1、光谱融合传感技术及其在智慧水务方面的应用付庆波 博士 2023年3月 目录目录u 光谱融合传感技术概述光谱融合传感技术概述u 光谱融合水质传感器及智慧化应用光谱融合水质传感器及智慧化应用u 太赫兹及光纤光谱水质传感器太赫兹及光纤光谱水质传感器光谱及其产生机理光谱及其产生机理-光量子说光量子说光谱的分类光谱分析法是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法，主要分为原子光谱和分子光谱。*多光谱数据融合分析技术的研究和应用进展_戴嘉伟分子光谱电子能级、分子振动和转动能级的变化产生带状谱l紫外可见光谱l近红外光谱l中红外光谱

2、l拉曼光谱l分子荧光光谱原子光谱原子外层或内层电子能级的变化产生线状谱l原子发射光谱l原子吸收光谱l原子荧光光谱lX-射线荧光光谱l激光诱导激发光谱LIBS在水质检测方面，一般采用分子光谱进行有机污染物的分析表征，采用原子光谱进行无机粒子的分析表征现代光谱分析技术-高度依赖数据计算能力，软硬件结合不同光谱从不同侧面反映物质的元素组成、结构和含量等信息，如果对样品进行全面的定量和定性分析，则需要结合一定的数学分析手段。经典光谱定量分析-朗伯比尔定律线性回归分析统计分析化学计量学数据清洗非线性模型人工智能AI多维数据融合水的不同类型光谱分析表征高分辨质谱二维核磁色谱紫外吸收光谱三维荧光光谱拉曼光谱

3、太赫兹谱红外光谱近红外光谱光谱融合技术1.拉曼光谱系统 2.傅里叶变换中红外光谱系统 3.近红外光谱反射系统 2.4.分子荧光光谱系统 5.化学反应器 6.光纤探头硬件融合软件融合多光谱数据融合策略低层融合是一种最直接和最简单的融合策略，将同一样本所得到的多光谱数据连接在一起，形成新的融合数据，然后作为定性或定量模型的输入变量，以达到提高模型预测能力、提升模型稳定性等目的。低层融合的优势在于概念简单，可保留原始数据中的全部信息，而且对于零阶和一阶数据具有很强的适用性；不足之处在于需要对不同来源的信息进行考量和预处理工作，以保证融合的顺利进行，此外低层融合对于二阶数据融合效果不佳。的融合效果不佳

4、。中层融合是将不同来源的光谱数据经过特征提取（如 PCA）、波长变量的选择及其比率、小波系数等）并将选取的特征变量按一定的顺序进行矢量化，实现数据的融合。一些研究者将低、中层融合进行了比较，由于特征提取可有效剔除无关变量，所以中层融合的效果大多优于低层融合。而且，通过提取特征变量还可对二阶光谱数据进行降维，起到简化计算的作用，因此，中层融合同样可应用于二阶数据的融合。此外，有研究表明，中层融合比其它融合策略表现出了更好的线性关系。高层融合也称为决策级融合，从每个光谱数据源单独建立分类或回归模型，并将每个单独模型的预测结果进行组合，以得到最终的决策结果。实际上，在高层融合中通常还包含光谱数据的低

5、层融合和中层融合。光谱融合水质传感器及智慧化应用智慧水务的构架：在线监测数据处理决策应用在线监测与传感技术厂网河联调联动：智慧化决策与控制应用数据的传输分析与存储应用层支撑层感知层智慧水利系统智慧水环境系统智慧给排水系统汛情监视、防洪调度灾情评估、决策会商水质监测与预警水厂设施、给排水管网巡检与监控供水优化调度与费用管理智慧水处理系统闭环控制工艺排污口实时监测入河排污口是指直接或者通过沟、渠、管道等设施向江河、湖泊排放污水的排污口。通过“查、测、溯、治”等工作方式对入河排污口开展整治管理已成为水生态环境精细化管理的关键环节!建设小型水质监测站 市电或者太阳能供电连续排水 建设微型站 太阳能或者

6、蓄电池供电非连续排水适合标准分析方法（化学法）适合在线光谱检测方法光谱法微型站的特点：成本低，运维简单，定位于预警监测，对偷排漏排进行追踪溯源适用的光谱水质传感技术：紫外可见吸收光谱、散射光谱、近红外光谱吸收整体呈现波长越短吸收越强的趋势不同区域水体的吸收强度和吸收峰不同在同一波长处的吸收强度差异较大紫外吸收光谱的电子跃迁轨道紫外吸收对应的分子官能团特征代表产品：SDD6多参数光谱水质传感器-欧勒姆电气（珠海）有限公司紫外吸收与散射光谱融合技术适用于水体有机物/悬浮物/胶体分析COD量程0-500mg/L水厂生产过程控制-光谱指标评价强化混凝、离子交换工艺与预测消毒副产物生成势16种地表水水样

7、紫外吸收光谱体积排阻色谱-紫外多波长扫描图P P1 1：大大分分子子蛋蛋白白类类生生物物聚聚体体P P2 2：中中等等分分子子量量腐腐殖殖酸酸P P3 3：富富里里酸酸P P4 4：小小分分子子物物质质（无无荧荧光光）体积排阻色谱三维荧光光谱代表性产品与方案：南京同开环保科技有限公司1.进行在线、实时的水质监测，实现污染快速预警2.可作为饮用水处理工艺，动态化调整试剂投加量可实现灵敏、快速、实时监测有机污染物节省药剂，减少物力损耗方案架构臭氧工艺监控和消毒副产物预警传感器：采用荧光指标替代UV254，排除O3和ClO-的干扰，有利于负反馈控制紫外、荧光光谱指标与THMs生成间的相关性分析紫外、

8、荧光光谱指标与HAAs生成间的相关性分析水质污染物溯源传统表征有机物含量的水质参数如和等只能表示总量，无法展示有机物成分，例如无法区分易降解、可降解和不易降解的有机物。这些不足使得污水处理设施的设计和运行仍然长期依赖经验。荧光有机物（，）在特定波长的激发光（，）照射下会产生特征波长的发射光（，）。因此在以激发波长、发射波长作横纵坐标的荧光光谱中每种都有特定位置，且的浓度与荧光强度正相关。污水中含有大量，例如蛋白质、腐殖质、油脂、石油、维生素、表面活性剂等。由于的上述特点，污水的荧光光谱可以展现机物组成，被称为水质荧光指纹水质荧光指纹。地表水生活污水印染废水甜味剂生产废水光伏生产废水常见有机物在

9、水中的荧光识别位置及潜在来源水质在线监测-预警-污染溯源的技术体系架构水体中大部分的DOM具有荧光特性，在过去十年中研究人员常用三维荧光光谱分析技术结合平行因子分析方法（3D-EEM-PARAFAC）分析DOM荧光特征。DOM的荧光特征可用来分析水体中DOM的组分和来源，进而识别水体污染源。al.2015）三维荧光光谱特征与氨氮、TP、TN之间的关系*基于水化学特征和荧光指纹的染物源解析方法研究及其应用_位梦姣DOM三维荧光光谱指标FI和HIX用于不同水体的水质评估高光谱-多光谱-遥感成像技术高光谱遥感技术的核心为成像光谱仪，载有成像光谱仪的飞行器、卫星沿推扫方向获取目标的二维空间图像和一维光

10、谱信息，形成三维数据立方体。高光谱遥感的主要应用集中在水利方面的“四水问题”洞庭湖叶绿素a浓度的反演云南滇池-悬浮物浓度反演青虾养殖尾水处理无人机高光谱分析-有机物浓度指标反演*基于无人机高光谱遥感技术对内陆养殖池塘水质监测的研究_刘梅研究区地理位置及采样点分布利用大疆无人机M600 Pro搭载高光谱成像仪GaiaSky-mini获取尾水处理区及周边养殖池塘的高光谱影像。无人机飞行高度为100 m,无人机高光谱相机的扫描范围为4001 000 nm,光谱通道为176,光谱分辨率为3.5 nm。所选实验时间均晴朗微风(12级),无云层覆盖。各水质参数实测值与最佳反演模型预测值对比图养殖小区池塘各

11、水质指标浓度空间反演效果末端供水水质监测2011年对地级以上城市集中式饮用水水源环境状况调查显示，约35.7亿立方水源水质不达标，占总供水量的11.4；全国设市城市公共供水厂出厂水水样达标率为8383，设市城市和县城公共供水末梢水水样达标率为79%79%-城镇供水末端水质保障与改善技术探讨-李妍，2013，给水排水城镇地区二次供水合格率只有70%70%，部分地区的二次供水合格率未达到50%50%，这些地区超标指标有浊度、色度、铁、大肠菌群落，造成这一问题的主要原因是末端余氯浓度持续下降，无法发挥出应有的消毒作用。-何秀香.探讨城镇供水末端水质保障与改善技术J.大科技，2017.我国城镇净水厂出

12、厂水质合格率在95以上，有的地区已达100，与此相对应的供水末端（含住区与建筑物用水）水质合格率却常常不到75%！-城镇供水末端水质保障技术的现状与需求-赵锂，2013二次供水是影响末端水质质量的重要环节检测指标检测范围分辨率准确度重复性单位说明TOC0-100 0.01FS*5%0.5mg/L备注1COD0-200 0.01FS*5%0.5mg/L备注2色度0-1000.01FS*5%1度备注3浊度0-1000.01FS*10%1NTU备注4TDS0-10001（10+读数*20%）5mg/LUV2540-10.001FS*5%0.005温度0-500.011.51摄氏度备注6典型产品-多光

13、谱在线水质传感器-深圳比特原子科技太赫兹及光纤光谱水质传感器利用全反射太赫兹方式测量了纯净水、自来水、河水、海水和海水五种水样品的时域光谱，通过光学参数提取模型得到样品在0.2-1.0范围内的吸收系数、折射率和介电常数。（）：折射率；（）：吸收系数；（）：介电常数实部；（）：介电常数虚部基于光纤技术的水质检测具有灵敏度高、检测速度快、可实现实时在线监测、分布式和准分布式监测等优点;同时利用光纤水质传感器能够实现多参量无损和无污染监测，便于微型化和智能化。能够检测水体特定污染物浓度、色度、化学需氧量、折射率、ph、金属离子等。的检测传感器功能型光纤水质传感器功能型倏逝波光纤传感器原理图异芯结构原

14、理图。(1)多模光纤包层;(2)多模光纤纤芯;(3)单模光纤包层;(4)单模光纤纤芯基于 MZI 嵌入式 FBG 传感器结构示意图表面等离子体共振(SPR)光纤传感器表面增强拉曼散射(SERS)光纤探头*光纤水质检测技术的研究现状与发展趋势_陈浩 环境数据，尤其是水质数据的重要性越发明显。基于物联网和人工智能的方式构建从水源头到水龙头的全域水质数据，实现水环境的网格化管理和城镇给水排水的联调联动，构建新型水环境基础设施，从而提升社会生活的整体运行效率。因此，需要在水质监测技术和产品上进行持续创新。光学检测技术的成熟和普及应用是一个趋势。另外，由于光学类传感器的快速响应，其在“厂网河联调联动”方面也有极大的应用潜力。此外，基于人工智能大数据技术，可以构建实时水质地图，从多个维度实现水质数据的挖掘和分析，全面服务于生态环境建设。新的技术发展有个成熟的过程，产品力的提升也需要时间，标准的支持和完善工作也需要同步进行。但是，“风物长宜放眼量”，面向未来，创造价值应当是创新性科技公司的使命，优秀的公司和产品必将与行业共同成长，互相成就！