基于连续光谱分析的在线水质检测信号处理研究

在线光谱水质检测仪器是现代水资源环境监测技术的重要发展方向之一,具有多参数监测和准确度高、重复性好的技术优势,然在线被测水样的光谱信号处理是其关键核心技术,为此,基于连续光谱分析,建立了在线被测水样光谱测量信号的数学模型,提出了基于双波长光强比值不变性的光谱测量信号系统误差处理方法,并结合小波多分辨率滤波噪声处理技术,系统研究了基于在线被测水质参数光谱特征的背景干扰处理方法。以上信号处理方法应用于自主研制的多参数光谱水质监测仪器,在线检测标准环境水样及实际环境水样中的化学需氧量、六价铬和阴离子表面活性剂等水质参数,并与国家标准分析方法展开了现场对比测试,仪器的关键参数重复性(相对标准偏差RSD≤10%)与准确度(实际水样比对试验相对误差A≤10%)均达到并优于国家环境保护技术标准要求,表明该信号处理方法能够有效消除在线水质检测光谱测量信号的系统误差及噪声与背景干扰,对于提升光谱水质监测仪器的技术性能具有重要的作用。     

基于紫外光谱分析的水质监测技术研究进展

基于紫外光谱分析的水质监测技术具有实时在线、无试剂、无需样品预处理、无二次污染、体积小、成本低等特点,在对饮用水、地表水、工业废水等水体的在线监测中具有显著优势,已成为现代水质监测技术的一个重要发展方向。本文介绍了基于紫外光谱分析的现代水质监测技术的原理、特点、现状及发展的新趋势,并提出亟待解决的关键技术问题。     

基于微型光谱仪的多参数水质检测微系统设计与实验

针对水资源环境监测与保护的需求,提出了基于微型光谱仪连续光谱分析的多参数水质检测微系统,系统主要由MOEMS微型光谱仪、流路系统、多功能微小型样品反应检测室和嵌入式测控系统组成,具有自动进样和试剂、样品反应体系的自动恒温、搅拌、光谱检测和数据处理等功能。论文介绍了系统各主要部分的功能与结构,研制出了原理样机,经实验测试验证,研制的多参数水质检测仪能够快速实现多个水质参数的准确检测,满足水质多参数在线监测的应用技术要求,同时具有很大的功能扩展性。     

基于全光谱分析的水质化学耗氧量在线监测技术

针对水体中化学需氧量在线监测的迫切需求,设计了一种基于全光谱分析的水质化学耗氧量监测系统.该系统通过测量已知化学耗氧量的水质吸收光谱,利用最小二乘法建立吸光度与化学耗氧量的传输方程;针对待测水样,通过已建立的传输方程来反演水体化学耗氧量的浓度.通过模拟复杂水样进行化学耗氧量值测量,并将测量值与实验室结果进行比较,验证了该系统的可靠性.结果表明,该全光谱法水质监测系统不需要消耗任何试剂,无二次污染,测量准确度高、速度快,可广泛应用于水质化学耗氧量的实时、现场监测分析.     

基于全光谱分析的水质化学耗氧量在线监测技术

针对水体中化学需氧量在线监测的迫切需求,设计了一种基于全光谱分析的水质化学耗氧量监测系统.该系统通过测量已知化学耗氧量的水质吸收光谱,利用最小二乘法建立吸光度与化学耗氧量的传输方程;针对待测水样,通过已建立的传输方程来反演水体化学耗氧量的浓度.通过模拟复杂水样进行化学耗氧量值测量,并将测量值与实验室结果进行比较,验证了该系统的可靠性.结果表明,该全光谱法水质监测系统不需要消耗任何试剂,无二次污染,测量准确度高、速度快,可广泛应用于水质化学耗氧量的实时、现场监测分析.     

基于紫外-可见光光谱的水质分析方法研究进展与应用

相对于传统水质分析方法,紫外-可见光(ultraviolet-visible,UV-Vis)光谱法具有检测速度快、维护成本低、无二次污染等优点,目前已被广泛应用于水质在线监测各个领域。介绍了UV-Vis光谱法的检测原理,论述了基于UV-Vis光谱的常规水质分析方法研究现状,以及UV-Vis光谱法与其他水质检测方法相融合以提高水质检测性能方面的研究进展,探讨了UV-Vis光谱分析在水质多参数在线监测、水质分类、水质报警等方面的应用现状及其发展趋势。     

基于WIFI的农业物联网温室大棚环境监测系统的设计

针对现代农业温室大棚环境监测中存在的问题,设计了基于WIFI技术的农业物联网温室大棚环境监测系统。该系统由监控中心、WIFI基站、环境采集节点与视频监控构成。环境采集节点以STM32F作为主控器,采集温室大棚内光照度、环境温湿度、土壤温湿度等信息;视频监控采用有线与无线结合的方式;所得环境数据通过WIFI无线网络及光纤传回监控中心。设计了基于B/S架构的上位软件和基于C/S架构的移动终端环境监测软件来实现环境的监测与控制的下达。现场应用结果表明,所设计的环境监测系统网络结构简单、可靠性强、性能稳定。     

基于ZigBee技术的水域污染远程智能监测系统设计

针对所监测水域范围较大实时监测能力不强,水质污染程度监测不准确等问题,提出构建基于基于ZigBee无线通信技术的智能水域污染程度监测系统,利用ZigBee无线通信技术与Internet网络将水质检测数据发送到远程水质监控中心进行汇总处理,监控中心的服务器可获取到所监控水域范围内所有水域的水质污染程度数据、污染发展趋势、主要污染物等信息。本文对水质检测传感器模块、ZigBee无线通信模块、单片机外围电路、模数转换电路等硬件进行了设计;系统软件设计了远程参数设置、驱动程序等内容。通过系统测试结果表明,该系统对于水质污染程度的检测准确率可达到98%以上,通信成功率达到100%,水质检测终端工作稳定可靠,通信速率满足实时监测要求,适用于各种水域环境的水质污染程度的监测需求。     

基于现场图像处理的输电线路覆冰测量系统

对于电力系统而言,高压输电线路及绝缘子在冬季覆冰容易造成短路、闪络等问题.已有的基于图像的输电线路覆冰厚度测量技术,需要将图像数据回传,运行适用范围小且成本较高.本文提出一种基于现场图像处理的输电线路覆冰的监测系统,并详细介绍系统组成.系统通过摄像机采集覆冰图像,传感器监测微气象信息,图像处理获得实时的线路覆冰厚度,并将覆冰厚度和微气象信息通过全球移动通信系统传输回监控中心.搭建了基于气候实验室的标定系统,对测量系统进行了标定和实验.监测系统能够实现覆冰在线监测和微气象在线监测,性能稳定重复性好.     

基于ARM11的热力站远程水质监控系统设计

为实现对循环水水质的远程监测,设计并开发了一种基于嵌入式技术的热力站远程水质监测系统的监测终端。监测终端由水质传感器、GPRS模块、通信转换模块及嵌入式开发板组成。嵌入式开发板以ARM11系列的Tiny6410为硬件基础,并嵌入WinCE系统作为软件平台,同时加入SQLite数据库以实现将水质传感器采集到的氯离子、PH值、溶解氧等参数的本地存储、查询及图表显示。最后监测终端通过GPRS模块与数据中心建立无线连接,接收数据中心的配置命令,并将现场测得数据发送到远端数据中心。调试结果表明：远程监测终端实现了循环水水质远程监测的功能要求,对于实现水质自动化监测具有一定的理论意义和实用价值。     

LEFC-2006在水质铊监测中的应用研究

铊作为剧毒的重金属元素,具有较强的蓄积性、潜伏性和迁移性,含铊矿床的开采及其工业三废的大量排放,都可导致铊进入地表环境,参与到土壤圈、水圈、大气圈、生物圈物质循环,并逐步在土壤和水体中富集,破坏生态环境,最终会通过食物链危及人体健康。近年,水质铊污染突发事件时有发生,水环境铊的分析技术也成为铊分析技术研究的热点,但多集中在实验室分析方法的改进方面,水质铊在线监测分析方面的研究甚少。而实验室分析方法在运输、保存过程中难免有污染、损失等;且在数据时效性上也导致了一定的滞后,很难应用于水体铊的应急监测分析,从而影响了污染事故的分析和处置,成为处置污染事故的最大瓶颈。为了快速、准确响应水质铊现场监测,开展的水质在线监测技术研究对水质铊元素监测具有重要的应用意义,可以实现水体铊污染的监测与预警,进而有效降低因环境铊污染引起的铊中毒的风险。建立了一种基于三电极方法原理的水质铊监测新技术。该方法所用仪器小型、便携、低成本,不仅可用于铊污染事故应急现场监测,还可以用于污染源监管、地表水风险预警自动监测。本文就仪器检出限、正确度、精密度、方法比对、现场应用等各项性能指标进行了验证。实验表明,该技术用于测定水质铊的方法检出限为0.02 μg·L-1,与ICP-MS仪的检出限一致;用于测定铊标准溶液的相对误差范围为-5.5%~2.9%;测定实际水样的相对标准偏差范围为0.60%~6.2%;其加标回收率达到101%~127%。当水样含量在0.08 μg·L-1以上,该方法在现场应急监测比对中,与实验室ICP-MS法具有可比性,表明该技术具有很好的适用性。     

基于光栅检测的显微镜闭环扫描控制系统的设计

高精度扫描控制系统是现代扫描显微系统的重要组成部分，它影响着扫描显微镜对样品的扫描成像质量。提出了一种基于光栅检测的单片机闭环扫描控制系统的设计方案。该系统采用PC上位机发送指令，下位单片机控制扫描工作台的移动，光栅作为检测元件输出脉冲信号。单片机控制电路实现脉冲的计数并计算误差值，控制步进电机进行误差补偿。步进电机的硬件细分驱动，实现了步距2细分、4细分、8细分。实验结果表明该系统的重复定位精度达到0．005mm，满足扫描显微镜对扫描控制系统的要求。     

基于水纹识别的水体污染溯源案例研究

三维荧光光谱是近年新兴的高灵敏度有机污染检测技术。以此技术,清华大学研制出污染预警溯源仪,并在南方A市投入使用,用于水体荧光水质指纹监测和异常情况污染溯源。这一新型监测手段打破了传统水质监测技术无法提供污染源指向性信息的局限,可以有效识别水质异常并快速诊断污染来源。研究中以污染预警溯源仪捕获的S河中一次水质异常事件为例,介绍这次事件的污染源诊断过程：仪器在线监测过程中捕捉到未知类型的水体水纹,根据水纹峰型及峰强度的变化初步推断污染入侵过程;随后通过仪器对水体水纹与污染源水纹的比对来实现溯源。研究采用pH、苯胺类、TOC和TN等水质指标的变化来检验诊断结果。结果表明,通过监测水纹变化,水纹预警溯源技术能够快速识别和预报水质异常,实现比较准确的污染源诊断。此次水质异常可能是河流上游某化工厂倾倒原料所导致。     

顺序注射-连续光谱测定水质多参数方法研究

针对水质多参数监测仪器的低功耗、微型化、集成化和智能化,研制了一种基于顺序注射分析技术（SIA）和连续光谱检测方法融合的微型测定原位水质多参数检测仪,系统设计的核心在于消解池结构设计且消解池作为检测池,以及微控技术顺序注射平台的原理设计和多参数联合消解测定流程设计。对融合SIA和连续光谱水质多参数原位分析的新方法进行实验研究。设计了基于国标水质检测标准的多参数顺序注射分析检测流程,基于分光光度检测方法,在使用连续光谱扫描测量的条件下,融合顺序注射分析技术对亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮、总磷的含量进行检测。测定消解前,对硝酸盐氮、亚硝酸盐氮进行直接光谱测量,测定消解后对总氮进行光谱检测,显色反应后,对总磷进行光谱检测。在本系统下,以亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总磷和总氮原位水质参数为测定对象,基于连续光谱分析,最小二乘法建立回归模型并绘制各参数的浓度-吸光度标准工作曲线,其拟合优度（即决定系数）≥0.989 9。配制已知亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮、总磷含量的混合溶液,按照上述的多参数检测流程,利用本系统绘制出的标准工作曲线测量4个参数,实验结果表明,实验参数重复性（相对标准偏差）RSD≤3.86%,系统可稳定、高效的分析不同水样中的亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮、总磷含量。基于SIA-连续光谱融合测定原位水质多参数检测方法研究,对于提升在线水质监测仪器的技术性能具有重要作用,微型多参数水质监测仪的研制具有良好的参数扩展前景,适用于多种水质在线监测平台。     

水质参数遥感反演光谱特征构建与敏感性分析

水质遥感监测是遥感的重要应用方向之一,作为传统水体采样化验的辅助手段,具有快速、大面积、无接触的技术优点。然而,目前内陆河湖水环境监测常用的遥感传感器大多是针对陆地观测或海洋水色观测而设计的,其性能指标的设计和设置并未考虑到内陆水体特性,限制了水质遥感定量监测的应用。针对这一问题,提出了一种基于变异系数和噪声占比指数的水质参数反演光谱特征构建方法,并通过光谱仿真模拟实验,研究光谱分辨率、信噪比以及辐射分辨率对典型水质参数反演模型的影响。选择上海市三项典型水质参数溶解氧（DO）、总磷（TP）和氨氮（NH₃-N）为研究对象,分别构建了水质参数反演光谱特征及相应遥感反演模型,然后开展光谱仿真模拟实验,定义了敏感度S和水质敏感微分指数CI,进行敏感性分析。最终从模型反演准确度和稳定性两个方面来评价仪器参数对水质参数遥感反演模型的影响。结果表明：光谱特征构建方法能有效确定水质参数反演特征波段。光谱分辨率对比值型的水质参数反演模型的影响较小,而信噪比和辐射分辨率对模型影响较大,随着信噪比和辐射分辨率的增加,水质参数模型精度和稳定性都有一定提升。综合仪器指标敏感性分析,可知当信噪比优于56 dB,辐射分辨率不低于9 bit,光谱分辨率适宜,能够较好地应用于内陆河湖水质遥感监测。该研究不仅可以为面向内陆河湖水质监测的传感器的研制提供参考和借鉴,还能为水资源监管部门进行水质遥感监测提供技术支持,有利于加快水环境智能化监测体系的构建。