水是人類生命的源泉,人類的生產生活均離不開水。而近年來,由于我國經濟的高速發(fā)展和城市化進程的加快,水環(huán)境污染問題也日趨嚴重,各種水質安全事故或水體污染事件頻發(fā),嚴重危害了人們的身體健康和社會的和諧安定。因此對水質準確且快速的監(jiān)測變得尤為重要且意義重大。本文在對目前水質化學需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)檢測的各種方法進行了大量調研的基礎上,為解決傳統(tǒng)的水質檢測過程復雜、設備維護量大且會造成二次污染等問題,以水質化學需氧量這一綜合指標為研究對象,結合信息融合理論,研究基于多光譜融合的檢測水質化學需氧量的新方法。論文的主要研究內容有:(1)研究了光譜法檢測水質COD的測量原理及國內外研究現狀。詳細介紹了紫外光譜和三維熒光光譜的基本原理;分析了水體水質化學需氧量的紫外吸收光譜、三維熒光光譜特性和化學計量學等方法的特點,提出了本文的研究思路和模型建立的方法,并給出定量分析理論模型。(2)研究了基于光譜法檢測水質COD相關的化學計量學算法理論及模型建立方法。以標準液濃度和包括海水與地表水在內的實際水樣的COD為研究對象,利用紫外吸收光譜和三維熒光光譜數據,研究了基于紫外吸收光譜法、三維熒光光譜法、紫外/熒光多光譜融合及熒光多光譜融合的水質COD的檢測方法;研究基于不同的特征提取算法(SiPLS、MWPLS、ACO-iPLS)和不同的化學計量學方法(PLS、PSO-LSSVM)的建模算法;將不同的建模方法得到最優(yōu)檢測模型的預測效果進行對比,確立本文的最佳建模方法。本文的最優(yōu)檢測模型為ACO-iPLS特征光譜提取方法和PSO-LSSVM算法相結合的基于熒光多光譜特征級融合模型。(3)研究了光譜法檢測水質COD時水中各參量對COD檢測值的影響規(guī)律。以標準液和實際水樣為研究對象,分別研究溫度、濁度、pH、亞硝酸鹽氮(NO_2-N)、硝酸鹽氮(NO_3-N)及鹽度等因素對紫外吸收光譜和三維熒光光譜法檢測水質COD的影響規(guī)律,并對溫度、濁度、pH等以參數對紫外吸光度和熒光強度及熒光峰中心位置的影響機理進行了相關的理論分析,通過實驗建立了抑制溫度和濁度等影響的補償模型,且補償后的預測值與真實值具有較好的一致性;通過理論推導和實驗驗證等方式研究建立了水質COD和TOC之間的關系。本文結合信息融合理論,對基于紫外光譜和三維熒光光譜檢測水質化學需氧量的方法進行了深入的研究和大量的實驗,而實驗結果的有效性也在實際水樣的光譜數據中得到了驗證。本文的研究成果為研制基于多源光譜信息融合的光學原位傳感器奠定了理論基礎,應用前景非常廣闊。
【學位單位】：燕山大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：X832
【部分圖文】：

第 1 章 緒 論關產品的研究現狀產品的研究現狀生產的用于檢測水質 COD 的儀器設備眾多，如美 COD 分析儀，采用重鉻酸鉀法對水質 COD 進行圖 1-4 a)所示；日本島津公司生產的 UVM-4020 紫用加權五波長紫外吸收，最小測定時間為 1 分鐘 檢測儀，實現環(huán)保、快速的過程在線分析，如圖備體積龐大，不適用于水質 COD 的原位監(jiān)測。

不適用于水質 COD 的原位監(jiān)測。CODmax II COD 分析儀 b)UVM-4020 COD 在線圖 1-4 國外 COD 分析儀器Fig.1-4 COD analytical instruments produced abroad出基于寬光譜法的水質多參數測量儀，可同時司生產的 OPUS 水質光學傳感器，如圖 1-5 所光譜對水體的 COD、TOC、BOD 等重要指標達 0-2200mg/L。具有操作方便快速、無二次在線監(jiān)測等優(yōu)點，但也存在價格昂貴的缺點。

a)KN-COD20 b)SWA-2000圖 1-6 國產 COD 檢測設備Fig.1-6 COD analytical instruments made in China，單一譜源檢測水質參數的方法已得到廣泛的應用，但報道較少，且相關報道中的預測誤差較大。另外，國內進口產品，且多采用化學方法，存在檢測精度不高、檢缺點。利用紫外吸收光譜和三維熒光光譜法對水質 COD 進行檢紫外/熒光和熒光進行多光譜融合對水質 COD 的檢測方方法有效彌補了紫外光譜低濃度檢測和熒光光譜高濃度海水或淡水水質 COD 免試劑、無污染、低成本、快速的OD 在線檢測技術存在的問題
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本文編號：2889772