一种光谱法海水硝酸盐浓度检测方法技术

本发明专利技术公开一种光谱法海水硝酸盐浓度检测方法，包括以下步骤：1)利用紫外分光光度法测得海水光谱，计算吸光度获得海水的紫外吸收光谱；2)对海水紫外吸收光谱进行平滑预处理；3)依次对吸收光谱进行海水氯离子、溴离子以及浊度干扰扣除；4)利用平滑预处理及干扰扣除后的吸收光谱，建立偏最小二乘模型，并优化建模波段的选取，获得海水硝酸盐浓度偏最小二乘法最终计。本发明专利技术包含的海水吸收光谱预处理方法能够有效地降低光谱法测量海水硝酸盐浓度时由随机噪声引起的误差，并且降低由海水中其他对紫外波段具有吸收的物质引起的干扰，提升硝酸盐浓度预测精度。

A spectral method for the determination of nitrate concentration in sea water

【技术实现步骤摘要】
一种光谱法海水硝酸盐浓度检测方法
本专利技术涉及一种海水水质参数检测技术，具体为一种光谱法海水硝酸盐浓度检测方法。
技术介绍
硝酸盐是一种重要的营养盐，也是海洋污染监测的重要指标之一，海水中的硝酸盐含量过高会导致水体富营养化，藻类大量繁殖，产生有害毒素并致使水体缺氧，鱼虾死亡，严重时引发赤潮。基于化学方法的硝酸盐浓度测量操作复杂且有二次污染的问题，而基于光谱法进行硝酸盐浓度测量时间短，且无化学污染，在长期监测中具有独特的优势。传统的基于紫外吸收光谱进行硝酸盐浓度的测量，通常不能较好地处理海水中其他干扰物质的影响。与此同时，在浓度反演模型的建立过程中，往往采用几个波段进行建模，硝酸盐浓度的预测精度不高，而基于偏最小二乘法建立的模型，使用连续波段进行建模，提高了计算的精度，但是建模波段如何选取严重制约着该方法的精度和性能。
技术实现思路
针对现有技术中海水硝酸盐浓度检测过程中干扰物影响大，模型精度差、性能低等不足，本专利技术要解决的问题是提供一种能够扣除干扰物影响，可降低模型的复杂度以及计算量、同时提升模型的预测精度的光谱法海水硝酸盐浓度检测方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：本专利技术一种光谱法海水硝酸盐浓度检测方法，包括以下步骤：1)利用紫外分光光度法测得海水光谱，计算吸光度获得海水的紫外吸收光谱；2)对海水紫外吸收光谱进行平滑预处理；3)依次对吸收光谱进行海水氯离子、溴离子以及浊度干扰扣除；4)利用平滑预处理及干扰扣除后的吸收光谱，建立偏最小二乘模型，并优化建模波段的选取，获得海水硝酸盐浓度偏最小二乘法最终计算模型，再利用最终计算模型进行海水硝酸盐浓度的计算。步骤2)中对海水吸收光谱进行平滑预处理，包括对计算得到的吸收光谱进行SG卷积平滑预处理，采用宽度为5的滤波窗口，采用二次多项式对滤波窗口内的数据进行拟合。步骤3)中依次对吸收光谱进行海水氯离子、溴离子以及浊度干扰扣除，包括对自然海水的模拟以及对阴离子吸收光谱进行分析，利用海水的紫外吸收光谱减去标准氯离子、溴离子的吸光度曲线，去除海水中硝酸盐浓度测量过程中主要干扰离子的影响。步骤3)还包括：利用浊度标准溶液，建立浊度反演模型以及浊度吸收光谱拟合模型，根据浊度反演模型对去除离子干扰后的吸收光谱进行浊度反演，并将浊度反演值代入浊度吸收光谱拟合模型，获得硝酸盐浓度测量波段的浊度拟合吸收光谱，利用去除离子干扰后的吸收光谱减去拟合浊度吸收光谱，去除海水硝酸盐浓度测量过程中浊度的影响。步骤4)中建立偏最小二乘模型为：迭代进行对各个波段的吸光度值进行主成分提取、建立主成分与吸光度和硝酸盐浓度之间的关系，直至提取的主成分数目达到要求，推导硝酸盐浓度与吸光度值之间的回归表达式：C＝AErT+C*；式中，C为浓度，A为吸光度值，E为得分矩阵，r为载荷矩阵，C*为残差矩阵。步骤4)中还包括：利用间隔偏最小二乘法初步优化波段的选取，利用穷举法进一步优化波段的选取，完成最终模型的建立。本专利技术具有以下有益效果及优点：1.本专利技术包含的海水吸收光谱预处理方法能够有效地降低光谱法测量海水硝酸盐浓度时由随机噪声引起的误差，并且降低由海水中其他对紫外波段具有吸收的物质引起的干扰，提升硝酸盐浓度预测精度。2.通过本专利技术中的建模波段优化方法，可以降低模型所需波段数目，降低模型的复杂度以及计算量，同时提升模型的预测精度。附图说明图1为本专利技术方法的总体流程图；图2为本专利技术方法中海水硝酸盐浓度检测干扰物影响扣除方法流程图；图3为本专利技术方法中海水硝酸盐浓度偏最小二乘模型的建立流程图；图4为实施例1中的干扰物影响扣除示意图；图5为实施例1中模型的硝酸盐浓度计算模型测试结果图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术作进一步阐述。如图1所示，本专利技术一种光谱法海水硝酸盐浓度检测方法，包括以下步骤：1)利用紫外分光光度法测得海水光谱，计算吸光度获得海水的紫外吸收光谱；2)对海水吸收光谱进行平滑预处理；3)依次对吸收光谱进行海水氯离子、溴离子以及浊度干扰扣除；4)利用平滑预处理及干扰扣除后的吸收光谱，建立偏最小二乘模型，并优化建模波段的选取，获得海水硝酸盐浓度偏最小二乘法最终计算模型，再利用最终计算模型进行海水硝酸盐浓度的计算。步骤1)利用紫外分光光度计测得海水的吸收光谱，计算海水的紫外吸收光谱，采用朗伯比尔定律计算溶液的吸光度曲线：其中，A为波长λ处溶液的吸光度值，I为波长λ处溶液的测得光强，R为波长λ处纯水的光强，d为波长λ处暗光谱光强。步骤2)中对海水吸收光谱进行平滑预处理，包括对计算得到的吸收光谱进行SG卷积平滑预处理，采用宽度为5的滤波窗口，采用二次多项式对滤波窗口内的数据进行拟合。对海水吸收光谱进行预处理，去除随机噪声、平滑曲线，使用滤波算子为对于连续等间隔的5个吸光度值An-2,An-1,An,An+1,An+2，有An的平滑计算值步骤3)中依次对吸收光谱进行海水氯离子、溴离子以及浊度干扰扣除，包括对自然海水的模拟以及对主要阴离子(氯离子、溴离子)吸收光谱进行分析，根据海水中氯离子、溴离子的紫外吸光强度在其浓度变化范围之内的变化相对较小的特点，利用海水的紫外吸收光谱减去与标准海水中氯离子、溴离子浓度相同的标准氯离子、溴离子溶液的紫外吸收光谱，去除海水中硝酸盐浓度测量过程中主要干扰离子的影响。如图2所示，为本专利技术方法中海水硝酸盐浓度检测干扰物影响扣除方法流程图。依据吸光度的加和性，A1＝A-ACl+Br。式中A1为经离子干扰扣除后的吸收光谱，A为经平滑后的吸收光谱，ACl+Br为氯、溴吸收光谱。本步骤还包括：利用浊度标准溶液，建立浊度反演模型以及浊度吸收光谱拟合模型，根据浊度反演模型对去除离子干扰后的吸收光谱进行浊度反演，并将浊度反演值代入浊度吸收光谱拟合模型，获得硝酸盐浓度测量波段的浊度拟合吸收光谱，利用去除离子干扰后的吸收光谱减去拟合浊度吸收光谱，去除海水硝酸盐浓度测量过程中浊度的影响。包括对标准浊度溶液进行偏最小二乘法建模得到浊度反演模型以进行回归分析建立浊度拟合光谱拟合模型。同步骤(3)，依据吸光度的加和性，A2＝A1-Antu。式中A2为经离子及浊度干扰扣除后的吸收光谱，A1为经离子干扰扣除后的吸收光谱，Antu为氯、溴吸收光谱。步骤4)中建立偏最小二乘模型为：迭代进行对各个波段的吸光度值进行主成分提取、建立主成分与吸光度和硝酸盐浓度之间的关系，直至提取的主成分数目达到要求，推导硝酸盐浓度与吸光度值之间的回归表达式：C＝AErT+C*；式中，C为浓度，A为吸光度值，E为得分矩阵，r为载荷矩阵，C*为残差矩阵。本步骤利用预处理后的吸收光谱，通过迭代进行主成分提取以及回归分析，建立偏最小二乘模型，建模流程如图3所示。包括迭代进行对各个波段的吸光度值进行主成分提取本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光谱法海水硝酸盐浓度检测方法，其特征在于包括以下步骤：/n1)利用紫外分光光度法测得海水光谱，计算吸光度获得海水的紫外吸收光谱；/n2)对海水紫外吸收光谱进行平滑预处理；/n3)依次对吸收光谱进行海水氯离子、溴离子以及浊度干扰扣除；/n4)利用平滑预处理及干扰扣除后的吸收光谱，建立偏最小二乘模型，并优化建模波段的选取，获得海水硝酸盐浓度偏最小二乘法最终计算模型，再利用最终计算模型进行海水硝酸盐浓度的计算。/n

【技术特征摘要】
1.一种光谱法海水硝酸盐浓度检测方法，其特征在于包括以下步骤：
1)利用紫外分光光度法测得海水光谱，计算吸光度获得海水的紫外吸收光谱；
2)对海水紫外吸收光谱进行平滑预处理；
3)依次对吸收光谱进行海水氯离子、溴离子以及浊度干扰扣除；
4)利用平滑预处理及干扰扣除后的吸收光谱，建立偏最小二乘模型，并优化建模波段的选取，获得海水硝酸盐浓度偏最小二乘法最终计算模型，再利用最终计算模型进行海水硝酸盐浓度的计算。


2.根据权利要求1所述的光谱法海水硝酸盐浓度检测方法，其特征在于：步骤2)中对海水吸收光谱进行平滑预处理，包括对计算得到的吸收光谱进行SG卷积平滑预处理，采用宽度为5的滤波窗口，采用二次多项式对滤波窗口内的数据进行拟合。


3.根据权利要求1所述的光谱法海水硝酸盐浓度检测方法，其特征在于：步骤3)中依次对吸收光谱进行海水氯离子、溴离子以及浊度干扰扣除，包括对自然海水的模拟以及对阴离子吸收光谱进行分析，利用海水的紫外吸收光谱减去标准氯离子、溴离子的吸光度曲线，去除海水中硝酸盐浓度测量过程中主要干扰离...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯巍巍，侯耀斌，
申请(专利权)人：中国科学院烟台海岸带研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37