1 北京科技大学自动化学院仪器科学与技术系, 北京 100083
2 北京科技大学自动化学院仪器科学与技术系, 北京 100083北京市工业波谱成像工程技术研究中心, 北京 100083
在太赫兹光谱实验测试中, 为了提高系统信噪比, 被测试的固态样品表面通常为平行且光滑的形态, 然而在安检等实际应用场合中, 自然状态下的物体表面可能会呈现出凹陷、 凸起等特殊形态, 这会对太赫兹光谱产生影响, 这些影响与特殊形态的尺寸有关, 但最容易忽视的是这些影响也与太赫兹波的空间分布有关。 首先, 对凹陷表面样品进行了基于高斯光学的太赫兹波透射过程建模, 研究了表面具有规则圆柱形的凹陷表面形态对太赫兹透射光谱的影响。 通过小孔拟合法对太赫兹光谱系统的高斯光学参数进行了测量, 获得了太赫兹波的束腰半径等参数。 然后, 选用表面被加工成凹陷形态的聚四氟乙烯为实验材料进行太赫兹透射光谱实验, 将太赫兹光谱传递函数幅值的理论模型值和实验值进行对比来验证模型的适用情况, 通过实验证实了在表面有凹陷等缺损情况时将太赫兹波进行高斯光束建模的必要性。 最后, 由模型推论出在与太赫兹波传播方向平行和垂直两个维度方向上, 凹陷深度和凹陷半径对太赫兹透射光谱的定量影响作用: 随着凹陷深度的增加, 光谱传递函数幅值周期越来越小, 两者之间存在单调的定量关系, 且不会受到凹陷半径的影响。 利用凹陷深度对光谱传递函数幅值周期的定量影响关系可以实现对凹陷深度的定量检测, 当可用频谱宽度为1.2 THz时, 凹陷深度的最低检测值为0.53 mm; 随着凹陷半径的增加, 光谱传递函数幅值均值有着先降低后增加的变化趋势, 两者之间不存在单调函数关系且受到凹陷深度的影响。 当凹陷半径大于5 mm时, 光谱传递函数幅值均值不再随半径的增加而增大, 样品表面凹陷对太赫兹波光谱传递函数幅值幅度的影响与凹陷位置也有关系, 这两种现象主要与太赫兹波的高斯分布情况有关。 研究结论可用于太赫兹波在非极性材料表面缺陷的无损检测中, 还可用于设计样品表面形态, 使其具有期望的光谱传递函数。
太赫兹光谱技术 透射模型 表面形态 高斯光学 Terahertz spectroscopy Transmission model Surface morphology Gaussian optics 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2843
1 西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳 621010
2 甘肃银光化学工业集团有限公司理化检测中心，甘肃 白银 310027
3 西南科技大学四川天府新区创新研究院，四川 成都 610299
本文以炸药奥克托今（HMX）为例，开展了基于太赫兹光谱的固体粉末含水率检测方法的研究。首先，设计了适用于含水试样的预处理模具，避免预处理和测量过程中HMX粉末水分流失。其次，采用太赫兹时域光谱系统测量了HMX脱水过程的太赫兹光谱，获得了不同含水率HMX的太赫兹折射率和吸收系数。最后，研究了基于支持向量机回归（SVR）的含水率分析方法。提出了融合试样质量和太赫兹折射率的建模方法，解决了基于折射率或吸收系数的回归模型泛化性差的问题。在此基础上，采用遗传算法（GA）和粒子群算法（PSO）对SVR建模过程的正则化参数和核函数进行寻优。结果表明，基于PSO-SVR的模型最优，建模决定系数（R2）为0.996，均方根误差（RMSE）为0.009%，外部验证R2为0.991，RMSE为0.015%。
太赫兹光谱技术 固体粉末含水率 数据融合 定量分析 光学学报
2023, 43(23): 2330003
故宫博物院，文物保护标准化研究所，北京 100009
太赫兹技术因具有透视性、低能性、光谱分辨和时间分辨等特性而广泛应用于无损检测领域。对于珍贵的文物来说，太赫兹技术具有很高的实用价值。太赫兹技术不仅能够探测组成文物材料的光谱信息，也能够通过成像的方式探测文物的内部结构，这些结果能够为后续的文物修复提供数据支撑。归纳总结了太赫兹光谱技术和太赫兹成像技术在国内外的一些研究成果，这些结果表明太赫兹技术在无损和原位检测方面有着广阔的应用前景。太赫兹技术与国家文物保护的需求相契合，有助于切实解决国内文物修复的问题，具有一定的推广价值，对国家文物保护具有重要意义。
太赫兹 文化遗产 太赫兹光谱技术 太赫兹成像技术 激光与光电子学进展
2023, 60(24): 2400003
华东交通大学机电与车辆工程学院, 江西 南昌 330013
贝母是广泛应用于临床实践的中药材, 其中川贝母尤为珍贵, 存在掺假及伪冒现象, 伪劣贝母会对用药者的健康产生不良影响。 太赫兹时域光谱(Terahertz time domain spectroscopy)具有瞬态性、 宽带性、 安全性和穿透性等许多优越特性, 近年来在药食无损检测领域十分活跃。 以四种常见贝母(川贝母、 平贝母、 伊贝母、 浙贝母)为研究对象, 探究利用太赫兹时域光谱技术鉴别贝母品种的可行性。 利用TAS7500TS太赫兹光谱系统采集贝母样品在0.6~3.0 THz范围内的光谱, 并结合化学计量学方法进行预处理与建立分类模型。 当分类数量为二时, 称为二分类问题, 当分类数量超过二时称为多分类问题。 利用偏最小二乘判别分析(PLS-DA)建立四种贝母的二分类模型; 使用Savitzky-Golay(S-G)平滑、 多元散射校正(MSC)、 标准正态变量变换(SNV)、 移动平均、 基线偏移校正(Baseline offset)对原始光谱进行预处理, 再采用主成分分析(PCA)对预处理后的数据进行降维, 以减少数据运算量、 简化运算, 最后建立随机森林(RF)、 支持向量机(SVM)、 反向传播神经网络(BPNN)多分类模型。 结果显示: 川-伊贝母二分类鉴别模型正确率为93.333%, 平-浙贝母二分类鉴别模型正确率为98.333%, 其他四种二分类鉴别模型正确率均为100%。 对建立的多分类模型进行对比分析发现SVM结合SNV建模效果最好, 其中川贝母正确率为95.349%, 伊贝母正确率为96.552%, 平贝母与浙贝母正确率均为100%, 整体正确率高达97.490%。 研究结果表明利用太赫兹时域光谱技术鉴别不同品种贝母是可行的, 并建立了分类效果较好的SNV-SVM多分类模型, 为把控中药材质量提供一种新的手段, 对维护中药材市场的正常运转具有重要的意义。
太赫兹光谱技术 贝母 二分类 多分类 Terahertz spectroscopy Fritillaria Binary classification Multiple classification 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3357
太赫兹光谱与影像技术协同创新中心,上海 200093
基于太赫兹波的非电离、非侵入性、高穿透性、高分辨率和光谱指纹特征,太赫兹光谱技术在生物医学领域具有巨大潜力。基于太赫兹光谱技术和不同的分析算法,不同研究小组实现了对混合物样品的定性、定量识别。然而,实际的生物混合物样品中通常包含水在内的不同成分,进而导致光谱的信噪比较差,导致最终的光谱分析结果误差较大。对于此类问题,降噪算法和重构算法是比较有效的解决办法。这些算法通过去除光谱数据中的无效信息或提取其中的有效信息来达到提高光谱信噪比的目的,最终结合分析算法实现对生物样本的高精度定性和定量识别。本文对近五年来应用于太赫兹光谱技术中的主要算法进行了归纳介绍,并总结了它们的优势和缺点。
光谱学 太赫兹光谱技术 算法 信号降噪 数据重构 定性及定量分析
华东交通大学机电与车辆工程学院, 江西 南昌 330013
为探索不同光谱预处理方法对太赫兹(THz)光谱的影响,采用平滑、多元散射校正、基线校正和归一化相以及多元散射校正和归一化结合等预处理方法。为优化模型、减少运算量,采用主成分分析(PCA)对太赫兹光谱进行波段压缩,以降低数据维数,基于压缩后的数据分别建立反向传播神经网络 (BPNN)和广义回归神经网络(GRNN)检测模型。实验结果表明:经多元散射校正结合归一化校正处理后的GRNN模型效果最佳,得到的预测相关系数为0.9967,预测均方根误差为0.0050。本实验验证了THz光谱检测技术对奶粉中违禁添加剂三聚氰胺检测的可行性,并建立了较优的掺杂三聚氰胺奶粉样品的GRNN检测模型。该研究对促进奶粉行业的健康发展具有较为重要的意义。
光谱学 太赫兹光谱技术 奶粉 三聚氰胺 广义回归神经网络 主成分分析 激光与光电子学进展
2020, 57(22): 223001
北京市太赫兹波谱与成像重点实验室, 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 首都师范大学物理系, 北京100048
综述了近年来将太赫兹光谱技术应用于毒品检测与识别方面的研究成果: 利用自主研发的可移动式小型太赫兹时域光谱仪作为实验平台, 建立了含有38种纯度在90%以上的毒品太赫兹光谱数据库; 用密度泛函理论进行了光谱解析; 讨论了干涉以及包装物对光谱的影响; 结合人工神经网络、 支持向量机等方法对毒品光谱进行定性识别; 同时, 研究确定毒品纯度和有效成份含量的理论和实验方法。
太赫兹光谱技术 毒品检测 光谱识别 人工神经网络 光谱分析 THz spectroscopy technique Illicit drugs detection THz Spectral identification Artificial neural networks Spectral analysis 光谱学与光谱分析
2013, 33(9): 2348
北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室, 北京100081
在传统硝基含能材料研究的基础上, 进一步探索含能离子盐类物质的太赫兹波谱特性, 拓宽太赫兹波技术在安全检测领域的应用研究范围, 对新型含能离子盐(5-ATN, BMDATHBT)进行了太赫兹时域光谱和傅里叶变换红外光谱的实验测量, 得到样品在0.5～8.0 THz范围内的吸收频谱。 基于密度泛函理论, 采用Gaussian 03及Materials Studio 4.3量子化学软件分别进行单分子与晶胞形式的模拟计算, 结果与实验值较为一致。 研究发现, 含能离子盐5-ATN, BMDATHBT具有明显的特征吸收峰, 这与此类物质的结构有密切关系, 离子间的相互作用及单个离子的骨架振动是离子型化合物在太赫兹频段形成吸收峰的主要原因。 研究为利用太赫兹波技术检测高氮离子型化合物提供了参考。
物理化学 含能离子盐 太赫兹光谱技术 密度泛函 Physical chemistry Energetic ion salts Terahertz time-domain spectroscopy Density functional theory 光谱学与光谱分析
2012, 32(5): 1175
1 华中科技大学 光电子科学与工程学院，武汉光电国家实验室，湖北 武汉 430074
2 天津大学 精仪学院 激光与光电子研究所，天津 300072
相关环境污染信息在太赫兹波段内具有较强的吸收特性，使得利用太赫兹光谱技术探测大气中的污染物成为可能。概述了国内外太赫兹时域光谱技术在气体检测方面的研究历史和发展现状，介绍了不同的气体分子在太赫兹波段的吸收谱，以及对混合气体分子和同素异形体分子的识别。对太赫兹时域光谱技术在气体检测方面的研究方向进行了展望。
太赫兹光谱技术 大气污染 时域光谱系统 转动能级跃迁 吸收谱
