基于FFT奇异值分解的光谱信号去噪算法

微型光谱仪在采集光谱信号过程中,光谱数据经常受到来自仪器光学系统和电子电路中的干扰出现噪声和光源特征峰,严重干扰了真实光谱信号的图谱特征,因此需要使用合理的预处理方法保留光谱信号中有用信号并尽可能过滤噪声信号同时将光源特征峰滤除,从而提高光谱信息定量分析的稳健性和准确性。并且在线检测系统要求尽可能减少人为参数选择对去噪效果的影响,奇异值分解经常应用于由系统电路引起的噪声去噪,奇异值降噪阶次的选取对提高信号信噪比十分关键,但是往往参数选取主要依赖经验调试和实验验证。因此,提出了一种基于奇异值重构信号分量频率的光谱信号去噪算法。该算法首先重构原始光谱信号单个奇异值分量信号,然后对每个奇异值分量信号作快速傅里叶变换,得到每个奇异值分量信号快速傅里叶变换结果中振幅最大所对应的频率值,最后按照奇异值递减方式对相应分量信号频率值进行一阶滞后差分,得到频率差分谱,研究表明,差分谱第一个谱峰值在大于设定阈值处所对应的奇异值即为奇异值分解降噪的有效阶次。结果表明：对包含多种重金属离子的溶液在线测量的紫外可见光谱信号,添加不同强度的随机噪声,并进行去噪处理,使用信噪比和均方根误差两个性能指标进行对比。所提算法相较于SG滤波算法和小波变换去噪算法信噪比分别提高了22.05%,10.88%,均方根误差分别降低了74.28%,41.29%。所提算法完全基于数据驱动,在处理真实紫外可见光谱信号中不仅抑制了噪声影响,而且将微型光谱仪的光源特征峰有效滤除,在紫外可见光谱信号的定量分析中具有较好的应用前景。     

矿物油-乙醇溶液三维荧光光谱的实验研究

研究了矿物油-乙醇溶液的三维荧光光谱特性。通过空白扣除法消除了乙醇的拉曼散射对矿物油三维荧光光谱的影响,而采用将瑞利散射及其附近区域置零的方法去除了瑞利散射对矿物油三维荧光光谱的影响。经校准,矿物油的三维荧光光谱特征荧光峰表现为：煤油主要为一个宽峰,最大激发/发射荧光峰的位置在270/290 nm附近;0#柴油有两个峰,最大激发/发射峰分别位于240/344 nm和270/362 nm附近;润滑油存在多个荧光峰,其中两个比较强的最大激发/发射峰分别位于240/348 nm和258/358 nm附近。此外,还研究了矿物油的荧光光谱强度与浓度的关系,并对测量的灵敏度和检测限进行了分析。研究表明,利用三维荧光光谱特征测量可以实现低浓度矿物油的测定。     

三维荧光光谱技术在水监测中的应用

应用荧光光谱技术分析水中污染物的含量具有灵敏度高、检测速度快等优点,三维荧光光谱技术可以提供在普通的荧光光谱中所得不到的信息,此技术可以用于多组分同时测量。讨论了如何运用三维荧光光谱技术分析水中污染物的成分,计算其含量,并给出了有效的荧光光谱特征数据库建立、多组分分析和浓度反演的数学模型。     

基于三维荧光谱特征分析的油种鉴别技术的研究

介绍了运用神经网络进行模式识别的基本原理,将主成分分析法和BP神经网络相结合,提出矿物油三维荧光谱鉴别方案,并进行了系统设计,建立了基本的模型框架.选取矿物油三维荧光谱的特征参量,组成原始特征向量,采用主成分分析法进行预处理,而后选取主成分运用BP神经网络实现油种鉴别.该方法减少了输入变量的维数,消除了各输入变量的相关性,同时简化了网络结构,提高了程序运行的速度.通过实例进行了分析,结果证明该方法有效地实现了矿物油三维荧光谱的油种鉴别,同时该系统也可用于其它物质的光谱识别技术领域.     

基于三维荧光谱特征分析的油种鉴别技术的研究

介绍了运用神经网络进行模式识别的基本原理,将主成分分析法和BP神经网络相结合,提出矿物油三维荧光谱鉴别方案,并进行了系统设计,建立了基本的模型框架.选取矿物油三维荧光谱的特征参量,组成原始特征向量,采用主成分分析法进行预处理,而后选取主成分运用BP神经网络实现油种鉴别.该方法减少了输入变量的维数,消除了各输入变量的相关性,同时简化了网络结构,提高了程序运行的速度.通过实例进行了分析,结果证明该方法有效地实现了矿物油三维荧光谱的油种鉴别,同时该系统也可用于其它物质的光谱识别技术领域.     

石油开采和冶金行业污水中矿物油的荧光和红外光谱法分析

针对建立测定水中矿物油含量的荧光光谱法,选择了来自石油开采和冶金行业的4个典型企业,分别提取了所排放污水的三维荧光光谱及荧光特征峰,并分析两个行业污水矿物油含量与它们荧光光谱数据之间的对应关系,结果表明石油开采行业污水中的矿物油含量要高于冶金行业.同时国标法的红外光谱法也佐证了这一结果.因此,荧光光谱法可在一定范围内应...     

三维荧光光谱结合组合算法在环境污染监测中的应用:油种鉴别与定量分析

针对油类污染物成分复杂,光谱重叠难以识别的问题,提出采用三维荧光光谱结合组合算法对油类污染物进行了定性和定量分析。荧光光谱中存在的瑞利散射对三维荧光光谱检测有较大影响,提出了缺损数据修复-主成分分析（MDR-PCA）方法对矿物油三维荧光光谱的瑞利散射进行处理,原理是单个荧光光谱激发发射矩阵符合双线性,可用主成分分析（PCA）法来解析。MDR-PCA法首先将荧光数据中的散射干扰数据全部扣除,之后利用主成分分析（PCA）迭代过程对扣除数据进行重构修复后补全数据。该方法在消除散射干扰的同时充分利用了荧光物质光谱矩阵中的有效信息。利用不同浓度的矿物油的激发-发射荧光光谱构建了三维数据。样品数据来源于柴油、汽油和煤油三种溶质的四氯化碳溶液。常用于三维荧光光谱数据分析的三线性分解算法有平行因子分析（PARAFAC）、交替三线性分解（ATLD）和自加权交替三线性分解算法（SWATLD）等。PARAFAC基于严格意义上的最小二乘原则,具有抗噪声强、模型稳定、微小预期误差等优点,可以实现三维数据阵列的最佳拟合,但该算法收敛速度较慢,对组分数敏感。ATLD算法通过提取对角主元和切尾奇异值求解广义逆,极大提高了收敛速度并降低了对组分数的敏感度,从而实现三线性分解。然而,取对角元时易使ATLD方法对噪声敏感。SWATLD算法既继承了对组分数不敏感、收敛速度快等优点,又降低了噪声水平的影响。但是在抗共线程度方面,SWATLD算法在抵抗共线性程度方面的能力较ATLD略有降低。基于此,论文根据三线性分解算法迭代过程中损失函数的变化,对迭代过程进行划分,提出了三线性迭代方法的组合算法（algorithm combination methodology, ACM）—将ATLD, SWATLD与PARAFAC组合在一起,充分发挥各算法的优点,实现二阶校正算法的优势互补。采用ACM算法对两组分及三组分矿物油样品的三维荧光光谱数据进行解析,并对三种矿物油的回收率进行了计算。柴油的回收率为97.08%,汽油的回收率为97.34%,煤油的回收率为97.25%。解析光谱和回收率表明,ACM算法能够实现油类污染物的种类识别及浓度测量。     

形态学方法用于三维荧光光谱化学秩的确定

确定化学秩是解析化学体系的第一步,正确确定化学体系的组分数对后续的解析异常重要。由于实测的三维荧光光谱不可避免地受到噪声的干扰,传统的化学秩估计方法常常失效。首先根据三维荧光光谱信号与噪声信号的形态差异,选用正弦形结构元素,对信号进行先开启后闭合运算,用形态学方法对实测三维荧光光谱进行去噪,然后对去噪后的光谱进行奇异值分解(SVD),联合分解得到的奇异值和奇异向量进行化学秩的确定。主要讨论了形态滤波方法的理论基础,先用模拟数据说明了文中所提方法的必要性和有效性,然后又把此方法用在酚类化合物三维荧光光谱的组分数检测上,并与传统的蒙特卡罗方法做了对比。实验结果表明,提出的方法更具有实用性,能够正确估计出化学秩。     

一种改进的奇异值降噪阶次选取方法用于紫外光谱信号去噪的研究

光谱去噪是光谱检测的重要环节。针对光谱信号易受光谱仪热噪声、现场机械振动以及随机噪声等因素影响,而在线监测系统要求减少人为参数选择对去噪效果的影响,提出利用奇异值分解(SVD)理论对光谱信号去噪。提出一种改进的降噪阶次选取方法：指定奇异值差分谱最大峰值点θ₁为所选阶次下界;利用奇异值、奇异值差分谱综合信息选取阶次上界θ₂;将区间θ₁～θ₂定义为模糊区域,通过模糊C均值聚类求取隶属度,赋予模糊区域内奇异值相应的权重系数。用所提方法对不同信噪比下SO₂紫外光谱信号去噪,将信噪比、均方根误差、波形相似系数、平滑度指标用于去噪效果的评价。去噪结果表明：所提方法完全基于数据驱动,具有较好的去噪效果,能够真实的恢复原始信号。     

pH值对滇池水体溶解性有机质(DOM)光降解作用的影响

运用紫外光谱、三维荧光光谱技术结合平行因子分析法（PARAFAC）探讨了pH值对滇池水体环境中溶解性有机质（DOM）光化学降解特性（紫外光谱特征、荧光组分及其荧光强度）的影响。掌握了不同pH值条件下DOM光化学降解特性及其差异性,可为DOM的生物地球化学循环基础数据提供有利支撑,同时对富营养化湖泊水质改善和有效控制具有重要的启示作用。结果表明,在光降解发生过程中（0～30 d）,DOM被识别出具有三个主要荧光组分,分别为长波类富里酸组分C1（325,425 nm）,类蛋白类组分C2（295, 390 nm）和具有高芳香度特性的类腐殖质组分C3（260/350,360/450 nm）;pH值的变化对DOM光降解过程中的紫外光谱和三维荧光光谱特征均产生重要影响;当pH值从4.0增加到9.0,DOM的紫外吸光系数随pH值增大而增大,总荧光强度随pH值增加而逐渐下降;类蛋白组分C2从降解的第8天开始,其荧光强度也表现出随pH值增加逐渐下降的趋势,这表明高pH值能够促进水体DOM的光降解作用。鉴于pH值能够对DOM光降解过程及其紫外光谱和三维荧光光谱特征产生重要影响,研究认为,对比不同来源DOM（自然水体、DOM提取物等）的紫外光谱、三维荧光光谱和平行因子分析结果时,应监测并报告DOM溶液的pH值,pH值应尽量保持一致,以保证结果的可比性。     

Analysis of Natural Phytoplankton Populations by Pattern Recognition of Two-Dimensional Fluorescence Spectra

Two-dimensional Fourier-transform-based pattern recognition is used to characterize natural populations of marine algae by their two-dimensional, in vivo fluorescence spectra. The two dimensional fluorescence spectrum, termed an excitation-emission matrix (EEM), is acquired using a portable, multichannel fluorescence spectrophotometer (PMFS). Natural populations in the Gulf of Mexico south of Louisiana and the coastal area near Savannah, Georgia are characterized by their measurement of in situ fluorescence. Characterization of unknown populations is achieved by comparing the unknown EEMs to a collection of standard EEMs acquired from 23 species (6 classes) of marine algae. Pattern recognition results from data collected along the Georgia coast indicating diatom populations were confirmed by microscopic examination of selected samples.     

基于三维荧光光谱-平行因子分析的海上溢油识别技术研究

在世界范围内溢油事件频繁发生,溢油的组成成分会影响人类身体健康和生态系统。因此,迫切地需要一种可以快速识别溢油种类的方法。针对溢油污染物现场快速鉴别的需求,利用平行因子分析技术建立了基于三维荧光光谱的原油、燃料油识别方法。首先,利用Delannay三角形内插值法对实验选的6种原油(Roncador原油、巴士拉原油、俄罗斯原油、沙特原油(重质)、上扎库姆原油、海二站原油)和三种燃料油(380CST燃料油、5-7号燃料油、岚山燃料油)的三维荧光光谱去散射,去散射后的三维光谱数据进行归一化处理;之后,对三维荧光光谱进行平行因子解析,确定七个荧光组分为最佳荧光组分,进而得到由7个荧光成分组成的样品荧光特征谱,将风化第3,15和45天的样品及未风化样品的第一平行样的荧光特征谱进行贝叶斯方法(Bayes)判别分析和聚类分析,确定油品荧光特征谱的分析能力和18条荧光标准谱库(12条原油标准谱和6条燃料油标准谱);最后,利用非负最小二乘多元线性回归建立溢油荧光识别方法,对第0,7和30天风化的样品和未风化样品的另一平行样进行识别。实验结果表明,除对风化及未风化的俄罗斯原油识别外,该方法对其余风化和未风化的五种原油和三种燃料油识别正确率均为100.0%,整体识别原油正确率为87.5%,燃料油正确率为100.0%。     

Characterization of coal oil using three-dimensional excitation and emission matrix fluorescence spectroscopy

Three-dimensional （3D） excitation-emission matrix （EEM） fluorescence spectroscopy is applied to characterize the coal oil. The results show that the 3D fluorescence spectra of coal oil in aqueous solution mainly have one broad peak. This peak is identified at the excitation/emission wavelengths of 270/290 nm. The relation between the fluorescence intensity and the concentration of coal oil is also studied. When the concentration lies between 2 - 2000 ppm, the relation between the fluorescence intensity and the concentration of coal oil is well linear. The nature of solvents significantly affects the EEM fluorescence of coal oil.     

SDS胶束溶液在石油类污染物荧光光谱测量中的应用

提出了一种以十二烷基硫酸钠(SDS)胶束溶液为溶剂增溶、增敏、增稳石油类物质的新方法。研究了石油类物质的荧光强度随SDS胶束溶液浓度的变化规律,确定了其溶剂SDS胶束溶液的最佳浓度为0.1 mol·L-1。使用FLS920荧光光谱仪测量得到不同稀释浓度的汽油、柴油、煤油SDS胶束溶液的三维荧光光谱矩阵(EEMs),分析了瑞利(Rayleigh)散射、拉曼(Raman)散射以及仪器光谱特性对测量光谱的影响,经过光谱校正,建立了三种油的SDS胶束溶液在激发波长为250～400 nm、发射波长为260～500 nm范围内的三维荧光光谱图,并确定了在一定浓度范围内荧光强度与浓度具有良好的线性关系。在相同条件下,用同样的方法配制各种浓度汽油、柴油、煤油水溶液作对比,验证了SDS胶束溶液作为石油类物质的溶剂可以使水中石油类物质的溶解度增加、荧光强度增大、稳定性更好,实现了石油类物质可以不依赖于某些有毒溶剂萃取,又解决了其水中溶解度低不宜定量的问题。     

基于荧光光谱及矩阵分析的植物油鉴别技术

利用FS920荧光光谱仪测量42个油样(包括36个纯植物油样,3个调和油样和3个混合油样)的荧光光谱,并对其数据矩阵(EEMs)进行归一化处理,确定了植物油特征激发波长及矩阵分析模型。综合分析植物油在特定范围内(激发波长为250～550 nm,发射波长为260～750 nm)的等高线光谱图和特征发射谱线图,将植物油划分为三类;将矩阵分析模型应用于纯植物油鉴别,分类正确率100%;为验证矩阵分析的定量判别能力,对三种混合油样进行分析,得到接近实际配比的分析结果;对市售三种调和油样本进行分析,得出调和油以大豆和菜籽油为基底的结论。通过对植物油荧光光谱的图谱特征和其矩阵模型的分析,证实荧光光谱技术和矩阵分析法对植物油进行分析和种类鉴别的有效性。     

利用曲波变换的SVM非线性激光荧光光谱油种实时识别方法

提出一种非线性激光荧光光谱实时识别方法,首先利用离散曲波变换对预处理的荧光谱进行分解,得到不同角度和尺度的变换系数,并利用三层分解中的低频系数形成特征向量;然后构建重油、柴油、原油等船舶常见油种的支持向量机进行训练;最后利用训练好的支持向量机进行油膜光谱分类。结果表明,采用基离散曲波变换和支持向量机的分类方法,不依赖大样本训练,输入向量为曲波分解后的低频系数部分,训练样本少,支持向量数量大幅降低,从而缩短运算时间,具有实时性,与传统方法比较,更为有效,识别率更高。     

水体多环芳烃组分识别小样本分析方法研究

多环芳烃(PAHs)是一类在自然环境中常见且广泛存在的有毒有害有机物。其主要来源有自然界的各种微生物以及植物的生物合成，富含植被区域的天然火灾，火山的喷发物，化石燃料以及人为工业碳氢化合物的不完全燃烧和运输过程中的石油泄漏等。多环芳烃的毒性较为强烈，具有生物致癌性，遗产毒性和致突变性。它对于人体呼吸系统，循环系统，神经系统有着多方面的危害，是一种重要的有机污染物，因此有必要对多环芳烃的现场监测和分析方法进行研究。目前对于多环芳烃的分析方法主要有化学分析法和光谱分析法。化学分析法包含有前处理的化学滴定法，液相色谱法(LC)，高效液相色谱法(HPLC)，气相色谱质谱法（GC-MS）；光谱学分析法涉及紫外吸收光谱，荧光光谱和三维荧光光谱等。三维荧光光谱同时获得激发波长和发射波长的信息，因而包含的光学信息十分丰富，灵敏度高，光谱特征显著，在实际水体的现场检测和水体样本混合组分的快速研究有明显的优势。常见的三维荧光光谱解析方法有平行因子分析法(PARAFAC)，多维偏最小二乘法(N-PLS)等。平行因子分析是分析多环芳烃重叠三维荧光光谱的一种有效方法。但有时由于多种组分的荧光较弱，它对三维荧光光谱的欠定分析并不能得到令人满意的结果。为了从两个样品中提取更多的成分，提出一种基于奇异值分解(SVD)和PARAFAC的方法。首先对每个观测样本进行奇异值分解，根据累积贡献率选取合适的奇异值，构造新的伪样本来突出微弱的荧光信号。然后，将两个观测样品及其对应的伪样品输入PARAFAC，恢复组分光谱。为验证所提方法的有效性，对三组不同荧光强度的多环芳烃重叠三维荧光光谱进行了分析。结果表明，从两个混合样品中提取并识别出6个多环芳烃的纯组分光谱，其分辨发射和激发光谱与标准光谱的相似性均在0.80以上。     

荧光光谱及平行因子分析法在植物油鉴别中的应用

利用FS920荧光光谱仪测量市售的八种植物油(大豆油、玉米油、橄榄油、稻米油、花生油、核桃油、葵花籽油和芝麻油)共22个样品的荧光光谱,并对其数据矩阵(EEMs)进行平行因子分析,结合荧光谱分析的直观物质表征和平行因子法对灰色体系的组分识别优势,实现了植物油的种类区分与鉴别。综合分析植物油在特定范围内(激发波长为250～550 nm,发射波长为260～750 nm)的三维荧光光谱和等高线光谱图,给出了各植物油峰位、峰数和峰强等特征信息,确定了植物油各荧光谱峰相应的荧光物质(不饱和脂肪酸类、维生素E及其衍生物、叶绿素及类胡萝卜素);将平行因子模型应用于植物油光谱数据矩阵的分析,确定了平行因子分析模型的因子数及各因子的物质基础(维生素E及其衍生物、亚油酸和亚麻酸、脂肪酸氧化产物、植物油氧化产物)。建立了植物油的4因子激发-发射光谱轮廓图和样品因子投影得分图。通过对植物油荧光光谱的图谱特征和其数据阵平行因子模型的分析,证实荧光光谱技术和平行因子分析法对植物油进行分析和种类鉴别的有效性。     

一种定性分析ABS生产废水中溶解性有机物的方法

联合使用气质联用色谱(GC-MS)、傅咀叶变换红外分光光度计(FTIR)及三维荧光光谱(EEM)等三种分析检测仪器对ABS树脂生产废水中的溶解性有机污染物进行全面的定性分析.检测结果表明气质联用色谱能够定性分析出该废水中苯乙酮、苯乙烯、二苯异丙醇、2-氰幕乙醚、双(2-氰基乙基)胺、3,3-硫代丙二腈、3-(二甲氨基)-丙腈、丙烯腈等21种溶解性有机物污染物,而FTIR和EEM的检测结果进一步的验证了GC2-MS检测结果的准确性和完整性.本研究结果为后续废水处理工艺的开发提供了重要的指导作用.