不同参数多壁碳纳米管太赫兹谱特性

探索不同管径和长度的多壁碳纳米管(MWCNT)的太赫兹(THz)谱特性,采用透射型太赫兹时域光谱系统研究了5个不同管径和长度的MWCNT样品的太赫兹吸收谱和折射率谱,并对比和分析了它们的差异。结果表明:在0.2~2.0THz内,多壁碳纳米管太赫兹吸收没有特征吸收峰,吸收强度随着频率的增加而增加,并可以拟合为不同斜率的直线,且MWCNT在THz波段的吸收强度与管径和长度成正比。折射率随着频率的增加呈指数衰减,同时,管径是影响其折射率的一个重要因素,而长度对其影响不大。     

太赫兹波段豆油光谱的优化测量

太赫兹时域光谱技术是基于飞秒超快激光技术的有效的光谱检测技术,太赫兹波独特的优势使其成为一种有效的无损检测手段,并被广泛地应用到各个领域。然而在样品检测尤其是液体样品检测过程中,由于Fabry-Perot效应的存在,太赫兹波在样品、样品容器、以及光学元件之间的多次反射,使时域信号产生回波,样品的吸收光谱在频域内产生振荡,有可能会隐藏一些重要的吸收特征。为了解决这一问题,对解卷积算法进行改进,在传统计算模型的基础上,考虑系统中液体池窗片和光学元件对太赫兹波的非线性吸收,将包含回波的太赫兹时域信号描述为太赫兹主脉冲与一系列冲击信号和非线性传递函数的卷积。通过分析,有效去除回波引起的频谱振荡,进一步提高太赫兹波段豆油光学参数的测定精度。实验对比了改进前后0.2～2 THz波段豆油的频谱及吸收谱,实验结果证明,与传统的主脉冲截取法相比,本算法不仅能有效去除回波引起的频谱振荡,且在相同检测条件下,可将太赫兹波段豆油样品的频率分辨率由50 GHz有效提高至10 GHz。该算法不受被测对象参数的影响,同样适用于其他液体的太赫兹时域光谱测量。最后对吸收谱中残余的频谱振荡进行了深入分析。     

THz时域光谱测试中的散射问题

利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)提取物质在太赫兹波段的吸收谱是太赫兹应用的一个重要方面。THz-TDS实验系统中的被测样片一般是多种成份的微粒与稀释剂(PE)按一定摩尔浓度混合研磨后压制而成的薄圆片。一般认为,吸收谱中出现的随频率缓慢上升的基线是源于样品颗粒对THz波的散射。该基线对准确获取吸收谱中的特征吸收峰的峰高和峰形信息产生了影响,故为了进一步对吸收谱实现准确的定量分析,应设法移除基线,消除样品颗粒散射对吸收谱的影响,使吸收谱中的特征吸收峰更准确的体现被测物质在太赫兹频段内的吸收特性。对基线产生的原因进行了分析,对近年来出现的散射处理方法进行了综述,为了验证文献中去除散射方法的合理性,选取三种氨基酸进行实验,对比了去除散射影响前后氨基酸的摩尔浓度计算精度,结果表明,去除散射影响后部分氨基酸的摩尔浓度计算精度得到了提高,最后综合实验结果提出了THz吸收谱中去除散射影响需要进一步研究的方向。     

拉西地平的太赫兹光谱实验研究

测量了高纯拉西地平(98%)和拉西地平口服药片(2%)0.5~1.8 THz的太赫兹反射时域信号,并分别提取出二者的吸收谱和折射率谱。通过将纯样品的吸收峰位与CASTEP晶体软件计算得到的吸收线位置进行比较,并用Lorentz线型函数对其中位置相近的吸收峰进行拟合,得到了拉西地平的指纹谱,并从实验上确定了拉西地平的六个特征频率,这些频率分别为0.62,0.78,1.07,1.28,1.63和1.76 THz;由于口服药片中添加了其他大分子物质作为辅料,这些物质带来的吸收本底会对拉西地平的特征峰的识别造成干扰,因此,特征吸收峰数量减少至四个,它们分别是0.62,0.78,1.28和1.63 THz;另外,纯样品和口服药片的折射率谱存在较大差异,这也与口服药中添加的辅料有关。尽管实际的拉西地平口服药片中含有的拉西地平的成分很低,但是,太赫兹指纹谱依然可以将拉西地平的特征频率识别出来。因此,太赫兹时域光谱技术对拉西地平药品的成分检测是十分有效的。     

氨基酸官能团的太赫兹振动模式研究

对比于氨基酸的红外分析法,太赫兹波的电子能量更低,可实现无损检测。氨基酸分子内原子振动、分子间氢键的作用、以及晶体中晶格的低频振动均处于太赫兹波段,使其在太赫兹波段具有吸收峰,且不同的氨基酸分子太赫兹吸收峰不同,故可用氨基酸在太赫兹波段的这种“指纹特性”实现氨基酸类物质的定性分析。量子化学分析方法可以应用量子力学的基本原理和方法,研究稳定和不稳定分子的结构、性能及其之间的关系,还可以针对分子与分子间的相互作用、相互碰撞及相互反应等问题进行研究。通过量子化学计算方法计算氨基酸分子的太赫兹吸收谱,可以为氨基酸分子的太赫兹吸收峰匹配分子振动模式,对氨基酸定性分析有一定参考性与指向性,并为实验获取的样品太赫兹时域光谱提供理论支撑,在实验获得太赫兹吸收谱的基础上进行量子化学计算,还能为实验结果进行验证。首先利用太赫兹时域光谱技术获取了谷氨酰胺、苏氨酸、组氨酸的太赫兹吸收谱,分别构建这三种氨基酸样品在实物中以两性离子形式存在的单分子构型,利用量子化学计算方法在完成结构优化后进行太赫兹吸收谱模拟计算。计算结果表明三种氨基酸单分子的太赫兹吸收谱计算结果与实验获取的太赫兹吸收谱差异较大,但在高频段吸收峰峰位基本吻合。通过GaussView分别查看了这三种氨基酸分子在太赫兹段内的吸收峰对应频率处的振转情况,发现在高频段内三种氨基酸分子官能团均只发生转动而未见振动,并且转动模式基本一致。通过对氨基酸官能团的太赫兹吸收谱进行量子化学计算,将官能团在高频段内吸收峰对应频率处的振转模式与三种氨基酸分子在该段内吸收峰对应频率处的振转模式做了对比。研究表明,在氨基酸单分子构型下由量子化学方法计算所得的太赫兹吸收谱中,高频段内计算得出的模拟吸收峰与实验获取的太赫兹吸收峰基本吻合;振转模式分析发现,谷氨酰胺、苏氨酸、组氨酸在太赫兹高频段内的氨基酸官能团振转模式相同,三种氨基酸分子在高频段内的吸收峰主要来源于氨基酸官能团。因此,结合量子化学计算与太赫兹吸收谱可以实现氨基酸类物质的定性分析。     

时间-频率联合分析消除太赫兹光谱干涉

基于Fourier变换的传统太赫兹时域光谱分析技术从不同长度的太赫兹信号中产生了不一致的光谱结果,增加太赫兹时域采样长度又会造成光谱的干涉,不利于太赫兹光谱测量的研究和应用。应用小波变换方法对太赫兹波谱作时间—频率联合分析,将不同时刻的太赫兹波谱展开到二维的时间-频率平面,消除了光谱分析的不一致性和光谱干涉的影响。     

基于太赫兹光谱的植物生长调节剂检测技术研究

应用太赫兹时域光谱技术获取了赤霉素、氯吡脲和噻苯隆的太赫兹时域谱图和参考信号的时域谱图,并计算获得了折射率谱和吸收谱。实验结果显示,这三种植物生长调节剂在太赫兹波段内有着明显的特征吸收峰。而后基于最小二乘支持向量机对十九种不同物质的太赫兹时域吸收光谱进行了分类检测,并采用遗传算法和粒子群寻优算法对其进行了优化,最后通过添加噪声测试了模型的鲁棒性。该研究验证了太赫兹时域光谱技术用于药物成分检测的可行性,为植物生长调节剂的检测和鉴别提供了新的实验方法。     

THz-TDS测试中时域脉冲的本质段及其截取模型

利用太赫兹时域谱仪THz-TDS测试样品并计算太赫兹吸收谱的形态和幅度,是太赫兹定性、定量分析的主要途径。在实验中我们发现,谱的形态和幅度不仅与样品吸收特性有关, 而且与计算中所选取的太赫兹时域脉冲的长度密切相关。太赫兹波在片状样品前后表面的多次反射波是造成这个问题的主要原因。太赫兹时域脉冲分为直接载有样品信息的本质段、低信噪比的噪声段和信息重叠的回波段。通过分析太赫兹脉冲的产生机理及脉冲幅度与衰减过程的关系,给出一个半理论半经验的本质段长度截取模型,由此确定进一步计算太赫兹吸收谱的最佳长度。谷氨酰胺(Gln)、组氨酸(His)和胱氨酸(Cys)三种氨基酸样品的实验表明, 该文截点位置截取方法的计算结果是稳定有效的。     

太赫兹技术在爆炸物检测中的应用

研究了太赫兹成像技术在爆炸物探测中的应用,分析了太赫兹透射型时域光谱系统的实验装置,介绍了太赫兹时域光谱的测量步骤。确定了四种爆炸物样品(TNT,RDX,DNT,HMX)在太赫兹波段的吸收谱。结果表明,这四种爆炸物样品在0~2.5THz的频率范围内均存在特征吸收峰,这为太赫兹技术检测爆炸物提供了一种有效的途径。     

用太赫兹时域光谱技术判别防冻液和刹车油的真伪

太赫兹时域光谱技术可以分辨化合物结构上的微小差异并应用于物质检测与分析,为有机化工产品的鉴别及更宽有效光谱区的测试提供了新的实验方法.本文运用太赫兹时域光谱技术研究了甲醇、防冻液和刹车油在太赫兹波段的光学特性,在室温氮气环境中,得到了样品的时域谱和在0.2～2.5THz波段的吸收谱.甲醇和防冻液、刹车油在此波段的吸收谱存在显著差异,甲醇的吸收峰位于0.35THz、0.72THz处,防冻液和刹车油的主要吸收峰位于0.62THz处.实验表明,用太赫兹时域光谱技术可以检测防冻液和刹车油里是否掺有甲醇,进而判断其质量的优劣.     

Self-referenced method for terahertz wave time-domain spectroscopy

The method allows retrieval of the absorbance of a sample without the need for a reference measurement. The method measures the dynamic variation of frequency resolution as the waveform is being acquired. In terahertz wave time-domain spectroscopy, the frequency resolution increases as the temporal window increases. Therefore, narrow absorption peaks will appear in the spectrum when the temporal window is long enough to resolve the peak. By measuring the dynamic values of each frequency component at specific points in time, a reference value and a peak value are extracted and, hence, the self-referenced is achieved. In addition, the method provides a mechanism to remove the effects of echoes, which enables arbitrary temporal window length and, thus, achieves high-resolution frequency. Examples of extraction of the water vapor lines and resonant features in gas and semiconductors are demonstrated in transmission and reflection geometries.     

基于太赫兹光谱技术的光学系统设计及应用

太赫兹脉冲信号在频域上具有“指纹频谱”特性,利用该性质可以对物质进行定性分析。借助Zemax软件的光学分析与优化功能,设计了二次非球面TPX平凸透镜,提高了透镜对太赫兹波束的聚集能力;采用平凸透镜设计了太赫兹波束整形光学系统,并将该光学系统用于太赫兹时域光谱系统中,对盐酸莫西沙星和左氧氟沙星进行太赫兹光谱测试,经过算法处理后得到二者在频域上的吸收系数与折射率曲线。测试结果表明:左氧氟沙星的折射率在0.1 THz～3.5 THz波段要比盐酸莫西沙星高,但是盐酸莫西沙星的折射率变化更加平缓;盐酸莫西沙星在1.03 THz、1.92 THz、2.58 THz、2.84 THz处具有明显的吸收峰,左氧氟沙星在1.35 THz、1.96 THz、2.52 THz、2.73 THz处具有明显的吸收峰。     

基于太赫兹时域光谱技术的红木分类识别

提出了一种利用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）进行红木分类识别方法。红木价格昂贵,同时由于种类繁多难以识别,导致红木市场以次充好,以假乱真的现象层出不穷,严重扰乱了市场秩序,给生产者和消费者造成巨大的经济损失,传统的红木分类识别方法难以兼顾准确性和快速性,因此需要研究一种新的方法对现有木材分类识别方法进行补充和发展。相比于传统方法,太赫兹波对红木具有良好的穿透性及指纹特性,在红木的分类识别中有较大的应用潜力。选用5种红木（巴里黄檀、奥氏黄檀、大叶紫檀、小叶紫檀、交趾黄檀）作为试验样品木材。利用THz-TDS系统得到木材的太赫兹时域光谱,通过对五种木材的太赫兹时域光谱进行快速傅里叶变换,得到木材太赫兹频域光谱,并对太赫兹时域光谱提取光学参数,分别得到木材的太赫兹折射率谱和吸收系数谱,结果表明不同种类的木材在时域光谱上具有时间延迟线与振幅的差异,在频域光谱上显示衰减趋势及幅值各不相同,在吸收系数谱中各种类红木吸收峰出现的频段不同,能够直观地展示出各种类木材之间的区别,表明THz-TDS进行红木分类识别具有一定的可行性。利用连续投影算法（SPA）提取吸收系数谱和折射率谱的特征频率,对吸收系数谱260个频率点筛选出28个特征频率点,频段占比10.77%;对折射率谱260个频率点筛选出12个特征频率点,频段占比4.62%。分别建立基于吸收系数谱和折射率谱的随机森林分类模型和支持向量机（SVM）红木分类模型,并对各模型分类结果进行对比。实验结果表明,THz-TDS具有良好的木材识别效果,基于木材太赫兹吸收系数谱和折射率谱建立的随机森林分类模型对红木种类有着较好的分类性能,总体分类准确率分别达到了94%和96%,能够准确对红木种类进行分类识别。利用太赫兹时域光谱技术实现了红木的分类识别,为红木的分类识别提供了一个新的思路和技术方案,能够作为近红外光谱木材检测方法的补充,同时为太赫兹技术在木材分类识别领域的应用提供了理论基础。     

吸收峰混叠的太赫兹光谱区间组合特征提取算法

太赫兹光谱是物质识别的前沿方法之一。由于不同物质的分子组成或结构各异,许多物质的太赫兹吸收谱会在特定频率上出现吸收峰,可以作为混合物成分检测的重要特征。有效准确地提取这些吸收峰的参数,是提高识别率的关键。多峰拟合算法将光谱曲线拟合成若干个标准峰函数之和,能够同时提取到吸收峰的频率、峰高、峰宽等信息。但是该算法以寻峰算法结果为基础确定吸收峰的大致位置和数量,寻峰结果不一定是最优的拟合结果,而且很难准确识别定位混叠状态的吸收峰。为了提高混叠光谱中吸收峰的识别定位精度,提出以大幅度平滑后的曲线波谷为分界点,将预处理后的光谱分成若干个子区间。然后将子区间组合起来进行多峰拟合,通过遗传算法得到最优的拟合子区间组合和吸收峰频率近似值,拟合时每个子区间中通过峰数递增最优化方法确定拟合的吸收峰数,最后微调优化得到最优的吸收峰频率、峰高值。为了实现物质的识别,通过密度聚类算法得到同一类纯净物在多次测量中的共同吸收峰,以此作为标准数据,通过提出的基于吸收峰特征的光谱匹配算法实现了纯净物和不同含量混合物的快速识别。对10类纯净物的实际光谱数据进行拟合聚类,得到其吸收峰参数,结果与太赫兹光谱数据库一致。通过识别算法对纯净物测试集进行识别的识别率为100%,证明了特征提取和物质识别算法的有效性。对于含有混叠峰的混合物光谱,二阶导数法对葡萄糖-乳糖混合物光谱中被掩盖吸收峰(1.280 THz)的识别率仅为70%,提取到的频率平均值为1.316 THz;而该算法提高识别率至95%,频率平均值为1.281 THz,该算法提高了对混叠峰的分辨能力,能够精确定位混叠峰。对10类纯净物构成的6类不同程度混叠的二元混合物前二、三识别率分别达到90.8%和98.3%,提取到的特征能够有效应用于混合物的成分检测。该算法能够以纯净物数据为标准数据实现成分各异的混合物成分检测,对于太赫兹光谱混合物成分检测有重要意义。     

基于太赫兹光谱的奶粉中葡萄糖及蔗糖定性定量检测方法

奶粉富含人体所需的五大营养物质,是婴幼儿主要的营养来源之一,奶粉中的营养成分对婴幼儿的生长发育具有重要影响,除乳糖外的糖类含量超标可能对婴幼儿健康产生不良影响。由于奶粉成分复杂,目前的色谱法和近红外光谱法检测技术都难以满足奶粉糖分快速无损检测的要求,因此亟须探索一种奶粉中葡萄糖、蔗糖含量快速无损检测方法。太赫兹波对不同大分子物质的吸收峰具有“指纹”特性,可利用该特性对不同的大分子物质进行识别。应用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）并结合化学计量学方法对奶粉中葡萄糖、蔗糖两种糖分的定性定量检测方法进行了研究。实验装置采用TAS7500TS太赫兹光谱系统,实验样品为不含糖的婴幼儿奶粉和纯度大于99%的葡萄糖、蔗糖晶体及不同梯度浓度的奶粉-葡萄糖、奶粉-蔗糖混合物,实验分别采集了3种纯品样品及15种不同梯度浓度的奶粉-葡萄糖、奶粉-蔗糖混合物样品的太赫兹时域信号,每个样品采集三次并取平均值作为其时域光谱信号,经快速傅里叶变换（FFT）得到各样品的太赫兹频域信号,再根据Dorney提出的光学参数提取公式计算得到各样品的吸收系数谱和折射率谱。最后分别基于两组混合物样品的吸收系数谱和折射率谱数据,采用偏最小二乘法（PLS）建立相应的定量分析模型,校正集和预测集样品比例为2∶1。实验结果表明,奶粉在太赫兹波段无明显特征吸收峰,葡萄糖和蔗糖分别在1.45,1.8,1.98,2.7 THz和1.5,1.9,2.6 THz频率处有较强的特征吸收峰,可根据两种物质的太赫兹指纹特征峰进行定性分析。不同梯度浓度的两组混合物的整体吸收峰位置与葡萄糖、蔗糖纯品太赫兹吸收峰位置基本一致,具有稳定的吸收特性。基于吸收系数谱和折射率谱数据建立偏最小二乘法模型,均可实现奶粉中葡萄糖和蔗糖的定量分析,且由折射率谱建立的葡萄糖、蔗糖定量回归模型效果均优于由吸收系数谱建立的模型效果,其中,奶粉-葡萄糖混合物中葡萄糖含量PLS模型的校正集相关系数（R_c）及均方根误差（RMSEC）分别为0.99和0.18%,预测集R_P及RMSEP分别为0.96和0.66%,奶粉-蔗糖混合物中蔗糖含量PLS模型的校正集R_c及RMSEC分别为0.96和0.55%,预测集R_P及RMSEP分别为0.99和0.25%,葡萄糖和蔗糖定量模型的预测效果均较为理想。研究结果表明THz-TDS技术可有效用于奶粉中葡萄糖和蔗糖定性定量分析,为运用THz-TDS技术开展奶粉掺假及品质快速检测方法研究提供参考。     

基于小波系数图和卷积神经网络的太赫兹光谱物质识别

许多太赫兹光谱物质识别方法依靠寻找该物质在太赫兹波段范围内不同光谱表现出的不同特征来识别特定物质。吸收峰提取法是常用的光谱特征提取算法,但当光谱无明显特征吸收峰或峰位、峰值相近或难以识别时,难以利用吸收峰特征辨别物质。将机器学习和统计学习技术用于太赫兹光谱的识别中虽减少了吸收峰的干扰,但常常需要人为定义特征而导致分类误差。深度学习法能自动提取特征,但在识别前往往需要进行复杂的预处理操作,并且在特征提取的过程中容易丢失部分特征从而导致分类误差。针对以上问题,提出了一种基于小波系数图和卷积神经网络的太赫兹光谱识别方法。利用太赫兹光谱信号进行小波变换时,由于小波系数矩阵的每一行系数与原始光谱信号存在着对应关系,因此将太赫兹光谱的吸收系数通过小波变换在频率域上展开,能得到不同的二维的频率-尺度分布图,又称小波系数图。然后构造一个卷积神经网络(CNN)对小波系数图进行分类,可得到太赫兹光谱物质的分类结果。为了验证所提出算法的有效性,将三组小波系数图数据与原始光谱数据分别输入CNN、Support Vector Machin (SVM)、Multilayer Perceptron (MLP)三种不同的分类器作对比,从实验结果可以发现本文算法在三组数据中的识别率均达到了100%,说明相比于传统方法,本文方法能准确分类没有明显特征吸收峰的光谱,证明了使用卷积神经网络识别小波系数图的有效性。为了体现本文算法的优势,与小波脊线寻峰识别算法作对比,实验结果表明本文算法几乎不受峰频、峰位、峰值的影响,无论是识别不存在吸收峰的淀粉,还是识别相似度高的蔗糖和葡萄糖,都具有较高的识别率,分类准确率达97.62%,证明了所提算法的优越性。该算法为太赫兹光谱数据识别提供了一种新思路,同时也可以推广运用到其他谱图物质的识别中。     

The terahertz spectrum detection of transgenic food

This paper presents the optical characteristic of the four transgenic foods in the terahertz (THz) by means of electro-optic sampling. The transmission spectra and complex refractive index of the four transgenic foods are obtained. This paper finds that transgenic maize (TGM), transgenic rice (TGR), transgenic soybean (TGS) and transgenic potato (TGP) all have absorption within the frequency range of 0.2 and 2.5 THz. It can be seen that the TGM and TGR have obvious absorption peaks at 1.08 and 1.82 THz respectively, the TGS has a plurality of absorption peak in this frequency band, compared to the other three samples, and the TGP is slow. The unique absorption properties in THz of four transgenic foods show that the time-resolved terahertz spectroscopy can be applied to detect and identify transgenic food.     

基于离散极大值法的太赫兹光谱特征吸收峰提取方法

太赫兹波在电磁波谱中介于微波和红外辐射之间，具有指纹特性、安全无损、强穿透性等特点，因此太赫兹光谱技术在药品成分和组成检测领域具有广泛应用价值。针对高纯度物质识别研究中存在部分弱吸收峰不易识别，以及混合物的太赫兹光谱中吸收峰强度降低而导致吸收峰位信息模糊化的问题，提出了一种基于离散极大值法的光谱吸收峰位识别方法，即伴随拐点法。伴随拐点法首先利用目标检测物太赫兹吸收系数谱图的一阶和二阶导数确定吸收峰位的伴随拐点和基线谱，其次将原始吸收光谱与基线谱进行差分运算得到差谱，最后根据离散极大值法确定吸收峰位，从而实现特征吸收峰的识别。为验证伴随拐点法的有效性，采用伴随拐点法对四种硝基呋喃类样品光谱进行吸收峰提取，并将吸收峰位识别结果与仿真结果进行比较。实验结果证明，伴随拐点法能有效识别目标检测物的强吸收峰和弱吸收峰。该方法不仅在含峰目标物的太赫兹特征吸收峰识别问题中具有广泛的应用前景，还适用于其他光谱的谱峰峰位检测。