基于连续光谱分析的在线水质检测信号处理研究

第３４卷，第１２期　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析２０１４年１２月　　　　　　　　　　　　SpectroscopyandSpectralAnalysisVol.３４，No.１２，pp３３６８-３３７３

December，２０１４　

基于连续光谱分析的在线水质检测信号处理研究

魏康林１，２，陈　明１*，温志渝２，谢银珂２

１．三峡大学计算机与信息学院电子与通信工程系，湖北宜昌　４４３００２　　２．重庆大学新型微纳器件与系统技术国家重点学科实验室，重庆　４０００４４

摘　要　在线光谱水质检测仪器是现代水资源环境监测技术的重要发展方向之一，具有多参数监测和准确度高、重复性好的技术优势，然在线被测水样的光谱信号处理是其关键核心技术，为此，基于连续光谱分析，建立了在线被测水样光谱测量信号的数学模型，提出了基于双波长光强比值不变性的光谱测量信号系统误差处理方法，并结合小波多分辨率滤波噪声处理技术，系统研究了基于在线被测水质参数光谱特征的背景干扰处理方法。以上信号处理方法应用于自主研制的多参数光谱水质监测仪器，在线检测标准环境水样及实际环境水样中的化学需氧量、六价铬和阴离子表面活性剂等水质参数，并与国家标准分析方法展开了现场对比测试，仪器的关键参数重复性（相对标准偏差RSD≤１０％）与准确度（实际水样比对试验相对误差A≤１０％）均达到并优于国家环境保护技术标准要求，表明该信号处理方法能够有效消除在线水质检测光谱测量信号的系统误差及噪声与背景干扰，对于提升光谱水质监测仪器的技术性能具有重要的作用。关键词　水质检测；光谱分析；信号处理；测试

中图分类号：X８３２　　文献标识码：A　　　DOI：１０.３９６４／j.issn.１０００-０５９３（２０１４）１２-３３６８-０６

图１所示，由此可见，被测水质参数的光谱信号具有确定性，即经物理预处理后的在线水样进入在线分析系统后，经在线样品化学预处理，再与确定的显色试剂反应，即用化学处理的方法有针对性地把被测物质（即被测“水质参数”）转变为可以确定的吸光化合物，依据该吸光化合物的特征吸收光谱，即可检测水样中该被测物质的含量［６］。如水样中总磷被消解成正磷酸盐后，与钼酸铵反应生成磷钼杂多酸，加入抗坏血酸使其被还原，生成蓝色络合物（特征吸收峰为７００nm），因此用光谱分析法在７００nm处即可检测水样中总磷的含量。

６］

　　光谱水质检测采用标准曲线法［５，，因此，吸光度的准确测量是光谱水质检测技术的关键，依据以上分析，用吸光度表示的光谱信号数学模型为［６］

A′（λ）＝［A（λ）＋ΔA］＋Ar（λ）＋Ae（λ）（１）

式中，A′（λ）是被测吸光物质在最大特征吸收波长处的吸光度信号；A（λ）则是被测吸光物质的真实吸光度信号；ΔA主要是由仪器光学检测系统引起的系统误差；Ar（λ）主要是由水浊度引起的背景光谱干扰信号［８］，属于确定性信号；Ae（λ）主要是由仪器电路、环境干扰引起的噪声，属于不确定信号。

引　言

　　近年，连续光谱分析技术的在水质监测仪器科技领域的应用日益发展［１-４］，基于连续光谱分析的原理，不但可以检测多项水质参数（即水样中的被测物质），而且，由于连续光谱承载了被测物质的重要信息，能够在宽光谱范围内展开信号处理，以有效消除检测仪器系统的误差、减小背景光谱干扰（如浊度）和噪声干扰［５，６］，从而极大提高在线水质检测的精确度。可见，基于连续光谱分析的在线水质检测光谱信号处理技术是提高仪器测量精度的关键，为此，系统研究了在线水质检测光谱信号处理的原理与方法，并应用于自主研制的多参数光谱水质监测仪器，有效消除了在线水质检测光谱测量信号的系统误差，极大降低了水浊度背景光谱干扰，使仪器的重复性（相对标准偏差RSD≤１０％）与准确度（实际水样比对试验相对误差A≤１０％）达到了国家环境保护技术标准要求［７］，满足在线水质检测的实际需要。

１　在线水质检测光谱信号数学模型

　　基于样品化学预处理和光谱分析的在线水质检测系统如　收稿日期：２０１３-０７-０９，修订日期：２０１３-１２-０５

　基金项目：新型微纳器件与系统国家重点学科实验室访问学者基金项目（２０１３MS０１）资助

　作者简介：魏康林，１９７５年生，三峡大学计算机与信息学院电子与通信工程系副教授　　e-mail：zeyuanwei＠１６３.com

*通讯联系人　　e-mail：chenming１３１＠１６３.com

２　在线水质检测光谱信号处理方法

　　依据在线水质检测光谱信号的数学模型，光谱信号处理可以有针对性地从系统误差、噪声干扰以及浊度背景干扰三个方面有序展开，流程如图２所示［６］。2.1　系统误差处理

实验研究发现，在水质检测仪器光源卤钨灯波动达到动态稳定时，在其连续宽光谱范围内，任意双波长处光强的比值具有很强的稳定性，是一个平稳随机过程［６］，图３是卤钨灯光谱在５３６和６２４nm处光强的比值I５３６／I６２４随时间的变化，在近十个小时内比值仅在０.９１７６～０.９２１３之间波动，稳定度为０.４％，

在工程上可视为常数。

Fig.1

　Thewaterqualitymonitoringprocessforactualwatersample

Fig.2

　Thespectrumsignalprocessprocedureforonlinewaterqualitymonitoring

以动态消除由光学检测系统引起的光谱测量信号的系统误差［６］。

2.2　噪声处理

基于样品化学预处理的在线水质检测光谱信号包含许多尖峰和突变部分，对这种噪声信号处理，宜利用小波变换的局部化自动聚焦的功能，有效地区分信号的突变噪声，从而

９］

实现光谱信号的去噪处理［８，，以水质六价铬在线检测光谱信号的小波多分辨率滤波处理说明如下。

以dmey小波为分析小波，对经过系统误差处理后的水质六价铬样品反应体系光谱测量信号（图４）作５次小波分解，结果如图４所示。S为原始信号，低频信号a５已经消除了大部分噪声干扰。d１～d５是分别是５次分解产生的高频细

节噪声信号。

Fig.3　Theratioofthelightintensitiesatanytwodifferent

wavelengthsintherangeofcontinuousspectrum

　　光谱检测双波长光强比值不变性具有重要的应用价值，基于这一实验发现，可以动态消除由仪器光学检测系统引起的光谱测量信号系统误差。

对基于在线化学预处理的水质检测样品反应体系而言，其吸收光谱总存在一个最小吸收点，以该点为光谱曲线的校正参考波长，计为λR，校正光谱曲线的数学描述为

Ac（λ）＝A（λ）－A（λR）

（２）

　　曲线Ac（λ）－λ称为校正光谱曲线，结合数据采集和信号处理方法，依据各波长处采集的光强信号I（λ），对式（２）变换处理如下

Ac（λ）＝lg

（３）－lg＝lg－lg

R０式中，I０（λR）和I０（λ）是样品反应检测室内参比体系（蒸馏水）的透射信号光强，I（λR）和I（λR）是样品反应检测室内样品化学预处理反应体系（包括空白反应体系）的透射光强［６］。

（３）式虽然从表象上看仅仅是一个数学变换，但却具有重要的物理意义，它把校正光谱曲线描述为关于在同一时刻不同双波长处光强比值的光谱变换信号。依据连续光谱范围内双波长光强比值的不变性，可知：校正光谱曲线不会随光源扰动以及各波长处光强探测信号的漂移而改变，因此，可

Fig.4　Thespectralsignalofhex …… 此处隐藏：2776字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……