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一种水质多参数紫外可见吸收光谱定量化反演方法
| 专利名称： | 一种水质多参数紫外可见吸收光谱定量化反演方法 |
| 摘要： | 一种水质多参数紫外可见吸收光谱定量化反演方法，1.选择320～750nm波段水样原始吸收光谱0A320‑750，利用偏最小二乘PLS法解析获得水体浊度；2.利用320～750nm波段水样原始吸收光谱0A320‑750和Mie散射校正法计算200～320nm波段浊度消光光谱1B200‑320，将该波段原始吸收光谱减去浊度消光光谱，获得浊度补偿后吸收光谱1A200‑320；3.选择260～320nm波段浊度补偿后的吸收光谱1A260‑320，利用偏最小二乘PLS法解析获得COD浓度解析结果；4.利用浓度归一化COD吸收光谱和COD解析结果，计算200～260nm波段COD补偿光谱2B200‑260，将该波段浊度补偿后吸收光谱1A200‑260减去COD补偿光谱2B200‑260，获得浊度和COD补偿后吸收光谱2A200‑260；5.选择200～260nm浊度和COD补偿后的吸收光谱2A200‑260，利用偏最小二乘PLS法解析获得硝酸盐浓度。 |
| 专利类型： | 发明专利 |
| 申请人： | 中国科学院合肥物质科学研究院 |
| 发明人： | 殷高方;马明俊;孟德硕;方丽;刘建国;刘文清;赵南京;陈晓伟;甘婷婷;胡丽;夏蒙;董鸣;祝伟;杨瑞芳 |
| 专利状态： | 有效 |
| 申请日期： | 1900-01-20T21:00:00+0805 |
| 发布日期： | 1900-01-20T15:00:00+0805 |
| 申请号： | CN202010107945.9 |
| 公开号： | CN111157476A |
| 代理机构： | 北京科迪生专利代理有限责任公司 |
| 代理人： | 邓治平 |
| 分类号： | G01N21/33;G01N21/31;G;G01;G01N;G01N21;G01N21/33;G01N21/31 |
| 申请人地址： | 230031 安徽省合肥市蜀山湖路350号 |
| 主权项： | 1.一种水质多参数紫外可见吸收光谱定量化反演方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1：选择320～750nm波段水样原始吸收光谱0A320-750，利用偏最小二乘PLS法解析获得水体浊度； 步骤2：利用320～750nm波段水样原始吸收光谱0A320-750和Mie散射校正法计算200～320nm波段浊度消光光谱1B200-320，将该波段原始吸收光谱减去浊度消光光谱，获得浊度补偿后吸收光谱1A200-320； 步骤3：选择260～320nm波段浊度补偿后的吸收光谱1A260-320，利用偏最小二乘PLS法解析获得COD浓度解析结果； 步骤4：利用浓度归一化COD吸收光谱和COD解析结果，计算200～260nm波段COD补偿光谱2B200-260，将该波段浊度补偿后吸收光谱1A200-260减去COD补偿光谱2B200-260，获得浊度和COD补偿后吸收光谱2A200-260； 步骤5：选择200～260nm浊度和COD补偿后的吸收光谱2A200-260，利用偏最小二乘PLS法解析获得硝酸盐浓度。 2.根据权利要求1所述的一种水质多参数紫外可见吸收光谱定量化反演方法，其特征在于，所述步骤1包括： 将320～750nm原始吸收光谱0A320-750的光谱矩阵和浊度参数浓度矩阵输入到偏最小二乘PLS算法，解析获得水体浊度。 3.根据权利要求1所述的一种水质多参数紫外可见吸收光谱定量化反演方法，其特征在于，所述步骤2包括： 首先通过朗伯-比尔定律和Kramers-Krong关系求取颗粒物的复折射率；再利用颗粒Mie散射模型拟合320-750nm波段原始吸收光谱0A320-750，获得颗粒物平均等效粒径及颗粒物粒子数；利用颗粒物复折射率、平均等效粒径和粒子数代入Mie散射模型计算出200-320nm波段颗粒物的浊度消光光谱1B200-320，将该波段的水样原始吸收光谱减去浊度消光光谱1B200-320，获得浊度补偿后的吸收光谱1A200-320；具体包括如下步骤： 1)颗粒物的复折射率计算 颗粒物的复折射率n由实部n′和虚部n″组成，如(1)式所示： n＝n′-in″ (1) 复折射率的虚部n”通过朗伯-比尔定律求得： A＝ε(λ)cl (2) 式中，A为吸收光谱，ε(λ)为吸收系数，c为水体颗粒物的浊度，l为消光光程，即样品池厚度，λ是波长； 复折射率的实部通过(4)式Kramers–Kronig关系求得： 式中，P为柯西主值函数，这里取值为1，λ为波长；i为波长的序号； 2)颗粒物的等效粒径和颗粒物的粒子数计算 水中颗粒物作球形近似，其散射消光符合(5)式Mie散射模型： 式中，NP为颗粒物的粒子数；D为颗粒物的等效粒径；Qext为消光系数；对于近似球形的颗粒，其消光系数计算公式为： α＝πD/λ (11) 式中，Re指变量实部；am、bm为Mie系数；m为级数需要计算的最大项；α为无因次粒径参数；为半整数阶Bessel函数；为第二类Hankel函数；Bessel函数和Hankel函数中的x为中间变量，对应到(7)、(8)式中的α和nα；Qext+[n(λ),D]表示消光系数，与颗粒物复折射率n(λ)和颗粒物的等效粒径D有关，具体由(6)-(11)式计算； 选择320～750nm波段吸收光谱为分析对象，将Mie散射模型等式(5)左边吸收光谱作归一化处理，采用非线性最小二乘优化算法对320～750nm归一化吸收光谱进行迭代拟合，获得水体颗粒物的等效粒径D和归一化拟合光谱；将得到的归一化拟合光谱与水体原始吸收光谱进行线性回归，求得水体中颗粒物粒子数NP； 3)200～320nm波段吸收光谱的浊度补偿 将计算得到的颗粒物复折射率、等效粒径和粒子数带入Mie散射模型等式(5)中计算出200～320nm波段的颗粒物引起的消光光谱1B200-320；将该波段水样原始吸收光谱减去浊度消光光谱，获得浊度补偿后的吸收光谱1A200-320； 1A200-320＝0A200-320-1B200-320 (12)。 4.根据权利要求1所述的一种水质多参数紫外可见吸收光谱定量化反演方法，其特征在于，所述步骤3包括： 将260～320nm浊度补偿后的吸收光谱的光谱矩阵1A260-320和COD参数浓度矩阵输入到偏最小二乘PLS算法，反演COD浓度。 5.根据权利要求1所述的一种水质多参数紫外可见吸收光谱定量化反演方法，其特征在于，所述步骤4包括： 利用浓度归一化COD吸收光谱与解析的COD浓度计算出COD在200～260nm波段的吸收光谱2B200-260，将该波段浊度补偿后的吸收光谱减去COD吸收光谱，获得浊度和COD补偿后的吸收光谱2A200-260； 2A200-260＝1A200-260-2B200-260 (13)。 6.根据权利要求1所述的一种水质多参数紫外可见吸收光谱定量化反演方法，其特征在于，所述步骤5包括： 将200～260nm浊度与COD补偿后吸收光谱2A200-260的光谱矩阵和硝酸盐浓度参数矩阵输入到偏最小二乘PLS算法，反演硝酸盐浓度。 7.根据权利要求1所述的一种水质多参数紫外可见吸收光谱定量化反演方法，其特征在于，所述的偏最小二乘PLS反演算法包括如下步骤： 1)提取浓度矩阵与吸收光谱矩阵的第一成分 将对应波段范围的光谱矩阵和浓度矩阵做数据标准化处理，即将各矩阵中的每个数据减去每列变量的均值除以每列的标准差，得到标准化后的吸收光谱矩阵A0和水质参数浓度矩阵C0；提取两变量组，即矩阵A0和C0的第一对成分t1和u1；i为矩阵A0的行数，m为矩阵A0的列数；i为矩阵C0的行数；l为矩阵C0的列数； t1和u1之间要求协方差Cov(t1,u1)最大，即求解下面的优化问题： max{Cov(t1,u1)}＝max |
| 所属类别： | 发明专利 |
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