基于浊度补偿和散射宽度估计的自适应瑞利散射处理方法技术

本发明专利技术公开了一种基于浊度补偿和散射宽度估计的自适应瑞利散射处理方法，包括以下步骤：S1.获取原始荧光光谱数据；S2.扣除拉曼散射；S3.对发射波长进行插值转换；S4.搜寻每个激发波长对应的发射光谱的一阶瑞利散射去除区域的左边界和右边界；S5.结合S4中得到的一阶瑞利散射去除区域的左边界和右边界、样品的浊度值来估计二阶瑞利散射的左边界和右边界；S6.将S4得到的一阶瑞利散射去除区域边界和S5得到的二阶瑞利散射去除区域边界内的荧光强度置为零；S7.对S6中所得光谱进行S

【技术实现步骤摘要】
基于浊度补偿和散射宽度估计的自适应瑞利散射处理方法


[0001]本专利技术涉及三维荧光水质检测
，尤其是涉及一种基于浊度补偿和散射宽度估计的自适应瑞利散射处理方法。

技术介绍

[0002]城市河道水体有机物污染防治是水污染监测治理工作的重点内容之一，对河道水体进行有机污染物质的监测、及时预警并识别不同污染有机物，对水体污染预警、溯源和后续治理等具有重要意义。传统的常规水质参数监测法难以对低浓度的有机污染物产生明显反应；与之相比，三维荧光光谱法具有更高的检测灵敏性。
[0003]然而在应用三维荧光光谱法的过程中，由于河道水中存在的微小颗粒会引起入射光的瑞利散射效应，因此得到的原始三维荧光数据中包含了瑞利散射的干扰，不利于后期的检测工作。现行的指定波长宽度扣除瑞利散射的方法存在诸多问题，特别是当待测样本浊度较大时，受瑞利散射影响的区域面积较大，使用指定的波长宽度难以适应不同激发波长所对应的不同宽度的瑞利散射峰，从而导致散射边缘的有机物荧光信号受残余散射光影响很大，并影响实际荧光信号的表征，对后期检测工作的精度造成不利影响。
[0004]为此，针对不同水质和浊度下瑞利散射宽度不同等的问题，迫切需要研究一种自适应波长宽度的瑞利散射去除方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现行的瑞利散射去除方法存在的缺陷，提供一种基于浊度补偿和散射宽度估计的自适应瑞利散射处理方法。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术通过如下的技术方案来实现：一种基于浊度补偿和散射宽度估计的自适应瑞利散射处理方法，包括以下步骤：S1.获取原始荧光光谱数据；S2.使用背景扣除法扣除拉曼散射；S3.对发射波长进行插值转换；S4.搜寻每个激发波长对应的发射光谱的一阶瑞利散射去除区域的左边界和右边界；S5.结合S4中得到的一阶瑞利散射去除区域的左边界和右边界、样品的浊度值来估计二阶瑞利散射的左边界和右边界；S6.将S4得到的一阶瑞利散射去除区域边界和S5得到的二阶瑞利散射去除区域边界内的荧光强度置为零；S7.对S6中所得光谱进行S
‑
G平滑；S8.用Delaunay三角形内插值法对扣除区域进行插值拟合，得到关于该三维荧光光谱的最终预处理结果。
[0007]所述的S4.包括以下步骤：
S4.1设定右边界的上阈值和下阈值；S4.2从光谱的中轴线出发，搜寻每个激发波长对应的发射光谱的极小值点，以此作为散射区域的右边界；S4.3对于上阈值内一直未找到右边界的情况，就以上阈值作为右边界；S4.4对于右边界小于下阈值的情况，就以下阈值作为下边界；S4.5左边界不影响预处理结果，统一取为较大值，最终得到一阶瑞利散射的左右边界向量。
[0008]所述的S5. 包括以下步骤：S5.1依据相同激发波长下一阶、二阶散射区域宽度不变的原则，将一阶瑞利散射右边界映射到二阶的情形；S5.2对一阶瑞利散射右边界的映射结果和样品浊度进行加权求和，得到二阶情形下的右边界；S5.3二阶瑞利散射左边界与右边界取相同值。
[0009]所述步骤S5.1中二阶瑞利散射右边界的方法通过下式计算：其中和分别为二阶瑞利散射的左右宽度，Tb是样品浊度，ω1和ω2是对一阶估计宽度和浊度的参考权重。
[0010]所述的S8步骤中，使用Delaunay三角形剖分是对光谱平面数据点的三角形网格描述，针对缺失值，找到包含内插点所在的三角形，然后对其进行自然邻点插值，重建出的三维荧光光谱就是原始光谱经过预处理的最终结果。
[0011]与现有方法相比，本专利技术具有以下有益效果：（1）现行方法设定了折衷的固定波长范围后，在高浊度样品三维荧光光谱的预处理中，由于散射宽度的增加，难以有效去除瑞利散射信号；而本专利技术的方法可以基于浊度信息以及瑞利散射峰的分布而自适应调整去散射范围，从而能够更有效去除一阶、二阶瑞利散射信号。
[0012]（2）现行方法设定了折衷的固定波长范围后，对于轴线附近存在化学荧光信号的低浊度样品三维荧光光谱的预处理中，很容易损失的河道水中正常化学物质对应的有用荧光信号；而本专利技术的方法可以基于浊度信息以及瑞利散射峰的分布而自适应调整去散射范围，从而在有效去除瑞利散射信号的同时保留更多的有用化学荧光信号。
附图说明
[0013]图1为本专利技术一种基于自适应瑞利散射去除的三维荧光光谱预处理方法的流程图。
[0014]图2为瑞利散射宽度和边界示意图。
[0015]图3左图为高浊度样本三维荧光光谱经自适应波长宽度方法去散射的效果图，右图为去散射并插值后的效果图。
[0016]图4左图为低浊度样本三维荧光光谱经自适应波长宽度方法去散射的效果图，右
图为去散射并插值后的效果图。
[0017]图5为高浊度样本中采用固定宽度扣除和自适应扣除方法去散射效果对比图。
[0018]图6为低浊度样本中采用固定宽度扣除和自适应扣除方法去散射效果对比图。
[0019]图7为不同预处理方法PARAFAC残差平方和对比图。
[0020]图8为不同去瑞利散射方法的发射光谱图对比展示。
[0021]图9为不同预处理方法PARAFAC分析结果对比。
具体实施方式
[0022]以下结合附图和实施例对本专利技术做进一步的阐述。
[0023]如图1所示，一种基于浊度补偿和散射宽度估计的自适应瑞利散射处理方法，包括以下步骤：S1.获取原始荧光光谱数据；S2.使用背景扣除法去拉曼散射；S3.对发射波长进行插值转换；S4.搜寻每个激发波长对应的发射光谱的一阶瑞利散射去除区域的左边界和右边界，包括以下步骤：S4.1设定右边界的上阈值和下阈值；S4.2从光谱的中轴线出发，搜寻每个激发波长对应的发射光谱的极小值点，以此作为散射区域的右边界；S4.3对于上阈值内一直未找到右边界的情况，就以上阈值作为右边界；S4.4对于右边界小于下阈值的情况，就以下阈值作为下边界；S4.5左边界不影响预处理结果，统一取为较大值，最终得到一阶瑞利散射的左右边界向量。
[0024]S5.结合S4中得到的一阶瑞利散射去除区域的左边界和右边界、样品的浊度值来估计二阶瑞利散射的左边界和右边界，包括以下步骤：S5.1依据相同激发波长下一阶、二阶散射区域宽度不变的原则，将一阶瑞利散射右边界映射到二阶的情形；S5.2对一阶瑞利散射右边界的映射结果和样品浊度进行加权求和，得到二阶情形下的右边界；S5.3二阶瑞利散射左边界与右边界取相同值。
[0025]S6.将S4和S5得到的散射区域边界内的荧光强度置为零；S7.对S6中所得光谱进行S
‑
G平滑；S8.用Delaunay三角形内插值法对扣除区域进行插值拟合，得到关于该三维荧光光谱的最终预处理结果。
[0026]所述的S4步骤中，具体而言，首先设定右边界的上阈值wr
max
=40nm和下阈值wr
min
=10nm，然后从光谱的中轴线出发，搜寻每个激发波长对应的发射光谱的极小值点，以此作为散本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于浊度补偿和散射宽度估计的自适应瑞利散射处理方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.获取原始荧光光谱数据；S2.使用背景扣除法扣除拉曼散射；S3.对发射波长进行插值转换；S4.搜寻每个激发波长对应的发射光谱的一阶瑞利散射去除区域的左边界和右边界；S5.结合S4中得到的一阶瑞利散射去除区域的左边界和右边界、样品的浊度值来估计二阶瑞利散射的左边界和右边界；S6.将S4得到的一阶瑞利散射去除区域边界和S5得到的二阶瑞利散射去除区域边界内的荧光强度置为零；S7.对S6中所得光谱进行S
‑
G平滑；S8.用Delaunay三角形内插值法对扣除区域进行插值拟合，得到关于该三维荧光光谱的最终预处理结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的S4.包括以下步骤：S4.1设定右边界的上阈值和下阈值；S4.2从光谱的中轴线出发，搜寻每个激发波长对应的发射光谱的极小值点，以此作为散射区域的右边界；S4.3对于上阈值内一直未找到右边界的情况，就以上阈值作为右边界；...

【专利技术属性】
技术研发人员：喻洁，施杰根，张秋豪，戚宇，尹航，薛方家，侯迪波，黄平捷，张光新，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：