作者单位
摘要
浙江大学控制科学与工程学院, 工业控制技术国家重点实验室, 浙江 杭州 310058
目前, 三维荧光技术在应急性饮用水污染事件检测中的应用越来越广泛, 但其仍存在易受水环境波动影响、 低浓度污染事件检出率较低等不足。 因此针对在线检测需求, 提出了一种基于时间序列双阈值的三维荧光饮用水异常事件检测方法。 该方法采用主成分分析法提取检测样本的三维荧光光谱主元特征值, 进行线性自回归(AR)模型训练并对未来时段水质样本主元特征值进行预测, 通过与实测样本主元特征值作差得到特征值差值, 同时结合实测特征值的变化率, 设置特征值差值-特征值变化率双阈值, 最终确定污染事件的时间起始点与结束点, 从而确定整个污染事件。 研究通过模拟高浓度污染事件、 低浓度污染事件、 供水水质波动等场景对所提方法进行了验证。 实验结果表明, 该方法不仅保持了高浓度污染事件检测的准确性, 在检测低浓度污染、 高干扰环境下的低浓度污染时, 该方法相较于常规判别方法, 检测结果准确率分别提高了9.4%和20.7%。
水质异常事件检测 三维荧光光谱 时间序列双阈值 主成分分析(PCA) 线性自回归(AR) Water pollution incident detection Three dimensional fluorescence spectroscopy Time series double threshold Principal component analysis (PCA) Linear autoregression (AR) 
光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3081
张之栋 1谢品华 2,3李昂 4秦敏 4[ ... ]胡峰 1
作者单位
摘要
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026 中国科学院安徽光学与精密机械研究所, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 张之栋
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026 中国科学院安徽光学与精密机械研究所, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031中国科学院城市环境研究所中科院城市大气环境卓越中心, 福建 厦门 361021
4 中国科学院安徽光学与精密机械研究所, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
5 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230039
二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)作为大气中重要的一次排放物, 人为活动造成SO2, NOx的过度排放会对生态环境和人体健康产生巨大危害, 2018年环境保护部就规定了“2+26”城市需要执行大气污染物的特别排放限值, 如: 燃煤锅炉排放限值规定的二氧化硫、 氮氧化物均为200 μg·m-3, 因此了解这些城市中SO2和NOx的分布与排放对大气污染防控管制具有重要意义。 唐山市作为“2+26”城市中大气污染最为严重的重工业城市之一, 近年来实施了多项大气污染防治措施, 但空气质量问题仍然严峻。 2021年2月26至3月1日, 使用基于车载差分吸收光谱技术的移动污染气体监测系统对于唐山市区开展了走航观测实验, 获取了走航路径上NOx和SO2的空间立体分布以及走航区域的排放通量。 实验结果表明唐山市一环存在多处NO2高值区域, 均位于车辆较为集中的立交和路口处。 工业园的走航中部分企业存在高NO2、 SO2的排放, 且获取的NO2和SO2VCD均值较高, 分别是一环的1.75~1.99倍和2.21~3.44倍。 结合垂直柱浓度SO2/NO2的比值以及近地面浓度CO/NO2的比值, 并用Pearson相关系数确定SO2和NO2柱浓度以及NO2近地面浓度和柱浓度之间的相关性, 进一步分析不同区域的主要污染源, 结果表明, 一环走航获取的SO2/NO2最低为0.42, CO/NO2最高为10.88, NO2地表与柱浓度之间的相关性r达到0.56, 3月1日丰南工业园区走航中, 获取的SO2/NO2最高为0.81, CO/NO2最低为7.13, SO2与NO2VCD之间有良好的相关性r为0.787, 唐山市一环区域大气污染物以车辆交通尾气排放为主, 丰南工业园区大气污染物来源以工业生产过程中高架点源(烟囱)释放的大量NO2和SO2为主。
空间分布 排放通量 污染源 走航观测 差分吸收光谱 Distribution Emission flux Pollution source Cruise observation Differential optical absorption spectroscopy 
光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1651
Author Affiliations
Abstract
In recent years, the treatment of agricultural wastewater has been an important aspect of environmental protection. The purpose of photocatalytic technology is to degrade pollutants by utilizing solar light energy to stimulate the migration of photocarriers to the surface of photocatalysts and occur reduction-oxidation reaction with pollutants in agricultural wastewater. Photocatalytic technology has the characteristics of high efficiency, sustainability, low-energy and free secondary pollution. It is an environmental and economical method to recover water quality that only needs sunlight. In this paper, the mechanism and research progress of photocatalytic removal of heavy metal ions and antibiotics from agricultural water pollution were reviewed by combining photocatalytic degradation process with agricultural treatment technology. The mechanism of influencing factors of photocatalytic degradation efficiency was discussed in detail and corresponding strategies were proposed, which has certain reference value for the development of photocatalytic degradation.
photocatalysis agricultural pollution water quality remediation heavy metals antibiotics 
Journal of Semiconductors
2023, 44(11): 111701
作者单位
摘要
1 国网四川省电力公司电力科学研究院, 四川 成都 600072
2 西南交通大学 电气工程学院, 四川 成都 611756
污闪是威胁电网安全可靠运行的重要原因之一, 污秽类型差异将直接影响闪络电压大小。因此, 及时掌握绝缘子污秽类型信息对预防污闪有重要作用。为此提出了一种基于SAM-ED光谱匹配的绝缘子污秽类型检测方法。采集不同污秽类型样本高光谱数据, 经黑白校正及多元散射校正(MSC)去除噪声等干扰因素;利用竞争自适应重加权采样法(CARS)对光谱数据进行特征选取, 分别在特征波段和全波段范围内通过SAM-ED光谱匹配法将测试组样本光谱与参考光谱进行匹配, 根据匹配结果对样本进行分类;实验结果表明: 相比于光谱角匹配法和最小距离法, SAM-ED光谱匹配法检测效果更好;基于全波长数据进行SAM-ED光谱匹配准确率可达95%, 基于特征波长数据进行SAM-ED光谱匹配准确率可达98.33%。
高光谱技术 绝缘子 污秽类型 光谱匹配 非接触检测 hyperspectral technology insulator pollution type Spectral matching Non-contact detection 
光散射学报
2023, 35(3): 296
Author Affiliations
Abstract
Electrical Engineering Department, Faculty of Engineering, Imam Mohammad Ibn Saud Islamic University, Riyadh 11432, KSA
This work presents a new technique based on modulating the IR absorbance of each substance in a mixture in a chirped manner to reduce the effect of their partial spectral absorption overlap on the accuracy of determining their concentrations. This chirped spectral modulation CSM algorithm can deal with mixtures containing unknown substances rather than the substances whose concentrations are aimed. This novel algorithm, when compared to existing pattern recognition techniques, makes it easy to analyze the constituents of a mixture with high accuracy in the presence of traces of unknown components. It is found that the new algorithm can detect the presence of gas pollutants such as sulfur dioxide, carbon monoxide, carbon dioxide, nitrogen dioxide in a sample containing many other unknown polluting substances. This new algorithm is tested on air samples composed of predetermined percentages of air constituents and the results of calculations are compared with those of classical least squares CLS pattern recognition algorithm. The comparison showed that the new algorithm can detect down to very small traces of harmful gases such as NO2, and SO2, at least one order of magnitude less than those detected by the CLS approach. Finally, the new algorithm is used to examine collected air samples from an industrial zone, and in the middle and at the exit of a road tunnel in Riyadh area which showed that the percentages of sulfur dioxide, nitrogen dioxide, and carbon monoxide are well below the safe levels.
Pattern recognition techniques Environmental pollution monitoring techniques Pollution detection Fourier transform infrared spectroscopy Gas pollutants in the atmosphere 
Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2023, 19(1): 2023005
作者单位
摘要
1 南京信息工程大学江苏省大气海洋光电探测重点实验室, 江苏 南京 210044
2 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
果木炭是一种常见的燃料, 其燃烧过程中产生的气体和烟尘气溶胶会影响环境空气质量并损害人体健康, 因此对果木炭燃烧过程中空气成分进行检测与分析具有重要意义。采用激光诱导击穿光谱 (LIBS) 技术对果木炭燃烧时的空气、烟尘气溶胶进行检测, 同时检测果木炭及其燃烧灰烬作为辅助分析。对四种样品的谱线进行标定, 发现果木炭燃烧时空气中碳浓度增大, 生成的气溶胶中含有Ca、Mg、K、Si等元素。果木炭和灰烬的元素组成较为相似, 均含有C、Fe、Mg、Ca、Sr、K、Na和Ba等元素, 果木炭光谱中C、H元素谱线强度均高于灰烬。此外, 结合机器学习算法对有无果木炭燃烧时的空气进行区分, 选取C、CN分子特征谱线所在的波段作为聚类分析的原始特征。主成分分析 (PCA) 结果表明在有无果木炭燃烧两种条件下的空气能被较好地区分, 证明LIBS结合PCA技术能有效地识别果木炭的燃烧并检测果木炭燃烧造成的空气污染。进一步利用 LIBS 结合机器学习算法对果木炭及其燃烧灰烬进行区分, 发现区分效果良好, 为果木炭燃烧后的回收利用提供了参考。
光谱学 激光诱导击穿光谱 果木炭 空气污染 碳排放 主成分分析 spectroscopy laser-induced breakdown spectroscopy fruit charcoal air pollution carbon emission principal component analysis 
量子电子学报
2023, 40(4): 436
作者单位
摘要
大连理工大学光电工程与仪器科学学院,辽宁 大连 116024
大气激光雷达已广泛应用于大气污染源水平扫描测量,而水平扫描测量激光雷达信号的消光系数边界值求解及廓线反演是其定量化应用的关键。针对这一问题,提出了一种基于改进的道格拉斯-普克(DP)算法确定消光系数边界值的新方法,并结合经典Klett方法实现水平扫描测量时的大气消光系数稳健反演。系统性地研究了经典DP算法在消光系数边界值求解时的性能及潜在的问题。在此基础上,提出将对数激光雷达信号与对应直线线段的偏离方差作为阈值控制手段,以替代经典DP算法中的最远距离阈值,从而更加准确地获取对数激光雷达曲线的线性区间,进而利用斜率法求解消光系数边界值。通过消光系数反演结果的对比分析,验证了改进DP算法的有效性。利用该方法反演的消光系数与周围空气污染监测站的PM10颗粒物浓度具有较高的相关性(>0.88)。研究结果表明,提出的改进DP算法可为水平扫描激光雷达信号的消光系数边界值求解和廓线反演提供有效的方法。
大气光学 沙氏激光雷达 道格拉斯-普克算法 边界值 消光系数 大气污染 
中国激光
2023, 50(14): 1410002
作者单位
摘要
北京科技大学 数理学院,北京 100083
基于光在长光程吸收池中的传输特性,设计了一套新型的大气污染颗粒物消光模拟测量系统。该系统由消光测量装置和大气污染颗粒物模拟装置构成。消光测量装置主要由激光器、开放式Herriot长光程吸收池和光功率计构成。在消光测量装置中,开放式Herriot长光程吸收池将某一波长的光经固定角度的镜片多次反射达到增大光程的目的;同时有利于对其内部反射镜表面的清洁,提高消光测量的灵敏度;还能够实时检测用于消光的颗粒物浓度。消光系数通过吸收池入口和出口处监测到的光功率计算获得,光功率的测量中利用差分法降低了激光器本身能量波动带来的误差,提高消光系数测量的准确性。通过与真实大气雾霾情况下激光雷达测量到的消光系数进行对比,验证了所搭建消光模拟测量系统的合理性。
大气光学 大气污染颗粒物 Herriot长光程吸收池 消光系数 折射率 Atmosphere optics Atmosphere pollution particulate matter Herriot long-path absorption cell Extinction coefficient Refractive index 
光子学报
2023, 52(3): 0352118
作者单位
摘要
1 中国航天科工集团第三研究院航天海鹰卫星运营事业部, 北京 100070
2 中国资源卫星应用中心, 北京 100094
3 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院, 北京 100083
4 安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室, 安徽 淮南 232001
植被重金属污染监测是当今高光谱遥感监测研究的重要内容。 为了将高光谱遥感技术定性的用于植被重金属污染监测研究, 从盆栽实验采集的反射率光谱数据方面进行研究。 在实验室室内设置不同胁迫浓度的重金属铜铅玉米盆栽实验, 测定了不同浓度Cu2+和Pb2+胁迫下玉米叶片的反射率光谱和Cu2+和Pb2+含量等有关铜铅污染玉米的基础数据, 形成了关于重金属铜铅污染玉米植株的一套完整的数据集。 研究提出了一种铜铅探测指数(CLDI), 实现了不同培育期的两种玉米品种的重金属铜铅胁迫监测, 从而为当前植被重金属污染探测提供了新的思路。 研究设计了不同浓度的铜铅污染实验, 将测量获得的玉米叶片450~850 nm的光谱反射率进行一阶微分(D)和包络线去除(CR)处理后得到微分包络线去除(DCR)光谱曲线, 利用皮尔逊相关系数(r)分析DCR数据和生化数据, 选择对重金属Cu敏感的特征波段。 计算的皮尔逊相关系数表明DCR值在490~520和680~700 nm与土壤和叶片中的Cu2+含量呈现接近于1的线性正相关, 在630~650和710~750 nm呈现接近于-1的线性负相关。 选择波长505, 640, 690和730 nm的DCR值建立CLDI, 通过计算土壤和叶片中的Cu2+含量与CLDI和常规的植被指数(VIs)的皮尔逊相关系数, 将两者进行对比, 从而验证了CLDI的有效性。 选用2017年实验获取的不同品种玉米叶片光谱数据, 将CLDI同样和常规的植被指数(VIs)进行对比, 从而验证了CLDI对不同品种的玉米具有鲁棒性。 将CLDI应用到铅胁迫下玉米叶片的污染程度监测, 验证了其对于不同重金属的普适性。 结果表明, CLDI与Cu2+和Pb2+胁迫浓度相关性显著, 与其他植被指数相比, 相关性更高。 提出的CLDI探测铜铅胁迫下不同品种不同时期的玉米污染程度, 具有计算方便, 鲁棒性, 高效性、 普适性的优点。 该研究基于实验室叶片尺度, 可为冠层尺度的重金属胁迫监测提供理论基础。
高光谱遥感 玉米叶片 重金属污染 铜铅探测指数 特征波段 Hyperspectral remote sensing Maize leaves Heavy metal pollution Copper lead detection index Characteristic bands 
光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1268
作者单位
摘要
1 淮北师范大学物理与电子信息学院, 安徽 淮北 235000
2 污染物敏感材料与环境修复安徽省重点实验室, 安徽 淮北 235000
我国城市气体污染物主要包括氮氧化物、 臭氧、 二氧化硫和颗粒物等, 其中NO2和SO2是气体污染物中常见的污染痕量气体, 对地气辐射、 全球气候、 空气质量和人体健康都有着直接或间接的影响。 淮北地区是我国基础能源和重要原料煤炭的生产基地, 长期的煤炭生产使得当地大气环境污染相对更为复杂, 开展快速获取大气污染物浓度是目前研究热点之一。 差分吸收光谱(DOAS)仪是一种光学遥感式光谱设备, 具有稳定、 时间分辨率高、 灵敏度高和不受搭建平台制约等优势特点, 可同时获取多种污染气体的浓度信息。 针对淮北地区复杂的环境污染, 构建了基于移动平台的车载小型差分吸收光谱系统(DOAS), 该系统包括光谱采集系统、 温控系统和GPS定位系统。 利用车载GPS定位系统记录移动过程中的经纬度和车速, 光谱仪放置在恒温系统中, 保障系统测量的精准性。 在实验期间, 首先测试了系统的性能, 规划了走航观测路线, 并将车载DOAS测量结果与地基MAX-DOAS进行对比以验证系统的准确性, 实现了对淮北地区的大气典型污染物的快速、 便捷、 精准监测。 航测期间, 利用QDOAS软件对原始测量光谱进行反演处理, 选取相对干净的光谱作为参考谱, 获取了淮北地区NO2和SO2柱浓度空间分布, 其中NO2的浓度范围为5.09×1015~15.4×1016 molecule·cm-2, SO2的浓度范围为3.53×1015~9.07×1016 molecule·cm-2。 将车载DOAS测量的结果分别与站点地基MAX-DOAS测量结果和卫星(TROPOMI)数据对比, 均具有较好一致性(相关系数R2>0.75)。 外场实验表明构建的车载小型DOAS系统可以准确的获取城市污染气体柱浓度分布, 为确认城市污染气体的源区和校验卫星遥感数据提供一种有效的技术手段。
车载 小型差分吸收系统 淮北地区 柱浓度 大气污染 Vehicle-mounted Minioptical differential absorption spectroscopic Huaibei region Column concentration Atmospheric pollution 
光谱学与光谱分析
2023, 43(3): 984

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