基于反向传播神经网络的激光诱导荧光光谱塑料分类识别方法研究

塑料具有成本低、质量好,可塑性强等优点被广泛用于生产生活等领域,但废弃塑料处置不当容易引发二次污染。回收再利用有望成为解决废弃塑料污染问题的关键手段,其前提是对废料的准确分选。传统分选手段耗费时间,效率低下,难以实现废弃塑料的快速、经济、有效分类。激光诱导荧光技术是一种快速灵敏的光谱检测技术。具有操作简便,检测效率高,样品使用量小等优点常被应用于水体、土壤中油类,多环芳烃等有机污染物的快速识别与定量分析。利用激光诱导荧光技术可以快速采集不同塑料的荧光光谱,结合相应的模式识别算法,可实现塑料材质的快速准确识别。实验采集了8种塑料（ABS,HDPE,PA66,PLA,PP,PET,PS,PVC）共358组激光诱导荧光光谱,依据特征峰信息构建358×10的光谱矩阵。利用主成份分析法削减原光谱矩阵中的线性相关量,提高数据精度。结果显示前3个主成分的累计方差贡献值达98.085%,足以表征原光谱矩阵的主要信息。将降维的主成分PC1, PC2, PC3作为输入进行光谱分类,其中同种塑料光谱聚合度高,元素构成不同的塑料如PA66,PLA,HDPE和PVC的光谱分离度较好,而元素构成相同的塑料如PET和PLA的光谱分离度较差。PCA算法并不能准确的对未知塑料进行识别。BP-神经网络具有收敛速度快,预测精度高等特点被广泛用于模式识别和分类研究。将经PCA算法得到的简化特征矩阵作为BP-神经网络算法的输入集,其中随机抽取256组数据作为BP-神经网络算法模型的训练集,剩余的102组数据作为模型检测集。BP神经网络的隐藏层设定值为1,激活函数选择双极性Sigmoid函数,输出层为8种塑料样品。识别结果显示,102组数据中只有一组HDPE光谱数据被错识为PS,其余101组数据全部正确识别。8种塑料荧光光谱的综合识别准确率达到99%。研究结果表明激光诱导荧光技术结合BP-神经网络算法可实现不同材质塑料的快速准确识别。为实现废弃塑料的自动化智能分选,降低回收成本,减少废弃塑料危害提供新的参考。     

基于激光诱导荧光的溢油厚度定量检测实验研究

海上溢油油膜厚度的定量检测是实现溢油量准确估计的重要依据和手段,为制定石油污染应急响应提供了基础数据。本文基于激光诱导荧光（LIF）的方法以柴油（0# diesel）、机油（Mobil motor oil 20w-40）、润滑油（Shell Helix 15w-40,Shell Helix 10w-40,Shell Helix 5w-40）为研究对象,重点分析了油膜厚度-荧光发射强度关系,检出限以及油膜厚度在不同水体中定量检测的准确性。结果表明：0#柴油和美孚机油20w-60的荧光光谱特征与润滑油的光谱特征有明显不同,柴油的荧光峰位于326 nm其FWHM为60 nm,美孚机油20w-60则具有三个荧光峰分别位于360 nm/375 nm/390 nm其FWHM为100nm。三种润滑油（壳牌润滑油15w-40、壳牌润滑油10w-40、壳牌润滑油5w-40）的荧光光谱重叠明显,荧光峰分别位于334,344和343 nm且FWHM分别为75,45和50 nm。5种油膜的荧光强度均随油膜厚度的增加而增加,校正曲线的相关性分别为0.997 8,0.997 9,0.996 4,0.997 8和0.996 0,均具有较好的相关性,5种油膜检出限分别为0.03,0.02,0.02,0.03和0.05 μm,0#柴油在合成海水A和B中的平均相对误差为5.04%和8.73%,平均相对标准偏差分别为4.37%和8.36%,美孚机油20w-40在合成海水A和B中的平均相对误差为7.99%和9.97%,平均相对标准偏差为4.78%和6.23%。壳牌润滑油15w-40在合成海水A和B中的平均相对误差为8.54%和13.69%,相对标准偏差为5.05%和9.08%。壳牌润滑油10w-40在合成海水A和B中的平均相对误差为6.33%和12.38%,平均相对标准偏差为2.85%和7.92%。壳牌润滑油5w-40在合成海水A和B中的平均相对误差为4.28%和11.57%,平均相对标准偏差为3.56%和7.73%。可见5种油膜在不同水体中定量检测的平均相对误差均小于14%,平均相对标准偏差均小于10%,研究结果可以实现对薄油膜的测量,为海上油膜厚度的在线监测提供了技术手段。     

污染气体扫描成像红外被动遥测技术研究

傅里叶变换红外光谱技术可实现大气中污染气体的远程被动遥测。而污染气团的位置和分布,对于有害气体泄露情况下泄露位置勘查和污染扩散态势的评估来说是至关重要的。据此设计了一套红外被动成像遥测系统,系统由傅里叶变换光谱仪、数据采集处理软件、扫描系统、可见光成像系统和计算机组成。以六氟化硫为示踪气体,开展了遥测验证实验。通过非线性最小二乘算法结合辐射传输计算反演获得了目标气体的柱浓度,并用伪彩色图显示其分布情况,最后以可见光图像叠加伪彩色柱浓度分布图的形式显示结果。实验分析表明,该系统具有高探测灵敏度,并以可视化和定量的方式显示污染的空间分布情况。     

LIBS技术结合多元校正定标检测土壤中的Cr

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术结合支持向量机(SVM)定量分析土壤中Cr元素的含量。利用波长为1 064 nm的Nd∶YAG脉冲激光器作为激发光源,采用光栅光谱仪和CCD分光探测不同重金属元素含量土壤样品的LIBS特征光谱。为了提高土壤中Cr元素定量分析的精度,分别采用多元线性回归分析和SVM两种方法对土壤中Cr元素的含量进行定量分析。研究结果表明,采用多元线性回归分析方法可以有效提高定量分析的精度,定标曲线拟合相关系数从传统定量分析方法的0.689提高到0.980;SVM定量分析方法训练集得到的定标曲线斜率近似为1,拟合相关系数为0.998,优于传统定量分析方法和多元线性回归分析方法,对检验集的预测相对误差均在2.57%以内。LIBS技术结合多元线性回归和SVM定量分析方法可以有效的提高土壤中Cr元素定量分析的稳定性和精度,校正土壤基体效应对Cr元素定量分析的影响。     

星载石英漫反射板双向反射分布函数实验测量研究

石英漫反射板用于星载大气痕量气体差分吸收光谱仪测量太阳参考谱的观测系统中,太阳光谱的测量精度将会直接影响痕量气体反演的精度,为保证载荷全视场太阳光谱的测量精度,石英漫反射板需具有良好的朗伯特性,在仪器观测视场内能够提供均匀的光源。为此,在实验室利用双向反射分布函数(BRDF)测量仪,选取F4(聚四氟乙烯)粉压制板作为标准板,采用相对测量法对研制的四种石英漫反射板样品进行了朗伯特性测量,得出了四种样品在波长180～880 nm、观测角度-70°～+70°范围内的BRDF。通过对样品BRDF的分析,筛选出了两种工艺下的朗伯特性较好的石英漫反射板作为初选样品,并测量比较了石英漫反射板和F4标准板对太阳光的漫反射光谱,石英漫反射板对太阳光的反射特性较好,可以作为测量用漫反射板获取太阳参考谱。为进一步的紫外辐照、原子氧侵蚀等试验以及对比试验提供了数据支持。     

薄膜法X射线荧光测量中样品检测位置及防护铅板内衬材料的选择研究

(1)以型号316不锈钢金属板为研究对象,对薄膜法X射线荧光光谱测量中,样品检测位置的选择进行研究,确定了最佳的样品检测位置为样品距离X射线管和探测器水平基线1 cm处,并且与X射线管和探测器水平基线成16°角度。(2)以工业环境空气重金属污染物Pb,Cd,Cr为主要分析对象,在有铅板防护情况下进行薄膜法X射线荧光光谱测量研究,发现X射线会穿透样品薄膜而继续激发防护铅板,使得滤膜背景光谱中有较强的铅谱线干扰,会对实际样品中铅元素的测量产生影响。在薄样和防护铅板之间加上一层隔离材料,可有效避免防护铅板中铅谱线对样品测量产生的干扰。(3)以型号316不锈钢、黄铜、铝材、紫铜和聚四氟乙烯几种硬质隔离材料作为铅板内衬材料进行选择研究,结果表明：紫铜的X射线荧光光谱中所含元素的谱线最少,谱图中没有出现重金属Cr,Cd,Pb的谱峰,并且能量较高部分靶材散射光谱强度较弱,对实际样品中重金属元素Cr,Cd和Pb的测量不会产生干扰,作为铅板的内衬金属材料可以避免防护铅板中铅元素谱线的干扰,是最佳的薄膜法X射线荧光光谱分析中铅板的内衬金属材料。该研究为组装及搭建便携式大气及水体重金属X射线荧光光谱分析仪提供了重要的理论依据。     

差分吸收光谱中甲醛的反演研究

由于甲醛(HCHO)在城市大气光化学反应中的重要性,测量大气环境中的甲醛已经成为全球的热点。针对目前国内检测甲醛的方法基本局限于化学法,文章详细介绍了采用差分吸收光谱(DOAS)技术反演得到大气环境中甲醛的方法,利用自制的差分吸收光谱系统测量了北京地区大气中的甲醛。文章分析了DOAS反演过程中反演甲醛光谱波段的选择及去除大气中SO₂,NO₂,O₃的吸收以及氙灯灯谱结构对光谱反演中的交叉干扰影响;通过采用选择不同干扰气体所对应的最优波段,同时反演获得大气环境甲醛的浓度,避免了甲醛选择波段过窄,干扰气体去除不全的缺点;通过对误差来源的分析,得到该甲醛的反演方法总误差在13.7%内。     

城市空气质量监测系统(DOAS)谱线漂移问题及解决方法

城市空气质量监测系统中差分光学吸收光谱法的光学部分受到外界影响(温度、光纤位置等),或是氙灯自身的变化,都会引起测量谱线的漂移。如果灯信号谱与大气测量信号谱谱线漂移不一致而产生谱线相对偏移,将直接影响测量结果的准确性。因此,在运用DOAS方法进行大气痕量气体污染物浓度反演时,必须对大气测量信号谱和灯信号谱进行波长匹配。文章通过对氙灯自身发射光谱特殊结构的研究,提出了利用氙灯特征发射峰,通过对两个信号光谱进行最小二乘拟合,达到谱线校正的方法。实验结果证明,这种方法可以有效地减小谱线相对偏移对大气痕量气体污染物浓度反演结果的影响。     

基于光谱波段优化选择的FTIR测量与分析

在主动式红外遥感测量中,大气中痕量气体的红外吸收与不同红外波段的透过率光谱有关。在很多情况下,透过率光谱在光谱定量分析中起到重要的作用,因此,对测量和仿真的透过率光谱的波段进行优化选择是定量分析的关键。文章对最佳透过率测量范围进行了理论分析, 得到了对应于待测气体浓度反演相对误差最小的理论最佳透过率值;基于谱线的洛伦兹线型通过计算得到了待测气体分子的吸收截面, 同时给出了透过率光谱的校准训练集;确定了单组分CO₂光谱测量分析的波段,优化了多组分CO, CO₂和N₂O光谱同时测量分析的波段并成功地应用于开放光路光谱仪系统。光谱拟合分析结果表明,测量光谱与参考光谱得到了很好的拟合,拟合均方根误差小于1%。     

傅里叶变换红外光谱测量热气体温度新方法初步研究

详细地讨论了分子转振光谱理论,总结了影响分子转振光谱结构和强度分布的因素,得知各谱线相对光谱强度(即归一化光谱)只与温度有关,其分布结构与温度一一对应。根据这种特性,文章提出了一种利用傅里叶变换红外光谱测量热气体温度的新方法。从HITRAN标准数据库中提取数据建立了一个测温数据库,并用4个不同温度的实测光谱数据对建立的测温数据库进行定标和检验。用定标后的测温数据库所得的测量温度与实测温度吻合得非常好。与目前常用的两种遥感测温方法(分子发射基带最大强度光谱测温法,分子转振光谱测温法)相比,该方法的优点是：物理过程简单,容易计算,精度高,是一种简单实用的方法。