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原文传递压缩光谱检测的双光路消解装置及信号采集融合方法

专利名称：	压缩光谱检测的双光路消解装置及信号采集融合方法
摘要：	压缩光谱检测的双光路消解装置及信号采集融合方法，采用双光路结构，穿过同一个消解杯，这样保证消解过程一样，同一时刻试剂的吸光度也一样，输出消解杯的双光路光信号相同，双光路再通过不同的滤光片后利用硅光电池采集光信号，实现对压缩光信号的采集，这样可以得到两组不同的观测值g，从而利用它们之间的关系并加入信号融合的算法，大大减小了重构原始信号的误差，提高检测和重构时的精度。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖南;43
申请人：	中南大学
发明人：	李勇刚;李明睿;耿静轩;韩洁;周灿
专利状态：	有效
申请日期：	2023-08-03T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-03T00:00:00+0800
申请号：	CN202310971145.5
公开号：	CN116990247A
代理机构：	长沙市融智专利事务所(普通合伙)
代理人：	熊靖宇
分类号：	G01N21/31;G01N1/44;G;G01;G01N;G01N21;G01N1;G01N21/31;G01N1/44
申请人地址：	410083 湖南省长沙市岳麓区麓山南路932号
主权项：	1.一种压缩光谱检测的双光路消解装置，其特征在于：包括封闭箱体和安装在封闭箱体内的消解杯，所述封闭箱体相对的两侧上分别固定有光输入挡板和光输出挡板，所述光输入挡板上安装有两个光输入准直镜，所述光输出挡板上设置有与两个光输入准直镜对应的光输出通孔，两个光输入准直镜出光口发出的光线相互平行，且两组光线穿过封闭箱体内的消解杯后通过对应的光输出通孔射出封闭箱体，所述光输出挡板的外侧、在光输出通孔所在位置滑动连接有滑动感光板，所述滑动感光板上、沿滑动方向分别设有一组感光板通孔组和一组光输出准直镜组，感光板通孔组包括两个与光输出通孔对应的感光板通孔，两个感光板通孔内分别安装有一块颜色不同的滤光片，所述滑动感光板的外侧、在感光板通孔上安装有硅光电池，光输出准直镜组包括两个与光输出通孔对应的光输出准直镜，通过滑动感光板的滑动，实现硅光电池与光输出通孔连通或光输出准直镜与光输出通孔连通之间的切换。 2.根据权利要求1所述的压缩光谱检测的双光路消解装置，其特征在于：所述滑动感光板内、在内外两侧之间还开设有与感光板通孔连通的滤光片插槽，所述滤光片插槽的开口设置在滑动感光板的一侧，所述滤光片插槽内插装有滤光片固定座，所述滤光片固定座上固定有滤光片，所述滤光片固定座插装在滤光片插槽后，滤光片设置在感光板通孔进、出口之间，光线通过滤光片后从感光板通孔穿出。 3.根据权利要求1所述的压缩光谱检测的双光路消解装置，其特征在于：所述光输入挡板上设置有两个与封闭箱体内腔连通的光输入螺纹孔，所述光输入准直镜螺纹安装在光输入螺纹孔内，所述滑动感光板上设有两个感光板螺纹孔，所述光输出准直镜螺纹安装在感光板螺纹孔内。 4.根据权利要求1所述的压缩光谱检测的双光路消解装置，其特征在于：所述光输出挡板上、在两个光输出通孔所在区域的上下两侧分别安装有两排滑轮，所述滑动感光板的上下两侧分别设置有与滑轮相匹配滑槽，滑动感光板通过滑槽安装在两排滑轮之间。 5.根据权利要求1至4任意一项所述的压缩光谱检测的双光路消解装置，其特征在于：所述消解杯的顶部和底部分别设有与消解杯连通的空气管和试剂管，所述消解杯的空气管通过上部电磁阀与外界的空气管连通，所述消解杯的试剂管通过下部电磁阀与外界试剂管连通，所述消解杯外设置有加热元件，消解杯的外壁上安装监测消解杯内溶液温度的测温元件，所述上部电磁阀、下部电磁阀、加热元件和测温元件分别与控制系统连接。 6.根据权利要求5所述的压缩光谱检测的双光路消解装置，其特征在于：所述封闭箱体包括上部固定座、下部固定座、前挡板、后挡板、光输入挡板和光输出挡板，所述上部固定座和下部固定座分别作为封闭箱体的顶板和底板，所述前挡板、后挡板、光输入挡板和光输出挡板作为封闭箱体的侧板，所述上部固定座和下部固定座之间固定有相互平行布设的光输入挡板和光输出挡板，所述前挡板和后挡板分别可拆卸安装在封闭箱体的前、后两侧，所述上部固定座内安装有上部电磁阀，所述下部固定座内安装有下部电磁阀，所述消解杯的空气管外壁通过上部密封圈与上部电磁阀密封连接，所述消解杯的试剂管外壁通过下部密封圈与下部电磁阀密封连接。 7.根据权利要求5所述的压缩光谱检测的双光路消解装置，其特征在于：消解杯为耐高温、透明的玻璃材质。 8.一种压缩光谱检测的双光路消解信号采集融合方法，采用权利要求5至7所述的装置，其特征在于：具体包括如下步骤： a、开启上部电磁阀和下部电磁阀，将反应试剂通过试剂管加入消解杯，然后将上部电磁阀和下部电磁阀关闭； b、控制加热元件对消解杯内反应试剂加热，通过测温元件监控，保证反应试剂在反应需要的温度范围内； c、开启两个光输入准直镜，光输入准直镜射出的两束光经过消解杯中试剂吸收后从光输出通孔射出，然后调整滑动感光板的位置，首先切换到原始光信号采集模式，使得光输出准直镜与光输出通孔连通，得到原始信号f；再切换成到压缩光信号采集模式，使得硅光电池与光输出通孔连通，得到压缩过后的观测值g1和g2； d、通过信号融合方法计算出融合系数矩阵α和β，得到经过修正的融合稀疏系数θ'm；再用稀疏基Ψ相乘现在的融合稀疏系数θ'm，重构出原始信号f'。 9.根据权利要求8所述的压缩光谱检测的双光路消解信号采集融合方法，其特征在于：步骤d中信号融合方法具体包括：通过硅光电池得到两组电压信号，分别记为g1和g2，根据数学模型 g＝Φf＝ΦΨθ＝Aθ (1) 其中，g:观测值、f：原始信号、Φ：观测矩阵、Ψ:稀疏基、θ：稀疏系数、A:感知矩阵；式(1)中，观测值g是硅光电池将全光谱信号转换后的电动势，也就是电压值；原始信号f是全光谱信号，就是待测水样的吸收光谱；观测矩阵Φ是将全光谱信号编码的编码矩阵，这里的编码指的是通过滤光片过滤掉全光谱的一部分光，实现了编码矩阵；稀疏基Ψ是将全光谱信号经过KSVD算法计算得出；稀疏系数θ是稀疏矩阵，在稀疏基Ψ得到后，通过OMP算法计算出；两束经过滤光片的光线被硅光电池接收，得到两组电压信号，两组电压信号对应的观测矩阵为Φ1和Φ2，压缩过后的观测值g1和g2如下： g1＝Φ1f (2) g2＝Φ2f (3) 由于原始光谱信号的稀疏性，原始信号f可以通过KSVD算法分解成稀疏基Ψ和稀疏系数θ，由式(1)： f＝Ψθ (4) 将式(4)其代入式(2)和式(3)的得出： g1＝Φ1Ψθ1 (5) g2＝Φ2Ψθ2 (6) 再利用g1和g2进行信号重构，用OMP算法求解分别得到稀疏系数θ1和θ2，又由式(4)可知，原始信号f不变，稀疏基Ψ相同，得出： θ1＝θ2 (7) 但由于传感器本身或外界环境干扰等原因，式(7)并不成立，所以需对两个值进行修正与融合，设融合稀疏系数为θm，表示为： θm＝αθ1+βθ2 (8) 其中α和β为融合系数矩阵，θm为融合稀疏系数，由于压缩感知检测的预备阶段中，用原始信号f去训练出稀疏基Ψ，计算出了实际的稀疏系数θ，通过不断优化α和β，使融合稀疏系数θm尽可能的接近θ，故优化目标函数为：采用交替优化法优化式(9)，得到优化后的融合系数矩阵α'和β'，代入式(8)可得最终的融合稀疏系数θ'm: θ'm＝α'θ1+β'θ2 (23) 最后用稀疏基Ψ相乘现在的融合稀疏系数θ'm，即可重构出原始信号f'。 10.根据权利要求9所述的压缩光谱检测的双光路消解信号采集融合方法，其特征在于：具体交替优化法如下： ①首先固定β，求F(α,β)对α的梯度：由于有: 所以令： S＝αθ1+βθ2-θ (12) 根据式(11)得：继续求解：最终结合式(13)和式(14)得：迭代公式：其中i为迭代次数，λ1为迭代步长。 ②再固定α，求此时F(α,β)对β的梯度：令： S＝αθ1+βθ2-θ (18) 根据式(11)得：继续求解：最终结合式(19)和式(20)得：迭代公式：其中j为迭代次数，λ2为迭代步长。依次进行上述①②的优化步骤，直至小于设定阈值时停止优化。
所属类别：	发明专利