1、 中 北 大 学毕业论文开题报告学 生 姓 名： 黄海英学 号：0605024205学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院、光电工程系专 业 ： 光信息科学与技术论 文 题 目 ： 基于 BP 神经网络的混合气体定量分析指 导 教 师 : 张记龙2010 年 03 月 20 日开题报告填写要求1开题报告作为毕业论文答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业论文工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在系审查后生效；2开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；
2、3学生写文献综述的参考文献应不少于 15 篇（不包括辞典、手册） 。文中应用参考文献处应标出文献序号，文后“参考文献”的书写，应按照国标 GB 771487文后参考文献著录规则 的要求书写，不能有随意性；4学生的“学号”要写全号（如 0201140102） ，不能只写最后 2 位或 1 位数字；5. 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004 年 3 月 15 日”或“2004-03-15”；6. 指导教师意见和所在系意见用黑墨水笔工整书写，不得随便涂改或潦草书写。毕 业 论 文 开 题
3、 报 告1结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述大气环境质量的日益恶化，使得人们更加重视大气环境的治理，为了防治大气污染，必须监测大气中各种污染物。大气污染物的监测方法可分为三类，即传统的湿法及干法和光谱方法。传统的湿法及干法均为取点孤立测量方式，无法得到污染物在区域范围内浓度连续变化的数据，并且一套设备只能测量一种污染物。光谱法无需采样准备，测试中传感器不受污染、操作简单、维护方便，适用于多组份混合物、气体排放的实时监测和分析。常用的光谱法有差分吸收光谱技术 、可调谐激光二极管激光21吸收光谱技术 和傅里叶变换红外光谱技术。由于具有分辨力高、
4、测量波段宽、灵敏3度高、响应时间快等优点，傅立叶变换红外光谱(FTIR)技术成为目前气体浓度检测最为理想的手段。 41 傅里叶变换红外光谱技术使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术系统研究大气环境始于 20 世纪 90 年代中期，David W.T.等 使用用于外场测量的开放光程 FTIR 系统检测环境气体，Shcaefer5等 用 FTIR 研究大气痕量气体发射和吸收光谱。目前国内采用该技术对气体浓度进行6检测尚处于起步阶段。如康建霞等 较详细地描述了 FTIR 在大气污染分析中的应用,7通过近年来发展起来的几种长程吸收方法,证实了红外傅里叶变换红外光谱法在痕量气体分析中的优越性及发展前景.
5、傅立叶变换红外光谱技术(FTIR)主要由红外光源经准直后变成平行光出射，经过几百米的光程距离，由望远镜系统接收，再经干涉仪后汇聚到红外探测器上。由探测器测量得到干涉图，经快速傅里叶变换得到气体成分的光谱信息，再根据郎伯比尔定律计算出气体的浓度。当光源发出的光的波长范围覆盖一个或多个气体吸收线时，光通过气体后，将会产生光谱吸收。一束光强为 的探测光，通过待测气体，被待测气体分子吸收后，)(0vI透射光强为 ，根据 Lambert-Beer 定律，有： (1) )(vI )(exp)(0CLvIv这里， 为光通过待测气体的光程， 为待测气体的体积浓度， 为气体在光频为LC)(v处的吸收系数，在已知
6、入射光强并测出吸收后的光强，由（1）可以得到气体浓度。v2 傅里叶变换红外光谱谱图的解析方法在实际环境中，大气污染物具有多组分并存、干扰因素多等特点，这造成了测定谱图中各组分的特征峰之间重叠现象严重、非线性明显，难以直接对待测物质进行定性、定量的分析。 因此，需要采用化学计量学的方法来对谱图进行解析，以便能定8量测量大气污染物中的各组分浓度在空间的分布情况。常用的红外光谱定量分析方法有:经典最小二乘法、偏最小二乘法(PLS)、遗传算法(GA)、人工神经网络算法(ANN)。经典最小二乘法(Classical Least Squares，简称 CLS) ，由于使用了过测定体系，9即测量次数大于待分
7、析组分数，测量时很大一部分的随机误差可以得到克服。但在使用经典最小二乘法之前，大气中 H2O、CO2 的旋转振动光谱必须得到补偿，但目前，还未出现一种可用于实践的光谱补偿技术，所以该方法的应用受到了限制。偏最小二乘法(Partial Least Squares，PLS) ，由于建立了由各因素构成的数据矩10阵 X 与由各目标构成的数据矩阵 Y 之间的关系，分析的可靠性进一步提高，但是 PLS侧重于定量分析，当被测样中含有未知物时，偏最小二乘法的灵敏度就大大降低。遗传算法(Genetic Algorithm，GA) ，操作对象为群体中所有个体，需要对所有1问题的解空间进行编码，对个体进行选择、交
8、叉和变异三步的操作。刘芳、王俊德等人 直接使用遗传算法对混叠的傅里叶变换红外光谱图进行了定量的解析,结果证明遗12传算法有着极好的非线性特征和求解能力，在适当的条件下，结果误差小于 1%。遗传算法有很好的全局搜索能力,能从概率的意义上以随机的方式寻求到问题的最优解.但另一方面,遗传算法在应用中容易产生早熟现象,局部寻优能力较差。人工神经网络法无需知道样品全部定性信息即可进行定量，且具有强大的非线性拟合能力，成为光谱数据分析非常有力的手段。许国旺等 采用人工干预的傅立叶变13换红外光谱差减技术对混合气体中大气毒物进行定量分析,并对其实验条件进行了详细研究和优化,误差在 8%以内.3 人工神经网络
9、算法人工神经网络(Artificial Neural Network, ANN)是模拟人脑思维过程的一门科学，它借鉴了人脑神经系统处理信息的过程，以数学网络拓扑结构为理论基础，由大量简单单元以及这些单元的分层组织大规模并行连接而成的一种网络，能模拟人脑进行信息处理，具有自学习、自组织、自适应能力以及很强的容错性，分布存储与并行处理信息的功能和高度非线性表达能力，可以有效地对模型不确定的数据进行大规模的非线性自适应处理，自动调节不同类型的非线性响应，其处理复杂信息的能力是传统方法无可比拟的。 14自上个世纪 90 年代起，人工神经网络开始被应用到大气污染物的监测当中。李燕等人 将人工神经网络算法
10、应用到实际模拟的气体污染物的浓度测量中，通过对互不15干扰的二组分气体污染物的分析，证实了人工神经网络法的可靠性，并将其应用到三、四、五组分的混合气体中，获得了发散过程中各气体浓度的实时变化规律，为遥感傅立叶变换红外光谱用于大气污染物的监测提供了一种行之有效的定量分析方法。神经网络有多种网络结构，其中以 BP 算法为基础的神经网络应用最为广泛。因为它可用于不知系统机理只知其输入输出变量的情况，并且已经证明此种模型可以逼近任何连续的非线性曲线。4 BP 神经网络算法BP 神经网络的基本思想是学习过程由信号的正向传播与误差的反向传播两个过程组成。正向传播时，输入样本从输入层传入，经各隐层逐层处理后
11、，传向输出层。若输出层的实际输出与期望的输出（教师信号）不符，则转入误差的反向传播阶段。误差反传是将输出的误差以某种形式通过隐层向输入层逐层反传，并将误差分摊给各层的所有单元，从而获得各层的误差信号，此误差信号即作为修正各单元权值的依据。这种信号正向传播与误差反向传播的各层权值调整过程是周而复始地进行的。权值不断调整的过程，也就是网络的学习训练过程。此过程一直进行到网络输出的误差减少到可接受的程度，或进行到预先设定的学习次数为止。 165 课题研究内容在熟悉红外光谱分析和人工神经网络理论知识的基础上，对大气污染中两种常见污染气体的混合红外吸收光谱图进行分析，通过 BP 神经网络法对混合光谱的参
12、数进行处理，从而得出两种气体的浓度。参考文献：1 张学典,黄显,徐可欣. 差分吸收光谱反演方法在环境监测系统中的研究J. 光谱学与光谱分析,2007,27(11):236723702 刘文清,崔志成,刘建国等. 空气质量监测的高灵敏差分吸收光谱学技术J. 光学技术,2005,31(2):2882913 陈东,刘文清,张玉钧等. 开放光程 TDLAS 系统对北京城区 NH3 浓度的连续检测J. 光学技术 ,2007,33(2):3113144郑龙江,李鹏 ,秦瑞等. 气体浓度检测光学技术的研究现状和发展趋势J. 激光与光电子进展，2008，45(8):24325 David W. T., Gri
13、ffith Galle. Flux measurement of NH3 ,N2O and CO2 using beam FTIR spectroscopy and the flux gradient techniqueJ.Atomospheric Environment, 2000,34(7):108710986 Rainer Haus, Klaus Schafer. Remote sensing and analysis of trace gases from hot aircraft engine plumes using FTIR-emission-spectroscopyJ.Scie
14、nce of the Total Environment, 1994,158(3):85917 康建霞,黄梅,王俊德. 大气中痕量气体污染物的傅里叶变换红外光谱分析J. 南京理工大学学报,1995,19(1):87898 王晓斐. 大气环境中气体污染物空间浓度分布的重构. 硕士学位论文. 南京：南京理工大学, 20059 倪永年. 化学计量学在分析化学中的应用M. 北京:科学技术出版社，200410 朱尔一，杨芫原 . 化学计量学技术及应用M. 北京:科学出版社，200111 周明,孙树栋 . 遗传算法原理及应用M. 北京:国防工业出版社,200112 刘芳，王俊德. 遗传算法及其在谱图解析中
15、的应用J. 光谱学与光谱分析，2004，12(8):946 94913 许国旺 ,毕卫伊,甘进平等. 人工干预的傅立叶变换红外光谱差减技术在大气毒物分析中的应用J. 分析测试学报,1996,15(1):121614 韩力群. 人工神经网络理论、设计及应用M.第二版. 北京: 化学工业出版社，200715 李燕，孙秀云，王俊德. 人工神经网络法测定五组分红外光谱体系J. 光谱学与光谱分析，2000，20(6):77377616 张良均，曹晶，蒋世忠. 神经网络实用教程M.北京：机械工业出版社，2008毕 业 论 文 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：1 课题要研究
16、的内容傅里叶变换红外光谱技术具有分辨力高、测量波段宽、灵敏度高、响应时间快等优点，已成为目前气体浓度检测最为理想的手段。但在实际环境中，大气污染物多组份并存、干扰因素多等特点，造成了测定谱图中各组分的特征峰之间重叠现象严重、非线性明显。本课题研究的内容就是如何从傅里叶变换红外光谱技术所测定的谱图中获得混合气体的浓度，即如何完成对混合气体的定性分析。2 课题拟采用的研究手段拟采用 BP 神经网络法，结合 MATLAB 7.0 中的人工神经网络工具箱对混合光谱的参数进行处理，以获得气体的浓度。2.1 通过查阅国内外光谱数据库，得到各气体纯光谱图，利用 matlab7.0 仿真出混合光谱信号，作为神
17、经网络的分析样本。2.2 设计 BP 网络结构（1）对输入样本、期望输出进行数据的预处理（2）对网络权值进行初始化（3）设计隐含层层数（4）设计隐含节点数（5）利用 MATLAB 7.0 中的人工神经网络工具箱编写程序2.3 对所设计的网络进行训练，直至误差最小或达到网络预设的最大学习次数2.4 输入新的样本集，用训练过的神经网络进行分析，获得网络的输出，网络输出与期望输出进行比较，评价网络的性能！毕 业 论 文 开 题 报 告指导教师意见：指导教师： 年 月 日所在系审查意见：系主任： 年 月 日附件：参考文献注释格式学术期刊 作者论文题目期刊名称，出版年份，卷(期)：页次如果作者的人数多于
18、 3 人，则写前三位作者的名字后面加“等” ，作者之间以逗号隔开。例如：1 李峰，胡征，景苏等. 纳米粒子的控制生长和自组装研究进展. 无机化学学报， 2001, 17(3): 3153242 J.Y.Li, X.L.Chen,H.Li. Fabrication of zinc oxide nanorods. Journal of Crystal Growth, 2001,233:57学术会议论文集 作者论文题目文集编者姓名学术会议文集名称，出版地：出版者，出版年份：页次例如：3 司宗国，谢去病，王群重子湮没快度关联的研究见赵维勤，高崇寿编第五届高能粒子产生和重离子碰撞理论研讨会文集，北京：中
19、国高等科学技术中心，1996：105图书 著者书名版本出版地：出版者，出版年页次如果该书是第一版则可以略去版次。例如：4韩其智，孙洪洲群论北京：北京大学出版社，1987101预印本 作者论文题目预印本编号（出版年份）例如：5Xiaofeng Guo and Jianwei QiuThe leading power corrections to the structure functionshepph/9810548(1998)学位论文 作者论文题目学士(或硕士、博士 )学位论文. 出版地：出版者，出版年份例如：6 陈异. 纳米粒子形貌控制研究. 硕士学位论文. 北京：中国科学院, 2002电子文献 主要责任者. 电子文献题名电子文献的出处或可获地址. 发表或更新日期例如：
