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。     

单发太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)广泛应用于材料、生物医学、化学、药学、安检等诸多领域。传统扫描式THz-TDS技术需要通过改变探测光延时逐点扫描并重构时域信号,仅适合于具有较高重复频率且稳定的太赫兹辐射源情形下的样品探测。在低重复频率或涨落较大的太赫兹辐射源情形下和不可逆过程中样品的探测,扫描式THz-TDS不再适用,需要使用单发THz-TDS技术,单发THz-TDS技术原则上仅需要一个激光脉冲就可以获取一个完整的太赫兹时域脉冲波形。介绍几种主要的单发THz-TDS探测技术,这些技术都利用了电光晶体的泡克尔斯效应,通过测量探测光的某个物理量的变化来提取太赫兹信号。根据探测方法不同可分为光谱编码、空间编码和互相关等技术。在光谱编码技术中,探测光不同频率成分在时间上发生分离,不同时间成分分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个频率被太赫兹脉冲调制前后的光谱的变化提取太赫兹脉冲波形。该方法光路简单,测量结果直观,有较高的信噪比,但其时间分辨率较低,且被测太赫兹信号容易产生失真。为提高被测信号的时间分辨率,有人提出了空间编码技术,即不同位置探测光分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个位置太赫兹脉冲调制前后的光强变化提取太赫兹脉冲波形。根据不同空间展开方法可分为一维空间编码技术和二维空间编码技术。空间编码技术中虽然有较高的时间分辨率,但由于探测光在空间展开能量分散使得其信噪比相对较低。此外,还有一种较高时间分辨率的技术即互相关技术,可分为共线互相关和非共线互相关技术。在非共线互相关技术中,被太赫兹脉冲调制的激光啁啾脉冲与短脉冲互相关作用产生二次谐波,通过太赫兹脉冲调制前后二次谐波空间分布变化来提取太赫兹信号;在共线互相关技术中被太赫兹脉冲调制的啁啾脉冲与短脉冲共线入射到光谱仪,通过干涉条纹提取太赫兹信号,该技术提高了时间分辨率和信噪比,但光路布置复杂,不能进行实时监测。回顾了这几种单发THz-TDS探测技术的发展历程,综述探测技术的原理、实验方案和测量结果,并讨论了这些探测技术的优势和不足。     

超宽带太赫兹时域光谱探测技术研究进展

太赫兹时域光谱(THz time-domain spectroscopy, THz-TDS)技术是一种非常有效的相干探测技术,具有信噪比高,探测带宽,可在室温下工作,可进行时间分辨测量等特点,广泛应用于材料、化学、生物、安检等领域。较早时期的THz-TDS系统受限于太赫兹辐射源的带宽和光谱探测手段,测量范围有限(<5 THz),较高频段的光谱信息无法得到。为了进一步扩大太赫兹时域光谱探测技术的应用范围,迫切需要发展超宽带(≥10 THz)的太赫兹时域光谱探测技术。本文回顾了太赫兹时域光谱探测技术的发展进程,综述了实现超宽带太赫兹时域光谱探测的主要技术方法,展示了不同测量方法的典型实验方案,同时总结了不同探测方法的优缺点,并追踪了主要研究小组的前沿成果以及最新的应用进展。     

利用太赫兹时域光谱检测四环素类抗生素

利用太赫兹时域光谱技术,探究4种常见的四环素类抗生素(四环素、金霉素、土霉素及强力霉素)在0.2～2.5 T Hz波段的分子特性.用傅里叶变换进行时域光谱分析,结果表明这些四环素类抗生素在太赫兹波段具有不同的特征吸收峰,利用此特征设计出定性鉴别抗生素种类的方法.     

基于深层信念网络的太赫兹光谱识别

特征提取和分类是太赫兹光谱识别的关键。部分物质在太赫兹波段内没有明显的吸收峰,难以人工定义、提取特征及分类识别,为此,结合深度信念网络(deep belief network,DBN)和K-Nearest Neighbors (KNN)分类器的优点,提出了一种基于DBN的太赫兹光谱识别方法。首先利用S-G滤波和三次样条插值对ATP,acetylcholine_bromide,bifenthrin,buprofezin,carbazole,bleomycin,buckminster和cylotriphosphazene在0.9～6 THz内的太赫兹透射光谱进行归一化处理;然后由两层受限波尔兹曼机(restricted Boltzmann machine, RBM)构建DBN模型,并采用逐层无监督的方法训练模型,以自动提取太赫兹光谱特征;最后用KNN分类器对8种物质的太赫兹透射光谱进行分类。结果表明,使用DBN自动提取的光谱特征,KNN分类器、BP神经网络、SOM神经网络和RBF神经网络的分类准确率达到了90%以上,且KNN分类器的识别率优于其他三种分类器;采用DBN自动提取物质的太赫兹光谱特征大大减少了工作量,在海量光谱数据识别中具有广阔的应用前景。     

太赫兹光谱与成像在生物医学领域中的应用

太赫兹科学技术的良好发展势头已经在医药领域逐渐得到了重视与应用。与红外辐射、核磁共振、X射线、超声波等传统医疗诊断技术相比较,太赫兹电磁波技术具有低能量、高空间分辨率和宽带光谱分析能力等独特优势,从而为人体成像以及太赫兹波与人体组织相互作用研究提供了一种可靠的技术方法;由于太赫兹波的穿透性强,且指纹峰的专属性较高,能够在药物的检测与鉴别等方面发挥重要作用。基于太赫兹波段的以上优异特点,文章在介绍太赫兹光谱与成像技术在生物医学领域中的应用时,重点分析了太赫兹电磁波技术对人体皮肤组织的研究,人体的基因表述,对生物体细胞影响的研究,对癌症和骨头等组织的研究,以及对药物的研究等方面的现状和发展。基于上述的研究进展,文章介绍了太赫兹科学技术在未来的医学领域中面临的挑战,并展望了发展前景。     

利用太赫兹时域光谱技术测量水汽的吸收谱

介绍了太赫兹时域光谱系统的基本结构和工作原理,利用目前世界上最先进的太赫兹时域光谱系统TPS spectra 1000测量了湿度为60%的情况下水汽的太赫兹吸收谱,结果说明水汽具有众多太赫兹吸收谱,其中18.57cm-1、47.11cm-1、96.08cm-1三条谱线是水分子的振转谱,可以作为系统的校准谱线。     

缺陷组合嵌入VO2薄膜结构的可调太赫兹吸收器

提出一种多缺陷组合嵌入VO2薄膜结构的可调太赫兹吸收器,它由上表面金属图案层、基体和底层金属板三层结构组成,在上表面和基体之间嵌入二氧化钒介质.计算结果表明在f=4.08 THz和f=4.33 THz两频点吸收率分别为99.8%和99.9%.通过改变外界环境温度可控制二氧化钒相变,从而使两个频点吸收率从99.8%变化到1.0%.改变入射角和偏振态,计算结果表明在入射角0°-40°,吸收器在TE和TM两种极化波下吸收率都能在98%以上.该太赫兹波吸收器具有高吸收、动态调谐、极化不敏感等特性,本文所设计的可调太赫兹吸收器在太赫兹波相关领域,例如探测器、开关、动态调制器、隐身技术等方面具有很好的应用前景.     

糖类同分异构体的太赫兹吸收峰形成机理研究

以糖类的两种同分异构体[D-(+)-葡萄糖和D-(-)-果糖]为研究对象,采用太赫兹时域光谱系统获取二者在0.4～1.9 THz频段的特征吸收谱,利用二者在1.43 THz与1.64 THz的两个不同吸收峰可对其进行定性鉴别。为了进一步探索吸收峰的形成机理,利用密度泛函理论对两者的晶胞结构进行几何优化和振动模式指认。通过约化密度梯度和独立梯度模型可视化分析了葡萄糖晶胞和果糖晶胞的分子间弱相互作用的类型、位置和强度。研究结果表明,两种物质在太赫兹频段的特征吸收峰主要来源于分子间官能团的氢键相互作用导致的集体振动模式。该研究为糖类异构体的定性检测和精确定量分析,以及D-(+)-葡萄糖和D-(-)-果糖太赫兹吸收峰的形成机理研究提供了有价值的实验和理论参考。     

糖类同分异构体的太赫兹吸收峰形成机理研究

建立了一种新型拉盖尔-高斯幂指数相位涡旋光束(PEPVB)理论模型,并基于广义柯林斯公式建立了拉盖尔-高斯PEPVB在傍轴近似下的传输理论模型。采用MATLAB数值计算软件仿真了拉盖尔-高斯PEPVB的自由空间传输特性和聚焦特性与径向阶数、拓扑荷数、幂指数和传输距离的关系。研究结果表明拉盖尔-高斯PEPVB及其传输特性不仅与幂指数和拓扑荷数有关,还与拉盖尔-高斯多项式的径向阶数有关,且在传输过程中光束能量沿着环形旋转聚集。这为光学操控微粒沿弯曲路径移动并避开障碍物打下了基础,对促进新型光场调控的理论及应用研究具有重要的意义。     

特征谱区筛选在多元混合物的太赫兹光谱定量分析中的应用

用特征谱区筛选法结合太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对多元混合物成分含量进行了定量分析研究。实验利用太赫兹时域光谱系统测量了由乳糖一水合物(LAC)、对乙酰氨基酚(APAP)、可溶性淀粉(starch)以及微晶纤维素(MCC)四种材料组成的混合物样品的太赫兹吸收光谱,并分别尝试采用常规区间偏最小二乘(iPLS)、向后区间偏最小二乘(biPLS)、联合区间偏最小二乘(siPLS)和移动窗口偏最小二乘(mwPLS)四种特征谱区筛选法对多元混合物的太赫兹吸收光谱进行特征子区间优选,建立了太赫兹吸收谱与四元混合物中乳糖一水合物含量之间的定量回归模型。通过比较四种谱区筛选算法模型及全光谱偏最小二乘(PLS)模型所得结果,表明采用移动窗口偏最小二乘法建立的谱区筛选模型得到的结果相对最优,其交互验证均方根误差(RMSECV)、预测均方根误差(RMSEP)、校正集相关系数(R_C)和预测集相关系数(R_P)分别为0.980 3,1.114 1,0.996 0和0.995 1。实验结果表明,采用特征谱区筛选方法可以有效选择多元混合物太赫兹吸收光谱的特征区间,提高模型精度和降低模型复杂性,为实现多元混合物成分含量的快速检测提供了一种有效的方法。     

多层介质中隐含层的太赫兹无损检测

在工业应用中,大多数情况下的复合结构介质仅有一面可以被检测,因此需要研究反射模式下检测介质内部参数的太赫兹无损检测方法.推导了反射模式下太赫兹波在三层结构介质中的传输模型,通过遗传算法共同反演估计得到中间分层的厚度,以及它的折射率,从而获得中间隐藏层的具体信息.制备了具有200μm的隐藏分层的三层结构样品,利用太赫兹时...     

LLM-105太赫兹波吸收特性及理论计算

2,6-二氨基-3, 5-二硝基吡嗪-1-氧化物(LLM-105)是一种综合性能优良的新型高能钝感炸药,为了研究LLM-105的分子结构特性,利用太赫兹时域光谱技术对该炸药在0.2～2.4 THz频率范围内的吸收光谱进行了探测,结果表明LLM-105在该频率范围内出现了多个强度不同的特征吸收峰,分别位于1.27, 1.59, 2.00, 2.08, 2.20, 2.29 THz处。基于密度泛函理论(DFT),借助Materials Studio 6.0量子化学软件对LLM-105晶体在小于2.5 THz频率范围内的吸收光谱进行了模拟计算,计算结果中除了2.29 THz处吸收频率,其余5处与实验测得值均有很好的一致性,从理论角度验证了实验数据的准确性。完成了对实验太赫兹吸收光谱中特征吸收峰振动模式的分析和指认,结果表明LLM-105太赫兹吸收特征峰的形成与分子振动密切相关,进一步为其分子结构变化的研究提供重要的实验手段与技术支撑。对于没有计算频率对应的2.29 THz处特征吸收峰,分析认为是由晶格振动或其他原因导致。     

光谱匹配算法应用于鸡血藤与大血藤的太赫兹光谱区分

鸡血藤和大血藤是药效、产地不同而外形极相似的两种不同的藤茎类药材,使用时极易混淆。利用太赫兹时域光谱技术获得测试样品太赫兹频谱,并结合光谱匹配算法分辨五种不同产地、不同批次的鸡血藤和大血藤。因中药化学成分的复杂性导致其不同成分的特征频谱发生相互的混叠,使得鸡血藤和大血藤的太赫兹时域数谱均没有出现明显的特征峰。重复实验测试同一样品同一位置10次,通过计算得到不同频率下光谱数据的标准差。数据在0.2～1.3 THz范围内有较好的稳定性。对光谱数据进行二阶微分处理,使光谱间的微小差异得以显现。选取0.2～1.3 THz以及0.2～2范围内的光谱数据进行对比研究,分别使用相关系数法、分段编码法、光谱角法和信息散度法四种光谱匹配算法对实验数据所属类别进行判定。数据分析结果：在0.2～1.3 THz范围内,光谱角算法对鸡血藤与大血藤的太赫兹光谱数据有最好的分类效果,对两类中药样品总计100组数据的分类正确率达到95%。为易混中药的鉴定区分提供了一种新的技术与方法。     

呋喃妥因的太赫兹光谱分析

利用太赫兹时域光谱技术测量了硝基呋喃类药物中呋喃妥因原药在0.2～1.8 THz范围内的吸收系数、折射率等光学指纹特性,结果表明呋喃妥因在该频率范围内出现了多个强度不同的特征吸收峰,吸收系数光谱可用于鉴定呋喃妥因。借助Gaussian软件利用密度泛函理论对呋喃妥因分子在0.2～1.8 THz范围内的吸收系数光谱进行了模拟,并对吸收系数实验光谱中部分吸收峰的振动模式进行了分析和指认。结果表明实验谱中1.25和1.60 THz处的吸收峰与理论谱中1.30和1.67 THz处吸收峰一致,是由呋喃妥因分子内的振动模式引起的。     

拉曼光谱特征提取在化学纤维定性鉴别中的应用

拉曼光谱作为快速、无损的检测技术受到越来越广泛的关注,已经成功的应用于过程监控、质量监测、考古鉴定等领域。针对纺织纤维拉曼光谱的特性,提出了一种基于特征提取的拉曼光谱定性鉴别方法。该方法通过直接测取织物、纤维的激光拉曼光谱,并结合光谱预处理技术与特征峰提取、匹配识别方法,能够定性地鉴别织物、纤维的成分归属,对纺织品检验中的难点化学纤维成分的鉴别效果尤其显著。利用94份测试样品对织物成分中普遍存在的4种纤维品种——涤纶、腈纶、锦纶和粘胶进行了鉴别以验证算法的有效性。实验结果表明,该鉴别方法快速、有效,并具有很好的扩展性能,且该方法属纯粹的光学方法,需要样品量少、无需前处理,测试过程对样品无损,不产生化学污染物,适宜对各类织物成分的定性鉴别,突破了现有检测方法存在的局限。     

基于特征区域下凸点提取的藻类荧光光谱波长选择方法

藻华现象的频繁发生严重影响了海洋环境和人类的生产活动,因此对水体浮游植物的监测十分重要。三维荧光光谱被广泛应用于水体浮游植物中藻类的群落组成分析和浓度定量分析,然而三维荧光光谱数据中的信息冗余给藻类定性定量分析带来了一定的影响。针对光谱信息冗余问题,提出了特征区域积分与凸点提取相结合的三维荧光光谱波长选择方法。以抑食金球藻、细长聚球藻、小球藻为研究对象,采用Savitzky-Golay卷积平滑法对三维荧光光谱进行预处理,解决了因外界因素造成的光谱噪声问题,采用马氏距离法剔除三维荧光光谱数据集中的异常光谱样本,运用浓度残差法剔除三维荧光光谱数据集中的异常浓度值样本,然后通过偏最小二乘回归模型的内部交叉验证均方根误差衡量不同特征区域下凸点的可靠性进行波长变量的选择。为验证波长筛选方法的有效性,对三种藻类建立偏最小二乘回归模型,以内部交叉验证决定系数(R²)、内部交叉验证均方根误差(RMSECV)作为模型评价指标。与全光谱数据建立的回归模型进行了比较,抑食金球藻、小球藻、细长聚球藻的波长变量由全谱的1071个分别减少到77个、 75个、 67个,R²     

光谱特征提取对近似矿物光谱差异性影响分析

矿物光谱特征是基于光学遥感数据对矿物进行种类识别及定量反演的理论基础,光谱特征提取是高光谱数据常用的技术手段,但在多光谱数据中较少涉及。近似矿物识别是矿物光谱分类应用中的难点,目前还缺少有效指标来指示近似矿物类别光谱的差异性。光谱特征提取有望提高矿物分类精度,但该处理对近似矿物光谱差异性的影响还缺少相关研究。本文从矿物光谱差异性的原理出发,通过类间和类内光谱角的比值体现不同类别群体差异,并引入样本量因素,提出了类别可分比作为近似矿物光谱差异性的指标。以明矾石和高岭石两种近似矿物为例,对USGS光谱库光谱及Hyperion,ASTER,OLI等传感器的模拟数据进行光谱特征提取处理,通过对比处理前后矿物光谱差异性的变化,分析光谱特征提取对近似矿物光谱差异性的影响。实验结果表明,有效的光谱特征提取可以显著提高近似矿物光谱差异性,并且光谱分辨率越高,近似矿物光谱差异性越大。此外,光谱分辨率及中心波长设置对于包络线去除结果有很大影响,多光谱数据吸收特征提取效果有待进一步提高。该研究为今后近似矿物光谱识别精度的提高奠定了基础,也为未来新型遥感找矿传感器参数设置提供了参考。     

皮肤含水量对太赫兹光谱参数的影响规律研究

太赫兹时域光谱技术已经用于皮肤癌、皮肤烧伤以及皮肤疤痕治疗效果的诊断和过程监测,通常采用太赫兹时域和频域光谱参数作为区分皮肤组织不同状态的诊断参量.目前最常用的皮肤活体反射式太赫兹测量装置需将皮肤放置于介质窗上来提高测量的准确性,这使得皮肤表层水分含量因为阻塞而发生变化,从而影响太赫兹诊断皮肤的精确性.随着太赫兹生物应...