面向地表水環(huán)境的分布式紫外-可見光譜水質(zhì)在線檢測監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著我國現(xiàn)代化工業(yè)、農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，由此產(chǎn)生了大量工業(yè)廢水、化肥農(nóng)藥以及生活污水未經(jīng)處理等隨意排放，致使水環(huán)境污染事件頻發(fā)，嚴重威脅了我國地表水環(huán)境的質(zhì)量。為此，在我國剛邁入“十三五”建設(shè)與發(fā)展的關(guān)鍵時期，國家“十三五”環(huán)境監(jiān)測事業(yè)發(fā)展規(guī)劃指出：“將完善環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，本著‘適度超前’的原則，構(gòu)建先進的環(huán)境監(jiān)測預(yù)警體系，切實提高環(huán)境監(jiān)測能力，改變我國環(huán)境監(jiān)測能力落后的狀況。”
　　根據(jù)我國環(huán)境保護部公布的《“

2、十三五”環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量管理工作方案》，到2020年，我國要全面建成環(huán)境空氣、地表水和土壤等環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制體系。其中，針對水污染治理，在標準設(shè)置和檢測監(jiān)測上，完善技術(shù)體系，健全環(huán)境監(jiān)測規(guī)范體系，構(gòu)建質(zhì)量控制體系，創(chuàng)新質(zhì)控技術(shù)手段，完善自動監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和遠程質(zhì)控系統(tǒng)，所有這些，均依賴于全面有效的地表水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。
　　誠然，目前我國地表水環(huán)境或水體流域監(jiān)測站布設(shè)相對稀疏，存在大量監(jiān)測盲區(qū)。即便在水體流域中建立的監(jiān)測站，尚僅能代表站點

3、附近區(qū)域的水質(zhì)狀況，不僅檢測監(jiān)測速度慢，信息存在一定的滯后，難以全天候、寬流域、實時追蹤刻畫或反映流域甚或重點地區(qū)的水質(zhì)狀態(tài)信息，無法對突發(fā)的水體流域內(nèi)水質(zhì)污染災(zāi)害事件做出快速監(jiān)測預(yù)警。因此，通過構(gòu)建廣域覆蓋的水質(zhì)檢測監(jiān)測系統(tǒng)，實時獲取水體流域內(nèi)的水質(zhì)監(jiān)（檢）測參數(shù)，及時或動態(tài)通報水環(huán)境質(zhì)量狀況，全天候追蹤水質(zhì)是否異常等信息，不僅關(guān)系著我國國民健康、生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，而且也是實現(xiàn)地表水環(huán)境污染監(jiān)控的一種有效途徑。

4、　　有鑒于此，本文在四川省科技支撐計劃項目“多功能水質(zhì)實時自動監(jiān)測技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)品研制”（項目編號：2012SZ0111）、重慶市教委科技創(chuàng)新項目“基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的光譜水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)”（項目編號：CYS14039）以及四川碧朗科技有限公司科研項目“光譜法多參數(shù)水質(zhì)在線自動監(jiān)測儀研制”（合同編號：1042012920140453）聯(lián)合資助下，開展了面向地表水環(huán)境的基于分布式紫外-可見光譜法水質(zhì)在線檢測監(jiān)測系統(tǒng)理論分析、技術(shù)方法論證和儀器設(shè)備

5、開發(fā)等研究工作，研究了分布式水環(huán)境水質(zhì)光譜采集、光譜降噪、光譜濁度干擾補償、光譜壓縮、遠距離無線傳輸?shù)热舾申P(guān)鍵技術(shù)問題，初步構(gòu)建了地表水紫外-可見光譜法水質(zhì)實時自動檢測監(jiān)測技術(shù)的理論、儀器及方法技術(shù)。
　　本論文的研究工作內(nèi)容，主要是：
　　1）深入、系統(tǒng)調(diào)研了國內(nèi)外水質(zhì)檢測監(jiān)測理論、儀器及方法技術(shù)的發(fā)展歷程；分析了國內(nèi)外水質(zhì)監(jiān)測的主要方法，特別是，明晰了紫外-可見光譜法水質(zhì)檢測監(jiān)測技術(shù)的特點和優(yōu)勢；闡述了我國目前地表水環(huán)境

6、狀況、面臨的挑戰(zhàn)以及國家對于水環(huán)境管理的防控計（規(guī)）劃；指出了分布式水質(zhì)檢測監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)有的研究現(xiàn)狀和存在的問題或不足。在此基礎(chǔ)上，確立了水質(zhì)檢測監(jiān)測系統(tǒng)的研究思路，提出了一種紫外-可見光譜水質(zhì)檢測法融合分布式在線測量技術(shù)的分布式水質(zhì)檢測監(jiān)測系統(tǒng)原理與技術(shù)方法。
　　2）研究分析了紫外-可見光譜法分布式水質(zhì)檢測的原理及方法，構(gòu)建了分布式紫外-可見光譜法水質(zhì)在線監(jiān)測的儀器系統(tǒng)和應(yīng)用軟件?；诖?，針對分布式紫外-可見光譜法水質(zhì)檢測監(jiān)測的

7、數(shù)據(jù)采集實時性、遠距離數(shù)據(jù)傳輸可靠性、數(shù)據(jù)管理便捷性與軟硬件可擴展性等特點或基本要求，研究與開發(fā)了光譜法水質(zhì)檢測監(jiān)測節(jié)點硬件系統(tǒng)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)庫、人機界面以及檢測節(jié)點儀器設(shè)備開發(fā)和監(jiān)測系統(tǒng)實驗平臺，這為后續(xù)的水質(zhì)檢測監(jiān)測系統(tǒng)之應(yīng)用研究提供了理論及技術(shù)方法基礎(chǔ)。
　　3）研究了光譜法水質(zhì)檢測監(jiān)測節(jié)點光譜采集和數(shù)據(jù)傳輸中可靠性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)問題。鑒于水質(zhì)光譜測量中的光能量損耗，研究與設(shè)計了光譜采集的光學系統(tǒng)，優(yōu)化了光譜探頭結(jié)構(gòu)；

8、面對工業(yè)級（低成本）光譜儀水質(zhì)檢測監(jiān)測存在光子效率低、背景噪聲強的嚴峻挑戰(zhàn)，研究了一種水質(zhì)檢測雙光程光譜融合算法，此可同時采集長、短兩種光程光譜，借助于噪聲方差估計、雙光程增益匹配的技術(shù)方法，輔之于按噪聲方差分布進行分段加權(quán)方式得到水質(zhì)檢測融合光譜，以此提高光譜信/噪比，確保了光譜法水質(zhì)檢測監(jiān)測節(jié)點光譜采集和數(shù)據(jù)傳輸中的可靠性和穩(wěn)定性。
　　4）研究了光譜法水質(zhì)檢測監(jiān)測時殘余的非線性光譜噪聲和光譜無線傳輸過程中數(shù)據(jù)丟包的關(guān)鍵技術(shù)問

9、題。采用等間隔采樣，構(gòu)建了由時間軸和光譜軸組成二維光譜矩陣，借以基于動態(tài)窗格和二維小波變換的光譜去噪算法，不僅濾除了殘余的非線性光譜噪聲，而且還保留了原始光譜細節(jié)信息。通過引入基于壓縮感知的光譜壓縮算法，縮減了光譜數(shù)據(jù)量，不僅優(yōu)化了數(shù)據(jù)丟包條件下的壓縮數(shù)據(jù)重建質(zhì)量，而且還提高了光譜數(shù)據(jù)無線傳輸效率。
　　5）研究了水質(zhì)解算過程中存在的濁度干擾和水質(zhì)COD解算時現(xiàn)有模型性能偏弱的關(guān)鍵技術(shù)問題。為了確保水質(zhì)檢測監(jiān)測時水質(zhì)參數(shù)解算質(zhì)量，

10、特別是水體環(huán)境有機物含量的解算精度，研究了一種基于Mie散射理論的紫外-可見光譜濁度補償算法，通過建立懸浮顆粒物粒徑分布函數(shù)，反演其在有機污染物特征光譜段的消光光譜，最終與原始光譜進行差分，實現(xiàn)了水質(zhì)檢測監(jiān)測光譜的濁度補償，解決了光譜法水質(zhì)檢測時易受泥沙等懸浮顆粒物干擾的問題。
　　本論文的上述有關(guān)研究成果，不僅在項目研制的儀器樣機(已通過了四川省科技廳組織專家的成果鑒定)移交四川碧朗科技有限公司的工程實踐中得到了實際應(yīng)用，而且還