船舶生活污水COD快速检测系统研究
摘要
船舶生活污水逐渐成为海洋环境污染的主要来源，引起越来越多国家的密切关注，
与此同时国际海事组织针对船舶生活污水污染物排放限值提出了明确要求，其中化学
需氧量（COD）是排放标准的检测项目之一。COD是反应污水中有机物含量的参数，
有机物含量越高说明污染程度越严重。传统的化学检测法需要加入多种化学试剂，容
易对环境造成二次污染，操作流程复杂，等待时间长，无法满足船舶生活污水COD快
速检测需求。随着光学测量技术在水质检测领域的应用，克服了传统方法操作复杂，
测量周期长的缺点。本文基于紫外吸收光谱法设计了船舶生活污水COD快速检测系统，
具有广阔的应用前景。
首先，基于分子吸收光谱理论和朗伯-比尔定律，探究了紫外吸收光谱法检测COD
的原理。探讨了紫外吸收光谱法的三种测量技术，全光谱检测法通过扫描水样的紫外
吸收光谱图，可以全面反映污水中有机物的污染情况，提高COD测量精度。
在此基础上，设计了COD检测系统的光学结构，围绕光学器件进行性能分析和选
型。重点研究了分光系统，通过对比Czerny-Turner光栅和平场凹面光栅的结构特点，
设计了基于平场全息凹面光栅的分光系统，对光栅进行设计参数优化和3D仿真分析，
消除了像差对成像谱线的影响，确保紫外吸收光谱分析质量。
然后，提出了一套基于现场可编程门阵列（FPGA）的光谱采集系统的设计方案。
根据系统所要实现的功能对各模块硬件设备选型和硬件电路设计。由FPGA驱动线阵
CCD（TCD1304AP）完成光电转换功能，通过A/D转换将模拟信号转换为数字信号，
最后由通信模块将采集到的数字信号传输到上位机进行处理，完成紫外吸收光谱数据
图像化显示、光谱图像保存、光谱数据保存等基本功能。
最后，考虑到全光谱数据建模时计算量大，处理时间长等问题。基于不同浓度的
COD标准溶液的紫外吸收光谱图，采用粒子群算法对其进行特征波长选取，根据特征
波长处的吸光度值，利用偏最小二乘法建立吸光度与COD浓度的预测模型，该模型
r=0.99998，RMSE=0.1311。结合所建立的COD浓度预测模型，测试了系统的性能指标，
确定了设备的测量范围为4.9~500mg/L，误差范围在5%以内。
关键词：船舶生活污水；化学需氧量；紫外吸收光谱法；快速检测
船舶生活污水COD快速检测系统研究
Abstract
Shipdomesticsewagehasgraduallybecomethemainsourceofmarineenvironmental
pollution,whichhasattractedthecloseattentionofmoreandmorecountries.Atthesame
time,theInternationalMaritimeOrganizationhasputforwardclearrequirementsforthe
emissionlimitsofshipdomesticsewagepollutants,ofwhichchemicaloxygendemand(COD)
isoneofthetestitemsoftheemissionstandards.CODisaparameterthatreflectstheorganic
mattercontentinsewage,andthehighertheorganicmattercontent,themoreseverethe
pollutionlevel.Thetraditionalchemicaldetectionmethodrequirestheadditionofmultiple
chemicalre