一種基于壓縮感知原理的離子濃度批量檢測方法
【專利摘要】本發明公開了基于壓縮感知原理的離子濃度批量檢測方法，包括以下步驟：步驟一，將N個待檢測樣本順序排列并依次編號，將其視為離子濃度一維分布向量；通過計算機生成采樣矩陣，采樣矩陣的列數為N，采樣矩陣的行數為M，根據采樣矩陣行向量每一行元素的輸出順序依次從N個待測樣本中取液，將每行N次取液混合作為一個采樣，共得到M個采樣；步驟二，將M個采樣按照順序依次進行離子濃度檢測，測得采樣矩陣中不同行向量對應的采樣離子濃度，利用質量計算公式：m＝ρV，其中：m為采樣離子的質量、ρ為采樣離子的質量濃度、V為采樣的液體體積；步驟三，選擇稀疏變換，構成超完備字典；步驟四，利用恢復算法對N個待檢測樣本的離子濃度進行重建。
【專利說明】一種基于壓縮感知原理的離子濃度批量檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種離子濃度批量檢測方法，特別是涉及一種基于壓縮感知原理的離 子濃度批量檢測方法。
【背景技術】
[0002] 離子濃度檢測在各行業各領域內有著廣泛的應用，如：水樣監測、土壤分析、材料 檢驗、醫學診斷等。隨著科技的進步，現代工農業生產中對各種產品的生產過程有了更高的 性能和技術要求，醫學診斷對各種生物化學檢驗更加依賴，這就需要使得離子濃度檢測在 精度、時間和檢測成本上有更大的突破。離子濃度檢測適用于農業用水含鹽量檢測、土壤 重金屬離子檢測、工業廢水排放檢測、醫學診斷生化指標檢測等領域，但在大樣本批量檢測 中，會由于檢測次數多，耗費時間長，檢測試劑成本高等不足阻礙離子濃度檢測的應用與推 廣。
[0003] 中國專利申請201310386230. 1提出了"一種三價鋁離子檢測試劑及檢測方法"， 雖然該方案具有靈敏度高、使用方法簡單、檢測快速、實驗現象明顯和測試結果準確的優 點，但還存在以下明顯不足：一是測量N個批量待測樣本的離子濃度必須進行N次測量，其 測量次數多，帶來的系統測量誤差大；二是每次測量均需使用多種試劑，耗費較多時間，增 加了離子濃度批量檢測的成本。
[0004] 中國專利申請201010197871. 9提出了"一種重金屬離子檢測裝置及其制備方 法"，雖然該方案具有檢測靈敏度高、可檢測濃度極限低、檢測范圍大。設備簡單、價格低廉、 反應迅速、攜帶方便等優點，但還存在以下明顯不足：一是測量N個批量待測樣本的離子濃 度必須進行N次測量，其測量次數多，帶來的系統測量誤差大；二是每次測量均需使用多種 試劑，耗費較多時間，增加了離子濃度批量檢測的成本。
[0005] 綜上所述，如何克服現有技術的不足已成為當今離子濃度測量【技術領域】中亟待解 決的重大難題之一。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是為克服現有技術存在的不足而提供一種基于壓縮感知原理的離 子濃度批量檢測方法。
[0007] 本發明公開了一種基于壓縮感知原理的離子濃度批量檢測方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟一，將N個待檢測樣本順序排列并依次編號，將其視為離子濃度一維分布向 量；通過計算機生成采樣矩陣，采樣矩陣的列數為N，采樣矩陣的行數為Μ，Μ << N，根據采 樣矩陣行向量每一行元素的輸出順序依次從Ν個待測樣本中取液，將每行Ν次取液混合作 為一個采樣，共得到Μ個采樣，Ν個待測樣本中每次的取液量最小為0 ;
[0009] 步驟二，將Μ個采樣按照順序依次進行離子濃度檢測，測得采樣矩陣中不同行向 量對應的采樣離子濃度，利用質量計算公式：m= PV，其中：m為采樣離子的質量、Ρ為采 樣離子的質量濃度、V為采樣的液體體積；
[0010] 步驟三，選擇稀疏變換，構成超完備字典；
[0011] 步驟四，利用恢復算法對N個待檢測樣本的離子濃度進行重建。
[0012] 本發明中，步驟一所述生成采樣矩陣的構造式為：
[0013] Φ e rmxn,
[0014] 其中，φ為采樣矩陣，RMXN代表MXN維實數集，采樣矩陣滿足有限等距性。
[0015] 本發明中，對所述采樣矩陣進行優化得到矩陣Φ3，矩陣Φ3中每個元素 V.的計算 公式如下：
[0016]
【權利要求】
1. 一種基于壓縮感知原理的離子濃度批量檢測方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一，將N個待檢測樣本順序排列并依次編號，將其視為離子濃度一維分布向量；通 過計算機生成采樣矩陣，采樣矩陣的列數為N，采樣矩陣的行數為Μ，Μ << N，根據采樣矩陣 行向量每一行元素的輸出順序依次從Ν個待測樣本中取液,將每行Ν次取液混合作為一個 采樣，共得到Μ個采樣，Ν個待測樣本中每次的取液量最小為0 ; 步驟二，將Μ個采樣按照順序依次進行離子濃度檢測，測得采樣矩陣中不同行向量對 應的采樣離子濃度，利用質量計算公式：m= PV，其中：m為采樣離子的質量、Ρ為采樣離 子的質量濃度、V為采樣的液體體積； 步驟三，選擇稀疏變換，構成超完備字典； 步驟四，利用恢復算法對N個待檢測樣本的離子濃度進行重建。
2. 根據權利要求1所述的一種基于壓縮感知原理的離子濃度批量檢測方法，其特征在 于，步驟一所述生成采樣矩陣的構造式為： Φ e Rmxn, 其中，Φ為采樣矩陣，Rmxn代表MXN維實數集，采樣矩陣滿足有限等距性。
3. 根據權利要求2所述的一種基于壓縮感知原理的離子濃度批量檢測方法，其特征在 于，對所述采樣矩陣進行優化得到矩陣Φ3，矩陣Φ3中每個元素的計算公式如下：
Vmax為N個待測樣本中的最大體積，Φ3中的每一行視為一組控制向量，max {Φ}表不 Φ矩陣中最大的一個元素，表示Φ矩陣中的第i行，第j列的元素。
4. 根據權利要求3所述的一種基于壓縮感知原理的離子濃度批量檢測方法，其特征在 于，離子的質量采樣向量Y為對信號X執行一個壓縮觀測的結果為Y = ΦΧ，將質量計算公 式進行擴展得到：
其中，Xl，x2,…，xN分別為N個待測離子濃度X中的各個元素，N個待測離子濃度X為N 維實信號X = [Xl，x2，…，xN]T e RN，RN代表N維實數集，T為矩陣轉置符號；Μ個線性投影觀 測采樣構成的離子的質量采樣向量Y = [yuh，…，yM]T e RM，ypy2，…，yM分別為離子的質 量采樣向量Y中的各個元素，R M代表Μ維實數集，離子的質量采樣向量Y，是指由采樣矩陣 中每個行向量對應的離子質量濃度采樣值
乘以
進行歸一化且 將離子的質量濃度采樣值
轉換為離子的質量采樣值，其中，^為第i行向量對應的離 子質量濃度采樣值，
即為總的Μ行向量對應的離子質量濃度采樣值。
5. 根據權利要求4所述的一種基于壓縮感知原理的離子濃度批量檢測方法，其特征在 于，步驟三所述稀疏變換，是指從離子的質量采樣向量Υ中恢復Ν個待測樣本離子濃度Ν維 信號X，要求信號X為稀疏向量或信號X在一個變換域中是稀疏的。
6. 根據權利要求1所述的一種基于壓縮感知原理的離子濃度批量檢測方法，其特征在 于，步驟四所述恢復算法，是指從離子的質量采樣向量Υ中恢復Ν個待測樣本離子濃度Ν維 信號X是一個求解線性方程組，在Ν個待測樣本離子濃度X稀疏或可壓縮的前提下的求解 欠定方程組：
其中，Ψ為正交基字典矩陣，ΨΧ為對X向量進行稀疏變換所得的稀疏系數， aig 代表求得在ψχ的！范數最小時對應的X向量，s. t.代表約束條件，Α? = φ ψ 為CS信息算子，Θ是X在一個稀疏變換域中的投影系數，Φ為采樣矩陣，X代表Ν個待測 離子濃度，Υ為離子的質量采樣向量。
【文檔編號】G06F17/50GK104062253SQ201410311064
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月1日 優先權日:2014年7月1日
【發明者】王偉, 張作恒, 吳小玲, 朱松盛, 段磊, 劉賓 申請人:南京醫科大學