CN115406835A - 基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于硝酸盐测量技术领域，提供了一种基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法及系统，包括：获取紫外光；对所述紫外光的入射角度进行调谐，得到多个中心波长不同的光源；利用中心波长不同多个光源中的一个或多个照射硝酸盐试样；接收照射硝酸盐试样后的反射光；通过分析反射光，实现对硝酸盐的测量；本发明在对硝酸盐试样进行照射前，对紫外光的入射角度进行调谐来改变照射光源的中心波长，可以得到窄带光源，通过波长可调谐得到的紫外窄带光源解决了无法实现单色光入射样品的问题，很好地契合了朗伯‑比尔定律的前提条件。
Description
技术领域
本发明属于硝酸盐测量技术领域，尤其涉及一种基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法及系统。
背景技术
目前，主要包括两种可用于硝酸盐测量的原位分析仪，湿化学分析仪和光学紫外传感器分析仪。其中，湿化学分析仪在测量过程中由于用到化学试剂，因此会产生有害污染物，此外，湿化学分析仪使用寿命很大程度上取决于试剂的稳定性，无法在水下进行长期测量；相比之下，光学紫外传感器直接就可以对海水中的成分进行监测。
发明人发现，目前的基于紫外光谱法技术都是基于宽光谱光源入射，无法实现单色光入射样品，不符合朗伯-比尔定律的前提条件，且无法直接获得准确数据，需要实验室二次校准，而且成本高；且在进行带有浊度的硝酸测量时，因浊度对紫外光的作用，影响了测量精度，影响了紫外光谱法技术在复杂环境下硝酸盐测量中的应用。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法及系统，本发明中的波长可调谐深紫外窄带光源解决了无法实现单色光入射样品的问题，很好地契合了朗伯-比尔定律的前提条件，同时本发明还使用了光电倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)作为数据采集的光电转换装置，其高灵敏度的特性更有利于测量出硝酸盐浓度的微小变化。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供了一种基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法，包括：
获取紫外光；
对所述紫外光的入射角度进行调谐，得到多个中心波长不同的光源；
利用中心波长不同多个光源中的一个或多个照射硝酸盐试样；
接收照射硝酸盐试样后的反射光；
通过分析反射光，实现对硝酸盐的测量。
进一步的，利用光电倍增管将反射光转换为电信号。
进一步的，设置多个不同中心波长的滤光片，通过控制滤光片在水平方向上的角度以及更换不同中心波长的滤光片来所述紫外光的入射角度，实现改变入射光的中心波长。
进一步的，紫外光通过准直透镜准直，以一定的角度入射到滤光片。
进一步的，紫外光通过滤光片后，经聚焦透镜汇聚耦合。
进一步的，利用正交信号校正法对带有浊度的硝酸进行浊度补偿。
进一步的，利用核隐变量正交投影方法进行浊度补偿。
第二方面，本发明还提供了一种基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量系统，包括：
数据采集模块，被配置为：获取紫外光；
调谐模块，被配置为：对所述紫外光的入射角度进行调谐，得到多个中心波长不同的光源；
发射模块，被配置为：利用中心波长不同多个光源中的一个或多个照射硝酸盐试样；
接收模块，被配置为：接收照射硝酸盐试样后的反射光；
测量模块，被配置为：通过分析反射光，实现对硝酸盐的测量。
第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了第一方面所述的基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法的步骤。
第四方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了第一方面所述的基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明在对硝酸盐试样进行照射前，对紫外光的入射角度进行调谐来改变照射光源的中心波长，可以得到窄带光源，通过波长可调谐得到的紫外窄带光源解决了无法实现单色光入射样品的问题，很好地契合了朗伯-比尔定律的前提条件；
2、本发明还使用了光电倍增管作为数据采集的光电转换装置，其高灵敏度的特性更有利于测量出硝酸盐浓度的微小变化；可探测出海水中硝酸盐浓度的微小变化；
3、本发明使用正交信号校正算法对带有浊度的硝酸进行浊度补偿，以除去浊度的影响，进而能够继续实现对硝酸盐的测量，达到在有浊度干扰的情况下准确测量硝酸盐浓度的目的。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本发明实施例1的流程图；
图2为本发明实施例1的波长可调谐深紫外窄带光源模块示意图；
图3为本发明实施例1的波长可调谐深紫外窄带光源模块工作流程图；
图4为本发明实施例1的控制模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法，包括：
获取紫外光；
对所述紫外光的入射角度进行调谐，得到多个中心波长不同的光源；
利用中心波长不同多个光源中的一个或多个照射硝酸盐试样；
接收照射硝酸盐试样后的反射光；
通过分析反射光，实现对硝酸盐的测量。
本实施例在对硝酸盐试样进行照射前，对紫外光的入射角度进行调谐来改变照射光源的中心波长，可以得到窄带光源，通过波长可调谐得到的紫外窄带光源解决了无法实现单色光入射样品的问题，很好地契合了朗伯-比尔定律的前提条件。
为了实现硝酸盐测量方法，本实施例提供了一种硝酸盐测量传感器，主要包括波长可调谐深紫外窄带光源模块、基于波长可调谐深紫外窄带光源模块的测量系统和包括电源模块在内的控制电路部分。其中，如图2所示，波长可调谐深紫外窄带光源模块的作用是实现对深紫外光源的可调谐，主要功能模块可以包括氘灯、角度旋转台、滤光片旋转轮、多个不同中心波长的滤光片、光学透镜和紫外光纤等，不同中心波长的滤光片可以设置为7个，其参数可以设置为220nm、230nm、240nm、250nm、260nm、270nm和280nm；本实施例中的窄带光源可以理解为经过不同中心波长的滤光片处理后的紫外光光源；所述角度旋转台可以实现水平方向上滤光片的角度的改变，可以通过云台、转台等常规技术实现；所述滤光片旋转轮用于更换置于其上的七个不同中心波长的滤光片，可以理解为所述滤光片旋转轮上开设多个安装滤光片的安装孔；所述光学透镜包括准直透镜和聚焦透镜，分别用于氘灯光源入射的宽光谱光信号的准直和调谐后的出射的窄带光信号的聚焦；基于波长可调谐深紫外窄带光源模块的测量系统的作用可以是利用灵敏度较高的PMT器件将从波长可调谐深紫外窄带光源模块出射进入测试样品的光源信号转换为电信号，以供后续的数据处理；包括电源模块在内的控制电路部分的作用是实现对波长可调谐深紫外窄带光源模块的实时控制，同时实现对整个系统的电源的供电。
由于装滤光片转轮的边沿长度过长，会使得从氘灯光源出射的初始光强变得很小，同时也需要装滤光片转轮预先偏转一定的角度，比如5°左右，这便给后续的标定关系增加了一定的复杂度，因此，本实施例中，将滤光片转轮上安装滤光片的多个安装孔的边沿的长度减小，使其整体变薄，这样有助于后续的标定，同时也会直接增加整体的光强，进而提高信噪比。
本实施例中，氘灯光源的出射口连接深紫外光纤，所述深紫外光纤的另一端连接准直透镜，所述准直透镜后放置由滤光片、角度旋转台以及滤光片旋转轮组成的分光装置，所述分光装置后连接聚焦透镜，所述聚焦透镜后连接双Y型深紫外光纤，其一端是第一反射式探头，所述第一反射式探头没于样品槽中，另一端也是第二反射式探头，所述第二反射式探头也置于样品槽中，同时所述样品槽中还有温度传感器和盐度传感器，最后这两端都各有一根光纤连接到PMT探测器上，PMT与包括电源模块在内的控制电路进行连接。
利用本实施例中的方法或系统测量带有浊度的硝酸盐时，需要对带有浊度的硝酸进行浊度补偿，以除去浊度的影响，进而能够继续实现对硝酸盐的测量，本实施例中，使用正交信号校正算法(OSC)进行浊度校正，以达到在有浊度干扰的情况下准确测量硝酸盐浓度的目的；具体的，可以通过基于核隐变量正交投影(Kernel-based orthogonalprojection to latent structures，KOPLS)算法实现浊度校正，核隐变量正交投影算法将原空间中的正交成分转化到特征空间里，从而在高维空间完成正交无关项的预测与分离；所有的预处理都是要尽可能地去除与响应矩阵Y无关的信息，而在数学意义上，只要去除的信息与响应矩阵Y正交，那么该部分的信息就必然与响应矩阵Y无关，基于此，本实施例中，设置Y为硝酸盐的浓度矩阵，X为带有浊度的硝酸盐的吸收光谱矩阵；具体实现过程如下：
S1、选择合适的核函数，本实施例中，选择高斯函数作为Kernel函数，生成Kernel矩阵并对其进行中心化处理；
S2、对YTKY进行特征值分解，得到Y的载荷矩阵Cp，特征值矩阵Σp，预测得分矩阵Up＝YCp；
S3、计算X的预测得分矩阵：Tp＝KTUp(Σp)-1/2；
步骤S1、步骤S2和步骤S3表示通过Kernel矩阵将X映射到高维空间，求得在高维空间里Y的载荷矩阵Cp，进而得到Y的预测得分矩阵Up，以及X的预测得分矩阵Up；载荷矩阵Cp表示的是在高维空间里的Y的主成分的系数，预测得分矩阵Up表示的是在高维空间里的Y的主成分，预测得分矩阵Up表示的是在高维空间里的X的主成分；
S4、对TpTQTp进行特征分解，得到Y的正交载荷向量co和特征值向量σo，其中，Q＝K-TpTpT；
S5、计算Y的正交得分向量to＝QTpcoσo -1/2，再对其长度进行归一化：||to||＝√(to Tto)，to＝to/||to||；
步骤S4和步骤S5表示从Kernel矩阵中提取出与预测矩阵Tp正交的结构化信息，由此计算Y-正交得分向量并标准化；
S6、K＝(I-toto T)K(I-toto T)；步骤6为剔除Kernel矩阵中与Y无关的信息；
S7、重复(4)-(6)的操作，循环个数为Y的正交成分个数；步骤S7具体个数是根据对预测的贡献率来定的；
S8、计算预测得分矩阵：Tp＝KTUp(Σp)-1/2；
S9、计算Y的预测得分矩阵Up和X的预测得分矩阵Tp的回归系数矩阵：B＝(TpTTp)- 1TpTUp；
S10、计算Y的预测值：Y＝TpBCpT。
本实施例的工作过程或原理为：
氘灯产生的宽光谱光信号经紫外光纤传输并由准直透镜准直，以一定的角度入射到安装在由角度旋转台和滤光片旋转轮组成的角度变换装置上的不同中心波长的滤光片，与此同时，可以通过控制电路部分发送不同的指令来控制角度旋转台和滤光片旋转轮在水平方向上转动以及更换不同中心波长的滤光片，以此通过改变入射角度来改变入射光的中心波长，从而实现紫外光源出射光的中心波长可调谐功能，最终再由聚焦透镜汇聚耦合到紫外光纤进行出射到后端的双Y型反射式光纤中，光纤的两端分别没于两个样品槽中，然后又有两根光纤将反射式探头反射出来的光信号输入到PMT探测器上，再经由控制电路部分进行数据的读取与处理。
在其他一些实施例中，通过实验测试表明，在使用窄带光源的条件下，与宽带光源系统相比，RMSE为0.85μmol/L，R2为0.9993，测量误差范围为-3.01μmol/L～2.99μmol/L；系统中使用的PMT器件具有较高的分辨率较，可分辨出1μmol/L的硝酸盐的变化。
实施例2：
本实施例提供了一种基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量系统，包括：
数据采集模块，被配置为：获取紫外光；
调谐模块，被配置为：对所述紫外光的入射角度进行调谐，得到多个中心波长不同的光源；
发射模块，被配置为：利用中心波长不同多个光源中的一个或多个照射硝酸盐试样；
接收模块，被配置为：接收照射硝酸盐试样后的反射光；
测量模块，被配置为：通过分析反射光，实现对硝酸盐的测量。
所述系统的工作方法与实施例1的基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法相同，这里不再赘述。
实施例3：
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了实施例1所述的基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法的步骤。
实施例4：
本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了实施例1所述的基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法的步骤。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法，其特征在于，包括：
获取紫外光；
对所述紫外光的入射角度进行调谐，得到多个中心波长不同的光源；
利用中心波长不同多个光源中的一个或多个照射硝酸盐试样；
接收照射硝酸盐试样后的反射光；
通过分析反射光，实现对硝酸盐的测量。
2.如权利要求1所述的基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法，其特征在于，利用光电倍增管将反射光转换为电信号。
3.如权利要求1所述的基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法，其特征在于，设置多个不同中心波长的滤光片，通过控制滤光片在水平方向上的角度以及更换不同中心波长的滤光片来所述紫外光的入射角度，实现改变入射光的中心波长。
4.如权利要求3所述的基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法，其特征在于，紫外光通过准直透镜准直，以一定的角度入射到滤光片。
5.如权利要求3所述的基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法，其特征在于，紫外光通过滤光片后，经聚焦透镜汇聚耦合。
6.如权利要求1所述的基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法，其特征在于，利用正交信号校正法对带有浊度的硝酸进行浊度补偿。
7.如权利要求6所述的基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法，其特征在于，利用核隐变量正交投影方法进行浊度补偿。
8.基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，被配置为：获取紫外光；
调谐模块，被配置为：对所述紫外光的入射角度进行调谐，得到多个中心波长不同的光源；
发射模块，被配置为：利用中心波长不同多个光源中的一个或多个照射硝酸盐试样；
接收模块，被配置为：接收照射硝酸盐试样后的反射光；
测量模块，被配置为：通过分析反射光，实现对硝酸盐的测量。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现了如权利要求1-7任一项所述的基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现了如权利要求1-7任一项所述的基于波长可调谐紫外窄带光源的硝酸盐测量方法的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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