6-付慶波-光譜融合傳感技術及其在智慧水務領域的應用.pdf

《6-付慶波-光譜融合傳感技術及其在智慧水務領域的應用.pdf》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《6-付慶波-光譜融合傳感技術及其在智慧水務領域的應用.pdf（39頁珍藏版）》請在三個皮匠報告上搜索。

1、光譜融合傳感技術及其在智慧水務方面的應用付慶波 博士 2023年3月 目錄目錄u 光譜融合傳感技術概述光譜融合傳感技術概述u 光譜融合水質傳感器及智慧化應用光譜融合水質傳感器及智慧化應用u 太赫茲及光纖光譜水質傳感器太赫茲及光纖光譜水質傳感器光譜及其產生機理光譜及其產生機理-光量子說光量子說光譜的分類光譜分析法是基于物質與輻射能作用時，測量由物質內部發生量子化的能級之間的躍遷而產生的發射、吸收或散射輻射的波長和強度進行分析的方法，主要分為原子光譜和分子光譜。*多光譜數據融合分析技術的研究和應用進展_戴嘉偉分子光譜電子能級、分子振動和轉動能級的變化產生帶狀譜l紫外可見光譜l近紅外光譜l中紅外光譜

2、l拉曼光譜l分子熒光光譜原子光譜原子外層或內層電子能級的變化產生線狀譜l原子發射光譜l原子吸收光譜l原子熒光光譜lX-射線熒光光譜l激光誘導激發光譜LIBS在水質檢測方面，一般采用分子光譜進行有機污染物的分析表征，采用原子光譜進行無機粒子的分析表征現代光譜分析技術-高度依賴數據計算能力，軟硬件結合不同光譜從不同側面反映物質的元素組成、結構和含量等信息，如果對樣品進行全面的定量和定性分析，則需要結合一定的數學分析手段。經典光譜定量分析-朗伯比爾定律線性回歸分析統計分析化學計量學數據清洗非線性模型人工智能AI多維數據融合水的不同類型光譜分析表征高分辨質譜二維核磁色譜紫外吸收光譜三維熒光光譜拉曼光譜

3、太赫茲譜紅外光譜近紅外光譜光譜融合技術1.拉曼光譜系統 2.傅里葉變換中紅外光譜系統 3.近紅外光譜反射系統 2.4.分子熒光光譜系統 5.化學反應器 6.光纖探頭硬件融合軟件融合多光譜數據融合策略低層融合是一種最直接和最簡單的融合策略，將同一樣本所得到的多光譜數據連接在一起，形成新的融合數據，然后作為定性或定量模型的輸入變量，以達到提高模型預測能力、提升模型穩定性等目的。低層融合的優勢在于概念簡單，可保留原始數據中的全部信息，而且對于零階和一階數據具有很強的適用性；不足之處在于需要對不同來源的信息進行考量和預處理工作，以保證融合的順利進行，此外低層融合對于二階數據融合效果不佳。的融合效果不佳

4、。中層融合是將不同來源的光譜數據經過特征提?。ㄈ?PCA）、波長變量的選擇及其比率、小波系數等）并將選取的特征變量按一定的順序進行矢量化，實現數據的融合。一些研究者將低、中層融合進行了比較，由于特征提取可有效剔除無關變量，所以中層融合的效果大多優于低層融合。而且，通過提取特征變量還可對二階光譜數據進行降維，起到簡化計算的作用，因此，中層融合同樣可應用于二階數據的融合。此外，有研究表明，中層融合比其它融合策略表現出了更好的線性關系。高層融合也稱為決策級融合，從每個光譜數據源單獨建立分類或回歸模型，并將每個單獨模型的預測結果進行組合，以得到最終的決策結果。實際上，在高層融合中通常還包含光譜數據的低

5、層融合和中層融合。光譜融合水質傳感器及智慧化應用智慧水務的構架：在線監測數據處理決策應用在線監測與傳感技術廠網河聯調聯動：智慧化決策與控制應用數據的傳輸分析與存儲應用層支撐層感知層智慧水利系統智慧水環境系統智慧給排水系統汛情監視、防洪調度災情評估、決策會商水質監測與預警水廠設施、給排水管網巡檢與監控供水優化調度與費用管理智慧水處理系統閉環控制工藝排污口實時監測入河排污口是指直接或者通過溝、渠、管道等設施向江河、湖泊排放污水的排污口。通過“查、測、溯、治”等工作方式對入河排污口開展整治管理已成為水生態環境精細化管理的關鍵環節!建設小型水質監測站 市電或者太陽能供電連續排水 建設微型站 太陽能或者

6、蓄電池供電非連續排水適合標準分析方法（化學法）適合在線光譜檢測方法光譜法微型站的特點：成本低，運維簡單，定位于預警監測，對偷排漏排進行追蹤溯源適用的光譜水質傳感技術：紫外可見吸收光譜、散射光譜、近紅外光譜吸收整體呈現波長越短吸收越強的趨勢不同區域水體的吸收強度和吸收峰不同在同一波長處的吸收強度差異較大紫外吸收光譜的電子躍遷軌道紫外吸收對應的分子官能團特征代表產品：SDD6多參數光譜水質傳感器-歐勒姆電氣（珠海）有限公司紫外吸收與散射光譜融合技術適用于水體有機物/懸浮物/膠體分析COD量程0-500mg/L水廠生產過程控制-光譜指標評價強化混凝、離子交換工藝與預測消毒副產物生成勢16種地表水水樣

7、紫外吸收光譜體積排阻色譜-紫外多波長掃描圖P P1 1：大大分分子子蛋蛋白白類類生生物物聚聚體體P P2 2：中中等等分分子子量量腐腐殖殖酸酸P P3 3：富富里里酸酸P P4 4：小小分分子子物物質質（無無熒熒光光）體積排阻色譜三維熒光光譜代表性產品與方案：南京同開環?？萍加邢薰?.進行在線、實時的水質監測，實現污染快速預警2.可作為飲用水處理工藝，動態化調整試劑投加量可實現靈敏、快速、實時監測有機污染物節省藥劑，減少物力損耗方案架構臭氧工藝監控和消毒副產物預警傳感器：采用熒光指標替代UV254，排除O3和ClO-的干擾，有利于負反饋控制紫外、熒光光譜指標與THMs生成間的相關性分析紫外、

8、熒光光譜指標與HAAs生成間的相關性分析水質污染物溯源傳統表征有機物含量的水質參數如和等只能表示總量，無法展示有機物成分，例如無法區分易降解、可降解和不易降解的有機物。這些不足使得污水處理設施的設計和運行仍然長期依賴經驗。熒光有機物（，）在特定波長的激發光（，）照射下會產生特征波長的發射光（，）。因此在以激發波長、發射波長作橫縱坐標的熒光光譜中每種都有特定位置，且的濃度與熒光強度正相關。污水中含有大量，例如蛋白質、腐殖質、油脂、石油、維生素、表面活性劑等。由于的上述特點，污水的熒光光譜可以展現機物組成，被稱為水質熒光指紋水質熒光指紋。地表水生活污水印染廢水甜味劑生產廢水光伏生產廢水常見有機物在

9、水中的熒光識別位置及潛在來源水質在線監測-預警-污染溯源的技術體系架構水體中大部分的DOM具有熒光特性，在過去十年中研究人員常用三維熒光光譜分析技術結合平行因子分析方法（3D-EEM-PARAFAC）分析DOM熒光特征。DOM的熒光特征可用來分析水體中DOM的組分和來源，進而識別水體污染源。al.2015）三維熒光光譜特征與氨氮、TP、TN之間的關系*基于水化學特征和熒光指紋的染物源解析方法研究及其應用_位夢姣DOM三維熒光光譜指標FI和HIX用于不同水體的水質評估高光譜-多光譜-遙感成像技術高光譜遙感技術的核心為成像光譜儀，載有成像光譜儀的飛行器、衛星沿推掃方向獲取目標的二維空間圖像和一維光

10、譜信息，形成三維數據立方體。高光譜遙感的主要應用集中在水利方面的“四水問題”洞庭湖葉綠素a濃度的反演云南滇池-懸浮物濃度反演青蝦養殖尾水處理無人機高光譜分析-有機物濃度指標反演*基于無人機高光譜遙感技術對內陸養殖池塘水質監測的研究_劉梅研究區地理位置及采樣點分布利用大疆無人機M600 Pro搭載高光譜成像儀GaiaSky-mini獲取尾水處理區及周邊養殖池塘的高光譜影像。無人機飛行高度為100 m,無人機高光譜相機的掃描范圍為4001 000 nm,光譜通道為176,光譜分辨率為3.5 nm。所選實驗時間均晴朗微風(12級),無云層覆蓋。各水質參數實測值與最佳反演模型預測值對比圖養殖小區池塘各

11、水質指標濃度空間反演效果末端供水水質監測2011年對地級以上城市集中式飲用水水源環境狀況調查顯示，約35.7億立方水源水質不達標，占總供水量的11.4；全國設市城市公共供水廠出廠水水樣達標率為8383，設市城市和縣城公共供水末梢水水樣達標率為79%79%-城鎮供水末端水質保障與改善技術探討-李妍，2013，給水排水城鎮地區二次供水合格率只有70%70%，部分地區的二次供水合格率未達到50%50%，這些地區超標指標有濁度、色度、鐵、大腸菌群落，造成這一問題的主要原因是末端余氯濃度持續下降，無法發揮出應有的消毒作用。-何秀香.探討城鎮供水末端水質保障與改善技術J.大科技，2017.我國城鎮凈水廠出

12、廠水質合格率在95以上，有的地區已達100，與此相對應的供水末端（含住區與建筑物用水）水質合格率卻常常不到75%！-城鎮供水末端水質保障技術的現狀與需求-趙鋰，2013二次供水是影響末端水質質量的重要環節檢測指標檢測范圍分辨率準確度重復性單位說明TOC0-100 0.01FS*5%0.5mg/L備注1COD0-200 0.01FS*5%0.5mg/L備注2色度0-1000.01FS*5%1度備注3濁度0-1000.01FS*10%1NTU備注4TDS0-10001（10+讀數*20%）5mg/LUV2540-10.001FS*5%0.005溫度0-500.011.51攝氏度備注6典型產品-多光

13、譜在線水質傳感器-深圳比特原子科技太赫茲及光纖光譜水質傳感器利用全反射太赫茲方式測量了純凈水、自來水、河水、海水和海水五種水樣品的時域光譜，通過光學參數提取模型得到樣品在0.2-1.0范圍內的吸收系數、折射率和介電常數。（）：折射率；（）：吸收系數；（）：介電常數實部；（）：介電常數虛部基于光纖技術的水質檢測具有靈敏度高、檢測速度快、可實現實時在線監測、分布式和準分布式監測等優點;同時利用光纖水質傳感器能夠實現多參量無損和無污染監測，便于微型化和智能化。能夠檢測水體特定污染物濃度、色度、化學需氧量、折射率、ph、金屬離子等。的檢測傳感器功能型光纖水質傳感器功能型倏逝波光纖傳感器原理圖異芯結構原

14、理圖。(1)多模光纖包層;(2)多模光纖纖芯;(3)單模光纖包層;(4)單模光纖纖芯基于 MZI 嵌入式 FBG 傳感器結構示意圖表面等離子體共振(SPR)光纖傳感器表面增強拉曼散射(SERS)光纖探頭*光纖水質檢測技術的研究現狀與發展趨勢_陳浩 環境數據，尤其是水質數據的重要性越發明顯?；谖锫摼W和人工智能的方式構建從水源頭到水龍頭的全域水質數據，實現水環境的網格化管理和城鎮給水排水的聯調聯動，構建新型水環境基礎設施，從而提升社會生活的整體運行效率。因此，需要在水質監測技術和產品上進行持續創新。光學檢測技術的成熟和普及應用是一個趨勢。另外，由于光學類傳感器的快速響應，其在“廠網河聯調聯動”方面也有極大的應用潛力。此外，基于人工智能大數據技術，可以構建實時水質地圖，從多個維度實現水質數據的挖掘和分析，全面服務于生態環境建設。新的技術發展有個成熟的過程，產品力的提升也需要時間，標準的支持和完善工作也需要同步進行。但是，“風物長宜放眼量”，面向未來，創造價值應當是創新性科技公司的使命，優秀的公司和產品必將與行業共同成長，互相成就！