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基于小波变换的压缩感知理论对水质检测紫外-可见光谱数据的去噪研究
被引量：
12
1
作者
赵明富
唐平
+4 位作者
汤斌
何鹏
徐杨非
邓思兴
石胜辉
《光谱学与光谱分析》
SCIE
EI
CAS
CSCD
北大核心
2018年第3期844-850,共7页
消除噪声影响对提高直接光谱法水质检测系统的测量稳定性和精度都具有重要意义。直接光谱法在线水质检测系统通常采用长寿命、无需预热的脉冲氙灯和适用于复杂检测环境的工业级光谱探测装置。针对整个光谱探测系统受到光源、光路和光电...
消除噪声影响对提高直接光谱法水质检测系统的测量稳定性和精度都具有重要意义。直接光谱法在线水质检测系统通常采用长寿命、无需预热的脉冲氙灯和适用于复杂检测环境的工业级光谱探测装置。针对整个光谱探测系统受到光源、光路和光电转换器件的严重影响,测定的光谱数据含有大量噪声这一实际问题,提出了基于小波变换的压缩感知去噪算法,并与传统小波阈值去噪方法进行了比较实验。针对化学需氧量为200mg·L^(-1)的邻苯二甲酸氢钾标液的紫外-可见光谱数据进行去噪处理,采用压缩感知去噪算法,将信号在小波域内分解,得到含噪高频系数;采用随机高斯矩阵作为压缩感知算法的观测矩阵,压缩比设置为2,对高频系数进行观测;选择正交匹配追踪算法恢复高频小波系数的稀疏性,从而达到去噪目的。同时针对传统的小波阈值去噪,采用daubechies4作为小波基的软阈值滤波方法对光谱数据进行去噪处理。为验证去噪算法的可行性,采集某溪水和城市生活污水的光谱信号分别采用以上两种方法进行去噪处理,实验结果表明:基于小波变换的压缩感知去噪算法适用于紫外-可见光谱法在线水质检测系统,该方法能在保留水样原始光谱信号的吸收特征的前提下有效地去噪,且去噪效果优于小波阈值去噪算法。与小波阈值去噪算法相比,信噪比提高了12.201 5dB,均方根误差减小了0.009 3,峰值信噪比增加了5.299dB。不仅避免了小波阈值去噪过程中阈值的选取依靠主观判断问题,而且在重构过程中有效地抑制了噪声,为直接光谱法检测水质参数提供了一种新的解决方案。
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关键词
水质检测
噪声
压缩感知
小波阈值去噪
紫外-可见光
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职称材料
一种基于EWMA-PCA的水质光谱数据标准化方法研究
被引量：
16
2
作者
周思寒
胡新宇
+5 位作者
汤斌
赵明富
李奉笑
汪仁杰
肖棋森
肖渝
《光谱学与光谱分析》
SCIE
EI
CAS
CSCD
北大核心
2020年第11期3443-3450,共8页
模型传递对于解决由于样本与各仪器响应函数不同所导致的量测信号不一致具有重要意义,而解决模型传递的有效方法是仪器或数据标准化。针对现有的光谱标准化方法中,鲜有对紫外-可见吸收光谱的应用研究,且紫外-可见光谱法水质多参数检测...
模型传递对于解决由于样本与各仪器响应函数不同所导致的量测信号不一致具有重要意义,而解决模型传递的有效方法是仪器或数据标准化。针对现有的光谱标准化方法中,鲜有对紫外-可见吸收光谱的应用研究,且紫外-可见光谱法水质多参数检测光谱探测单元存在分辨率、精度、响应范围不统一,难以进行不同仪器间测试数据的比对及多参数数据拟合的问题,提出采用EWMA-PCA归一化算法,实现紫外-可见水质光谱在不同仪器上的模型传递。EWMA(exponentially weighted moving-average)是一种指数加权平均移动算法,用以寻找以较高概率产生观察紫外-可见水质光谱数据的系统发生树,最大概率复原理论紫外-可见水质光谱数据,使紫外-可见光谱特征不丢失、不偏移,减小由于数据处理对紫外-可见水质光谱数据的影响。采用不同浓度的邻苯二甲酸氢钾溶液,对日本滨松C10082CAH光谱仪、美国海洋光学Maya2000Pro光谱仪以及厦门奥谱天成ATP2000光谱仪进行对比测试实验。对比组1选取源机滨松C10082CAH光谱仪和目标机海洋Maya2000Pro光谱仪,对比组2选取源机滨松C10082CAH光谱仪和目标机奥谱天成ATP2000光谱仪,对比组3选取源机海洋Maya2000Pro光谱仪和目标机奥谱天成ATP2000光谱仪。三组比对实验结果表明,该算法能很好地应用于不同的比对光谱仪中,在采用EWMA-PCA归一化算法对水质吸收光谱数据标准化后,相关系数达到99.576 5%,方差达到0.082 3%,且波峰偏移量可降低至0.000 5%,基于EWMA-PCA归一化光谱标准化算法具适应性广、所需传递样本少、传递精度高等优点,研究结果对光谱法水质检测仪器的广泛应用具有重要理论指导意义和工程应用参考价值。
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关键词
紫外-可见水质光谱
指数加权平均移动-主成分分析
标准化
归一化
模型传递
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职称材料
题名
基于小波变换的压缩感知理论对水质检测紫外-可见光谱数据的去噪研究
被引量：
12
1
作者
赵明富
唐平
汤斌
何鹏
徐杨非
邓思兴
石胜辉
机构
重庆理工大学现代光电检测技术与仪器重点实验室
重庆理工大学
光纤传感与
光电
检测
重庆
市
重点
实验室
重庆
大学
光电
技术
及系统教育部
重点
实验室
出处
《光谱学与光谱分析》
SCIE
EI
CAS
CSCD
北大核心
2018年第3期844-850,共7页
基金
国家自然科学基金项目(61401049)
重庆市教委科学技术研究项目(KJ1709201)资助
文摘
消除噪声影响对提高直接光谱法水质检测系统的测量稳定性和精度都具有重要意义。直接光谱法在线水质检测系统通常采用长寿命、无需预热的脉冲氙灯和适用于复杂检测环境的工业级光谱探测装置。针对整个光谱探测系统受到光源、光路和光电转换器件的严重影响,测定的光谱数据含有大量噪声这一实际问题,提出了基于小波变换的压缩感知去噪算法,并与传统小波阈值去噪方法进行了比较实验。针对化学需氧量为200mg·L^(-1)的邻苯二甲酸氢钾标液的紫外-可见光谱数据进行去噪处理,采用压缩感知去噪算法,将信号在小波域内分解,得到含噪高频系数;采用随机高斯矩阵作为压缩感知算法的观测矩阵,压缩比设置为2,对高频系数进行观测;选择正交匹配追踪算法恢复高频小波系数的稀疏性,从而达到去噪目的。同时针对传统的小波阈值去噪,采用daubechies4作为小波基的软阈值滤波方法对光谱数据进行去噪处理。为验证去噪算法的可行性,采集某溪水和城市生活污水的光谱信号分别采用以上两种方法进行去噪处理,实验结果表明:基于小波变换的压缩感知去噪算法适用于紫外-可见光谱法在线水质检测系统,该方法能在保留水样原始光谱信号的吸收特征的前提下有效地去噪,且去噪效果优于小波阈值去噪算法。与小波阈值去噪算法相比,信噪比提高了12.201 5dB,均方根误差减小了0.009 3,峰值信噪比增加了5.299dB。不仅避免了小波阈值去噪过程中阈值的选取依靠主观判断问题,而且在重构过程中有效地抑制了噪声,为直接光谱法检测水质参数提供了一种新的解决方案。
关键词
水质检测
噪声
压缩感知
小波阈值去噪
紫外-可见光
Keywords
Water quality detection
Noise
Compressed sensing
Wavelet threshold denoising
UV-Vis spectroscopy
分类号
X593 [环境科学与工程—环境工程]
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职称材料
题名
一种基于EWMA-PCA的水质光谱数据标准化方法研究
被引量：
16
2
作者
周思寒
胡新宇
汤斌
赵明富
李奉笑
汪仁杰
肖棋森
肖渝
机构
重庆理工大学现代光电检测技术与仪器重点实验室
重庆理工大学
光纤传感与
光电
检测
重庆
市
重点
实验室
重庆
大学
光电
技术
及系统教育部
重点
实验室
出处
《光谱学与光谱分析》
SCIE
EI
CAS
CSCD
北大核心
2020年第11期3443-3450,共8页
基金
国家自然科学基金项目(61805029)
重庆市社会事业与民生保障科技创新专项(cstc2017shmsA1497)
重庆市基础与前沿研究计划基金项目(cstc2016jcyjA0308)资助。
文摘
模型传递对于解决由于样本与各仪器响应函数不同所导致的量测信号不一致具有重要意义,而解决模型传递的有效方法是仪器或数据标准化。针对现有的光谱标准化方法中,鲜有对紫外-可见吸收光谱的应用研究,且紫外-可见光谱法水质多参数检测光谱探测单元存在分辨率、精度、响应范围不统一,难以进行不同仪器间测试数据的比对及多参数数据拟合的问题,提出采用EWMA-PCA归一化算法,实现紫外-可见水质光谱在不同仪器上的模型传递。EWMA(exponentially weighted moving-average)是一种指数加权平均移动算法,用以寻找以较高概率产生观察紫外-可见水质光谱数据的系统发生树,最大概率复原理论紫外-可见水质光谱数据,使紫外-可见光谱特征不丢失、不偏移,减小由于数据处理对紫外-可见水质光谱数据的影响。采用不同浓度的邻苯二甲酸氢钾溶液,对日本滨松C10082CAH光谱仪、美国海洋光学Maya2000Pro光谱仪以及厦门奥谱天成ATP2000光谱仪进行对比测试实验。对比组1选取源机滨松C10082CAH光谱仪和目标机海洋Maya2000Pro光谱仪,对比组2选取源机滨松C10082CAH光谱仪和目标机奥谱天成ATP2000光谱仪,对比组3选取源机海洋Maya2000Pro光谱仪和目标机奥谱天成ATP2000光谱仪。三组比对实验结果表明,该算法能很好地应用于不同的比对光谱仪中,在采用EWMA-PCA归一化算法对水质吸收光谱数据标准化后,相关系数达到99.576 5%,方差达到0.082 3%,且波峰偏移量可降低至0.000 5%,基于EWMA-PCA归一化光谱标准化算法具适应性广、所需传递样本少、传递精度高等优点,研究结果对光谱法水质检测仪器的广泛应用具有重要理论指导意义和工程应用参考价值。
关键词
紫外-可见水质光谱
指数加权平均移动-主成分分析
标准化
归一化
模型传递
Keywords
Ultraviolet water spectroscopy
EWMA-PCA
Standardization
Normalization
Model transfer
分类号
X52 [环境科学与工程—环境工程]
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职称材料
题名
作者
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被引量
操作
1
基于小波变换的压缩感知理论对水质检测紫外-可见光谱数据的去噪研究
赵明富
唐平
汤斌
何鹏
徐杨非
邓思兴
石胜辉
《光谱学与光谱分析》
SCIE
EI
CAS
CSCD
北大核心
2018
12
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职称材料
2
一种基于EWMA-PCA的水质光谱数据标准化方法研究
周思寒
胡新宇
汤斌
赵明富
李奉笑
汪仁杰
肖棋森
肖渝
《光谱学与光谱分析》
SCIE
EI
CAS
CSCD
北大核心
2020
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