多层深度学习模型驱动的水质COD测量研究

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作者 郑培超 何浩楠 +7 位作者 陈述斌 李海娟 侯艳 李成林 阮伟 杨琴 王金梅 李彪 《中国无机分析化学》 北大核心 2025年第5期618-627,共10页

有机物污染严重威胁着水资源生态系统,并直接危害人类健康。化学需氧量(COD)作为评估水体污染程度的重要指标,其准确预测对于有效的水质管理和环境保护至关重要。然而,由于水质序列的非线性和非平稳性特征,传统的预测模型在准确性上存... 有机物污染严重威胁着水资源生态系统,并直接危害人类健康。化学需氧量(COD)作为评估水体污染程度的重要指标,其准确预测对于有效的水质管理和环境保护至关重要。然而,由于水质序列的非线性和非平稳性特征,传统的预测模型在准确性上存在局限。此外,将深度学习网络与元启发式算法结合的性能尚未得到充分验证。为了克服这些挑战,提出了一种创新的多层深度学习模型,用于提高紫外-可见吸收光谱技术在COD测量中的预测精度。模型融合了卷积神经网络(CNN)以提取光谱的空间特征,双向长短期记忆网络(BiLSTM)以捕捉数据的时间依赖性,以及注意力机制(Attention)以增强对关键信息的识别。通过鲸鱼优化算法(WOA)对超参数进行优化,显著提升了预测性能。结果表明,模型在测试集上的决定系数(R2)为0.9601,均方根误差(RMSE)为0.1339,平均绝对误差(MAE)为0.1092,显著提高了COD预测的精确度和鲁棒性。未来的研究将探索集成更多环境变量,以开发更为全面的深度学习模型,进一步推动水质监测与管理技术的发展。 展开更多

关键词 光谱学 化学需氧量 深度学习 超参数优化 水质检测

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紫外-荧光特征级融合结合CARS-BO-LSSVM的水质COD检测方法

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作者 郑培超 李成林 +5 位作者 王金梅 杨琴 曾金锐 吕强 阮伟 何浩楠 《中国测试》 北大核心 2025年第4期91-99,共9页

化学需氧量(COD)是表征水体中有机物含量的重要指标。使用基于不同光谱法的算法模型可以实现地表水COD的快速准确检测,针对紫外吸收光谱法和激光诱导荧光光谱法在测量精度上的不足,提出基于紫外-荧光特征级融合的光谱检测方法。将采集... 化学需氧量(COD)是表征水体中有机物含量的重要指标。使用基于不同光谱法的算法模型可以实现地表水COD的快速准确检测,针对紫外吸收光谱法和激光诱导荧光光谱法在测量精度上的不足,提出基于紫外-荧光特征级融合的光谱检测方法。将采集的实际水样经标准化学法得到COD理化值,以氘卤灯作为紫外-可见光源和以405 nm单波长半导体激光器作为激发光源,采用自主搭建的光谱系统采集水样的紫外吸收光谱和荧光发射光谱。选择Savitzky-Golay滤波对光谱去噪平滑,由竞争性自适应重加权采样(CARS)对光谱进行特征提取,并与主成分分析、连续投影算法对比,以贝叶斯优化的最小二乘支持向量(BO-LSSVM)算法作为建模方法,分别建立基于紫外吸收光谱法、激光诱导荧光光谱法和紫外-荧光特征级融合法的预测模型。结果表明:采用紫外-荧光特征级融合法的预测模型性能优于单一光谱法,提出的基于紫外-荧光特征级融合结合CARS-BO-LSSVM模型在噪声容限和预测精度方面优于其他模型,训练集R2为0.9371、RMSE为0.2726 mg·L^(–1)、MRE为9.99%,测试集R2为0.9377、RMSE为0.2578 mg·L^(–1)、MRE为7.68%。该方法对水质光谱的非线性分析具有良好的泛化性和鲁棒性,可为水质COD的快速检测提供可靠的参考价值和研究思路。 展开更多

关键词 化学需氧量 激光诱导荧光 特征级数据融合 竞争性自适应重加权采样

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光离子化检测器的电离室结构设计与实验分析 被引量：2

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作者 郑培超 李海 +4 位作者 刘星宇 朱思蒙 李志伟 王金梅 毛雪峰 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2019年第12期35-39,48,共6页

文中设计了光离子化检测器,利用Simion8.1软件进行了不同极板电压、极板间距以及载气入气口直径下的静电场仿真,在尽可能小的气室体积内设计出了结构更加优异的电离室,同时通过仿真分析降低了大量试验时间与成本。通过仿真与分析,得到... 文中设计了光离子化检测器,利用Simion8.1软件进行了不同极板电压、极板间距以及载气入气口直径下的静电场仿真,在尽可能小的气室体积内设计出了结构更加优异的电离室,同时通过仿真分析降低了大量试验时间与成本。通过仿真与分析,得到了极板电压与带电粒子收集效率的关系,确定了175 V的极板电压以及收集板与极板间距为6 mm,入气口直径为6 mm。在系统实验阶段,对通入气体的流速做了优化,测试中气体流速为200 mL/min;对0~273 ppm的异丁烯气体进行检测,系统响应与气体浓度间成良好的线性关系,拟合优度为0.986 61,在不同时间段检测系统具有良好的稳定性和可重复性。 展开更多

关键词 挥发性有机物 光离子化检测器 静电场仿真 电离室

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氢化物发生辅助溶液阴极辉光放电光谱技术检测水体中痕量汞和锡 被引量：1

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作者 郑培超 刘冉宁 +4 位作者 王金梅 冯楚辉 何雨桐 吴美妮 何雨欣 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第4期1139-1143,共5页

溶液阴极辉光放电技术作为一种新型的光谱检测技术,被广泛应用于环境污染物的分析和检测等方面。虽然该技术具有结构简单以及成本低等优势,但是在重金属检测方面,其灵敏度还有待提高。针对上述问题,搭建了氢化物发生-溶液阴极辉光放电... 溶液阴极辉光放电技术作为一种新型的光谱检测技术,被广泛应用于环境污染物的分析和检测等方面。虽然该技术具有结构简单以及成本低等优势,但是在重金属检测方面,其灵敏度还有待提高。针对上述问题,搭建了氢化物发生-溶液阴极辉光放电光谱测量系统,实现了对水体中痕量汞(Hg)和锡(Sn)的简单高效检测。为了得到更优的检测效果,实验选取270.64和253.65 nm作为Sn和Hg的特征分析谱线,并将激发源的参数配置为极间距3.5 mm、放电电流60 mA和电解液流速2.12 mL·min^(-1)。同时,实验对影响氢化物反应的相关实验条件进行了研究,得到Sn和Hg的最佳硼氢化钠浓度为2%和1.5%,载气流速为141.50和183.95 mL·min^(-1),样品溶液pH值为1.0。随后为了进一步分析水体中共存离子对该系统检测性能的影响,实验评估了Pb^(2+),Ca^(2+),Zn^(2+),Cr^(3+),Cd^(2+),Na^(+),K^(+),Mn^(2+),Mg^(2+),Fe^(3+)和Cu^(2+)对氢化物发生-溶液阴极辉光放电技术检测Sn和Hg的干扰情况,结果表明仅Cu^(2+)对两种元素的检测干扰较大,Pb^(2+)对Hg的检测存在一定干扰,其他共存金属离子未表现出明显的干扰情况。基于上述实验条件的优化,在最佳实验参数下利用外标法建立Sn和Hg的定标模型,并计算得到Sn和Hg的检出限分别为6.85和1.05μg·L^(-1),溶液信号强度的相对标准偏差均小于3%(n=10)。最后,实验中分别采集了三种不同水质的实际水样,应用所提出的方法对Sn和Hg进行加标回收率研究,用标准加入法测得其加标回收率均在97.77%~103.08%之间。上述结果表明氢化物发生-溶液阴极辉光放电技术在Sn和Hg的检测方面表现出了良好的分析性能,且该方法具有体积小、成本低、抗干扰能力强等优势,有望为水体中重金属的元素检测提供一种更加简便高效的方法。 展开更多

关键词 溶液阴极辉光放电 氢化物发生 重金属元素 共存离子干扰

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基于KPCA-PSO-ELM算法的地表水化学需氧量紫外-可见吸收光谱检测研究 被引量：3

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作者 郑培超 周椿棪 +5 位作者 王金梅 尹义同 张莉 吕强 曾金锐 何雨欣 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期707-713,共7页

化学需氧量(COD)是水质检测重要指标之一,反映水体有机物含量。传统的COD化学检测方法存在操作繁琐,等待时间长,二次污染等缺点。紫外-可见吸收光谱法是目前水体化学需氧量检测中应用最为广泛的方法之一,具有检测快速、无污染等特点。... 化学需氧量(COD)是水质检测重要指标之一,反映水体有机物含量。传统的COD化学检测方法存在操作繁琐,等待时间长,二次污染等缺点。紫外-可见吸收光谱法是目前水体化学需氧量检测中应用最为广泛的方法之一,具有检测快速、无污染等特点。为了满足地表水化学需氧量快速、实时、在线监测等要求,采用紫外-可见吸收光谱进行测量,提出了内核主成分分析(KPCA)结合粒子群优化极限学习机(PSO-ELM)预测模型,满足当前对地表水化学需氧量快速、实时监测的要求。对光谱进行Savitzky-Golay(SG)滤波以降低随机噪声的影响;用积分光谱代替原光谱,以降低信号波动带来的影响;再将得到的光谱信息归一化,消除不同光谱数据量纲的影响。将预处理后的数据利用KPCA算法将全光谱数据压缩为5个特征,有效解决光谱信息冗余的问题;采用PSO算法对ELM的权重和偏置进行优化极大提高了模型的精度。对217个河流、长江及支流、湖库等地表水样本按照7∶3随机划分成训练集和测试集,并进行建模测试,其中训练集拟合优度(R2)为0.930 2、均方根误差(RMSE)为0.363 0 mg·L^(-1)、测试集拟合优度R2为0.931 9、均方根误差(RMSE)为0.400 7 mg·L^(-1)。为了验证提出的基于KPCA全光谱数据压缩方法对预测模型的提升效果,分别对比了主成分分析(PCA)、连续投影算法(SPA)、套索回归(LASSO)等特征处理算法。PCA-PSO-ELM模型的RMSE为0.715 1 mg·L^(-1)、 SPA-PSO-ELM模型的RMSE为0.473 7 mg·L^(-1)、 LASSO-PSO-ELM模型的RMSE为0.412 6 mg·L^(-1), KPCA-PSO-ELM模型较上述三种模型,RMSE分别降低了78.46%、 18.22%、 2.97%,结果表明KPCA是一种高效的光谱降维算法,能够有效消除光谱冗余信息,提升模型预测精度。基于KPCA-PSO-ELM预测模型结合紫外-可见吸收光谱可以实现对地表水COD快速、实时检测,为在线COD检测场景提供方法支撑。 展开更多

关键词 化学需氧量 紫外-可见吸收光谱 内核主成分分析 极限学习机

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紫外吸收光谱结合SPA-ELM算法的水体磷酸根离子检测研究 被引量：2

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作者 郑培超 尹义同 +4 位作者 王金梅 周椿棪 张莉 曾金锐 吕强 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期82-87,共6页

在工业锅炉中随着水蒸气蒸发,大量的钙镁离子留在炉水中,如果不加处理,在水冷管中会形成水垢,造成爆管停炉。为了保障设备的安全运行,消除安全隐患,工业上通过维持水中一定含量的磷酸根离子来去除锅炉中的钙、镁水垢。传统的磷酸根离子... 在工业锅炉中随着水蒸气蒸发,大量的钙镁离子留在炉水中,如果不加处理,在水冷管中会形成水垢,造成爆管停炉。为了保障设备的安全运行,消除安全隐患,工业上通过维持水中一定含量的磷酸根离子来去除锅炉中的钙、镁水垢。传统的磷酸根离子检测技术主要有比色法、分光光度法、色谱法、电位法等,这些方法前期处理步骤较繁琐且耗时较长。光谱法是通过测定物质的吸收光谱并建立和浓度关系的数学模型,对物质浓度定量的一种分析方法。为了满足磷酸根离子快速、实时测量的要求,提出了一种基于紫外吸收光谱结合SPA-ELM算法快速测量磷酸根离子的方法。按照我国《工业锅炉水质GB/T 1576—2018》中所规定的进入热水锅炉前的水质参数要求,配置37份浓度范围在5~100 mg·L^(-1)磷酸根溶液,使用搭建的实验装置,采集紫外吸收光谱。使用SPXY将样品按照7∶3的比例随机划分训练集、测试集;使用Savitzky-Golay(S-G)滤波对数据预处理以提高光谱的信噪比;通过连续投影算法(SPA)压缩光谱数据,筛选出5个与磷酸根强相关的特征波长;使用极限学习机(ELM)将特征波长处的吸光度与样本浓度进行拟合,以决定系数R2和均方根误差RMSE作为模型评价指标,建立磷酸根离子的回归模型。采用所提出的建模方法所建立的模型训练集的R2与RMSE分别为0.9972和1.3015 mg·L^(-1),测试集的R^(2)与RMSE分别为0.9995和0.5174 mg·L^(-1)。为了验证所提出的SPA-ELM预测模型效果,另外建立了LASSO-ELM、PCA-ELM、SPA-PLS和SPA-SVR四种预测模型进行对比。实验结果表明,SPA-ELM建立的预测模型的R2和RMSE均优于其他四种预测模型,说明采用的特征选择方法和回归方法均为最优,能够对磷酸根浓度范围为5~100 mg·L^(-1)的水体进行准确预测,为水中磷酸根离子的检测提供了一种新的解决方法。 展开更多

关键词 磷酸根离子 紫外吸收光谱 连续投影算法 极限学习机

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基于PSO-PLS混合算法的水体COD紫外吸收光谱检测研究 被引量：13

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作者 郑培超 赵伟能 +3 位作者 王金梅 赖春红 王小发 毛雪峰 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2021年第1期136-140,共5页

化学需氧量(COD)是反映水体受有机物污染程度的重要指标。紫外吸收光谱法是目前水体COD检测研究中应用最为广泛的方法,具有样品无需预处理,成本低,无污染,测定速度快等优点。但是,原始光谱数据维数高,光谱信息中包含大量冗余变量,直接... 化学需氧量(COD)是反映水体受有机物污染程度的重要指标。紫外吸收光谱法是目前水体COD检测研究中应用最为广泛的方法,具有样品无需预处理,成本低,无污染,测定速度快等优点。但是,原始光谱数据维数高,光谱信息中包含大量冗余变量,直接将全光谱数据进行建模存在精度低,计算复杂等问题。针对紫外吸收光谱全光谱建模精度低,光谱数据存在大量共线性的问题,提出了一种基于粒子群算法(PSO)结合偏最小二乘(PLS)优选特征波长建立预测模型的方法,以提高紫外吸收光谱预测模型的精度和适用性,简化模型。利用搭建的紫外吸收光谱装置,采集29份不同浓度的COD标准溶液的紫外光谱数据,每份标准溶液采集5次取平均值并对其进行平滑处理,减少仪器和环境带来的误差。考虑到标准溶液在200~310 nm的光谱范围内存在吸收,故选取该波段范围内246个波长点作为建模数据,每个波长点下的吸光度数据作为一个粒子并按照顺序编号,以PLS为建模方法,相关系数r和均方根误差(RMSE)为评价指标,设置粒子群算法适应度函数f(x)=min(RMSE),取粒子初始种群数为20个,惯性权重w=0.6,自我学习因子c1=1.6,群体学习因子c2=1.6,最大迭代次数为200次,算法终止条件为达到最大迭代次数。算法输出全局最优变量取值为168,94,181,183,175,209,106和142。采用粒子群算法优选的8个波长点建立PLS预测模型的相关系数r和预测均方根误差RMSE分别为0.99998和0.1551。为了验证PSO-PLS建立的预测模型效果,建立了PLS,iPLS和SVR三种预测模型进行对比。验证结果表明,PSO-PLS模型的相关系数r和均方根误差RMSE均优于其他三种预测模型,说明粒子群算法能有效的提取用于PLS建模的特征波长,消除子区间变量的共线性,提高预测模型的精度。该方法为实现水体COD实时在线监测提供了一种有效途径。 展开更多

关键词 粒子群算法 紫外吸收光谱 COD测量 PLS回归

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用于光离子化检测器的微弱电流检测电路设计 被引量：7

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作者 郑培超 李海 +6 位作者 朱思蒙 郑昆朋 颜勃汶 张秦望 刘一帆 王礼阳 王金梅 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2020年第3期42-47,共6页

文中设计一种可用于光离子化检测器的微弱电流信号检测电路。分析了前置放大电路中反馈电阻和反馈电容的选择,对比了跨阻式和T型电阻反馈网络两种前置放大电路结构的输出端噪声大小,设计了能够消除输入端共模电压干扰,并可有效消除环境... 文中设计一种可用于光离子化检测器的微弱电流信号检测电路。分析了前置放大电路中反馈电阻和反馈电容的选择,对比了跨阻式和T型电阻反馈网络两种前置放大电路结构的输出端噪声大小,设计了能够消除输入端共模电压干扰,并可有效消除环境温差等外界干扰影响的差分输入前置放大电路。所设计微电流检测系统还包括二阶有源低通滤波器、次级电压放大电路及运放双极性供电电源电路。搭建了微电流发生电路测试所设计检测电路,输出电压与输入电流呈现良好的线性关系。将所设计微电流检测电路应用于光离子化检测平台,通入异丁烯气体进行测试,发现在异丁烯浓度为0~178.5 ppm范围内,输出电压与气体浓度间成良好的线性关系,拟合优度为0.983。通过测试酒精和丙酮挥发物证明,该系统可以推广到用于其他挥发性有机物检测。 展开更多

关键词 光离子化检测器 前置放大电路 二阶有源低通滤波器 次级电压放大电路 双极性电源

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一种基于AIKF的姿态测量算法 被引量：4

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作者 刘宇 杨晓辉 +2 位作者 郭俊启 钟懿 刘洪志 《压电与声光》 CAS CSCD 北大核心 2018年第3期454-459,469,共7页

惯性测量单元中传感器具有较强的非线性和噪声的不确定性,导致使用常规卡尔曼滤波时误差大,容易出现发散,针对此问题,该文提出了一种改进的自适应增量卡尔曼滤波(AIKF)算法。该算法使用互补滤波将加速度计、磁力计和陀螺仪的数据进行融... 惯性测量单元中传感器具有较强的非线性和噪声的不确定性,导致使用常规卡尔曼滤波时误差大,容易出现发散,针对此问题,该文提出了一种改进的自适应增量卡尔曼滤波(AIKF)算法。该算法使用互补滤波将加速度计、磁力计和陀螺仪的数据进行融合,利用滤波后的数据增量作为卡尔曼滤波器的观测量,同时对系统噪声进行自适应在线估计,以获得精准的姿态输出。实验结果表明,该算法能够实现姿态的精准测量,摇摆台试验中俯仰角、横滚角误差小于0.05°,航向角误差小于0.15°,具有较好的噪声抑制能力。 展开更多

关键词 姿态测量 自适应增量卡尔曼滤波 互补滤波 自适应因子 数据融合

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激光诱导土壤等离子体光谱辐射实验参数优化（英文） 被引量：2

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作者 王金梅 颜海英 +1 位作者 郑培超 薛淑文 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2018年第12期66-72,共7页

采用激光诱导击穿光谱法(LIBS)对土壤进行了研究。激光器采用的是Nd:YAG脉冲激光器,激光器的输出波长是1 064 nm,脉宽是5.82 ns,激光聚焦在土壤表面产生激光诱导等离子体,通过优化实验参数(ICCD延时、脉冲能量、ICCD门宽、脉冲频率、谱... 采用激光诱导击穿光谱法(LIBS)对土壤进行了研究。激光器采用的是Nd:YAG脉冲激光器,激光器的输出波长是1 064 nm,脉宽是5.82 ns,激光聚焦在土壤表面产生激光诱导等离子体,通过优化实验参数(ICCD延时、脉冲能量、ICCD门宽、脉冲频率、谱图积累次数)对Ca II 393.37 nm和Ca II 396.37 nm两条特征谱线强度及信背比的影响,确定实验最佳条件是ICCD延时1μs,激光能量50 m J,ICCD门宽3.5μs,脉冲频率1 Hz,谱图积累次数100次。在最优实验条件下计算等离子体参数,得出土壤中的等离子体电子温度是11 604 K,土壤的等离子体电子密度是5.155×1016 cm-3,经过计算,土壤样品满足LTE条件。这说明,以上关于土壤样品的等离子体参数计算结果是真实有效的。 展开更多

关键词 激光诱导击穿光谱 序贯试验法 土壤 电子温度 电子密度

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基于SG-Lasso-PLS融合算法的水体硝酸盐氮紫外光谱检测研究 被引量：1

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作者 王金梅 何适 +4 位作者 张航熙 杨晨 尹义同 张莉 郑培超 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第4期1037-1042,共6页

硝酸盐氮(NO3-N)是水中“三氮”(硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮)之一,能够反映水体受污染的程度,是水质评估的一项重要指标。水体中的硝酸盐氮浓度过高不仅会导致水环境污染加重,而且会对人畜及水产构成较大威胁。传统的硝酸盐氮检测必须... 硝酸盐氮(NO3-N)是水中“三氮”(硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮)之一,能够反映水体受污染的程度,是水质评估的一项重要指标。水体中的硝酸盐氮浓度过高不仅会导致水环境污染加重,而且会对人畜及水产构成较大威胁。传统的硝酸盐氮检测必须先反应后测定,具有时间长、操作复杂、有二次污染等缺点。光谱法具有快速、无损、无试剂消耗等显著优点。针对硝酸盐氮难以快速检测的问题,提出了一种基于紫外吸收光谱的快速定量分析硝酸盐氮的方法。采集42份浓度为0~20 mg·L^(-1)的硝酸盐氮标准溶液样本的紫外吸收光谱,每份样本经11次平均处理以减少仪器噪声和环境的影响。采用SPXY算法按照7∶3的比例划分训练集、测试集,对紫外吸收光谱数据使用Savitzky-Golay(SG)滤波算法进行预处理,通过10折叠交叉验证获得套索回归(lasso regression)合适的正则化参数λ=0.2036,再使用Lasso回归在全光谱范围内筛选出与硝酸盐氮相关的光谱特征波长,将特征波长处的吸光度与样本浓度进行偏最小二乘(PLS)拟合建立硝酸盐氮的回归模型。采用此建模方法所建立的模型训练集的R2与RMSE分别为0.99991和0.06015 mg·L^(-1),测试集的R2与RMSE分别为0.99972和0.04691 mg·L^(-1)。为了验证提出的SG-Lasso-PLS预测模型效果,另外建立了Lasso-PLS,SG-PCA-PLS和SG-PCA-SVR三种预测模型进行对比。验证结果表明,SG-Lasso-PLS建立的预测模型的R2和RMSE均优于其他三种预测模型。说明SG滤波能够消除光谱信号的随机噪声,提高模型的预测精度。与PCA数据降维算法相比,Lasso可实现全光谱范围内的光谱特征选择和数据降维,能有效消除光谱数据的冗余信息,提高模型的预测精度。因此,本文提出的SG-Lasso-PLS混合模型能够快速准确的对水体中的硝酸盐氮进行预测。作为硝酸盐氮浓度检测的基础研究,能为快速无污染的水质在线监测场景提供算法参考。 展开更多

关键词 硝酸盐氮 紫外吸收光谱 Lasso回归 PLS回归

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表面增强拉曼散射信号长程探测研究进展

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作者 赖春红 张芝峻 +2 位作者 文靖 曾诚 张琦 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第8期2325-2332,共8页

表面增强拉曼散射(SERS)技术具有灵敏度高、检测速度快、能够实时分析等优势,广泛应用于医疗、生物、食品安全、环境监测等领域。目前SERS信号探测方式主要有单点探测、长程探测两种方式。由于存在样品分子分布不均、激光光斑探测范围... 表面增强拉曼散射(SERS)技术具有灵敏度高、检测速度快、能够实时分析等优势,广泛应用于医疗、生物、食品安全、环境监测等领域。目前SERS信号探测方式主要有单点探测、长程探测两种方式。由于存在样品分子分布不均、激光光斑探测范围有限等因素干扰,单点探测方式的重复性易受到影响。为了弥补单点探测的不足,近年来以光波导和光纤为载体的拉曼信号长程探测被大量研究。归纳总结了近几年SERS信号长程探测的研究进展,并分析了当前长程探测方式面临的挑战和未来发展趋势。首先,介绍了单点探测和长程探测基本原理。其次,介绍了基于光纤的SERS信号长程探测研究进展。基于光纤的SERS信号长程探测方式包括空心光纤和实心光纤两类。基于空心光纤的SERS信号长程探测方式采用空心光纤作为液体输运与信号传输的复合通道,具有厘米量级的有效探测距离以及较高灵敏度,但该探测方式进样困难且复合通道内待测样本分子不易彻底清洗;基于实心光纤的SERS信号长程探测,通常使用物理或化学手段对实心光纤的固有结构进行处理,探测距离一般在微米至毫米量级,该类型的制作难度相对较高。然后概述了基于光波导的SERS信号长程探测研究情况。基于液芯光波导的SERS信号长程探测方式将微流体与SERS相结合,可有效增加样品分子与SERS“热点”的接触面积,提高其探测灵敏度。该方式可达到单分子检测水平,但在微通道中制备增强介质存在困难。基于固体光波导的SERS信号长程探测目前大多处于理论分析阶段,常通过仿真软件对SERS长程探测结构进行研究分析,探明其作用过程机理。最后,对SERS信号长程探测方式研究进展进行了总结和展望,并提出可行的研究建议,为SERS信号长程探测相关研究提供参考依据。 展开更多

关键词 表面增强拉曼散射 长程探测 光纤 光波导

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LIBS中药材石斛等级识别研究 被引量：9

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作者 郑培超 郑爽 +3 位作者 王金梅 廖香玉 李晓娟 彭锐 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第3期941-944,共4页

石斛是一种常用的中药材,经常使用新鲜的或干燥的茎条入药,有益胃生津、滋阴清热的效果。近年来,药理学研究探索出石斛具有抗白内障、抗氧化、抗肿瘤、提高免疫力的作用,其在许多病例中疗效显著,引起了国内外学者的关注,然而不同时间采... 石斛是一种常用的中药材,经常使用新鲜的或干燥的茎条入药,有益胃生津、滋阴清热的效果。近年来,药理学研究探索出石斛具有抗白内障、抗氧化、抗肿瘤、提高免疫力的作用,其在许多病例中疗效显著,引起了国内外学者的关注,然而不同时间采集的石斛中氨基酸、微量元素等含量各不同,其对应药用价值,价格也不同,因此石斛价格等级分辨的研究具有重要意义。为快速鉴别不同价格、不同药效的石斛,研究了随机森林分类模型结合激光诱导击穿光谱技术(LIBS)对石斛价格等级进行分析建模。选取5个等级的石斛样品进行建模,为了对样品进行精确稳定分析,所有石斛样品均通过粉碎压片减小实验误差。采用1 064 nm波长的Nd∶YAG脉冲激光器作为激发光源,设置激光脉冲能量50 mJ,探测延时1μs,采集五个等级石斛样本的光谱数据,每个等级的样本采集40组光谱,共200组数据,并采用归一化处理,使所有的光谱数据转换到-1~1之间。采用归一化处理后的光谱数据进行主成分分析,通过主成分分析获得前7个主成分的得分矩阵,其累计解释95.24%的光谱信息。将选取的7个主成分作为输入,建立波段为220~880 nm的随机森林鉴别模型。并将石斛样本编号打乱,任意选取50%的光谱数据作为训练集,剩下50%的光谱数据作为测试集,默认决策树个数ntree为500,分裂属性集中属性个数mtry为5,建立模型对不同等级的石斛进行分类。等级一、二、三、四、五的识别率分别为95.45%, 100%, 78.26%, 94.12%和85%,平均识别率为90.57%。为提高识别率,研究了不同的ntree和mtry对分类模型的影响,利用袋外数据误差率估计对随机森林的两个参数进行了优化。选择ntree为300,mtry为1,等级一、二、三、四、五的识别率分别为100%, 100%, 92.31%, 100%和90%,平均识别率为96.46%,识别率提高了5.89%。综上所述,采用LIBS技术结合优化后的随机森林模型鉴别石斛等级具有一定的可行性,为未来快速鉴定不同价格的石斛等级分类提供了可行性的判别系统。 展开更多

关键词 中药材石斛 LIBS 随机森林 等级识别

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基于改进EWT的心电信号基线矫正算法 被引量：15

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作者 李国权 李必禄 +2 位作者 林金朝 黄正文 庞宇 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第4期156-166,共11页

基线漂移严重影响心电信号的特征提取和识别,而矫正方法的效果决定了医疗诊断的准确性。提出了一种基于经验小波变换和分段多项式拟合理论的心电信号基线矫正算法。利用经验小波变换自适应分割心电信号频谱,在分割区间上构造合适的小波... 基线漂移严重影响心电信号的特征提取和识别,而矫正方法的效果决定了医疗诊断的准确性。提出了一种基于经验小波变换和分段多项式拟合理论的心电信号基线矫正算法。利用经验小波变换自适应分割心电信号频谱,在分割区间上构造合适的小波窗提取具有紧支撑的经验模态分量,并重构剔除基漂分量后的经验模态分量,再进行多项式分段拟合来去除残留基线漂移。对同一心电信号的测试结果表明,提出算法相对于对原始经验小波变换算法信噪比改进超过1.9 dB,在保持较好心电信号形态特征的同时能够有效矫正基线漂移失真。 展开更多

关键词 心电信号 基线漂移 经验小波变换 分段多项式拟合

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基于集合经验模态分解和信号结构分析的心电信号R波识别算法 被引量：11

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作者 林金朝 李必禄 +2 位作者 李国权 黄正文 庞宇 《电子与信息学报》 EI CSCD 北大核心 2021年第8期2352-2360,共9页

R波作为确定心电信号各波段的重要参考,是心电自动分析的前提。针对大多数R波识别算法的预处理过程影响识别准确度和耗时问题,该文提出一种基于集合经验模态分解(EEMD)和信号结构分析的算法对带噪心电信号(ECG)的R波直接进行识别。首先... R波作为确定心电信号各波段的重要参考,是心电自动分析的前提。针对大多数R波识别算法的预处理过程影响识别准确度和耗时问题,该文提出一种基于集合经验模态分解(EEMD)和信号结构分析的算法对带噪心电信号(ECG)的R波直接进行识别。首先通过EEMD将带噪声的心电信号分解成一系列本征模态分量,然后对分解后的各模态分量作独立成分分析以提取出R波特征最明显的成分,对该成分进行结构分析,从而实现对R波的准确定位。仿真结果表明,该文算法对带噪声心电信号的R波识别具有更优性能,对异常心电信号的R波识别也具有明显效果。 展开更多

关键词 心电信号 R波识别 集合经验模态分解 信号结构分析

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基于EWT和结构特征提取的心电信号R波识别算法 被引量：5

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作者 林金朝 李必禄 +2 位作者 李国权 黄正文 庞宇 《电子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第6期1217-1223,共7页

R波作为心电信号中最明显的特征,常作为确定心电信号其他波段的重要依据.针对现有算法识别率低的问题,提出一种基于经验小波变换和信号结构特征的R波识别算法.首先利用经验小波变换对心电信号频谱进行自适应分割,在分割区间上构造合适... R波作为心电信号中最明显的特征,常作为确定心电信号其他波段的重要依据.针对现有算法识别率低的问题,提出一种基于经验小波变换和信号结构特征的R波识别算法.首先利用经验小波变换对心电信号频谱进行自适应分割,在分割区间上构造合适的小波滤波器组提取出具有紧支撑的模态分量,然后对提取出的各模态分量进行频谱分析,找出R波对应的高频分量并对其进行结构分析,从而实现R波的准确定位.仿真结果表明,所提算法对心电信号R波识别的灵敏度达到99.93%,准确率达到了99.92%,阳性准确率达到99.99%,并且算法耗时仅0.68s,对R波具有很好的识别效果. 展开更多

关键词 心电信号 R波识别 经验小波变换 结构特征提取

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基于改进的局部方向模式人脸表情识别算法 被引量：4

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作者 罗元 余朝靖 +1 位作者 张毅 刘浪 《重庆大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第3期85-91,共7页

针对LDP利用Kirsch算子计算8方向的边缘响应值并排序,特征提取速度慢的问题,提出了一种改进的分解局部方向模式DLDP(divided local directional pattern)特征提取方法。将Kirsch算子的8个方向掩模分成2个子方向掩模再分别计算边缘响应值... 针对LDP利用Kirsch算子计算8方向的边缘响应值并排序,特征提取速度慢的问题,提出了一种改进的分解局部方向模式DLDP(divided local directional pattern)特征提取方法。将Kirsch算子的8个方向掩模分成2个子方向掩模再分别计算边缘响应值,获得2个编码(DLDP1和DLDP2),级联两个编码的直方图得到表情特征DLDP。然后利用主成分分析法(PCA,principal component analysis)降维处理。最后用支持向量机进行表情识别,在JAFFE数据库上的实验表明,本文方法与近几年效果较好的特征提取算法相比,不仅缩短了特征提取的运算时间,而且提高了识别率。 展开更多

关键词 表情识别 KIRSCH算子 分解局部方向模式 PCA

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基于图割理论的尺度自适应人脸跟踪算法 被引量：6

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作者 胡章芳 秦阳鸿 《计算机应用》 CSCD 北大核心 2017年第4期1189-1192,共4页

针对连续自适应的Mean-Shift(Camshift)算法跟踪人脸时尺度过度放缩这一问题,提出了一种基于图割的Camshift人脸跟踪算法。首先,在每一帧图像的Camshift迭代结果内建立图割区域,使用高斯肤色模型作为图割权值分割出图割区域内肤色团块;... 针对连续自适应的Mean-Shift(Camshift)算法跟踪人脸时尺度过度放缩这一问题,提出了一种基于图割的Camshift人脸跟踪算法。首先,在每一帧图像的Camshift迭代结果内建立图割区域,使用高斯肤色模型作为图割权值分割出图割区域内肤色团块;然后,计算该肤色团大小得到目标真实尺度,并比较与上一帧图像跟踪框内肤色团的尺度来判断是否需要重新跟踪目标;最后,再以该团块作为下一帧跟踪目标。实验结果表明,基于图割的Camshift人脸跟踪算法有效地克服了跟踪时其他肤色区域的干扰,能有效地反映人体快速运动中人脸真实尺度变化,同时防止Camshift算法丢失跟踪目标而陷入局部最优解,具有较好的可用性和鲁棒性。 展开更多

关键词 图割 CAMSHIFT算法 目标跟踪 真实尺度 最大流

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