本发明专利技术涉及一种水环境原位光谱的自适应采样方法及系统，该方法包括以下步骤：步骤S1，设定“初始采样频率”以及“最大采样频率”的取值；步骤S2，按照当前第i轮采样频率连续采样n组数据；步骤S3，计算第i轮n组采样数据的“平均值”和“平均变化量”，并计算第i轮采样的“数据变化率”；步骤S4计算下一轮采样的“频率调整系数”；步骤S5，计算第i+1轮采样“拟采用更新采样频率”，并确定下一轮采样“更新采样频率”；步骤S6，采用下一轮采样“更新采样频率”进行水环境相关数据的采样；步骤S7，判断是否结束采样；若为是，则结束，否则，返回步骤S2。与现有技术相比，本发明专利技术具有动态频率采样、及时捕捉关键事件、多维度优化采样系统等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水环境监测领域，尤其是涉及一种水环境原位光谱的自适应采样方法及系统。
技术介绍
1、目前常规的水环境原位监测设备主要采用固定频率的检测方法或者通过相邻两组数据的变化值来调整采样频率的监测方法。
2、采用固定频率的检测方法需要根据经验来设置采样频率，若采样频率过高容易产生大量的冗余数据，增加系统的数据存储、分析以及传输负荷，同时容易导致系统的功耗增加以及监测设备的寿命降低；若采样频率过低容易导致关键采样信息的缺失，尤其是不能捕捉到一些水环境探测探索类的关键事件。
3、采用依据相邻两组采样数据的简单差值运算来调整采样频率的方法，首先需要根据经验设置不同的采样频率和调整动作触发阈值，高度依赖于工作人员的经验；其次仅采用相邻两组采样数据容易导致较大的判别误差。
4、经过检索，中国专利技术专利公开号cn 109490221 a公开了一种水体表观光谱测量装置及其测量方法,水体表观光谱测量装置包括方位调节模块、光谱测量模块、数据处理模块、存储显示模块以及供电系统；光谱测量模块检测水面和天空的光谱信息并传输至数据处理模块；光谱测量模块包括光谱仪以及至少三个分别与光谱仪连接的光谱通道,光谱通道测量光谱数据,光谱仪接收光谱数据后分析生成光谱信息；数据处理模块采集光谱信息后进行数据处理以获取测量结果；存储显示模块接收测量结果并存储和显示；方位调节模块计算太阳方位角的变化情况，并根据计算结果按预定规则旋转,使太阳始终于光谱通道的背面。该现有专利存在固定频率检测需要人工经验来设置采用频率的问题。
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p>5、如何实现水环境原位光谱的自适应采用和检测，成为需要解决的技术问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种水环境原位光谱的自适应采样方法及系统。
2、本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
3、根据本专利技术的一个方面，提供了一种水环境原位光谱的自适应采样方法，该方法包括以下步骤：
4、步骤s1，设定“初始采样频率”以及“最大采样频率”的取值；
5、步骤s2，按照当前第i轮数据采样的频率连续采样n组数据；
6、步骤s3，计算第i轮采样前n组采样数据的“平均值”和“平均变化量”，并计算第i轮采样的“数据变化率”；
7、步骤s4，根据第i轮采样的“数据变化率”，计算下一轮采样的“频率调整系数”；
8、步骤s5，计算第i+1轮采样“拟采用更新采样频率”，并确定下一轮采样“更新采样频率”的值；
9、步骤s6，采用下一轮采样“更新采样频率”进行水环境数据的采样；
10、步骤s7，如果水环境原位光谱自适应采样系统断电，或者收到停止采集信号，则结束采样；否则，返回步骤s2重复上述步骤。
11、优选地，所述的步骤s2中连续采样n组数据需满足条件：n为正整数且n≥3。
12、优选地，所述的第i轮采样前n组采样数据表征水环境中的生物、化学和物理监测要素，包括硝酸盐、亚硝酸盐、toc、tss、cod和cdom。
13、优选地，所述的步骤s3中n组采样数据的“平均值”、“平均变化量”和“数据变化率”的计算公式分别为：
14、
15、
16、“数据变化率”的计算公式为：
17、
18、其中，n组采样数据为yi＝[y1,y2,…yn-1,yn]，为“平均值”，为“平均变化量”，αi为“数据变化率”。
19、优选地，所述的步骤s4中下一轮采样的“频率调整系数”的计算方法为：
20、若0＜数据变化率αi＜1，则下一轮采样的“频率调整系数”
21、若数据变化率αi＝1，则下一轮采样的“频率调整系数”λi+1＝1；
22、否则，则下一轮采样的“频率调整系数”式中表示向上取整数运算。
23、优选地，所述的步骤s5中计算第i+1轮采样“拟采用更新采样频率”具体为：
24、fsi+1＝fi·λi+1
25、其中，fsi+1为拟采用更新采样频率，fi为当前的第i轮数据采样的采样频率，λi+1为下一轮采样的“频率调整系数”；
26、所述的确定下一轮采样“更新采样频率”的值具体为：比较fsi+1和“最大采样频率”的值，选取其中的较小值作为下一轮“更新采样频率”。
27、根据本专利技术的另一个方面，提供了一种水环境原位光谱的自适应采样系统，该系统包括水环境原位光谱采集模块、数据存储模块、数据分析模块和控制模块；
28、所述水环境原位光谱采集模块分别与数据存储模块和控制模块连接，用于通过光谱原理方法实时对水环境进行测量监控和数据预处理；
29、所述数据存储模块，与数据分析模块连接，用于对水环境原位光谱采集模块所采样并预处理后的数据进行短时缓存并传输至数据分析模块，同时对水环境原位光谱采集模块所采样并预处理后的历史数据进行长时存储；
30、所述数据分析模块与控制模块连接，用于搭载水环境原位光谱自适应采样方法；
31、所述控制模块，用于获取数据分析模块持续计算更新的采样频率，并发送控制指令至水环境原位光谱采集模块，使得水环境原位光谱采集模块接收并按照更新的采样频率采样光谱类数据。
32、优选地，所述数据分析模块通过调用数据存储模块中缓存的数据样本，进行分析处理获得“平均值”、“平均变化量”、“数据变化率”、并通过计算更新“频率调整系数”的取值，再对比“拟采用更新采样频率”和“最大采样频率”以确定“更新采样频率”，最后将“更新采样频率”的值传输至控制模块。
33、优选地，所述的系统还包括电源模块，所述电源模块用于为水环境原位光谱自适应采样系统的所有功能模块提供工作所需电能。
34、更加优选地，所述水环境原位光谱采集模块包括依次连接的氙灯光源子模块、光学检测子模块、光谱仪子模块和光谱数据预处理子模块；
35、所述氙灯光源子模块用于提供检测所需要的紫外可见光；
36、所述光谱仪子模块用于将水质样品与紫外可见光作用后的不同波长处的吸光度变化进行采集处理；
37、所述光谱数据预处理子模块用于将光谱仪子模块采集的光谱数据进行降噪、主成分分析以及水质解析；
38、所述光学检测子模块用于使水质样品与氙灯光源子模块发出的紫外可见光进行光吸收反应；
39、所述的光学检测子模块分别通过光纤与氙灯光源子模块和光谱仪子模块连接。
40、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
41、1.本专利技术的水环境原位光谱自适应采样方法，只需要设定常规的初始采样频率和最大采样频率，原位采样设备就能通过本专利技术提供的系统和算法根据实时监测数据的变化情况进行采样频率的动态调整，无需工作人员具备任何的行业或应用经验。
42、2.本专利技术的方法与传统的固定采样频率方法相比，既可以本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种水环境原位光谱的自适应采样方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种水环境原位光谱的自适应采样方法，其特征在于，所述的步骤S2中连续采样n组数据需满足条件：n为正整数且n≥3。
3.根据权利要求1所述的一种水环境原位光谱的自适应采样方法，其特征在于，所述的第i轮采样前n组采样数据表征水环境中的生物、化学和物理监测要素，包括硝酸盐、亚硝酸盐、TOC、TSS、COD和CDOM。
4.根据权利要求1所述的一种水环境原位光谱的自适应采样方法，其特征在于，所述的步骤S3中n组采样数据的“平均值”、“平均变化量”和“数据变化率”的计算公式分别为：
5.根据权利要求1所述的一种水环境原位光谱的自适应采样方法，其特征在于，所述的步骤S4中下一轮采样的“频率调整系数”的计算方法为：
6.根据权利要求1所述的一种水环境原位光谱的自适应采样方法，其特征在于，所述的步骤S5中计算第i+1轮采样“拟采用更新采样频率”具体为：
7.一种采用权利要求1所述的水环境原位光谱的自适应采样方法的系统，该系统包括水环境原位光谱采集模块(1)、数据存储模块(2)、数据分析模块(3)和控制模块(4)；
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括电源模块(5)，所述数据分析模块(3)通过调用数据存储模块(2)中缓存的数据样本，进行分析处理获得“平均值”、“平均变化量”、“数据变化率”、并通过计算更新“频率调整系数”的取值，再对比“拟采用更新采样频率”和“最大采样频率”以确定“更新采样频率”，最后将“更新采样频率”的值传输至控制模块(4)。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括电源模块(5)，所述电源模块(5)用于为水环境原位光谱自适应采样系统的所有功能模块提供工作所需电能。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括电源模块(5)，所述水环境原位光谱采集模块(1)包括依次连接的氙灯光源子模块(11)、光学检测子模块(14)、光谱仪子模块(12)和光谱数据预处理子模块(13)；
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【技术特征摘要】
1.一种水环境原位光谱的自适应采样方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种水环境原位光谱的自适应采样方法，其特征在于，所述的步骤s2中连续采样n组数据需满足条件：n为正整数且n≥3。
3.根据权利要求1所述的一种水环境原位光谱的自适应采样方法，其特征在于，所述的第i轮采样前n组采样数据表征水环境中的生物、化学和物理监测要素，包括硝酸盐、亚硝酸盐、toc、tss、cod和cdom。
4.根据权利要求1所述的一种水环境原位光谱的自适应采样方法，其特征在于，所述的步骤s3中n组采样数据的“平均值”、“平均变化量”和“数据变化率”的计算公式分别为：
5.根据权利要求1所述的一种水环境原位光谱的自适应采样方法，其特征在于，所述的步骤s4中下一轮采样的“频率调整系数”的计算方法为：
6.根据权利要求1所述的一种水环境原位光谱的自适应采样方法，其特征在于，所述的步骤s5中计算第i+1轮采样“拟采用更新采样频率”具体为：
7.一种采用...
【专利技术属性】
技术研发人员：魏升慧，吕枫，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：
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