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光谱学与光谱分析 2023年第4期43卷 1037-1042页

作者：王金梅何适张航熙杨晨尹义同张莉郑培超重庆邮电大学光电工程学院光电信息感测与传输技术重庆重点实验室重庆400065

硝酸盐氮(NO3-N)是水中“三氮”(硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮)之一,能够反映水体受污染的程度,是水质评估的一项重要指标。水体中的硝酸盐氮浓度过高不仅会导致水环境污染加重,而且会对人畜及水产构成较大威胁。传统的硝酸盐氮检测必须... 详细信息

硝酸盐氮(NO3-N)是水中“三氮”(硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮)之一,能够反映水体受污染的程度,是水质评估的一项重要指标。水体中的硝酸盐氮浓度过高不仅会导致水环境污染加重,而且会对人畜及水产构成较大威胁。传统的硝酸盐氮检测必须先反应后测定,具有时间长、操作复杂、有二次污染等缺点。光谱法具有快速、无损、无试剂消耗等显著优点。针对硝酸盐氮难以快速检测的问题,提出了一种基于紫外吸收光谱的快速定量分析硝酸盐氮的方法。采集42份浓度为0~20 mg·L^(-1)的硝酸盐氮标准溶液样本的紫外吸收光谱,每份样本经11次平均处理以减少仪器噪声和环境的影响。采用SPXY算法按照7∶3的比例划分训练集、测试集,对紫外吸收光谱数据使用Savitzky-Golay(SG)滤波算法进行预处理,通过10折叠交叉验证获得套索回归(lasso regression)合适的正则化参数λ=0.2036,再使用Lasso回归在全光谱范围内筛选出与硝酸盐氮相关的光谱特征波长,将特征波长处的吸光度与样本浓度进行偏最小二乘(PLS)拟合建立硝酸盐氮的回归模型。采用此建模方法所建立的模型训练集的R2与RMSE分别为0.99991和0.06015 mg·L^(-1),测试集的R2与RMSE分别为0.99972和0.04691 mg·L^(-1)。为了验证提出的SG-Lasso-PLS预测模型效果,另外建立了Lasso-PLS,SG-PCA-PLS和SG-PCA-SVR三种预测模型进行对比。验证结果表明,SG-Lasso-PLS建立的预测模型的R2和RMSE均优于其他三种预测模型。说明SG滤波能够消除光谱信号的随机噪声,提高模型的预测精度。与PCA数据降维算法相比,Lasso可实现全光谱范围内的光谱特征选择和数据降维,能有效消除光谱数据的冗余信息,提高模型的预测精度。因此,本文提出的SG-Lasso-PLS混合模型能够快速准确的对水体中的硝酸盐氮进行预测。作为硝酸盐氮浓度检测的基础研究,能为快速无污染的水质在线监测场景提供算法参考。

关键词：硝酸盐氮紫外吸收光谱 Lasso回归 PLS回归

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正交再加热双脉冲激光诱导黄连等离子体的光谱特性

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中国激光 2018年第7期45卷 86-93页

作者：王金梅郑慧娟郑培超谭癸宁重庆邮电大学光电工程学院光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室重庆400065

搭建了正交的再加热双脉冲激光诱导击穿光谱(RDP-LIBS)实验装置。以黄连为研究对象,用其特征谱线的光谱强度和信背比评估了光谱特性。通过优化探测延时、两束激光能量值组合及脉冲间隔等实验参数,提高了检测的灵敏度。相比单脉冲激光诱... 详细信息

搭建了正交的再加热双脉冲激光诱导击穿光谱(RDP-LIBS)实验装置。以黄连为研究对象,用其特征谱线的光谱强度和信背比评估了光谱特性。通过优化探测延时、两束激光能量值组合及脉冲间隔等实验参数,提高了检测的灵敏度。相比单脉冲激光诱导击穿光谱(SP-LIBS)技术,RDP-LIBS技术对4条特征谱线(Fe、Al、Ca、CN)的光谱强度增强倍数分别为4.0,5.5,10.0和3.5。RDP-LIBS下的等离子体电子激发温度和电子数密度均比SP-LIBS下的有所提高。

关键词：激光技术激光诱导击穿光谱(LIBS) 光谱增强再加热双脉冲中药材电子激发温度电子数密度

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基于KPCA-PSO-ELM算法的地表水化学需氧量紫外-可见吸收光谱检测研究

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光谱学与光谱分析 2024年第3期44卷 707-713页

作者：郑培超周椿棪王金梅尹义同张莉吕强曾金锐何雨欣重庆邮电大学光电工程学院光电信息感测与传输技术重庆重点实验室重庆400065

化学需氧量(COD)是水质检测重要指标之一,反映水体有机物含量。传统的COD化学检测方法存在操作繁琐,等待时间长,二次污染等缺点。紫外-可见吸收光谱法是目前水体化学需氧量检测中应用最为广泛的方法之一,具有检测快速、无污染等特点。... 详细信息

化学需氧量(COD)是水质检测重要指标之一,反映水体有机物含量。传统的COD化学检测方法存在操作繁琐,等待时间长,二次污染等缺点。紫外-可见吸收光谱法是目前水体化学需氧量检测中应用最为广泛的方法之一,具有检测快速、无污染等特点。为了满足地表水化学需氧量快速、实时、在线监测等要求,采用紫外-可见吸收光谱进行测量,提出了内核主成分分析(KPCA)结合粒子群优化极限学习机(PSO-ELM)预测模型,满足当前对地表水化学需氧量快速、实时监测的要求。对光谱进行Savitzky-Golay(SG)滤波以降低随机噪声的影响;用积分光谱代替原光谱,以降低信号波动带来的影响;再将得到的光谱信息归一化,消除不同光谱数据量纲的影响。将预处理后的数据利用KPCA算法将全光谱数据压缩为5个特征,有效解决光谱信息冗余的问题;采用PSO算法对ELM的权重和偏置进行优化极大提高了模型的精度。对217个河流、长江及支流、湖库等地表水样本按照7∶3随机划分成训练集和测试集,并进行建模测试,其中训练集拟合优度(R2)为0.930 2、均方根误差(RMSE)为0.363 0 mg·L^(-1)、测试集拟合优度R2为0.931 9、均方根误差(RMSE)为0.400 7 mg·L^(-1)。为了验证提出的基于KPCA全光谱数据压缩方法对预测模型的提升效果,分别对比了主成分分析(PCA)、连续投影算法(SPA)、套索回归(LASSO)等特征处理算法。PCA-PSO-ELM模型的RMSE为0.715 1 mg·L^(-1)、 SPA-PSO-ELM模型的RMSE为0.473 7 mg·L^(-1)、 LASSO-PSO-ELM模型的RMSE为0.412 6 mg·L^(-1), KPCA-PSO-ELM模型较上述三种模型,RMSE分别降低了78.46%、 18.22%、 2.97%,结果表明KPCA是一种高效的光谱降维算法,能够有效消除光谱冗余信息,提升模型预测精度。基于KPCA-PSO-ELM预测模型结合紫外-可见吸收光谱可以实现对地表水COD快速、实时检测,为在线COD检测场景提供方法支撑。

关键词：化学需氧量紫外-可见吸收光谱内核主成分分析极限学习机

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基于PSO-PLS混合算法的水体COD紫外吸收光谱检测研究

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光谱学与光谱分析 2021年第1期41卷 136-140页

作者：郑培超赵伟能王金梅赖春红王小发毛雪峰重庆邮电大学光电工程学院光电信息感测与传输技术重庆重点实验室重庆400065

化学需氧量(COD)是反映水体受有机物污染程度的重要指标。紫外吸收光谱法是目前水体COD检测研究中应用最为广泛的方法,具有样品无需预处理,成本低,无污染,测定速度快等优点。但是,原始光谱数据维数高,光谱信息中包含大量冗余变量,直接... 详细信息

化学需氧量(COD)是反映水体受有机物污染程度的重要指标。紫外吸收光谱法是目前水体COD检测研究中应用最为广泛的方法,具有样品无需预处理,成本低,无污染,测定速度快等优点。但是,原始光谱数据维数高,光谱信息中包含大量冗余变量,直接将全光谱数据进行建模存在精度低,计算复杂等问题。针对紫外吸收光谱全光谱建模精度低,光谱数据存在大量共线性的问题,提出了一种基于粒子群算法(PSO)结合偏最小二乘(PLS)优选特征波长建立预测模型的方法,以提高紫外吸收光谱预测模型的精度和适用性,简化模型。利用搭建的紫外吸收光谱装置,采集29份不同浓度的COD标准溶液的紫外光谱数据,每份标准溶液采集5次取平均值并对其进行平滑处理,减少仪器和环境带来的误差。考虑到标准溶液在200~310 nm的光谱范围内存在吸收,故选取该波段范围内246个波长点作为建模数据,每个波长点下的吸光度数据作为一个粒子并按照顺序编号,以PLS为建模方法,相关系数r和均方根误差(RMSE)为评价指标,设置粒子群算法适应度函数f(x)=min(RMSE),取粒子初始种群数为20个,惯性权重w=0.6,自我学习因子c1=1.6,群体学习因子c2=1.6,最大迭代次数为200次,算法终止条件为达到最大迭代次数。算法输出全局最优变量取值为168,94,181,183,175,209,106和142。采用粒子群算法优选的8个波长点建立PLS预测模型的相关系数r和预测均方根误差RMSE分别为0.99998和0.1551。为了验证PSO-PLS建立的预测模型效果,建立了PLS,iPLS和SVR三种预测模型进行对比。验证结果表明,PSO-PLS模型的相关系数r和均方根误差RMSE均优于其他三种预测模型,说明粒子群算法能有效的提取用于PLS建模的特征波长,消除子区间变量的共线性,提高预测模型的精度。该方法为实现水体COD实时在线监测提供了一种有效途径。

关键词：粒子群算法紫外吸收光谱 COD测量 PLS回归

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氢化物发生辅助溶液阴极辉光放电光谱技术检测水体中痕量汞和锡

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光谱学与光谱分析 2022年第4期42卷 1139-1143页

作者：郑培超刘冉宁王金梅冯楚辉何雨桐吴美妮何雨欣重庆邮电大学光电工程学院光电信息感测与传输技术重庆重点实验室重庆400065

溶液阴极辉光放电技术作为一种新型的光谱检测技术,被广泛应用于环境污染物的分析和检测等方面。虽然该技术具有结构简单以及成本低等优势,但是在重金属检测方面,其灵敏度还有待提高。针对上述问题,搭建了氢化物发生-溶液阴极辉光放电... 详细信息

溶液阴极辉光放电技术作为一种新型的光谱检测技术,被广泛应用于环境污染物的分析和检测等方面。虽然该技术具有结构简单以及成本低等优势,但是在重金属检测方面,其灵敏度还有待提高。针对上述问题,搭建了氢化物发生-溶液阴极辉光放电光谱测量系统,实现了对水体中痕量汞(Hg)和锡(Sn)的简单高效检测。为了得到更优的检测效果,实验选取270.64和253.65 nm作为Sn和Hg的特征分析谱线,并将激发源的参数配置为极间距3.5 mm、放电电流60 mA和电解液流速2.12 mL·min^(-1)。同时,实验对影响氢化物反应的相关实验条件进行了研究,得到Sn和Hg的最佳硼氢化钠浓度为2%和1.5%,载气流速为141.50和183.95 mL·min^(-1),样品溶液pH值为1.0。随后为了进一步分析水体中共存离子对该系统检测性能的影响,实验评估了Pb^(2+),Ca^(2+),Zn^(2+),Cr^(3+),Cd^(2+),Na^(+),K^(+),Mn^(2+),Mg^(2+),Fe^(3+)和Cu^(2+)对氢化物发生-溶液阴极辉光放电技术检测Sn和Hg的干扰情况,结果表明仅Cu^(2+)对两种元素的检测干扰较大,Pb^(2+)对Hg的检测存在一定干扰,其他共存金属离子未表现出明显的干扰情况。基于上述实验条件的优化,在最佳实验参数下利用外标法建立Sn和Hg的定标模型,并计算得到Sn和Hg的检出限分别为6.85和1.05μg·L^(-1),溶液信号强度的相对标准偏差均小于3%(n=10)。最后,实验中分别采集了三种不同水质的实际水样,应用所提出的方法对Sn和Hg进行加标回收率研究,用标准加入法测得其加标回收率均在97.77%~103.08%之间。上述结果表明氢化物发生-溶液阴极辉光放电技术在Sn和Hg的检测方面表现出了良好的分析性能,且该方法具有体积小、成本低、抗干扰能力强等优势,有望为水体中重金属的元素检测提供一种更加简便高效的方法。

关键词：溶液阴极辉光放电氢化物发生重金属元素共存离子干扰

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螯合树脂富集辅助激光诱导击穿光谱检测水体中的Cu元素和Mn元素

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中国激光 2019年第8期46卷 281-289页

作者：郑培超李倩雨王金梅谭癸宁赵怀冬刘冉宁重庆邮电大学光电工程学院光电信息感测与传输技术重庆重点实验室

提出了将螯合树脂作为一种新型固相基底来富集水溶液中的Cu元素和Mn元素,之后进行激光诱导击穿光谱检测的方法。选取Cu Ⅰ 324.75 nm和Mn Ⅱ 257.61 nm作为特征分析谱线,优化了一系列参数,包括激光能量、延迟时间、激光聚焦位置、样品... 详细信息

提出了将螯合树脂作为一种新型固相基底来富集水溶液中的Cu元素和Mn元素,之后进行激光诱导击穿光谱检测的方法。选取Cu Ⅰ 324.75 nm和Mn Ⅱ 257.61 nm作为特征分析谱线,优化了一系列参数,包括激光能量、延迟时间、激光聚焦位置、样品溶液流速及溶液pH值。在最佳实验参数条件下,建立了Cu元素和Mn元素的定标曲线,Cu元素和Mn元素的检出限分别为0.03 mg·L^-1和0.098 mg·L^-1。采用所提方法采集自然水样进行检测,计算得出Cu和Mn的回收率范围分别为93.88%~108.09%和91.99%~103.88%。该方法检测灵敏度较高,也可用于自然水体的检测,在水体重金属检测领域具有广阔的应用前景。

关键词：光谱学激光诱导击穿光谱螯合树脂吸附检出限

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RIS辅助的MISO系统安全鲁棒波束赋形算法

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电子与信息学报 2023年第8期45卷 2867-2875页

作者：李国权党刚林金朝徐勇军黄正文重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065 光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室重庆400065

为解决无线信道开放性导致的信息传输安全及信道估计误差等不确定性带来的系统传输性能恶化问题,该文提出一种存在用户窃听的可重构智能超表面(RIS)辅助多输入单输出(MISO)系统的Charnes-Cooper鲁棒波束赋形算法。针对窃听用户建立有界... 详细信息

为解决无线信道开放性导致的信息传输安全及信道估计误差等不确定性带来的系统传输性能恶化问题,该文提出一种存在用户窃听的可重构智能超表面(RIS)辅助多输入单输出(MISO)系统的Charnes-Cooper鲁棒波束赋形算法。针对窃听用户建立有界信道不确定性模型,并通过约束最大发射功率以及RIS相移,联合优化基站波束和RIS相移来最大化用户保密率。为求解该非凸问题,首先通过变量替换、Charnes-Cooper方法和S-procedure方法将其转换为凸优化问题,进而采用间接交替优化耦合变量来获得鲁棒波束赋形矩阵和RIS相移。仿真结果表明,该文提出的基于RIS的联合优化算法具有更好的用户保密率和鲁棒性。

关键词：多输入单输出智能反射面非完美信道状态信息保密率可达速率

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基于LIBS技术结合内标法的烧结矿碱度测量研究

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中国激光 2023年第22期50卷 167-174页

作者：王金梅卢健树郑培超刘少剑李刚陈光辉重庆邮电大学光电工程学院光电信息感测与传输技术重庆重点实验室重庆400065

对检测烧结矿的实验参数进行优化,使其光谱信号的相对标准偏差(RSD)维持在4%左右。再结合内标法,分别选择合适的Fe元素谱线作为Ca、Si元素的内标谱线,利用内标后的比值与碱度值进行拟合分析。相比于无内标方法,其校准模型的决定系数(R2)... 详细信息

对检测烧结矿的实验参数进行优化,使其光谱信号的相对标准偏差(RSD)维持在4%左右。再结合内标法,分别选择合适的Fe元素谱线作为Ca、Si元素的内标谱线,利用内标后的比值与碱度值进行拟合分析。相比于无内标方法,其校准模型的决定系数(R2)从0.468提升至0.951,且预测值的相对误差最高为1.14%。结果表明,在实验条件优化下,内标法对烧结矿碱度的预测精确度高。

关键词：光谱学激光诱导击穿光谱内标法烧结矿碱度稳定性

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OFDM系统中利用循环前缀的非迭代相位噪声抑制算法

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吉林大学学报（工学版） 2018年第1期48卷 295-300页

作者：袁建国张锡若邱飘玉王永庞宇林金朝重庆邮电大学光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室重庆400065 重庆邮电大学光通信与网络重点实验室重庆400065

为补偿OFDM系统中相位噪声引发的干扰,提出了一种非迭代的利用循环前缀进行线性内插的相位噪声抑制算法。该算法利用循环前缀与OFDM符号中对应采样点间的相关性,将未受符号间干扰(Inter symbol interference,ISI)的循环前缀应用到对相... 详细信息

为补偿OFDM系统中相位噪声引发的干扰,提出了一种非迭代的利用循环前缀进行线性内插的相位噪声抑制算法。该算法利用循环前缀与OFDM符号中对应采样点间的相关性,将未受符号间干扰(Inter symbol interference,ISI)的循环前缀应用到对相位噪声的估计中,只需要少量循环前缀即可对原有线性内插算法中的插值点进行优化,通过增加每个OFDM符号中线性内插的插值点数,使得内插估计出的相位噪声更加贴近实际的相位噪声。仿真分析表明,该算法在相位噪声线宽较小时的误码率曲线更能贴近无相位噪声时的曲线,在相位噪声线宽较大时相比原有的相位噪声内插算法有0.8~1.8dB的增益并能够有效降低错误平层。

关键词：通信技术正交频分复用相位噪声线性内插循环前缀

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基于激光诱导击穿光谱定量检测土壤中营养元素的研究

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中国激光 2017年第11期44卷 250-256页

作者：王金梅颜海英郑培超谭癸宁重庆邮电大学光电工程学院光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室四川重庆400065

采用激光诱导击穿光谱(LIBS)对土壤中的营养元素进行了定量检测。采用输出波长为1064nm、脉宽为5.82ns的Nd…YAG脉冲激光器作为光源,将激光聚焦在土壤表面产生激光诱导等离子体,使用三光栅光谱仪和门宽控制的增强电荷耦合器件(ICCD)测... 详细信息

采用激光诱导击穿光谱(LIBS)对土壤中的营养元素进行了定量检测。采用输出波长为1064nm、脉宽为5.82ns的Nd…YAG脉冲激光器作为光源,将激光聚焦在土壤表面产生激光诱导等离子体,使用三光栅光谱仪和门宽控制的增强电荷耦合器件(ICCD)测量等离子体发射光谱。基于传统LIBS系统,新增了扩束镜系统和实时监测系统,研制了笼式结构LIBS系统,优化了笼式结构中扩束镜系统的激光聚焦位置,获得了最佳的激光聚焦位置0.2cm。测试了MgⅡ279.56nm、MgⅡ 280.26nm和MgⅠ 285.21nm谱线的信号强度。结果表明,笼式结构LIBS系统在信号稳定性上优于传统LIBS系统。定量分析了土壤中营养元素Cu、Mn、Mg、K的质量分数,它们的检出限分别为0.42×10^(-6)、13.2×10^(-6)、38.5×10^(-6)、62×10^(-6),优于传统LIBS系统得到的检出限。基于定标模型预测了土壤中Cu、Mn、Mg、K元素的质量分数,它们预测值的平均相对误差分别为9.2%、9.6%、8.5%、10.9%。

关键词：光谱学激光诱导击穿光谱稳定性分析定量分析定标曲线

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