基于迈克尔逊干涉仪的太赫兹光谱高速探测方法研究

太赫兹光谱技术作为获取物质在太赫兹频段信息的主要方法,已经被广泛应用于物质成分的测定,而其在成分分布成像方面则有着更广阔的应用前景,例如片剂药品的有效成分检测、行李安检的危险物品检测等。现有的太赫兹光谱探测方法时域光谱技术（THz-TDS）和频域光谱技术（THz-FDS）均不能很好地兼顾光谱分辨率与扫描时间;且获得物质光谱数据往往要花费数秒乃至数分钟时间（取决于光谱仪的结构）,这对多像素成像系统显得过于迟缓,更无法达到视频成像的速率需求,严重制约了太赫兹光谱成像的实际应用。目前的太赫兹波成像多为全频段波强度成像,只能反映样品的空间分布信息,并不能反映出样品的光谱即成分信息。因此,对太赫兹光谱探测速率的提升十分迫切,太赫兹光谱高速探测的实现不仅可以显著减少物质成谱的实验耗时,还为实现物质的太赫兹光谱成分分布成像提供了可能。提出了一种基于迈克尔逊干涉仪的太赫兹光谱高速探测方法,在设计了该方法装置结构的基础上,理论分析了其工作过程,同时进行了太赫兹光谱的计算。然后从数据采样、数据处理及参数选择这几个方面进行问题分析,计算得出该方法能够显著加快物质太赫兹光谱的扫描获取速率。最后,对该方法建模进行仿真研究,模拟实现其完整的探测过程。在仿真研究中,以太赫兹辐射源的频谱分布为例,将该方法的建模仿真结果与时域光谱技术（THz-TDS）测试结果进行了对比,结果表明时域光谱技术（THz-TDS）所测得的频谱曲线可以近似看作是该高速光谱探测法所得频谱曲线的包络线,两种不同方法所得频谱结果具有较强的一致性。总之,该方法能够进行样品的太赫兹光谱探测,且在保证分辨率相同的前提下,较时域光谱技术（THz-TDS）显著加快了成谱速率,为实用、高通量太赫兹光谱成像提供了一种可能。     

结合组织芯片技术的人体胃管状腺癌组织太赫兹光谱检测

太赫兹波技术在生物医学领域具有广泛应用前景,结合人体胃管状腺癌组织检测,针对太赫兹时域光谱（THz-TDS）组织检测点位与实际病理难以配准的问题,在处理石蜡包埋的胃组织的过程中引入组织芯片技术,为实验样本的精准定位检测提供了可行方法。开展了人体胃正常组织和癌变组织太赫兹检测实验,结合主成分分析方法,对比分析了组织芯片技术配准的实验组与未配准的对照组的太赫兹吸收系数和折射率谱。此外对比研究了采用支持向量机和逻辑回归的太赫兹胃管状腺癌判别方法。研究结果表明,使用组织芯片方法有助于提升组织取材的精准性从而提高癌变样本和正常样本光谱数据的区分效果。     

太赫兹技术在农产品检测中的应用研究进展

我国是农业大国,保障粮食安全是国家发展的战略需要。农产品检测技术的应用和发展对监控质量,预防由农产品品质问题引发的安全事故至关重要。太赫兹（Terahertz,THz）波位于电磁频谱空隙,频率高于微波而低于红外线,具备光子能量低、穿透性好、能表征分子结构等优点。基于太赫兹波的光谱检测技术受到研究人员广泛关注,在生物医学、安全检查等方面得到应用,被证明是一种可靠的检测手段。在农产品应用领域,太赫兹波特有的非接触、无标记检测能力为农产品成分分析、质量控制提供了技术手段,其良好的穿透性和无损害性,可以用来在不破坏农产品表面及外包装的前提下,检测内部成分变化。与其他光谱（超声、X射线、红外等）检测手段相比,太赫兹波频率范围宽、表征能力强,可实现对目标物质的快速无损检测。近几年,随着太赫兹发射源、探测器等设备以及光谱和成像技术的发展,其在农产品领域的应用有了新的进展。通过收集整理近期的文献资料,综述了太赫兹技术在农产品检测方面的应用拓展和研究成果,总结了目前存在的应用局限。在此基础上,对未来太赫兹光谱和图像检测的研究方向进行了展望,提出提高检测灵敏度和检测速度是农产品领域太赫兹技术产业化应用的研究重点。在检测系统中引入基于超材料的传感器是提升灵敏度的一种有效手段,可以突破原有的太赫兹光谱检测极限,对研究农药残留、真菌毒素等危害农产品安全的痕量污染物具有重要意义。在农产品快速成像检测方面,基于单像素成像和压缩感知理论的太赫兹计算成像技术是提高检测速度的可行方案。这些研究成果将为后续太赫兹技术的发展提供方向性指导,对农产品检测领域的应用推广具有重要参考价值。     

基于太赫兹技术的植物叶片水分检测初步研究

叶片含水量是植物健康状况的重要衡量指标之一。太赫兹波处于红外和微波之间,对样品水分变化非常敏感,当太赫兹光谱穿透含水丰富的叶片时,叶片中水分等物质能对太赫兹光谱产生强烈的吸收,根据叶片不同位置处水分含量的不同,能利用太赫兹光谱技术对植物叶片进行成像。本研究利用太赫兹技术检测植物叶片的水分含量,初步探讨植物叶片中水分和太赫兹成像的相关关系。实验采集离体绿萝叶片,每隔一定时间通过太赫兹光谱仪对叶片逐点扫描,获取叶片每一点的太赫兹时域光谱数据,经过傅里叶变换得到对应频域光谱,提取时域幅值的光谱参数以及特定频域光谱,对植物叶片图像进行重构,获取植物叶片的二维图像。结果表明,不同频率下,绿萝离体叶片的太赫兹二维图像呈现明显差异,叶肉与叶脉中水分含量不同,对太赫兹波的吸收也不同,根据图像,能清晰显示植物叶片叶肉与叶脉部位的水分含量差异。通过叶片时域幅值的平均值、叶片频域平均值与叶片水分含量建立相应的回归模型,时域最小幅值光谱与水分含量建立的最佳模型预测相关性达0.989 1,预测均方根误差为0.024 4 g。研究表明太赫兹技术用于植物叶片的水分含量检测具有较好的研究潜力。     

太赫兹技术在医学检测和诊断中的应用研究

近年来太赫兹科学技术日益受到科学界和工业界的重视并得到了较大的发展,太赫兹技术在医学领域上的应用已成为人们关注的重要方面之一。介绍了太赫兹波的特点、太赫兹光谱和成像技术;重点讨论了近年来太赫兹光谱和成像技术在医学检测和诊断领域中的应用和研究进展;并探讨了太赫兹光谱和成像技术发展中需要解决的问题以及今后发展的方向。     

太赫兹时域光谱技术应用研究进展

随着光子技术和材料科学技术的进步,太赫兹波技术得到了突破性的发展,太赫兹技术的应用研究也迅速扩展到了越来越多的领域。本文介绍了本研究组在太赫兹时域光谱仪软件开发和太赫兹光谱技术应用方面的研究进展。主要包括:太赫兹时域光谱仪操控软件的开发;太赫兹光谱数据库开发;太赫兹光谱智能解析软件的开发;太赫兹光谱技术用于妇科癌组织诊断;太赫兹光谱技术用于中草药大黄的品质鉴定;太赫兹光谱技术用于食品中农药含量分析;太赫兹光谱技术用于同分异构分子分析等。并对实际应用的有关问题进行了讨论。     

Zernike矩在橡胶添加剂太赫兹光谱定量分析中的应用研究

近年来,“绿色轮胎”发展备受关注。在绿色轮胎制造过程中需要多种橡胶添加剂,而橡胶添加剂的含量与绿色轮胎能否达标密切相关,因此,对轮胎橡胶中相关橡胶添加剂的定量检测具有重要意义。太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术已经成功应用于物质定量分析领域,但当定量分析对象为多组分混合物时,由于混合物光谱出现重叠和失真等原因,会导致定量分析结果不理想。针对此问题,将Zernike矩作为一种光谱预处理技术引入到橡胶添加剂多组分混合物的太赫兹光谱定量分析中,提出了基于Zernike矩结合支持向量回归（Zernike moment-support vector regression, ZM-SVR）的太赫兹光谱定量分析方法。首先,以影响绿色轮胎质量能否达标的三种橡胶添加剂氧化锌、白炭黑和2-巯基苯并噻唑（MBT）为定量检测对象,将3种橡胶添加剂与丁腈橡胶构成多组分混合物实验样本,并通过太赫兹时域光谱系统测得样本的太赫兹光谱;然后,对太赫兹光谱进行分析与处理,得到其吸收系数、消光系数和折射率3种光学参数后,将3种光学参数构建为样本的太赫兹三维光谱,并利用Zernike矩提取太赫兹三维光谱灰度图的特征信息;最后,利用支持向量回归建立样本太赫兹三维光谱灰度图特征信息和目标成分含量之间的定量模型,从而对混合物样本中目标成分含量进行分析。利用该方法得到的定量模型预测集相关系数均大于等于0.952 2,均方根误差均小于等于2.267 2%。为进一步验证该方法的有效性,将定量分析结果与常规方法PLS和SVR的结果进行了对比。对比发现,相比常规方法得到的定量分析结果,Zernike矩结合支持向量回归方法所得结果的准确性和稳定性均得到了明显提升。因此,Zernike矩结合支持向量回归方法为橡胶添加剂多组分混合物的太赫兹光谱定量检测提供了新思路,在绿色轮胎及橡胶的质量检测领域具有广阔应用前景。     

基于THz-ATR光谱的玉米种子水分定量模型优化方法研究

应用太赫兹时域光谱技术结合区间偏最小二乘法筛选玉米种子水分THz特征波段,并采用支持向量机构建基于特征谱区的抗非线性干扰的种子水分快速定量分析模型。实验以郑单958玉米种子为例,制备含水量范围9.58%~12.71%的种子粉末样本40组(每组取样3份),采用衰减全反射(ATR)附件扫描得到120份样本太赫兹时域光谱,根据SPXY(光谱-理化值共生距离算法)法划分得到训练集样本90份,测试集样本30份。种子水分对太赫兹波具有强烈吸收,首先采用基于偏最小二乘线性回归的移动区间（mwPLS）、独立区间(iPLS)、后向区间(biPLS)和联合区间(siPLS)方法筛选最优特征谱区组合;鉴于环境水分、种子其他成分及系统噪声对种子水分太赫兹光谱存在不可避免的非线性干扰,在上述光谱特征区间进一步采用基于RBF核函数的支持向量机和网格搜索法构建得到预测性能最优的种子水分快速定量分析非线性模型,训练集均方根误差为0.021 2,预测集均方根误差为0.069 7,相对分析误差为12.345 7,相较于传统偏最小二乘线性回归模型,模型性能得到提升。种子水分含量是影响种子贮藏安全和种子活力的重要因素,实验结果表明：太赫兹时域光谱结合化学计量学可以有效筛选种子水分特征吸收谱区,建立抗干扰、高精度的种子水分快速定量分析模型,有望成为未来种子质量快速测定领域一项极具应用潜力的补充技术。     

太赫兹生物效应的原理和应用

太赫兹技术在过去数十年间发展迅速,作为一种强大的生物大分子表征工具,太赫兹光谱和成像技术展现了其在诊断医学和临床医学中的广阔前景。通过太赫兹光谱系统可以对生物样本的特定成分进行定量分析,类似地,太赫兹成像系统可以给出样品中待测成分的空间分布。以太赫兹光学系统的类型为索引综述了太赫兹诊断医学方面一些具有代表性的研究,并从生物个体、组织、细胞到生物大分子的层面介绍了一些太赫兹生物效应的研究。尽管太赫兹临床医学领域仍处于尝试和初步探索的阶段,但已经呈现了很多具有应用潜力的开创性研究,如太赫兹辅助靶向药物跨膜运输和太赫兹癌细胞DNA去甲基等,为太赫兹技术的生物医学应用奠定了基础。最后总结太赫兹生物效应的研究现状,对该领域的重点研究方向和可能的突破点进行分析展望.     

太赫兹光谱和成像技术在食品安全检测中的应用

随着超快激光技术的快速发展以及人们对太赫兹辐射与物质作用机理的进一步认识,太赫兹辐射作为一项新的、快速发展的技术在很多领域受到广泛关注,在安全检测、医学诊断、无线通信和制药等诸多领域预示着广泛的应用前景。由于食品安全问题的重要性,食品安全的检测技术面临着巨大的机遇与挑战。太赫兹光谱与成像技术提供了一种新型的食品安全检测手段。相比于其他技术,THz技术具有高信噪比和动态范围宽等诸多特点, 能够同时获得样品在THz波段的时域信息与频域信息,以及对应的物质物理结构和化学成分等重要信息,在食品安全检测领域具有独特的优势。文章简要介绍了太赫兹波的概念、特点和技术手段,太赫兹辐射技术在食品安全领域的最新应用进展,并讨论了THz技术应用的限制因素, 展望了THz技术的应用前景。     

太赫兹成像技术对玉米种子的鉴定和识别

利用太赫兹时域光谱(THz_TDS)测试技术及透射式太赫兹逐点扫描成像技术分别对几种玉米种子DNA和胚的样品进行了光谱和成像测量;利用空间图样成份分析(component spatial pattern analysis)方法对得到的THz像进行识别运算。实验结果表明,几种样品在THz波段都有不同的吸收特性,但都没有明显的吸收峰,不能利用“特征指纹谱”进行识别。用基于THz扫描成像的空间图样成份分析方法能很好地实现不同玉米种子DNA样品的鉴定和识别。与现有的THz图像识别方法相比,这个方法只需要THz像的实验数据和样品的吸收谱信息,不需要样品的其它特征。这项研究为进一步利用THz成像技术实现无损检测、安全检查、质量监测等提供了依据,具有实际应用价值。     

室内人体隐匿物被动太赫兹成像研究进展

太赫兹波由于其极低的光子能量和对非极性物质较强的穿透特性已成为人体隐匿物检测应用的热点。本文以室内人体隐匿物品探测为主要应用背景,简要介绍了太赫兹波段的大气传播特性;重点分析了基于辐射检测的室内被动太赫兹成像原理和系统的关键技术,包括辐射计和阵列扫描方式等;回顾了国内外被动太赫兹成像技术在人体安检领域的研究现状。综合考虑系统成本和成像时间,一定数量的高灵敏度辐射计加上扫描机构成像的方式在未来很长一段时间里将是被动太赫兹成像系统的主流方式。     

太赫兹波三维成像技术研究进展

太赫兹波具有良好的光谱特性、非电离性和对许多非极性材料具有穿透性,在无损探伤、安检、生物医学诊断、艺术品鉴别等领域表现出许多独特的优点。特别是,太赫兹波三维成像技术能够实现样品内部信息探测,逐渐成为当前的研究热点,并展现出广阔的发展前景。本文重点介绍了太赫兹波三维成像的几种常用技术,包括其基本原理和对应的研究进展,并分析了存在的问题和发展趋势。     

红薯淀粉中添加剂明矾的定性和定量太赫兹时域光谱技术检测

应用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对红薯淀粉中的添加剂明矾进行了实验研究,获得了红薯淀粉和明矾的太赫兹时域光谱和频域光谱,通过计算得到二者的吸收系数谱和折射率谱,吸收系数谱显示明矾在太赫兹波段有明显的特征吸收峰,可以用THz-TDS技术对淀粉中的明矾进行特征识别。实验获得了红薯淀粉中掺杂不同百分比(质量分数)明矾的太赫兹时域光谱,计算得到吸收系数谱和折射率谱,发现随着明矾含量的增加吸收峰的幅度下降,折射率逐渐下降,说明THz-TDS技术可以用于淀粉中明矾的定性识别和定量检测。     

黄曲霉毒素的太赫兹检测研究

为了探索能够快速简便、特异敏感的黄曲霉毒素检测方法,应用太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术获得了黄曲霉毒素B1和M1在0．3～2．1THz范围内的吸收光谱,实验结果显示它们在测量波段范围表现出不同的吸收位置和吸收强度,表明THz波对它们结构的变化有灵敏响应。黄曲霉毒素在THz波段的指纹谱的测定显示出太赫兹时域光谱技术作为一种新的光谱研究手段具有用于黄曲霉毒素结构和功能研究的潜力,并为此技术应用于食品中黄曲霉毒素的检测奠定了基础。     

基于太赫兹时域光谱技术的光学参数提取方法的研究进展

光学参数是宏观上表征材料光学性质的物理量,间接反映了材料的微观特性,对光学参数准确的提取可以研究材料的微观性质和机理。近年来,太赫兹时域光谱技术作为一种新兴的光谱分析手段已经成为研究的热点。由于太赫兹辐射能量低并且脉冲宽度窄(皮秒量级),太赫兹时域光谱技术在提取光学参数方面具有无损伤和高时间分辨率的特点。本文总结了基于太赫兹透射和反射时域光谱技术的光学参数提取方法的研究进展,着重阐述了几种经典方法,分析了每种方法的优缺点,并讨论了太赫兹时域光谱技术用于提取材料光学参数的挑战。研究结果表明,透射法适用于对太赫兹波吸收较弱的物质,而反射法则适用于对太赫兹波有强烈吸收的材料。     

THz激光主动图像预处理方法研究

鉴于THz激光主动成像以其较低的光子能量和较高的穿透能力在危险品检测、医疗和食品检验等领域有着广泛的应用前景,将对比度拉伸变换、中值滤波和均值滤波常规图像预处理方法引入到THz激光主动图像处理中,对五元人民币纸币的水印THz面阵图像进行了预处理。处理结果表明,对原始图像进行对比度拉伸变换可以较大地提高图像对比度,在此基础上进行的中值滤波和均值滤波可进一步提高图像的辨识能力,中值滤波可以保护目标边缘细节并使图像平滑。在对比中发现,当窗口大小为9×9像元时滤波后的视觉效果最佳。     

缩比模型的宽频时域太赫兹雷达散射截面(RCS)研究

本文首次以钛宝石飞秒激光振荡级为抽运源,搭建了国内首套宽频时域太赫兹雷达(带宽0.1—1.3 THz)并进行了基于标准球的系统校正验证.利用该雷达测量了太赫兹波段三种缩比模型的散射时域信号.通过改进后的后向投影算法对模型的轮廓外形进行了成像研究,验证了新型时域散射信号成像机理.太赫兹雷达更高的频率,宽谱的特征和高分辨率成像的能力有望用于隐形外形设计过程,成为新兴的太赫兹散射特征研究平台.