一种基于光谱指纹的海水硝酸盐测量方法技术

本发明专利技术提出一种基于光谱指纹的海水硝酸盐测量方法包括以下步骤：步骤一、配制人工海水溶液并构建所述人工海水溶液的光谱指纹S1；步骤二、构建有机物

【技术实现步骤摘要】
一种基于光谱指纹的海水硝酸盐测量方法


[0001]本专利技术涉及光谱法海水水质快速分析的
，具体涉及一种基于光谱指纹的海水硝酸盐测量方法。

技术介绍

[0002]光谱法的海水硝酸盐分析仪的原理是利用微型紫外光源与光谱探测器测量210 nm至240 nm波段的紫外吸收光谱数据，建立光谱硝酸盐浓度测量模型。相对于地表淡水，海水中含有高浓度氯离子、溴离子、有机物等物质，其吸收光谱与硝酸盐光谱在紫外波段发生重叠，增加了海水硝酸盐光谱模型难度。如何在干扰光谱中将硝酸盐光谱有效分离，是解决海水硝酸盐测量的关键问题。
[0003]目前普遍采用的方法是开展大规模正交光谱实验，通过配制氯离子、溴离子、硝酸盐、有机物等多种物质混合溶液获得大量光谱数据，建立诸如神经网络等复杂算法模型，预测样品中硝酸盐含量。但上述方法仍存在以下问题：首先是正交实验的耗时较长；其次是光谱模型迁移问题，复杂的模型算法即不利于快速植入微控制芯片中，庞大的计算量也需要耗费更多的执行时间，不易实现硝酸盐的原位实时快速解析。
[0004]综上，现需要设计一种基于光谱指纹的海水硝酸盐测量方法来解决上述问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出了一种基于光谱指纹的海水硝酸盐测量方法，解决了海水中其它物质对硝酸盐光谱的干扰问题以及计算过程繁冗的问题。
[0006]为达到解决上述技术问题的目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于光谱指纹的海水硝酸盐测量方法，包括以下步骤：步骤一、配制人工海水溶液并构建所述人工海水溶液的光谱指纹S1；步骤二、将有机物和硝酸盐分别加入所述人工海水溶液中用于配制多种浓度的有机物
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人工海水溶液和硝酸盐
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人工海水溶液；并构建有机物
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人工海水溶液的光谱指纹S2和硝酸盐
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人工海水溶液的光谱指纹S3、S4、S5；步骤三、利用步骤一和步骤二中的各个光谱指纹建立光谱重构方程；其中，sd为所述人工海水溶液的为二阶导数光谱；m为所述人工海水溶液的吸收光谱的波长个数；S0为元素值均为1的数列，数列长度与光谱指纹S1的一致；b0‑
b5为拟合参数；步骤四、根据步骤三中的所述光谱重构方程建立硝酸盐浓度C的多元回归方程：；其中k0、k3、k4、k5为标定系数；
步骤五、根据海水水样的吸收光谱计算其二阶导数光谱数列，将所述二阶导数光谱数列代入到所述步骤三中的光谱重构方程中得到拟合参数b3‑
b5，最后将拟合参数b3‑
b5代入到所述步骤四中的多元回归方程中即得所述海水水样的硝酸盐浓度。
[0007]在本专利技术的一些实施例中，所述步骤一具体包括以下步骤：11、配制人工海水溶液；12、根据所述人工海水溶液的吸收光谱计算每个波长处的吸光度，并将所述吸光度记录为数列一：13、计算所述吸光度的二阶导数光谱sd，记录为数列二，所述数列二即为光谱指纹S1：；其中，sd上标为人工海水溶液的样品编号。
[0008]在本专利技术的一些实施例中，所述步骤13具体包括以下步骤：13
‑
1、依据公式计算数列一中各个所述吸光度的一阶导数得到以下数列：；13
‑
2、依据公式计算数列一中各个所述吸光度的二阶导数得到以下数列：。
[0009]在本专利技术的一些实施例中，所述步骤二中光谱指纹S2的构建步骤包括：21、取n份所述人工海水溶液，加入有机物后制备n个不同浓度的有机物
‑
人工海水溶液；22、重复步骤12
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13，得到n个所述有机物
‑
人工海水溶液的二阶导数光谱数列；23、分别计算所述有机物
‑
人工海水溶液与所述人工海水溶液在每个对应波长处的二阶导数光谱差值，得到矩阵。
[0010]24、将所述矩阵进行奇异值分解运算后得到矩阵，提取所述矩阵的第一列作为有机物
‑
人工海水溶液的光谱指纹S2：。
[0011]在本专利技术的一些实施例中，所述步骤二中光谱指纹S3‑
S5的构建步骤包括：25、取n份所述人工海水溶液，加入硝酸盐后制备n个不同浓度的硝酸盐
‑
人工海水溶液；26、重复步骤12
‑
13，得到n个所述硝酸盐
‑
人工海水溶液的二阶导数光谱数列；27、分别计算所述硝酸盐
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人工海水溶液与所述人工海水溶液在每个对应波长处的二阶导数光谱差值，得到矩阵。
[0012]24、将所述矩阵进行奇异值分解运算后得到矩阵，提取所述矩阵的前三列作为硝酸盐
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人工海水溶液的光谱指纹S3‑
S5：；；。
[0013]在本专利技术的一些实施例中，所述步骤四中各个所述标定系数的计算过程包括以下步骤：41、取n份所述人工海水溶液，加入硝酸盐后制备n份硝酸盐浓度呈梯度变化的硝酸盐样品溶液，其浓度C记录为数列三：；其中浓度C的上标表示所述硝酸盐样品溶液的编号；42、重复步骤12
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13，得到n个所述硝酸盐样品溶液的二阶导数光谱数列，并将其排列成矩阵：；其中sd上标表示所述硝酸盐样品溶液的样品编号，二阶导数光谱数列与硝酸盐浓度数列相对应；43、将步骤42中矩阵的每一列代入所述光谱重构方程中，依次求解后，将拟合参数
b3、b4与b5按硝酸盐样品溶液样品编号记录为数列四：；数列五：；数列六：；44、将数列三
‑
数列六代入所述多元回归方程中求解所述标定系数k0、k3、k4、k5。
[0014]在本专利技术的一些实施例中，所述人工海水溶液中包括氯离子与溴离子。
[0015]在本专利技术的一些实施例中，所述标定系数与所述拟合参数均采用最小二乘法求解。
[0016]在本专利技术的一些实施例中，所述硝酸盐选用硝酸钾、硝酸钠或硝酸钙中的一种或多种。
[0017]在本专利技术的一些实施例中，所述有机物选用黄腐植酸或腐殖酸钠中一种。
[0018]本专利技术的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：本专利技术提出了一种基于光谱指纹的海水硝酸盐测量方法，用于光谱法海水硝酸盐分析仪；通过海水中典型物质的光谱指纹对水样光谱实施拟合重构，进而测量海水硝酸盐浓度。本方法既可获取多种有效光谱指纹，有效抑制海水中离子、有机物等光谱对硝酸盐光谱的干扰，提升高盐度水样中硝酸盐测量精度，提升光谱法分析仪器的海洋环境适应性，又可实现海水硝酸盐分析仪器的快速标定，提升光谱模型迁移能力；从而避免大量正交实验。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1为海水光谱指纹S1~S5光谱图，图中以波长数列为横坐标，光谱指纹数列为纵坐标，S1为扩大100倍后的光谱强度。
[0021]图2为硝酸盐标液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光谱指纹的海水硝酸盐测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、配制人工海水溶液并构建所述人工海水溶液的光谱指纹S1；步骤二、将有机物和硝酸盐分别加入所述人工海水溶液中用于配制多种浓度的有机物
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人工海水溶液和硝酸盐
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人工海水溶液；并构建有机物
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人工海水溶液的光谱指纹S2和硝酸盐
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人工海水溶液的光谱指纹S3、S4、S5；步骤三、利用步骤一和步骤二中的各个光谱指纹建立光谱重构方程；其中，sd为所述人工海水溶液的为二阶导数光谱；m为所述人工海水溶液的吸收光谱的波长个数；S0为元素值均为1的数列，数列长度与光谱指纹S1的一致；b0‑
b5为拟合参数；步骤四、根据步骤三中的所述光谱重构方程建立硝酸盐浓度C的多元回归方程：；其中k0、k3、k4、k5为标定系数；步骤五、根据海水水样的吸收光谱计算其二阶导数光谱数列，将所述二阶导数光谱数列代入到所述步骤三中的光谱重构方程中得到拟合参数b3‑
b5，最后将拟合参数b3‑
b5代入到所述步骤四中的多元回归方程中即得所述海水水样的硝酸盐浓度。2.根据权利要求1所述的一种基于光谱指纹的海水硝酸盐测量方法，其特征在于，所述步骤一具体包括以下步骤：11、配制人工海水溶液；12、根据所述人工海水溶液的吸收光谱计算每个波长处的吸光度，并将所述吸光度记录为数列一：；13、计算所述吸光度的二阶导数光谱sd，记录为数列二，所述数列二即为光谱指纹S1：；其中，sd上标为人工海水溶液的样品编号。3.根据权利要求2所述的一种基于光谱指纹的海水硝酸盐测量方法，其特征在于，所述步骤13具体包括以下步骤：13
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1、依据公式计算数列一中各个所述吸光度的一阶导数得到以下数列：；13
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2、依据公式计算数列一中各个所述吸光度的二阶导数得到以
下数列：。4.根据权利要求1所述的一种基于光谱指纹的海水硝酸盐测量方法，其特征在于，所述步骤二中光谱指纹S2的构建步骤包括：21、取n份所述人工海水溶液，加入有机物后制备n个不同浓度的有机物
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人工海水溶液；22、重复步骤12
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13，得到n个所述有机物
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人工海水溶液的二阶导数光谱数列；23、分别计算所述有机物
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【专利技术属性】
技术研发人员：王阳，王婧茹，刘凤庆，马海宽，马然，曹煊，孔祥峰，刘岩，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：发明
国别省市：