CN105758795A - 一种海水检测前处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海水检测前处理方法，利用多台不同的检测仪器对待测海水进行光照检测，并接收各台检测仪器进行光电转换后输出的电压信号；对所述电压信号进行傅里叶变换，生成功率谱；设定基频段，针对每一台检测仪器所对应的频谱数据，遍历所述的基频段，查找基频段中每一个存在能量的频率点H所对应的连续n个倍频处是否均有能量存在，并且在所述频率点H所对应的宽频和波带内除该频率点H以外还有其它频点存在能量，则判定所述频率点H为干扰频率，所述n为大于1的正整数，且最多为5。在对待测海水中的物质进行检测前，通过执行本发明所提出的海水检测前处理方法，可以准确地检测出干扰频率，提高海水中物质测量结果的准确性和可信度。

Description

一种海水检测前处理方法

技术领域

本发明属于海水检测技术领域，具体地说，是涉及一种在对海水中的物质进行采样检测前所执行的前处理方法。

背景技术

对海洋环境进行综合测量，是获取海洋多种信息、提高海洋测量效率所必须的，是目前国内海洋测量发展的方向。目前，海水物质检测是海洋环境监测最重要的项目之一。现有的海水环境监测方法通常是在实验室平台上进行的，以假定海水中待测物质所对应的检测信号是平稳的或时不变的为前提，然后，利用检测到的信号计算出海水中待测物质的含量。

但是，实际的海洋现场检测环境是复杂多变的，干扰因素很多。在实际作业过程中发现，海洋环境的变化对海洋物质的测量存在干扰，其现象是检测到的电压信号的幅度会出现无规律的变化，干扰形式在模拟记录方式中呈现出连续线性模式。基于检测系统工作频率的关系及其所形成的干扰影响，可以认为海水中各种海洋生物以及物理环境在特定的频率以及频带范围内会产生干扰谐波。由于海水物质的结构和浓度受时空影响大，多数处于相互关联、相互影响的状态，而现有技术中对海水的测量方法是以假定海水体中的待测物质所对应的检测信号是平稳的或时不变的为前提的，因此，测量结果的准确性和代表性将受到质疑。

基于以上原因，现有的用于检测海水中待测物质的方法，其检测结果的准确性不高，可靠性较差。

发明内容

本发明为了提高海水中物质检测的准确性，提出了一种海水检测前处理方法，以用于消除海洋环境对海水中待测物质的检测结果造成的干扰。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种海水检测前处理方法，包括：利用多台不同的检测仪器对待测海水进行光照检测，并接收各台检测仪器进行光电转换后输出的电压信号；对所述电压信号进行傅里叶变换，以生成各台检测仪器输出的电压信号所对应的功率谱；设定基频段，针对每一台检测仪器所对应的频谱数据，遍历所述的基频段，查找基频段中每一个存在能量的频率点H所对应的连续n个倍频处是否均有能量存在，并且在所述频率点H所对应的宽频和波带内除该频率点H以外还有其它频点存在能量，则判定所述频率点H为干扰频率，所述n为大于1的正整数，且最多为5。

为了避免因干扰频率判定错误导致后期的海水检测结果不准确，所述检测仪器应至少使用三台，且各台检测仪器都是基于光照检测原理设计的水体检测仪器，并且仪器中用于进行光电转换的部件的采样频率相同。

为了避免因为某一类型的检测仪器所存在的固有缺陷，导致干扰频率的检测结果不准确的问题，本发明在选择检测仪器时，优选采用基于不同的光照检测原理设计的水体检测仪器，或者是基于相同光照检测原理设计的用于检测海水中不同待测物质的水体检测仪器，分别对待测海水同时进行检测，以获取所述的功率谱。

优选的，所述基频段优选在5Hz-20Hz的范围内选定。

进一步的，在所述查找基频段中每一个存在能量的频率点H的过程中，以所述基频段中存在的最大能量为基准，将大于所述最大能量至少5%的能量确定为有效能量，所述频率点H为存在有效能量的频率点。

又进一步的，针对所述基频段中每一个存在能量的频率点H，查找功率谱中与该频率点H对应的宽频处是否存在能量时，设定频率宽度为L，宽度个数为m，所述m为大于1的正整数；依次查找功率谱中H+L、H+2L、……、H+mL频率处的能量存在情况，若宽频处均不存在有效能量，则判定该频率点H为信号频率，而非干扰频率。

优选的，所述m的取值范围优选为：3≤m≤5；所述L优选在20Hz-40Hz的范围内取值。

再进一步的，在所述基频段中，每一个频率点H的波带优选为H±5Hz的频带范围。

为了进一步提高干扰频率检测的准确性，在对所述电压信号进行傅里叶变换之前，优选对所述电压信号进行小波去噪处理，以滤除所述检测仪器产生的干扰。

为了提高待测海水中物质检测结果的准确性，在利用所述海水检测前处理方法确定出功率谱中的干扰频率后，根据所要检测的物质，选定相应的检测仪器对所述待测海水进行光照检测，并获得该物质所对应的功率谱；从所述功率谱中滤除所述的干扰频率，根据余下的信号频率所对应的能量确定所述物质在所述待测海水中的含量。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：采用本发明的海水检测前处理方法可以准确地获得海水物质检测过程中的干扰频率，在计算海水中待测物质的含量时，通过将所述干扰频率及其所对应的能量从频谱数据中剔除，由此便可获得海水物质所对应的信号频率及其能量。利用剔除干扰频率后的频谱数据计算海水中的待测物质含量，其计算结果显然会更加准确。此外，由于在实际检测过程中，检测到的电压信号无需假定为平稳的或时不变的，因此，可以显著提高海水物质测量结果的可信度。

采用多台检测仪器同时对待测海水进行光照检测，并光电转换成电压信号，以用于功率谱的生成。由于检测到的电压信号无需假定是平稳的或时不变的，因此，可以准确地检测出海水物质测量过程中的干扰频率，进而提高海水中物质测量结果的准确性和可信度。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的海水检测前处理方法的一种实施例的工作流程图；

图2是功率谱中10Hz频率点所对应的4个倍频点的功率谱线图；

图3是功率谱中10Hz频率点所对应的频率宽度为30Hz的4个宽频点处的功率谱线图；

图4是功率谱中10Hz频率点所在的5-15Hz波带范围内的功率谱线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。

在现有的海水检测过程中，对于海水中待测物质的测量很多采用的是光照检测法，例如吸光度法、分光度法、荧光法等，其检测原理都是根据待测物质的固有特性选择特定波长的光源照射待测的海水样品，通过采集照射海水样品后射出的光线，并根据采集到的光线强度生成与之对应的电信号（即进行光电转换，生成幅度与光线强度相对应的电压信号），进而根据所述电信号生成能量谱图或者功率谱，以分析出海水样品中待测物质的含量。

为了实现海水物质的自动检测，目前市面上出现了很多基于上述光照检测原理设计的检测仪器，并可适应现场检测环境，以支持海水物质的原位测量。由于在对海水物质进行原位测量时，仪器自身以及海水中各种海洋生物、物理环境在特定频率以及频带范围内会对测量结果产生干扰，造成测量结果的不准确，因而，本实施例针对采用该类检测仪器实施的海水物质检测工作，提出了一种海水物质前处理方法，以准确地区分出功率谱中哪些是海水物质所对应的信号频率，哪些是干扰频率需要剔除，由此便可实现海水中待测物质的准确测量。

下面结合图1，对本实施例所提出的海水物质前处理方法的具体工作流程进行详细阐述。

S101、选择多台不同的检测仪器，分别投放到同一待测海域中，且位于相同的检测深度。

在本实施例中，为了提高干扰频率检测的准确性，本实施例至少选择三台检测仪器对同一区域的待测海水在相同的时间段内进行检测。所述的检测仪器均为基于光照检测原理设计的水体检测仪器，且均适应于海水现场检测环境。在选定的每一台检测仪器中均设置有用于采集通过待测海水射出的光线并根据所述光线的强度生成幅度与之对应的电压信号的光电转换部件（例如光电二极管等），配置各台检测仪器中的光电转换部件，使其采样频率相同。

为了避免因某一类型的检测仪器所存在的固有缺陷，导致干扰频率的检测结果不准确，本实施例在选择各台检测仪器时，优选采用基于不同的光照检测原理设计的水体检测仪器，例如基于吸光度法设计的水体检测仪器、基于分光度法设计的水体监测仪器、基于荧光法设计的水体检测仪器等；各台检测仪器可以是用于检测海水中相同待测物质的仪器，也可以是用于检测海水中不同待测物质的仪器。当然，本实施例在选择各台检测仪器时，也可以采用基于相同光照检测原理设计的用于检测海水中不同待测物质的水体检测仪器，例如用于检测海水中营养盐含量的检测仪器、用于检测海水中有机碳浓度的检测仪器以及用于检测海水中甲烷含量的检测仪器等。

S102、启动各台检测仪器，同时对待测海水进行光照检测，并接收各台检测仪器进行光电转换后输出的电压信号。

在本实施例中，由于各台检测仪器是对现场环境下的海水样品进行的原位检测，无需假设海水中待测物质所对应的电压信号是稳定的或时不变的，因而由此获得的电压信号更能准确地反应出海水物质的真实情况。

S103、对各台检测仪器输出的电压信号进行去噪处理，以滤除仪器自身产生的干扰。

由于采用检测仪器对海水物质进行光照检测时，仪器自身也会对测量结果产生影响，例如不同仪器所对应的发光频率的干扰等。为了去除仪器自身对测量结果产生的干扰影响，在本实施例优选采用小波去噪法分别对各台检测仪器输出的电压信号进行去噪处理，以滤除仪器自身产生的干扰，准确地得到海水物质所对应的电压信号。

S104、根据去噪处理后的电压信号生成功率谱。

在本实施例中，优选对去噪处理后的电压信号进行傅里叶变换，以得到所述电压信号对应的功率谱。这里，利用傅里叶变换获得功率谱的方法是一种现有方法，例如在张旭东等编著的、并由清华大学出版社于2005年出版的《离散随机信号处理》书籍中就有相应的记载。因此，本实施例在此不对该方法进行展开说明。

通过所述功率谱便可得到不同频率所对应的能量，即频谱数据。

S105、针对每一台检测仪器的频谱数据，遍历相应的基频段，查找基频段中每一个频率点以及该频率点所对应的倍频、宽频、波带处是否有能量存在，若每一台检测仪器在相同的频率点H以及该频率点H所对应的倍频处均有能量存在，且该频率点H所对应的宽频、波带内除该频率点H以外还有其它频点存在能量，则判定该频率点H为干扰频率；否则，认为是海水物质所对应的信号频率。

在本实施例中，可以预先对每一台检测仪器设定相同的基频段，优选在5Hz-20Hz的范围内选取。本实施例以所述基频段为5Hz-20Hz为例进行说明。针对所述基频段中每一个存在能量的频率点H，依次查找功率谱中与该频率点H所对应的连续n个倍频率点处的能量存在情况，所述n为大于1的正整数，且最多为5。即，针对频率点H依次查找频谱数据中频率为2H、3H、4H、最多为5H处是否有能量存在，若每一个倍频点处均有能量存在，则该频率点H有可能是干扰频率；若其中一个倍频率点处不存在有效能量，则判定该频率点H为海水物质所对应的信号频率，而非干扰频率。

在本实施例中，为了尽量避免将信号频率误判为干扰频率，对于每一个频率点处是否有能量存在的判断，本实施例优选将超过频谱数据中最大能量至少5%的能量判定为有效能量，将基频段中有效能量所对应的频率点判定为存在能量的频率点H，针对所述存在能量的频率点H查找其倍频点nH处是否也存在有效能量，若每一个倍频点nH处均存在有效能量，则该频率点H有可能是干扰频率，需继续查找其宽频、波带处的能量存在情况；若其中一个倍频率点处不存在有效能量，则可以直接判定该频率点H不是干扰频率，直接对基频段中的下一个存在能量的频率点进行判别。

当所述频率点H以及与其对应的倍频点nH处均存在有效能量时，查找该频率点H所对应的宽频处是否存在有效能量。在本实施例中，可以设定频率宽度为L，宽度个数为m；其中，所述频率宽度L优选在20Hz-40Hz的范围内取值，所述m为大于1的正整数，且最多为5，优选设定3≤m≤5。依次查找功率谱中H+L、H+2L、……、H+mL频率处的能量存在情况，若有一个宽频处存在有效能量，则该频率点H有可能是干扰频率，需继续查找其波带处的能量存在情况；若没有一个宽频处存在有效能量，则可以直接判定该频率点H为海水物质所对应的信号频率，而非干扰频率。

举例说明，假设将频率宽度L设定为30Hz，宽度个数m=3，当频率点H=10Hz存在有效能量时，查找频率点分别为10+30=40Hz、10+2*30=70Hz、10+3*30=100Hz宽频处的能量存在情况，若宽频点40Hz、70Hz、100Hz中至少有一个存在有效能量，则判定频率点H=10Hz可能为干扰频率；否则，直接判定频率点H=10Hz为信号频率，无需再对频率点H=10Hz的波带能量情况进行查找。

在经过了倍频点和宽频点的能量判断后，若判定所述频率点H为疑似干扰频率，则查找所述频率点H所对应的波带中是否存在其它有效能量。所述波带在选取时，应保证波带范围内不包含上述的倍频点nH和宽频点。在本实施例中，所述频率点H的波带可以定义为H±5Hz的频带范围。例如，对于频率点H=10Hz，其波带即为5Hz-15Hz。查找频谱数据中，该频率点H所对应的波带内除频率点H以外，其它频率点处是否存在有效能量，若存在，则判定该频率点H是干扰频率；若不存在，则判定该频率点H为信号频率。

下面通过一个具体的实例来对本实施例的干扰频率的查找判断过程进行举例说明，结合图2-图4所示。

在图2和图3中，示出了一段频率范围在-10Hz至500Hz之间的功率谱线，设定基频段为5Hz-20Hz。在所述基频段中，最大能量出现在10Hz频点位置，能量大约为200，设定有效能量为最大能量的5%，即有效能量为10。假设n=4、L=30Hz、m=4、波带为5Hz-15Hz，对于基频段中的频率点10Hz，其4个连续的倍频点分别为20Hz、30Hz、40Hz、50Hz，由图2可见，其连续的4个倍频点处均存在有效能量，则继续查找10Hz频率点所对应的4个宽频点40Hz、70Hz、100Hz、130Hz处是否存在有效能量。由图3可见，在40Hz的宽频点处存在有效能量，则需继续查找10Hz频率点所对应的波带5Hz-15Hz内是否存在有效能量。由图4可见，在5Hz-15Hz的波带范围内除10Hz频点外，还有12Hz频点处存在有效能量，由此可判定10Hz为干扰频率。

对每一台检测仪器均进行上述的干扰频率查找判断过程，进而针对每一台检测仪器分别确定出可能是干扰频率的频率点。若各台检测仪器均认为某一频率点Hi可能是干扰频率，则将该频率点Hi判定为干扰频率。即，从各台检测仪器所认定为可能是干扰频率的频率点的集合中找出重合部分，将所述重合部分的频率点判定为干扰频率，其余部分判定为信号频率。由此，便可从频谱数据中准确地区分出哪些是海水物质的信号频率，即有用数据；哪些是干扰频率，需要剔除。

S106、利用区分出的信号频率所对应的能量，计算海水中待测物质的含量。

在利用上述海水检测前处理方法确定出功率谱中的干扰频率后，可以根据所要检测的物质，选定相应的检测仪器对所述待测海水进行光照检测，并获得该物质所对应的功率谱；从频谱数据中滤除掉所述的干扰频率及其对应的能量，根据余下的信号频率所对应的能量计算出所要检测的物质在所述待测海水中的含量。

由于利用频谱数据计算海水中的物质含量的方法已经是公知技术，因此，本实施例在此不再展开说明。

由于海洋环境是不断变化的，在对待测海水进行完上述的海水检测前处理过程后，应尽快执行正式的海水物质检测工作，以避免前期获得的干扰频率因海洋环境已发生明显变化而导致其无效、不可用。

在对海水物质进行检测前，通过采用本实施例所提出的海水检测前处理方法，可以准确地检测出海水物质测量过程中的干扰频率。由于在实际检测过程中，检测到的电压信号无需假定为平稳的或时不变的，因此，可以显著提高海水物质测量结果的准确性和可信度。

当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种海水检测前处理方法，其特征在于，包括：

利用多台不同的检测仪器对待测海水进行光照检测，并接收各台检测仪器进行光电转换后输出的电压信号；

对所述电压信号进行傅里叶变换，以生成各台检测仪器输出的电压信号所对应的功率谱；

设定基频段，针对每一台检测仪器所对应的频谱数据，遍历所述的基频段，查找基频段中每一个存在能量的频率点H所对应的连续n个倍频处是否均有能量存在，并且在所述频率点H所对应的宽频和波带内除该频率点H以外还有其它频点存在能量，则判定所述频率点H为干扰频率，所述n为大于1的正整数，且最多为5。

2.根据权利要求1所述的海水检测前处理方法，其特征在于，所述检测仪器至少使用三台，且各台检测仪器都是基于光照检测原理设计的水体检测仪器，并且仪器中用于进行光电转换的部件的采样频率相同。

3.根据权利要求2所述的海水检测前处理方法，其特征在于，所述的各台检测仪器为基于不同的光照检测原理设计的水体检测仪器，或者是基于相同光照检测原理设计的用于检测海水中不同待测物质的水体检测仪器。

4.根据权利要求1所述的海水检测前处理方法，其特征在于，所述基频段在5Hz-20Hz的范围内选定。

5.根据权利要求4所述的海水检测前处理方法，其特征在于，在所述查找基频段中每一个存在能量的频率点H的过程中，以所述基频段中存在的最大能量为基准，将大于所述最大能量至少5%的能量确定为有效能量，所述频率点H为存在有效能量的频率点。

6.根据权利要求5所述的海水检测前处理方法，其特征在于，针对所述基频段中每一个存在有效能量的频率点H，查找功率谱中与该频率点H对应的宽频处是否存在能量时，设定频率宽度为L，宽度个数为m，所述m为大于1的正整数；依次查找功率谱中H+L、H+2L、……、H+mL频率处的能量存在情况，若宽频处均不存在有效能量，则判定该频率点H为信号频率。

7.根据权利要求6所述的海水检测前处理方法，其特征在于，所述m的取值范围是：3≤m≤5；所述L在20Hz-40Hz的范围内取值。

8.根据权利要求4所述的海水检测前处理方法，其特征在于，在所述基频段中，每一个频率点H的波带为H±5Hz的频带范围。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的海水检测前处理方法，其特征在于，在对所述电压信号进行傅里叶变换之前，对所述电压信号进行小波去噪处理，以滤除所述检测仪器产生的干扰。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的海水检测前处理方法，其特征在于，在利用所述海水检测前处理方法确定出功率谱中的干扰频率后，根据所要检测的物质，选定相应的检测仪器对所述待测海水进行光照检测，并获得该物质所对应的功率谱；从所述功率谱中滤除所述的干扰频率，根据余下的信号频率所对应的能量确定所述物质在所述待测海水中的含量。