1 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
2 重庆市光纤传感与光电检测重点实验室, 重庆 400054
3 成都理工大学计算机与网络安全学院, 四川 成都 610059
紫外-可见吸收光谱法测量水质化学需氧量(COD), 本质是对大量水质光谱数据建模, 以此模型为基础引入待测的水质光谱数据进行预测的过程。 而实测的邻苯二甲酸氢钾COD标准溶液在200～300 nm存在两个特征吸收峰, 标准溶液在不同浓度下的峰值也不同, 利用此特性对该波段进行特征波长的选择, 用其表征光谱信息, 降低数据冗余度的同时提高了预测精度。 针对实测水质光谱信号容易受到仪器本身和外界干扰, 光谱数据存在大量非平稳噪声, 且特征吸收峰及其临近信号频率较高, 常规去噪算法直接舍弃高频信号以及无法准确判断信噪分量界限, 导致有效信号缺失这一实际问题。 提出了一种基于完全自适应噪声集合经验模态分解(CEEMDAN)和双树复小波变换(DT-CWT)的联合去噪算法。 该联合算法利用CEEMDAN将信号分解为本征模态函数(IMF), 并通过归一化自相关函数和互相关系数进行线性相关性分析, 得到各阶IMF分量之间的自相关性以及IMF分量与原始信号的互相关系数, 以确定高频含噪分量与低频信号分量的界限; 进而应用DT-CWT阈值去噪算法对含噪高频IMF分量进行处理, 将DT-CWT处理之后的IMF高频分量与CEEMDAN分解得到的IMF低频分量进行信号重构, 获得最终去噪后的水质光谱信号。 实验结果表明: 基于CEEMDAN联合双树复小波变换的去噪算法适用于紫外-可见光谱水质检测的数据处理。 对于化学需氧量COD标液为100 mg·L-1的邻苯二甲酸氢钾溶液, 将实测的紫外-可见光谱数据应用该算法去噪后的SNR=24.201 5 dB, RMSE=0.024 0, NCC=0.999 4, PSNR=37.573 6, 不仅去噪效果显著优于CEEMDAN和双树复小波阈值算法, 还有效地保留了原始COD标液的吸收特征峰, 遏制了平移敏感性现象, 提高了重构信号的平滑度, 改善了重构信号质量。 为紫外-可见光谱法检测水质COD提供了一种新的数据预处理方法。
水质检测 紫外-可见光谱 完全自适应噪声集合经验模态分解(CEEMDAN) 双树复小波变换 相关分析 Water quality measurement UV-Vis spectrum CEEMDAN DT-CWT Correlation analysis
模型传递对于解决由于样本与各仪器响应函数不同所导致的量测信号不一致具有重要意义, 而解决模型传递的有效方法是仪器或数据标准化。 针对现有的光谱标准化方法中, 鲜有对紫外-可见吸收光谱的应用研究, 且紫外-可见光谱法水质多参数检测光谱探测单元存在分辨率、 精度、 响应范围不统一, 难以进行不同仪器间测试数据的比对及多参数数据拟合的问题, 提出采用EWMA-PCA归一化算法, 实现紫外-可见水质光谱在不同仪器上的模型传递。 EWMA(exponentially weighted moving-average)是一种指数加权平均移动算法, 用以寻找以较高概率产生观察紫外-可见水质光谱数据的系统发生树, 最大概率复原理论紫外-可见水质光谱数据, 使紫外-可见光谱特征不丢失、 不偏移, 减小由于数据处理对紫外-可见水质光谱数据的影响。 采用不同浓度的邻苯二甲酸氢钾溶液, 对日本滨松C10082CAH光谱仪、 美国海洋光学Maya2000Pro光谱仪以及厦门奥谱天成ATP2000光谱仪进行对比测试实验。 对比组1选取源机滨松C10082CAH光谱仪和目标机海洋Maya2000Pro光谱仪, 对比组2选取源机滨松C10082CAH光谱仪和目标机奥谱天成ATP2000光谱仪, 对比组3选取源机海洋Maya2000Pro光谱仪和目标机奥谱天成ATP2000光谱仪。 三组比对实验结果表明, 该算法能很好地应用于不同的比对光谱仪中, 在采用EWMA-PCA归一化算法对水质吸收光谱数据标准化后, 相关系数达到99.576 5%, 方差达到0.082 3%, 且波峰偏移量可降低至0.000 5%, 基于EWMA-PCA归一化光谱标准化算法具适应性广、 所需传递样本少、 传递精度高等优点, 研究结果对光谱法水质检测仪器的广泛应用具有重要理论指导意义和工程应用参考价值。
紫外-可见水质光谱 指数加权平均移动-主成分分析 标准化 归一化 模型传递 Ultraviolet water spectroscopy EWMA-PCA Standardization Normalization Model transfer 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3443
