深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在紅外光譜定量分析VOCs中的應(yīng)用

張 強(qiáng)，魏儒義，嚴(yán)強(qiáng)強(qiáng)，趙玉迪，張學(xué)敏，于 濤

1. 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，中國(guó)科學(xué)院光譜成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710119 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)光學(xué)學(xué)院，北京 100049

引 言

大氣污染防治是當(dāng)前環(huán)保工作的重點(diǎn)之一，而大氣中濃度過(guò)高的揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compounds，VOCs)嚴(yán)重影響了空氣質(zhì)量、氣候變化以及人類(lèi)的健康[1]。 VOCs主要包括烴類(lèi)、苯系物、氯化物、有機(jī)酮、胺、醇、醚、酯、酸和石油烴化物等，它們可通過(guò)呼吸道進(jìn)入人體，造成纖維化肺泡炎、肺癌等嚴(yán)重危害，此外作為臭氧(O3)和細(xì)顆粒物(PM2.5)的重要前體物，嚴(yán)重危害環(huán)境質(zhì)量[2-3]。 全面防治大氣污染的前提是準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)大氣中VOCs的濃度，遙感-傅里葉變換紅外光譜(remote sensing-Fourier transform infrared spectroscopy, RS-FTIR)技術(shù)由于其多通道、高通量、低雜散光且不需要進(jìn)行樣品制備和處理等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大范圍下的多組分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 測(cè)量速度快，檢測(cè)精度高，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的大氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[4-5]。

利用FTIR紅外光譜對(duì)多組分VOCs進(jìn)行濃度反演需要進(jìn)行多元分析，傳統(tǒng)的多元分析方法包括最小二乘法(CLS)、偏最小二乘法(PLS)、卡爾曼濾波法(KFM)、主成分回歸法(PCR)、非線性最小二乘擬合(NLSF)等。 有報(bào)道采用非線性模型多項(xiàng)式偏最小二乘法(polynomial partial least square, PPLS)，對(duì)苯和氯仿的濃度預(yù)測(cè)均方根誤差分別達(dá)到了0.043和0.087。 2011年，馮明春[6]等采用非線性最小二乘法擬合乙炔(C2H2)和乙烷(C2H6)的混合氣體，擬合均方根誤差分別為0.088和0.104。 在實(shí)際測(cè)量中，由于待測(cè)樣品中各個(gè)組分之間的相互影響以及儀器自身的背景噪聲會(huì)使近紅外吸收光譜與樣品濃度之間存在一定程度的非線性關(guān)系，尤其是當(dāng)樣品濃度范圍較大時(shí)非線性更加嚴(yán)重，而對(duì)這種非線性關(guān)系的擬合能力則是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。……