(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221024749 2.9 (22)申请日 2022.03.14 (71)申请人 中南大学 地址 410083 湖南省长 沙市岳麓区麓山 南 路932号 (72)发明人 阳春华　耿静轩　李勇刚　桂卫华　 张凤雪　蓝丽娟　韩洁　周灿　 朱红求　 (74)专利代理 机构 长沙市融智专利事务所(普 通合伙) 43114 专利代理师 蒋太炜 (51)Int.Cl. G01N 21/64(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种基于低秩表征的混叠荧光光谱总氮在 线快速检测装置及方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于低秩表征的混叠荧 光光谱总氮在线快速检测方法， 通过可调节宽谱 激发光源， 改变激发光源光强， 从而激发待测溶 液在不同光强下产生混叠荧光光谱； 同时， 利用 微型荧光光谱仪原位高频记录激发光强变化变 化下待测溶液的整个荧光光谱图变化过程； 结合 低秩表征特征提取算法， 根据荧光光谱在不同光 强下的不同激发特点， 剔除冗余噪声， 自适应的 建立低维原子特征表征子空间； 并加入稀疏性约 束假设， 引入最小二乘回归项， 构建基于变光强 混叠荧光光谱的总氮光谱检测模 型， 实现待测水 样的总氮浓度的快速在线检测。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 114739959 A 2022.07.12 CN 114739959 A 1.一种基于低秩表征的混叠荧光光谱总氮在线快速检测装置， 其特征在于， 包括： 光 源、 背光聚镜、 聚光棱镜、 遮光挡板、 准直镜、 比色皿和CCD探头； 所述背光聚镜、 光源、 聚光棱 镜、 遮光挡板、 准直镜和比色皿依次分布于同一轴线上， CCD探头垂直于轴线分布于比色皿 光滑面的一侧。 2.根据权利要求1所述的一种基于低秩表征的混叠荧光光谱总氮在线快速检测装置， 其特征在于： 所述 光源为宽光谱激发光 光源； 所述遮光挡板可调节。 3.根据权利要求1所述的一种基于低秩表征的混叠荧光光谱总氮在线快速检测装置， 其特征在于： 所述C CD探头的像素矩阵为 4K×4K或3K×3K， 像素尺寸 为108 μm或140 μm。 4.权利要求1～3中任意一项所述的一种基于低秩表征的混叠荧光光谱总氮在线快速 检测的方法， 其特征在于， 包括： 1)将待测样等分为两份， 一份获取真值， 另一份通过混叠荧 光光谱矩阵化得高维混叠矩阵； 2)提取高维混叠矩阵中低秩矩阵并优化； 3)根据优化后的 低秩矩阵构建总氮检测SVM模型并训练， 即得。 5.根据权利要求4所述的一种基于低秩表征的混叠荧光光谱总氮在线快速检测的方 法， 其特征在于： 所述待测液为不同浓度的城市污水； 所述真值为待测液的总氮国标检测 值； 所述混叠荧光光谱为原位待测溶液在不同待测激发光强下荧光变化谱图的混叠， 荧光 光谱的测量范围为200nm～1100nm， 扫描时间间隔t为0.1～0.5s， 遮光板移动速度为0.02～ 0.1cm/s； 所述矩阵化为利用激发光光强变化原位收集荧光变化并构建高维混叠矩阵的过 程。 6.根据权利要求4所述的一种基于低秩表征的混叠荧光光谱总氮在线快速检测的方 法， 其特征在于： 所述低秩矩阵提取过程为： 通过高维混叠矩阵， 构建低秩特征提取目标损 失函数， 再引入关于低秩矩阵的低秩约束和结构化稀疏约束； 所述优化方式为增广拉格朗 日乘子法， 优化至低秩约束和稀疏约束收敛。 7.根据权利要求6任意一项所述的一种基于低秩表征的混叠荧光光谱总氮在线快速检 测的方法， 其特征在于： 所述低秩特征提取 的目标损失函数为与低秩矩阵和稀疏表示的乘 积与高维矩阵的最小二乘损失函数； 所述低秩矩阵的低秩约束通过核范数引入， 低秩矩阵 的稀疏约束通过组合范数引入； 所述增广拉格朗日乘子法惩罚项获得方式为内积法， 外积 法和混合法中的至少一种。 8.根据权利要求4所述的一种基于低秩表征的混叠荧光光谱总氮在线快速检测的方 法， 其特征在于： 所述总氮检测模型构建过程为： 通过总氮浓度构建目标损失函数， 再引入 时间回归权 重的稀疏约束和空间回归权 重的稀疏约束并通过线性交替方向乘子法优化。 9.根据权利要求8所述的一种基于低秩表征的混叠荧光光谱总氮在线快速检测的方 法， 其特征在于： 所述通过总氮浓度构建的目标损失函数为时间回归权重乘稀疏约束乘空 间回归权重与总氮浓度的最小二乘损失函数； 所述时间回归权重的稀疏约束和空间回归权 重的稀疏约束通过二范 数引入。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114739959 A 2一种基于低 秩表征的混叠荧光 光谱总氮在线快速检测装 置及 方法 技术领域 [0001]本发明属于自动检测领域， 具体涉及一种基于低秩表征的混叠荧光光谱总氮在线 快速检测装置及方法。 背景技术 [0002]水资源短缺会给社会生产和人们的生活带来极大影响， 污水处理作为水资源的循 环利用的关键环节， 其稳定高效的正常运行有着重要意义。 水质参数作为表征水体中各种 物质的物理、 化学及生化特性的参数， 是衡量水体质量优劣程度和变化趋势的特征指标， 也 是污水处理过程优化控制的重要依据。 总氮作为主要的水质污染参数， 可以直观反应水体 的含氮物质污染程度， 其快速稳定的检测对预防水体富营养化等水质环境污染灾害有着重 要意义。 然而， 传统的总氮在线检测技术需要经过漫长的氧化消 解过程限制 了总氮在线检 测的速度和精度， 其检测过程中使用的多种化学试剂如不妥善处理， 也会对环境造成二次 污染。 为此本发明提出了一种基于低秩表征 的混叠荧光光谱总氮在线快速检测方法， 通过 改变宽频激发光源激发光强， 获取待测样液在不同激发光强下的荧光光谱图， 基于低秩表 征特征提取算法， 自适应的提取出变光强荧光混叠光谱中的荧光物质信息， 最后构建基于 变光强荧 光光谱的总氮快速检测模型， 实现对待测水样总氮浓度快速检测的目的。 [0003]荧光光谱是一种激发光谱， 原理是物质吸收电磁辐射后收到激发， 分子或原子在 去激发的过程中再发射波长与激发辐射波相同或不同的辐射， 其具有灵敏度高， 选择性 强， 式样量少且方法简单等特点。 传统的荧光水样检测往往基于单色激光器激发待测水体产生 荧光， 但考虑到实际水体物质成分复杂， 单一激发光强所产生的荧光谱线无法反映水体内 丰富的物质信息， 为此本发明提出使用更为一般的宽光谱光源激发混叠荧光光谱检测水体 物质的方法： 利用不同水质成分在不同激发光 强下的荧光表现差异， 辅以特征提取算法， 定 性定量的分析出水体内主要的荧光物质成分， 以克服宽光谱激发荧光所带来的不同波长激 发荧光混叠， 物质信息提取困难的缺陷。 [0004]作为一种新的高纬度数据分析和处理方法， 低秩表征已经被用于机器视觉、 统计 分析、 信号处理等多个热门领域。 低秩表征可以看作是压缩感知理论的推广与发展， 其将矩 阵的秩作为一种稀疏测度， 通过从高纬度的观测样本发现其低纬度的特征子空间， 从而可 以有效的提取观测样本特征信息， 剔除噪声及冗余。 但是在现有的技术方案中， 还没有较好 的优化方式将低秩表征应用于水样检测中， 而水样检测的快速化和准确性却拥有广泛的市 场需求， 受到各研究团体和机构的重 视。 发明内容 [0005]针对现有技术存在的问题， 本发明的第一个目的在于提供一种基于低秩表征的混 叠荧光光谱总氮在线快速检测装置， 利用宽光谱荧光激发光源激发待测样液荧光混叠光 谱， 通过改变准直镜透光面积调节激发光源光强， 诱使待测水体荧光物质产生不同荧光激说　明　书 1/5 页 3 CN 114739959 A 3