水是人類生命的源泉,人類的生產(chǎn)生活均離不開水。而近年來,由于我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,水環(huán)境污染問題也日趨嚴(yán)重,各種水質(zhì)安全事故或水體污染事件頻發(fā),嚴(yán)重危害了人們的身體健康和社會的和諧安定。因此對水質(zhì)準(zhǔn)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(zhì)化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)檢測的各種方法進(jìn)行了大量調(diào)研的基礎(chǔ)上,為解決傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測過程復(fù)雜、設(shè)備維護(hù)量大且會造成二次污染等問題,以水質(zhì)化學(xué)需氧量這一綜合指標(biāo)為研究對象,結(jié)合信息融合理論,研究基于多光譜融合的檢測水質(zhì)化學(xué)需氧量的新方法。論文的主要研究內(nèi)容有:(1)研究了光譜法檢測水質(zhì)COD的測量原理及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。詳細(xì)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(zhì)化學(xué)需氧量的紫外吸收光譜、三維熒光光譜特性和化學(xué)計(jì)量學(xué)等方法的特點(diǎn),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(zhì)COD相關(guān)的化學(xué)計(jì)量學(xué)算法理論及模型建立方法。以標(biāo)準(zhǔn)液濃度和包括海水與地表水在內(nèi)的實(shí)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(shù)據(jù),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(zhì)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(xué)計(jì)量學(xué)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(yù)測效果進(jìn)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(jié)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(zhì)COD時(shí)水中各參量對COD檢測值的影響規(guī)律。以標(biāo)準(zhǔn)液和實(shí)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(zhì)COD的影響規(guī)律,并對溫度、濁度、pH等以參數(shù)對紫外吸光度和熒光強(qiáng)度及熒光峰中心位置的影響機(jī)理進(jìn)行了相關(guān)的理論分析,通過實(shí)驗(yàn)建立了抑制溫度和濁度等影響的補(bǔ)償模型,且補(bǔ)償后的預(yù)測值與真實(shí)值具有較好的一致性;通過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方式研究建立了水質(zhì)COD和TOC之間的關(guān)系。本文結(jié)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(zhì)化學(xué)需氧量的方法進(jìn)行了深入的研究和大量的實(shí)驗(yàn),而實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性也在實(shí)際水樣的光譜數(shù)據(jù)中得到了驗(yàn)證。本文的研究成果為研制基于多源光譜信息融合的光學(xué)原位傳感器奠定了理論基礎(chǔ),應(yīng)用前景非常廣闊。
【學(xué)位單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：X832
【部分圖文】：

第 1 章 緒 論關(guān)產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀生產(chǎn)的用于檢測水質(zhì) COD 的儀器設(shè)備眾多，如美 COD 分析儀，采用重鉻酸鉀法對水質(zhì) COD 進(jìn)行圖 1-4 a)所示；日本島津公司生產(chǎn)的 UVM-4020 紫用加權(quán)五波長紫外吸收，最小測定時(shí)間為 1 分鐘 檢測儀，實(shí)現(xiàn)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(zhì) COD 的原位監(jiān)測。

不適用于水質(zhì) 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(zhì)多參數(shù)測量儀，可同時(shí)司生產(chǎn)的 OPUS 水質(zhì)光學(xué)傳感器，如圖 1-5 所光譜對水體的 COD、TOC、BOD 等重要指標(biāo)達(dá) 0-2200mg/L。具有操作方便快速、無二次在線監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，但也存在價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。

a)KN-COD20 b)SWA-2000圖 1-6 國產(chǎn) COD 檢測設(shè)備Fig.1-6 COD analytical instruments made in China，單一譜源檢測水質(zhì)參數(shù)的方法已得到廣泛的應(yīng)用，但報(bào)道較少，且相關(guān)報(bào)道中的預(yù)測誤差較大。另外，國內(nèi)進(jìn)口產(chǎn)品，且多采用化學(xué)方法，存在檢測精度不高、檢缺點(diǎn)。利用紫外吸收光譜和三維熒光光譜法對水質(zhì) COD 進(jìn)行檢紫外/熒光和熒光進(jìn)行多光譜融合對水質(zhì) COD 的檢測方方法有效彌補(bǔ)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(zhì) COD 免試劑、無污染、低成本、快速的OD 在線檢測技術(shù)存在的問題
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本文編號：2889772