基于高斯过程回归的深紫外拉曼光谱反演硫酸钠溶液浓度算法

Abstract

针对硫酸钠溶液浓度快速无损检测的需求，提出一种基于深紫外拉曼光谱与高斯过程回归（GPR）的硫酸钠溶液浓度反演方法。采用课题组研制的261nm深紫外拉曼光谱检测系统，采集12个浓度梯度（0～2.0 mol·L^-1）纯硫酸钠溶液共120条光谱。数据处理方面：提出以SO₄^2- ν₁特征峰为内部标准的波长自校准方法，修正了数据波数坐标约+0.3%的系统比例偏差，自校准后SO₄^2-各振动峰位与文献值偏差小于5 cm^-1；系统比较了静默区中值扣除与自适应迭代重加权惩罚最小二乘（airPLS）两种基线校正方法，发现airPLS在强特征峰区存在基线过拟合现象，导致峰区信息严重失真。建模方面：构建“全谱主成分分析数据驱动特征＋ν₁峰物理特征”的9维混合特征，采用Matérn 5/2核GPR建立定量模型。留一浓度交叉验证结果表明：所提方法RMSE为0.0622 mol·L^-1，决定系数R²为0.9914，均优于单变量线性回归（0.0699 mol·L^-1）、偏最小二乘回归（0.1015 mol·L^-1）和支持向量回归（0.2295 mol·L^-1）；同时GPR可输出预测不确定度，对测量结果置信度评估具有实用价值。