CN101876633A - 一种基于太赫兹时域光谱的纺织纤维鉴别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于太赫兹时域光谱技术的纺织纤维鉴别方法，主要包括以下步骤：首先应用太赫兹时域光谱测量装置获取标准纺织纤维在太赫兹波段的吸收光谱；然后应用主成分分析法提取纺织纤维吸收光谱的主分量；采用模式识别的方法建立纺织纤维的分类模型；根据上述方法获得待鉴别纺织纤维的太赫兹吸收光谱并提取其主分量，调用已建立的模型进行分类，确定待鉴别纺织纤维的种类。该鉴别方法是基于光谱的鉴别方法，无需复杂的前处理过程，测试时间短，此方法属于无损检测的范畴，对被检样品没有损害，鉴别准确性高，适用于成分相近的纺织纤维鉴别。

Description

一种基于太赫兹时域光谱的纺织纤维鉴别方法

技术领域

本发明属于太赫兹技术应用领域，尤其涉及一种基于太赫兹时域光谱技术的纺织纤维鉴别方法。

背景技术

太赫兹(1THz＝10¹²Hz)波通常是指频率范围在0.1THz到10THz的电磁波辐射，处于微波与红外光之间。太赫兹波技术具有以下特点：(1)太赫兹时域光谱技术采用光脉冲取样探测方法，可以获得太赫兹波的瞬态电场，即同时得到幅度和相位信息。(2)太赫兹辐射对陶瓷、塑料、纺织纤维等很多物质透射率高，可以用于这些材料的质量控制。(3)太赫兹辐射是一种非常安全的电磁辐5射，频率为1THz的电磁波的光子能量只有4mev，是X射线的百万分之一，对人体危害极小，可以用于无损检测。(4)利用太赫兹时域光谱技术可以获得亚皮秒、飞秒时间分辨率，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰，信噪比可以达到10¹⁰。(5)太赫兹波波长较长，受物质颗粒散射影响很小。

在纺织生产管理或产品分析中，常常要对各种状态下的纤维材料进行鉴别，有呈散纤维状态的纺织原料，也有各道工序生产的半制品或成品。由于化学纤维的大量发展，加之混纺品种的日益增多，使纺织成品的花色品种更为繁多，因此，对纺织材料进行系统鉴别是一项非常重要而复杂的工作。各种纺织纤维的外观形态与内在性质，有很多相似的地方，也有很多不同的地方。纤维鉴别，就是利用纤维的各种外观形态或内在性质的差异，采用各种方法将其区分开来。目前鉴别的方法，有手感目测法、显微镜观察法、溶解法、药品着色法以及红外光谱法等。其中，手感目测法虽是鉴别纤维最简单的方法，但无法鉴别合成纤维，而且对已经纺纱、织布的纤维也无能为力；燃烧法只能粗略地区分纤维的大类；显微镜观察法无法确切区分截面呈圆形的化学纤维，如富强纤维、涤纶、锦纶等，只能借助其他方法进行鉴别。药品着色法只适用于鉴别未染色的散纤维或纯纺纱线织物；溶解法受溶剂的浓度、溶解时的温度和作用时间等影响较大；红外光谱法是基于不同的化学基团在红外光谱中出现的特征吸收带的位置不同而进行鉴别物质的，只要两种物质的成分不同，一般情况下可以鉴别出来。但是结构相似的物质的红外光谱则区别不大，因此也很难区分。寻找新的鉴别纺织纤维方法非常重要。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种基于太赫兹时域光谱技术的纺织纤维鉴别方法，以解决现有纺织纤维鉴别技术存在的局限。

技术方案：基于太赫兹时域光谱的纺织纤维鉴别方法，其特征在于该方法主要包括以下步骤：

1)测量标准纺织纤维的太赫兹时域光谱，建立光谱数据库；

2)根据纺织纤维的太赫兹时域光谱建立纺织纤维的分类模型；

3)测量待检纺织纤维的太赫兹时域光谱，根据纺织纤维的太赫兹时域光谱分类模型和待检纺织纤维的太赫兹光谱对待检纺织纤维进行鉴别。

所述步骤1)为：以太赫兹时域光谱测量装置分别测量透过空的样品架和透过装有标准纺织纤维样品架的太赫兹脉冲时域波形，透过空样品架的波形作为参考信号，透过装有标准纺织纤维的样品架的波形作为样品信号，根据参考时域波形和样品时域波形提取标准纺织纤维在太赫兹波段的吸收系数谱。

所述步骤2)主要包括以下步骤：

21)判别模型的建立：从不同种类的纺织纤维中分别选择70％的样本组成建模用的训练集，首先应用主成分分析法提取标准纺织纤维太赫兹光谱的特征，然后选择马氏距离判别法按照不同的纺织纤维类别建立纺织纤维鉴别模型；建模与实际判别时的光谱处理方法必须一致，按照不同的纺织纤维类别分别建立区分不同纺织纤维的鉴别模型；

22)判别模型的验证：以剩余的30％的样本组成验证集，首先应用主成分分析法提取标准纺织纤维太赫兹光谱的特征，然后调用已经建立的纺织纤维鉴别模型，获得验证集样本的类别。

所述步骤3)为：以太赫兹时域光谱测量装置分别测量透过空的样品架和透过装有待测纺织纤维样品架的太赫兹脉冲时域波形，透过空样品架的波形作为参考信号，透过装有标准纺织纤维的样品架的波形作为样品信号，根据参考时域波形和样品时域波形提取标准纺织纤维在太赫兹波段的吸收系数谱，应用主成分分析法提取新样本太赫兹光谱的特征，然后调用建立好的判别模型对其进行鉴别，鉴别结果发现太赫兹光谱法能正确对纺织纤维进行分类。

所述的太赫兹时域光谱的太赫兹波的频率在0.2-2.5THz。

太赫兹时域光谱系统直接工作在室温环境下。

有益效果：本发明提出的纺织纤维鉴别方法是基于光谱的鉴别方法，无需复杂的前处理过程，测试时间短，此方法属于无损检测的范畴，对被检样品没有损害，鉴别准确性高，适用于成分相近的纺织纤维鉴别。

附图说明

图1为样品架结构，图中两片聚乙烯薄片间的距离为1mm；

图2为实施例中棉的太赫兹吸收光谱；

图3为实施例中精炼棉的太赫兹吸收光谱；

图4为实施例中粘胶的太赫兹吸收光谱；

图5为实施例中强力粘胶的太赫兹吸收光谱；

图6为实施例中人造棉的太赫兹吸收光谱；

图7为实施例中五种纺织纺织材料在第一主成分PC1和第二主成分PC2二维坐标系中的散点图。

具体实施方式

本发明所提出的基于太赫兹时域光谱的纺织纤维鉴别方法，包括以下步骤：

(1)应用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统获取标准纺织纤维的太赫兹时域波形；

(2)从时域波形中提取纺织纤维在太赫兹波段的吸收光谱；

(3)应用特征提取方法获取纺织纤维吸收光谱的特征；

(4)采用模式识别方法建立纺织纤维的鉴别模型；

(5)按照步骤(1)-(3)获得待鉴别纺织纤维THz吸收光谱的主分量，应用步骤(4)所建立的鉴别模型进行鉴别。

由于物质的THz吸收光谱中存在大量的信息冗余，因此采用主成分分析法提取纺织纤维在THz波段的吸收光谱的主分量。以纺织纤维在0.2-2.5THz范围的吸收光谱作为特征量构造数据表，应用主成分分析进行分解，一般地，选取少数几个在变差总信息量中比例较大的主成分来分析事物。主成分在变差信息量中的比例越大，它在综合评价中的作用就越大。取信息量之和大于85％的前几个主分量作为纺织纤维的特征。

选取棉、精炼棉、粘胶、强力粘胶和人造棉五种成分相近的棉类材料作为实验介质，每一种选择14个样本进行实验，具体说明基于太赫兹时域光谱的纺织纤维鉴别方法的实现过程：

首先应用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统测得THz波透过空的样品架(图1.a)和透过装有纺织纤维的样品架(图1.b)后的THz时域波形，透过空样品架的波形作为参考信号，透过装有样品的样品架的波形作为样品信号。

THz-TDS系统可以同时测得透过样品后的太赫兹波的幅度和相位，样品的散射和吸收等效应会改变透射的太赫兹电场。电场的透射系数T＝E_sam/E_ref，其中E_sam和E_ref分别为THz波透过被测材料和透过空气后的幅度，物质在太赫兹波段的吸收系数可以表示为

$\mathrm{\α}=-\frac{1}{d}\log (E_{\mathrm{sam}}/E_{\mathrm{ref}})---\left(1\right)$

获得了这些材料在太赫兹波段的吸收光谱之后，应用在0.2-2.5THz波段的吸收光谱作为特征量构造数据表，进行主成分分析，分解后获得的第一和第二主成分的贡献率分别为74.78％和13.31％，因此，取前两个主成分表示原数据，所能解释的方差为88.09％，因此选取前两个主成分作为这些材料的THz吸收光谱的特征。如图3所示为五种材料在其第一主成分PC1和第二主成分PC2二维坐标系中的散点图。

然后应用马氏距离法对这种五种材料进行分类。先在每类纺织材料中各取10个，共50个样本，设棉、精炼棉、粘胶、强力粘胶和人造棉五种材料的总体分别为G₁，G₂，G₃，C₄，G₅，每个总体中有10个样本，分别用x_ij(i＝1，2…10，j＝1，2…5)表示。由于每个总体的均值向量

与协方差矩阵∑_j未知，因此用训练样本的估计值

代替μ_j和∑_j，和

分别用下式获得

${\widehat{\mathrm{\μ}}}_j=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}---\left(2\right)$

${\widehat{\mathrm{\Σ}}}_j=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{(x_{\mathrm{ij}}-{\widehat{\mathrm{\μ}}}_j)}^2---\left(3\right)$

令

作为每个总体的均值向量和协方差矩阵。这样就建立了应用马氏距离判别法进行纺织纤维鉴别的鉴别模型。

其余的样本作为测试集检测应用训练样本获得的分类模型的分类准确性。用X表示判别样本，计算判别样本与各个总体G_j的距离，

$d^2(X,G_j)={(X-{\mathrm{\μ}}_j)}^T{\mathrm{\Σ}}_j^{-1}(X-{\mathrm{\μ}}_j)$ (j＝1，2，…5)            (4)

当

时，判X∈G_k。所有的判别样本的分类结果见表4-1.其中Mi列是把测试样本识别为第i类的样本数。从表中可以看出应用本文建立的纺织纤维鉴别模型可以准确地实现成分相似的纺织纤维鉴别。

表1模型验证结果

Claims (6)

1.一种基于太赫兹时域光谱的纺织纤维鉴别方法，其特征在于该方法主要包括以下步骤：

1)测量标准纺织纤维的太赫兹时域光谱，建立光谱数据库；

2)根据纺织纤维的太赫兹时域光谱建立纺织纤维的分类模型；

3)测量待检纺织纤维的太赫兹时域光谱，根据纺织纤维的太赫兹时域光谱分类模型和待检纺织纤维的太赫兹光谱对待检纺织纤维进行鉴别。

2.根据权利要求1所述的基于太赫兹时域光谱的纺织纤维鉴别方法，其特征在于，所述步骤1)为：以太赫兹时域光谱测量装置分别测量透过空的样品架和透过装有标准纺织纤维样品架的太赫兹脉冲时域波形，透过空样品架的波形作为参考信号，透过装有标准纺织纤维的样品架的波形作为样品信号，根据参考时域波形和样品时域波形提取标准纺织纤维在太赫兹波段的吸收系数谱。

3.根据权利要求1所述的基于太赫兹时域光谱的纺织纤维鉴别方法，其特征在于，所述步骤2)主要包括以下步骤：

21)判别模型的建立：从不同种类的纺织纤维中分别选择70％的样本组成建模用的训练集，首先应用主成分分析法提取标准纺织纤维太赫兹光谱的特征，然后选择马氏距离判别法按照不同的纺织纤维类别建立纺织纤维鉴别模型；建模与实际判别时的光谱处理方法必须一致，按照不同的纺织纤维类别分别建立区分不同纺织纤维的鉴别模型；

22)判别模型的验证：以剩余的30％的样本组成验证集，首先应用主成分分析法提取标准纺织纤维太赫兹光谱的特征，然后调用已经建立的纺织纤维鉴别模型，获得验证集样本的类别。

4.根据权利要求1所述的基于太赫兹时域光谱的纺织纤维鉴别方法，其特征在于，所述步骤3)为：以太赫兹时域光谱测量装置分别测量透过空的样品架和透过装有待测纺织纤维样品架的太赫兹脉冲时域波形，透过空样品架的波形作为参考信号，透过装有标准纺织纤维的样品架的波形作为样品信号，根据参考时域波形和样品时域波形提取标准纺织纤维在太赫兹波段的吸收系数谱，应用主成分分析法提取待测样本太赫兹光谱的特征，然后调用建立好的判别模型对其进行鉴别，鉴别结果发现太赫兹光谱法能正确对纺织纤维进行分类。

5.根据权利要求1所述的基于太赫兹时域光谱的纺织纤维鉴别方法，其特征在于所述的太赫兹时域光谱的太赫兹波的频率在0.2-2.5THz。

6.根据权利要求1所述的基于太赫兹时域光谱的纺织纤维鉴别方法，其特征在于太赫兹时域光谱系统直接工作在室温环境下。

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