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光谱学与光谱分析 2024年第1期44卷 82-87页

作者：郑培超尹义同王金梅周椿棪张莉曾金锐吕强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

在工业锅炉中随着水蒸气蒸发,大量的钙镁离子留在炉水中,如果不加处理,在水冷管中会形成水垢,造成爆管停炉。为了保障设备的安全运行,消除安全隐患,工业上通过维持水中一定含量的磷酸根离子来去除锅炉中的钙、镁水垢。传统的磷酸根离子... 详细信息

在工业锅炉中随着水蒸气蒸发,大量的钙镁离子留在炉水中,如果不加处理,在水冷管中会形成水垢,造成爆管停炉。为了保障设备的安全运行,消除安全隐患,工业上通过维持水中一定含量的磷酸根离子来去除锅炉中的钙、镁水垢。传统的磷酸根离子检测技术主要有比色法、分光光度法、色谱法、电位法等,这些方法前期处理步骤较繁琐且耗时较长。光谱法是通过测定物质的吸收光谱并建立和浓度关系的数学模型,对物质浓度定量的一种分析方法。为了满足磷酸根离子快速、实时测量的要求,提出了一种基于紫外吸收光谱结合SPA-ELM算法快速测量磷酸根离子的方法。按照我国《工业锅炉水质GB/T 1576—2018》中所规定的进入热水锅炉前的水质参数要求,配置37份浓度范围在5~100 mg·L^(-1)磷酸根溶液,使用搭建的实验装置,采集紫外吸收光谱。使用SPXY将样品按照7∶3的比例随机划分训练集、测试集;使用Savitzky-Golay(S-G)滤波对数据预处理以提高光谱的信噪比;通过连续投影算法(SPA)压缩光谱数据,筛选出5个与磷酸根强相关的特征波长;使用极限学习机(ELM)将特征波长处的吸光度与样本浓度进行拟合,以决定系数R2和均方根误差RMSE作为模型评价指标,建立磷酸根离子的回归模型。采用所提出的建模方法所建立的模型训练集的R2与RMSE分别为0.9972和1.3015 mg·L^(-1),测试集的R^(2)与RMSE分别为0.9995和0.5174 mg·L^(-1)。为了验证所提出的SPA-ELM预测模型效果,另外建立了LASSO-ELM、PCA-ELM、SPA-PLS和SPA-SVR四种预测模型进行对比。实验结果表明,SPA-ELM建立的预测模型的R2和RMSE均优于其他四种预测模型,说明采用的特征选择方法和回归方法均为最优,能够对磷酸根浓度范围为5~100 mg·L^(-1)的水体进行准确预测,为水中磷酸根离子的检测提供了一种新的解决方法。

关键词：磷酸根离子紫外吸收光谱连续投影算法极限学习机

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基于SG-Lasso-PLS融合算法的水体硝酸盐氮紫外光谱检测研究

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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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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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基底辅助激光诱导击穿光谱技术检测润滑油中的金属元素

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中国激光 2019年第7期46卷 299-308页

作者：郑培超谭癸宁王金梅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市重点实验室

采用基底辅助激光诱导击穿光谱技术,以标准油中的Mg、Ti、Ni与Cr为目标元素进行定量分析。选定Mg II 279.55 nm、Ti I 334.94 nm、Ni I 352.45 nm与Cr I 425.44 nm为目标元素的定量分析谱线进行分析。考察样品预处理静置时间、样品油膜... 详细信息

采用基底辅助激光诱导击穿光谱技术,以标准油中的Mg、Ti、Ni与Cr为目标元素进行定量分析。选定Mg II 279.55 nm、Ti I 334.94 nm、Ni I 352.45 nm与Cr I 425.44 nm为目标元素的定量分析谱线进行分析。考察样品预处理静置时间、样品油膜平均厚度、探测延时和激光脉冲能量对Mg、Ti、Ni与Cr元素光谱信号强度与信背比的影响。在最优的实验条件下,利用6个标准油样品建立了标准曲线定标模型,得出Mg、Ti、Ni与Cr的检出限分别为3.10,8.17,18.79,6.10μg·g^-1。基于定标曲线,预测了另外5个标准油样品中Mg、Ti、Ni与Cr的质量比,相对误差分别为7.43%、8.91%、13.66%与10.40%。

关键词：光谱学激光诱导击穿光谱定量分析润滑油磨损金属定标曲线

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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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基于迫整检测的全分集多用户空时分组编码设计准则

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通信学报 2019年第3期40卷 139-146页

作者：李国权周湘云林金朝徐勇军庞宇王家城重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065 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

多用户空时分组编码系统存在译码复杂度高的问题。为了降低系统译码复杂度并保证较好的系统性能,将低复杂度的迫整检测算法用于多用户空时分组编码中,并基于等效噪声功率最小化原则获取了迫整检测的差错概率上界。为了解决迫整检测的多... 详细信息

多用户空时分组编码系统存在译码复杂度高的问题。为了降低系统译码复杂度并保证较好的系统性能,将低复杂度的迫整检测算法用于多用户空时分组编码中,并基于等效噪声功率最小化原则获取了迫整检测的差错概率上界。为了解决迫整检测的多用户空时分组编码设计问题,提出了基于迫整检测的全分集多用户空时分组编码设计准则,证明只要每个用户的空时分组编码方案均满足非零奇异值特性,则多用户空时分组编码可获得满分集增益,且其编码增益与最小奇异值有关。仿真结果表明,满足设计准则的空时分组编码方案能够获得满分集增益。

关键词： MIMO系统迫整检测多用户空时分组编码设计准则全分集

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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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基于完备循环差集的大围长Type-Ⅱ QC-LDPC码的构造

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系统工程与电子技术 2017年第11期39卷 2587-2591页

作者：袁建国李媛媛敖翔庞宇林金朝重庆邮电大学光通信与网络重点实验室重庆400065 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

针对当前type-Ⅱ准循环低密度奇偶校验(quasi-cyclic low-density parity-check,QC-LDPC)码的校验矩阵中存在权重为2的循环矩阵(weight-2circulant matrices,W2CM)导致Tanner图更容易产生短环,从而影响迭代译码收敛性的问题,基于完备循环差集(cyclic difference sets,CDS)提出了一种围长为8的type-ⅡQC-LDPC码的新颖构造方法。该方法构造的校验矩阵由权重为0的零矩阵、权重为1的循环置换矩阵和W2CM组成,保留了type-ⅡQC-LDPC码的具有更高最小距离上界的优点,改善了码的纠错性能;且Tanner图中无4、6环的出现,译码时具有较快的收敛速度。仿真结果表明:所构造的围长为8的type-ⅡQC-LDPC码在加性高斯白噪声信道下采用和积算法迭代译码时具有较好的纠错性能且无错误平层现象。

关键词： type-Ⅱ准循环低密度奇偶校验码完备循环差集围长最小距离

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能耗优化的分布式天线部署策略

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北京邮电大学学报 2015年第2期38卷 64-68页

作者：袁建国黄小峰林金朝庞宇王永重庆邮电大学光通信与网络重点实验室重庆400065 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

为提高分布式天线系统的能耗效率,建立了多点协同传输(Co MP)系统模型,对其信道传播模型、能耗评价指标、系统覆盖率及基站间距离与系统能耗效率之间的关系进行了分析,得出Co MP环境下基站间距离与系统能耗效率之间的关系表达式,并借助... 详细信息

为提高分布式天线系统的能耗效率,建立了多点协同传输(Co MP)系统模型,对其信道传播模型、能耗评价指标、系统覆盖率及基站间距离与系统能耗效率之间的关系进行了分析,得出Co MP环境下基站间距离与系统能耗效率之间的关系表达式,并借助蒙特卡罗法进行了仿真.仿真结果表明,在Co MP系统中,随着基站间距离的增加,单位面积能耗存在由大变小再变大的趋势;同时单位面积增长量对单位面积能耗增长量的绝对贡献也是先由大变小再变大,且系统单位面积能耗减小对系统频谱效率的影响相对较低.因而在Co MP系统下存在一个单位面积能耗最低的分布式天线部署策略.

关键词：分布式天线能耗效率多点协同传输覆盖率部署策略

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斐波那契-卢卡斯序列的Type-Ⅱ QC-LDPC码构造

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华中科技大学学报（自然科学版） 2018年第5期46卷 12-16页

作者：袁建国曾晶郑德猛庞宇重庆邮电大学光通信与网络重点实验室重庆400065 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

针对Type-Ⅱ低密度奇偶校验（Type-Ⅱ QC-LDPC）码中存在着权重为2的循环矩阵而容易产生短环,从而影响译码收敛的问题,基于斐波那契-卢卡斯序列提出一种Type-Ⅱ斐波那契-卢卡斯准循环低密度奇偶校验（Type-Ⅱ F-L-QC-LDPC）码的构造方法... 详细信息

针对Type-Ⅱ低密度奇偶校验（Type-Ⅱ QC-LDPC）码中存在着权重为2的循环矩阵而容易产生短环,从而影响译码收敛的问题,基于斐波那契-卢卡斯序列提出一种Type-Ⅱ斐波那契-卢卡斯准循环低密度奇偶校验（Type-Ⅱ F-L-QC-LDPC）码的构造方法.Type-Ⅱ F-L-QC-LDPC与Type-I QC-LDPC码相比不仅增大了码字间最小距离上限,同时还消除了环长为四的环,纠错性能优秀,译码收敛较快,所需存储元素少,计算复杂度低,硬件实现简单.仿真结果表明：当误码率（BER）为1×10-6时,利用该构造方法所构造的码率为0.6的Type-Ⅱ F-L-QC-LDPC（3 650,2 192）码与利用完备循环差集数学思想构造的Type-Ⅱ CDS-QC-LDPC（3 650,2 192）码以及利用Sidon数列数学思想构造的Type-Ⅱ S-QC-LDPC（3 650,2 192）码相比,其净编码增益（NCG）分别提高了约0.21和0.1 d B.且在同样条件下,该方法构造的码率为0.5的码型与Type-Ⅱ CDS-QC-LDPC（3 652,1 826）码相比,NCG提高了约0.2 d B.

关键词： Type-Ⅱ QC-LDPC码斐波那契-卢卡斯数列最小距离环长净编码增益

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