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基于多浮标空间多特征融合的海水溶解氧浓度预测
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作者 朱奇光 申震 +4 位作者 李享 魏祯 乔文静 张淋淞 陈颖 《海洋学报》 北大核心 2025年第1期104-116,共13页
溶解氧浓度是衡量海水水质的重要指标之一。为了及时掌握海水水质变化情况,降低海水污染风险及其带来的损失,建立海洋水质参数预测机制至关重要。为此,本文提出了一种基于浮标网络时空信息融合和改进生成对抗网络(Generative Adversaria... 溶解氧浓度是衡量海水水质的重要指标之一。为了及时掌握海水水质变化情况,降低海水污染风险及其带来的损失,建立海洋水质参数预测机制至关重要。为此,本文提出了一种基于浮标网络时空信息融合和改进生成对抗网络(Generative Adversarial Networks,GAN)的海水溶解氧浓度预测模型,旨在整合监测区域内浮标网络的拓扑信息并实现浮标传感器的多特征融合。该模型利用图注意力网络(Graph Attention Mechanism,GAT)挖掘不同近邻点对目标节点的影响,计算邻接节点的权重,从而捕获浮标数据的时空特征;通过双头注意力机制与双时间尺度更新规则(Two Time-Scale Update Rule,TTUR)优化GAN预测网络及网络训练过程,改善生成对抗网络的训练速度平衡问题,提高生成器网络的拟合效果。以均方误差、均方根误差、平均绝对误差与决定系数为评价指标进行模型预测性能对比,结果表明,所提出模型的各项评价指标均优于其他模型,能够有效挖掘多浮标的空间信息,克服了传统方法在海水溶解氧浓度预测中存在的精度低、无法灵活利用历史空间数据、训练稳定性差和速度慢等不足,可为海洋水质监测及预测提供重要的技术支撑。 展开更多
关键词 溶解氧浓度预测 空间多特征融合 GAT GAN TTUR
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基于紫外光谱的水体硝酸盐浓度混合预测模型研究 被引量:9
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作者 陈颖 何磊 +4 位作者 崔行宁 韩帅涛 朱奇光 翟应俭 李少华 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2019年第5期1489-1494,共6页
水体中的硝酸盐浓度过高不仅会造成水环境污染而且会对人类身体健康造成很大威胁,传统的检测硝酸盐的方法检测时间长且操作复杂。针对水体中硝酸盐氮难以快速在线检测的问题,基于紫外吸收光谱,提出了一种混合预测模型结合光谱积分快速... 水体中的硝酸盐浓度过高不仅会造成水环境污染而且会对人类身体健康造成很大威胁,传统的检测硝酸盐的方法检测时间长且操作复杂。针对水体中硝酸盐氮难以快速在线检测的问题,基于紫外吸收光谱,提出了一种混合预测模型结合光谱积分快速定量检测水体中硝酸盐浓度的方法。混合预测模型为低浓度样本建立的双波长法预测模型与高浓度样本建立的偏最小二乘支持向量机(LS-SVM)预测模型数据融合之后的模型。按照合适的浓度梯度配备了19组硝酸盐氮标准溶液,通过实验测得不同浓度硝酸盐氮样本的光谱数据。首先基于双波长法对所有样本进行回归分析,按照A=A_(220)-2A_(275)计算不同实验样本的吸光度A,其中A_(220)和A_(275)是220和275 nm处样本的吸光度,将吸光度A与样本浓度值进行线性回归,拟合出样本浓度的预测值。结果显示当样本浓度较小时,相关性很好,r为0.997 4,随着实验样本浓度的上升,曲线发生严重的非线性漂移,因此双波长法只适合低浓度样本预测模型的建立。对于高浓度样本,光谱重叠严重,适合建立非线性的预测模型,支持向量机(SVM)与LS-SVM都适合小样本的非线性数据建模, LS-SVM预测精度稍高,运算速度稍快。通过对所有的实验样本进行全波长光谱积分,比较相邻样本光谱积分的变化率可以筛选出样本的临界浓度值, 4 mg·L^(-1)的硝酸盐样本积分值前后变化率最大,因此选择4 mg·L^(-1)作为临界浓度值较为合适。浓度高于4 mg·L^(-1)的实验样本建立LS-SVM预测模型,通过交叉验证的方法选择出合适的参数,正则化参数γ=50,核函数选择高斯核,核函数宽度σ~2=0.36,训练样本之后进行回归;其余样本建立双波长法预测模型,最后进行两种模型的数据融合,形成从低浓度到高浓度的水体中硝酸盐浓度的检测。为了验证混合预测模型的预测精度,另外建立了SVM, LS-SVM,偏最小二乘(PLS)等模型,并求出r,预测值与真实浓度值平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)对模型进行评价。验证结果表明,相比于SVM, LS-SVM和PLS等模型,提出的混合模型回归的相关系数为0.999 86,分别提高了1.8%, 1.6%和0.45%,预测值与真实浓度的平均绝对误差为2.55%,分别降低了6.27%, 4.49%和1.01%,均方根误差为0.303,为四种预测模型中最小, SVM与LS-SVM的相对误差相对较高, PLS模型相对误差上下波动比较大,混合预测模型相对误差最为稳定,并保持在较低水平,由此可见混合预测模型的预测效果明显优于其他几种模型。并与文献[5—7]中的测量方法进行对比,该混合预测方法可以简单快速的测量水体中硝酸盐氮的浓度,且不需要试剂,无二次污染,与文献[9]中的预测模型相比,预测精度明显提高。因此提出的混合模型可正确快速地预测水体中硝酸盐氮的浓度,可为在线监测水体中硝酸盐浓度提供有效的技术参考。 展开更多
关键词 紫外光谱 混合预测 双波长 LS-SVM 数据融合 在线监测
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基于GMM-ICSA的光谱重叠峰分解研究 被引量:5
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作者 朱丹丹 孙世成 +5 位作者 杨惠 张灿 朱奇光 李康 史彦新 陈颖 《计量学报》 CSCD 北大核心 2021年第10期1386-1392,共7页
针对X射线荧光光谱法(XRF)中Pb元素和As元素的重叠峰导致的元素浓度建模困难、乌鸦搜索算法(CSA)鲁棒性较弱等问题,将高斯混合模型(GMM)与改进型乌鸦算法(ICSA)相结合来实现重叠峰的分解。ICSA相比于CSA的改进主要有:引入了"乌鸦反... 针对X射线荧光光谱法(XRF)中Pb元素和As元素的重叠峰导致的元素浓度建模困难、乌鸦搜索算法(CSA)鲁棒性较弱等问题,将高斯混合模型(GMM)与改进型乌鸦算法(ICSA)相结合来实现重叠峰的分解。ICSA相比于CSA的改进主要有:引入了"乌鸦反哺"的特性,将GMM与ICSA更好的衔接在一起;将固定的意识概率更改为梯度型,使种群迭代更有多样性;适当调整了全局的优化策略,使算法更稳定收敛更快。将GMM模型与GMM-ICSA模型作对比实验,可得优化后的模型分解精度提升了4.93%;同时以均方误差和迭代时间为衡量搜索算法的标准,将ICSA与同类型的4种算法做了对比实验得出:CSA的均方误差和迭代时间均优于其他算法,从而表明改进后的算法能处理重叠峰问题的可行性。 展开更多
关键词 计量学 光谱重叠峰 X射线荧光光谱法 改进型CSA 高斯混合模型 元素浓度
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表面覆膜波导光栅共振光谱特性及传感机理分析 被引量:3
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作者 陈颖 赵志勇 +4 位作者 何磊 韩帅涛 朱奇光 翟应俭 李少华 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2018年第7期2320-2324,共5页
基于波导光栅共振原理和古斯-汉欣(Goos-Hnchen)位移理论,提出一种表面覆膜波导光栅传感结构,并研究其共振光谱特性。通过在光栅表面涂覆低折射率聚合物功能膜层优化其共振光谱特性,选用多孔硅作为待测物承载单元,可以使光学探针更充... 基于波导光栅共振原理和古斯-汉欣(Goos-Hnchen)位移理论,提出一种表面覆膜波导光栅传感结构,并研究其共振光谱特性。通过在光栅表面涂覆低折射率聚合物功能膜层优化其共振光谱特性,选用多孔硅作为待测物承载单元,可以使光学探针更充分地接触待测样本,从而提高其检测性能。根据波导光栅共振相位条件,建立了共振波长和样本折射率之间的数学模型,通过检测共振位置的改变进而对样本浓度进行检测。研究表明,该表面覆膜波导光栅传感结构具有线型对称和窄线宽的共振光谱特性,可实现高品质因数(Q值)和高灵敏度的传感特性,其Q值为1 488,对折射率的检测极限可达5×10^(-4) RIU(RIU为折射率单位)。通过检测不同浓度的葡萄糖溶液对其传感特性进行验证分析,结果表明,共振波长与葡萄糖溶液浓度之间具有良好的线性关系,对葡萄糖溶液的检测灵敏度为1.12nm/1%,证明了该表面覆膜波导光栅传感结构的有效性,可以用于对低浓度样本溶液的实时动态监测,并为波长调制型光学折射率传感器的研究提供理论指导。 展开更多
关键词 折射率传感 波导光栅共振 表面覆膜 光谱分析 多孔硅
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基于紧束缚理论的一维多镜像光子晶体特性研究 被引量:2
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作者 陈颖 石佳 +1 位作者 王宁 陈卫东 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第11期30-34,共5页
基于紧束缚理论,分析了一维多镜像光子晶体中多缺陷模的产生及缺陷模式分裂的机理,建立了缺陷模频率与缺陷层相对位置的关系模型.采用传输矩阵理论研究了双镜像光子晶体的光学传输特性,并讨论了光子晶体周期层数、入射角度、介质层厚度... 基于紧束缚理论,分析了一维多镜像光子晶体中多缺陷模的产生及缺陷模式分裂的机理,建立了缺陷模频率与缺陷层相对位置的关系模型.采用传输矩阵理论研究了双镜像光子晶体的光学传输特性,并讨论了光子晶体周期层数、入射角度、介质层厚度等及介质的相对折射率差等参数对光子晶体缺陷模特性的影响.模拟结果表明,调整光子晶体参数和缺陷层的相对位置可有效调控光子晶体的缺陷模特性,可为光子晶体多通道滤波器等光学器件的设计和应用提供一定的理论参考. 展开更多
关键词 光子晶体 紧束缚理论 传输矩阵法 缺陷模 透射谱 光子禁带 谐振
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代理参数法检测有机干扰中硝酸盐氮的研究 被引量:1
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作者 陈颖 邸远见 +2 位作者 崔行宁 朱奇光 李少华 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第3期99-105,共7页
为解决双波长法在硝酸盐氮检测过程中由于有机干扰吸光度叠加造成预测精度下降的问题,提出了代理参数法。把混合谱中的6个积分面积值作为代理参数,基于4阶导数谱的分割算法来寻找代理参数的分界点;通过面积积分法获得分界点前后各代理... 为解决双波长法在硝酸盐氮检测过程中由于有机干扰吸光度叠加造成预测精度下降的问题,提出了代理参数法。把混合谱中的6个积分面积值作为代理参数,基于4阶导数谱的分割算法来寻找代理参数的分界点;通过面积积分法获得分界点前后各代理参数的值;根据有机干扰代理参数的比例,得到分界点前有机干扰对混合谱的贡献程度。基于处理后的数据,采用最小二乘法建立硝酸盐氮水样浓度与其积分面积的预测模型。并将该模型应用于实际水样检测,结果表明,对比传统双波长法,模型的决定系数达到了0.999 8,平均标准偏差小于3%,并且拥有更低的检出限(≥0.009 mg/L)、更好的回收率(95%~104%)和更宽的线性区间,能够为水样中硝酸盐氮的检测提供可靠的技术支持。 展开更多
关键词 硝酸盐氮 有机干扰 四阶导数谱 代理参数法 浓度预测模型
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