质COD和TOC之间的关系。本文结合信息融合理论,对基于紫外光谱和三维荧光光谱检测水质化学需氧量的方法进行了深入的研究和大量的实验,而实验结果的有效性也在实际水样的光谱数据中得到了验证。本文的研究成果为研制基于多源光谱信息融合的光学原位传感器奠定了理论基础,应用前景非常广阔。
【学位单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：X832
【部分图文】：

第 1 章 绪 论关产品的研究现状产品的研究现状生产的用于检测水质 COD 的仪器设备众多，如美 COD 分析仪，采用重铬酸钾法对水质 COD 进行图 1-4 a)所示；日本岛津公司生产的 UVM-4020 紫用加权五波长紫外吸收，最小测定时间为 1 分钟 检测仪，实现环保、快速的过程在线分析，如图备体积庞大，不适用于水质 COD 的原位监测。

不适用于水质 COD 的原位监测。CODmax II COD 分析仪 b)UVM-4020 COD 在线图 1-4 国外 COD 分析仪器Fig.1-4 COD analytical instruments produced abroad出基于宽光谱法的水质多参数测量仪，可同时司生产的 OPUS 水质光学传感器，如图 1-5 所光谱对水体的 COD、TOC、BOD 等重要指标达 0-2200mg/L。具有操作方便快速、无二次在线监测等优点，但也存在价格昂贵的缺点。

a)KN-COD20 b)SWA-2000图 1-6 国产 COD 检测设备Fig.1-6 COD analytical instruments made in China，单一谱源检测水质参数的方法已得到广泛的应用，但报道较少，且相关报道中的预测误差较大。另外，国内进口产品，且多采用化学方法，存在检测精度不高、检缺点。利用紫外吸收光谱和三维荧光光谱法对水质 COD 进行检紫外/荧光和荧光进行多光谱融合对水质 COD 的检测方方法有效弥补了紫外光谱低浓度检测和荧光光谱高浓度海水或淡水水质 COD 免试剂、无污染、低成本、快速的OD 在线检测技术存在的问题
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本文编号：2889772