基于紫外-可见光光谱的水质监测预警方法与设备研发

摘要

近年来，随着社会经济的快速发展，江河湖泊水质污染和饮用水安全问题时有发生。实时监测、分析和预测水质参数状况、变化规律和演化趋势，对渐变性、突发性水质事故进行报警预警，可以有效防患于未然，减少污染造成的损失、保障饮用水安全。
　　 本文主要结合国家水专项课题和国家自然科学基金项目，重点围绕基于紫外-可见光(UV-VIS)连续光谱的水质检测机理、检测算法和检测设备开展研究与开发，主要工作和创新之处如下:
　　 (1)较深入地研究了基于UV-VIS连续光谱的水质检测分析机理，重点研究了单光谱法、连续光谱法，研究提出了基于全光谱分析的水质化学需氧量(COD)计算技术和基于小波阈值法的光谱数据消噪技术，增加了水质检测光谱数据的信息量，提高了光谱法水质检测分析结果的准确性。
　　 (2)在介绍和对比分析UV-VIS水质参数检测常规算法的基础上，研究提出了极限学习机的光谱数据分析算法，较好地提高了水质检测分析的速度和精度，并进行了结果验证。
　　 (3)研究和开发了基于UV-VIS的水质现场监测预警设备，完成了总体架构设计、现场监测子系统开发、光谱数据传输子系统研发和系统集成，完成了系统的部署、调试与实验应用，较好解决了水质参数光谱数据现场分析、无线传输等问题。
　　 本文研究的UV-VIS光谱分析算法和水质参数光谱分析检测设备为城市供水水质的在线监测和预警提供了新的技术方案。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 基于光谱分析的水质分析方法国内外研究现状

1．2．1 基于光谱分析的水质分析方法

1．2．2 基于光谱分析的水质检测设备

1．3 论文的主要工作和创新点

第2章 基于UV-VIS连续光谱的水质检测分析机理研究

2．1 UV-VIS光谱法水质检测理论基础

2．1．1 朗伯-比尔定理

2．1．2 吸收谱线与发射谱线

2．2 紫外-可见光单光谱法

2．2．1 单光谱法原理研究

2．2．2 紫外-可见光单光谱法的应用拓展

2．3 紫外-可见光连续光谱法

2．3．1 连续光谱法研究

2．3．2 基于全光谱分析的水质化学耗氧量计算技术

2．4 基于小波分析的光谱数据去噪方法

2．4．1 连续小波分析的基本概念

2．4．2 基于阈值的小波分析去噪方法

2．4．3 小波消噪效果

2．5 检测实验与数据分析

2．6 本章小节

第3章 基于UV-VIS连续光谱的水质检测算法研究

3．1 概述

3．1．1 光谱水质分析方法简介

3．1．2 常用算法介绍

3．2 基于极限学习机算法的光谱水质分析研究

3．2．1 算法的提出

3．2．1 极限学习机算法的原理

3．2．3 基于极限学习机算法的光谱水质分析研究

3．3 验证性实验与结果分析

3．3．1 实验内容

3．3．2 算法性能比较

3．3．3 数据分析

3．3．4 误差分析

3．4 本章小节

第4章 基于UV-VIS的水质现场监测预警设备研发

4．1 概述

4．2 总体架构设计

4．2．1 光谱水质监测预警系统总体设计

4．2．2 设计原则

4．3 UV-VIS现场检测监测子系统研发

4．3．1 功能结构和总体设计

4．3．2 设计原则和设计难点

4．3．3 子系统集成技术

4．3．4 软件设计

4．3．5 现场检测监测子系统

4．4 数据传输子系统开发

4．4．1 功能分析与设计

4．4．2 数据传输过程

4．4．3 传输应用与效果分析

4．5 系统应用

4．6 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 论文工作总结

5．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间参与的科研项目和研究成果

作者简历