CN104034690A - 一种宽带太赫兹时域光谱的分析方法及便携式分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽带太赫兹时域光谱的分析方法及其便携式分析装置。所述分析方法包括对化学品建立宽带太赫兹时域光谱特征光谱数据库；获得待测样品的宽带太赫兹时域光谱特征光谱数据，对所述特征光谱数据进行去噪和恢复；将样品的特征光谱数据与数据库中数据进行匹配。其中，去噪消除湿度对太赫兹光谱的影响；消除回波对光谱的影响；利用小波变换方法进行光谱去噪。本发明可以得到的标准化太赫兹时域光谱数据，并采用便携式装置对数据进行现场分析。

Description

一种宽带太赫兹时域光谱的分析方法及便携式分析装置

【技术领域】

本发明涉及太赫兹光谱分析，具体涉及一种分析宽带太赫兹时域光谱的方法，和实现所述方式的便携式装置。

【背景技术】

目前，宽带太赫兹时域光谱可以由各式各样的宽带太赫兹时域光谱仪获得。但是，对具有独一无二特征的宽带太赫兹时域光谱的分析仪器却并不多见。传统的宽带太赫兹时域光谱的分析仪器通常可以分析在纯氮气或稀有气体保护的环境下，一种或几种物质的太赫兹光谱，并实现每种物质含量的量化计算。但是，复杂环境下，尤其是真实大气环境下的一种物质或几种物质的宽带太赫兹时域光谱的分析仪器几乎没有。这其中最重要的原因是无法消除真实大气环境对太赫兹光谱的干扰，无法获得一种或几种物质在近距离、无干扰气体条件下测得的表征被测样本分子特征及相对含量的太赫兹光谱。

【发明内容】

为了克服现有技术的缺陷，提供一种对太赫兹时域光谱进行去噪、对太赫兹时域光谱恢复，实现对复杂环境下宽带太赫兹时域光谱的预处理，结合待测样品所在的光谱数据库集，计算出被分析的太赫兹光谱包含的物质及其含量的信息，实现对宽带太赫兹时域光谱的分析，以及实现所述分析方法的便携式装置。

因此，本发明提供一种宽带太赫兹时域光谱的分析方法，步骤包括：

(1)对化学品建立宽带太赫兹时域光谱特征光谱数据库；

(2)获得待测样品的宽带太赫兹时域光谱特征光谱数据，对所述特征光谱数据进行去噪和恢复；

(3)将步骤(2)得到的特征光谱数据与数据库中数据进行匹配。

本发明中，步骤(2)中，对所述特征光谱数据进行去噪包括：

(i)获取对样品光谱测量时所处的环境湿度条件，确定湿度环境对光谱数据的影响，获得所述环境下湿度对太赫兹的吸收谱，得到消除了湿度影响的待测样品的太赫兹光谱；

(ii)检测太赫兹时域光谱数据中是否存在回波，如果存在，则通过主波和回波进行比较得到回波的幅频谱；再根据相频谱，得到回波和主波的时间间隔，消除回波对光谱的影响；如果检测到太赫兹时域光谱中含有多个回波，则进行多层次回波消除；

(iii)利用小波变换方法，对光谱进行小波分解，去除含有基线漂移和高频噪声的小波分量，对剩下的小波分量进行恢复光谱，获得光谱的去噪。

一种实现上述方法的便携式分析装置，包括外壳、设置在外壳中的单片机、与所述单片机相连的通信接口、触屏液晶显示屏、按键和ROM存储器、SD卡槽，还包括用于固化所述化学品特征光谱数据库及其相应匹配方法的第一存储器、用于存储光谱数据及计算结果的第二存储器、环境参数探测系统；所述的环境参数探测系统包括温度传感器、湿度传感器、100微米级颗粒物浓度传感器及所有所述的传感器与所述的单片机相连的控制电路。

优选地，第一存储器和第二存储器是SD卡。

在本发明中，通信接口接收其他设备传送的待测样品的宽带太赫兹时域光谱数据；所述的太赫兹时域光谱数据是ASCII文件；所述的ASCII文件存储于所述的SD卡2中。

在本发明中，所述SD卡有一个或多个，是不可写的、固化有不可擦除的光谱数据库及算法数据的SD卡，每一类化合物对应着一个SD卡，或所述SD卡是可写的SD卡。

优选地，所述ROM存储器中具有根据环境湿度条件确定湿度环境对光谱数据的影响，获得所述环境下湿度对太赫兹的吸收谱，得到消除了湿度影响的待测样品的太赫兹光谱的装置。

所述ROM存储器中具有检测太赫兹时域光谱数据中是否存在回波，如果存在，则通过主波和回波进行比较得到回波的幅频谱；再根据相频谱，得到回波和主波的时间间隔，消除回波对光谱的影响；如果检测到太赫兹时域光谱中含有多个回波，则进行多层次回波消除的装置。

所述分析装置具有将待测样品的特征光谱数据与第一存储器中的数据进行匹配的装置。

以下将更详细地解释本发明的技术方案。

一种宽带太赫兹时域光谱的分析方法，步骤包括：

(1)对化学品建立宽带太赫兹时域光谱特征光谱数据库；

(2)获得待测样品的宽带太赫兹时域光谱特征光谱数据，对所述特征光谱数据进行去噪和恢复；

(3)将步骤(2)得到的特征光谱数据与数据库中数据进行匹配。

步骤(2)中，对所述特征光谱数据进行去噪包括：

(i)获取对样品光谱测量时所处的环境湿度条件，确定湿度环境对光谱数据的影响，获得所述环境下湿度对太赫兹的吸收谱，得到消除了湿度影响的待测样品的太赫兹光谱；

(ii)检测太赫兹时域光谱数据中是否存在回波，如果存在，则通过主波和回波进行比较得到回波的幅频谱；再根据相频谱，得到回波和主波的时间间隔，可以利用类似于去除天线回波的反卷积算法(例如参考文献：Redo-Sanchez，A.，&Zhang，X.C.(2011).Self-referenced method for terahertz wave time-domainspectroscopy.Optics letters，36(17)，3308-3310.中公开的方法)或其他已知的频谱数据处理方法消除回波对光谱的影响；如果检测到太赫兹时域光谱中含有多个回波，则进行多层次回波消除；

(iii)考虑到环境颗粒物密度会对光谱数据造成影响，利用小波变换方法，结合所测环境颗粒物密度数据，对光谱进行小波分解，去除含有基线漂移和高频噪声的小波分量，对剩下的小波分量进行恢复光谱，获得光谱的去噪。

一种实现上述方法的便携式分析装置，包括外壳、设置在外壳中的单片机、与所述单片机相连的通信接口、触屏液晶显示屏、按键和用于固化时域光谱去噪、恢复算法的ROM存储器、SD卡槽，还包括用于固化所述化学品特征光谱数据库及其相应匹配方法的第一存储器、用于存储光谱数据及计算结果的第二存储器、环境参数探测系统；所述的环境参数探测系统包括温度传感器、湿度传感器、100微米级颗粒物浓度传感器及所有所述的传感器与所述的单片机相连的控制电路。

外壳上镶嵌所述的触屏液晶显示屏、通信接口、按键、2个SD卡槽，外壳的底部嵌入所述的ROM存储器、单片机，外壳内部固定环境参数探测系统；所述的按键包括“上”、“下”方向选择按键和“确认”按键，用于选择所读入的光谱数据文件；所述的通信接口为USB通用接口、串口或者无线接收接口。

触屏液晶显示屏受ARM单片机的图形界面库函数及ARM单片机的液晶屏连接电路控制，可以显示需要分析的宽带太赫兹时域光谱图、光谱数据分析结果，也可以用于操纵选择文件数据的读入和写入。

单片机可以根据用户的需要，将读入的光谱数据库及其相应匹配算法的数据存储在所述的ROM里面，经过计算和匹配后，最终将用户需要的所有光谱数据库及其相应匹配算法的数据写入第一存储器中。

第一存储器和第二存储器都可以采用SD卡。

所述通信接口接收其他设备传送的待测样品的宽带太赫兹时域光谱数据；所述的太赫兹时域光谱数据是后缀为“.thz”的ASCII文件；所述的ASCII文件存储于SD卡2中。

ASCII文件中包含的光谱数据被传递到所述的单片机中；单片机从ROM存储器中读取用于去噪、恢复的算法，从SD卡1中读取光谱数据和匹配算法，并对光谱数据进行计算，将计算所得的结果存储到SD卡2中。

所述SD卡有一个或多个，可以是不可写的、固化有不可擦除的光谱数据库及算法数据的SD卡，每一类化合物对应着一个SD卡，或所述SD卡是可写的SD卡。所有SD卡1应当具有用于与所述的单片机通信的加密通信密钥，以便SD卡1能被所述的单片机读取。

所述ROM存储器中具有根据环境湿度条件确定湿度环境对光谱数据的影响，获得所述环境下湿度对太赫兹的吸收谱，得到消除了湿度影响的待测样品的太赫兹光谱的装置。

所述ROM存储器中具有检测太赫兹时域光谱数据中是否存在回波，如果存在，则通过主波和回波进行比较得到回波的幅频谱；再根据相频谱，得到回波和主波的时间间隔，利用去除天线回波的反卷积算法或其他方法消除回波对光谱的影响；如果检测到太赫兹时域光谱中所述分析装置具有将待测样品的特征光谱数据与第一存储器中的数据进行匹配的装置。

本发明的便携式装置通过通用的数据接口，可以接受任意太赫兹时域光谱仪所测量得到的标准化太赫兹时域光谱数据，并对数据进行现场分析。在不破坏原有太赫兹时域光谱仪的结构体系的前提下，通过有线或者无线通信的方式和太赫兹时域光谱仪交换数据；该装置内部嵌入对光谱的预处理方法，即使是受大气环境，尤其是水蒸气，干扰较强的太赫兹时域光谱，也能通过预处理算法恢复出不受大气环境干扰的光谱特征，因此有较强的环境适应能力。

另外，用户也可以根据自己的需要，自行选择数据库SD卡1，也可以自行编辑所需的数据库SD卡1，提高本分析装置对数据处理的灵活性。

由于装置内不必存放所有物质的太赫兹时域光谱数据，装置所能分析的数据和会随着SD卡1中数据的更新而更新，装置对光谱的分析算法也会随着SD卡1中算法的更新而更新，大大提高装置的使用寿命和使用范围。

【附图说明】

图1是实施例1的分析装置的结构示意图，其中1-外壳，2-按键，3-触屏液晶显示屏，4-无线天线，5-USB接口，6-SD卡1卡槽，7-SD卡2卡槽，8-串口，9-环境参数探测系统(包括温度传感器、湿度传感器、100微米颗粒物密度传感器)，10-单片机，11-单片机开发电路板。

图2是装置计算流程图。

图3是根据用户需求，设计SD卡1的流程图。

【具体实施方式】

以下实施例用于非限制性地解释本发明的技术方案。

实施例1

如图1所示的便携式分析装置，包括外壳、案件、显示屏、天线、USB接口、多个SD卡槽、单片机及其开发电路板，这些组件的连接和具体设置均属于本领域的现有技术，因此不作赘述。

环境参数探测系统包括设置在壳体上的温度传感器、湿度传感器和100微米颗粒物密度传感器。

由于太赫兹时域光谱仪具有高分辨率、高信噪比的特点，但在传播过程中容易受到大气环境(尤其是水蒸气)吸收而衰减，用太赫兹时域光谱仪所测得的物质的太赫兹光谱会混合大气的太赫兹吸收谱线，信噪比也会降低，从而使得所测物质本身的太赫兹光谱无法分辨。

用光谱仪对待测样品进行测定，将其输出数据通过数据接口输入到本装置中。本装置通过获得环境参数，消除环境参数对光谱数据的影响，得到不合大气干扰的、较高信噪比的太赫兹光谱，从而为大气环境中测得的太赫兹光谱的可靠利用提供可能。进而，根据被测物质可能属于的数据库及其相应的只能匹配算法，就能将光谱所包含的物质组成和相对含量识别出来，以实现对宽带太赫兹时域光谱的现场分析。

首先，打开本便携式装置，插入SD卡2，再选择所要分析的光谱数据。如果光谱数据已经在SD卡2中，则可以直接调用该数据进行分析；如果光谱数据没有存储在SD卡2中，则可以选择是否和光谱测量设备或其他数据存储设备建立无线连接，也可以选择从USB或串口连入的移动存储设备中读取数据。然后通过“上”、“下”和“确认”按键，选择需读入的具体文件，液晶屏上会自动画出被选择光谱数据的全貌。

读取数据之后，将固化有光谱数据可能属于的数据库及其匹配算法的SD卡1插入装置中，然后点击屏幕中出现的“开始识别”按钮即可。此时，单片机就会结合环境参数探测系统所提供的环境数据开始对目标光谱进行预处理，然后结合SD卡1中的数据和算法对目标光谱进行匹配识别。

如果用户想自行建立光谱数据库，则需分别插入所需光谱数据所属的SD卡1，并将相应的数据读入到ROM中。待读取完所有的光谱数据之后，选择系统提供的匹配识别算法自动生成功能，生成相应的匹配算法。然后再插入新的SD卡1，该并选择导入功能。所有被选择的光谱和相应的匹配算法都将直接写入该SD卡1中，用户于是可以使用该SD卡1。

最后，所有匹配识别结果都将存储在SD卡2中，选择读取匹配识别结果会使该结果显示在触屏液晶显示屏上。用户可以选择取出这个通用的SD卡2进行数据读取，也可以通过无线或有限通讯方式将数据返回到其他可视化数据显示设备上。

分析方法方面，对待测样品的光谱数据分析包括以下步骤：

步骤1.1：调用水蒸气消除算法(例如Withayachumnankul，W.，Fischer，B.M.，&Abbott，D.(2008).Numerical removal of water vapoureffects from terahertz time-domain spectroscopy measurements.Proceedings of the Royal Society A：Mathematical，Physical andEngineering Science，464(2097)，2435-2456.中公开的方法)，结合所测环境数据，对光谱测量时所处的环境湿度进行判断，重构此环境下水蒸气对太赫兹的吸收谱；利用反卷积和信号处理的相关方法，消除环境中水蒸气对太赫兹光谱的吸收影响，并适当提高光谱的信噪比。

步骤1.2：检测太赫兹时域光谱数据中是否存在回波，如果存在，则通过主波和回波进行比较得到回波的幅频谱；再根据相频谱，计算出回波和主波的时间间隔，进而利用类似去除天线回波的反卷积算法，消除回波对光谱的影响；如果检测到太赫兹时域光谱中含有多个回波，则调用多层次回波消除算法进行处理。

步骤1.3：利用小波变换方法，结合所测环境颗粒物密度数据，对光谱进行小波分解，把含有基线漂移和高频噪声的小波分量舍去，用剩下的小波分量恢复光谱，从而实现光谱的去噪处理。

如权利要求1所述的便携式装置，其特征在于，所述的某一类化学品特征光谱数据库包括：一类化学品如石油、药材、毒品，或用户指定的某一类化学品，处理后的、带有明显特征吸收峰的宽带太赫兹时域光谱全谱；所述的匹配算法包括如下步骤：

步骤2.1：判断所分析的太赫兹光谱的化学组成是否在光谱数据库中；这一判断要根据光谱数据库内和光谱数据库外的样本，建立分类器，并计算分类器中的相关参数。如果是光谱数据库内的样本，则输出为1，否则为-1。

步骤2.2：判断所分析的太赫兹光谱的具体化学组成和相应含量；这一判断分为两种情况：如果光谱数据库中的样本较少，则事先训练好适合混合物成分判断的神经网络(神经网络的部分属于已经公开的技术，例如采用陈明.(2013).MATLAB神经网络原理与实例精解.北京：清华大学出版社，246-249.中公开的技术)，将光谱数据代入神经网络中得到输出结果；如果光谱数据库中的样本较多，则通过对光谱的识别或二阶导数光谱的识别，找出光谱中的所有特征吸收峰，并带回到光谱数据库中判断可能的物质组成。然后利用差谱技术，逐一匹配各个化合物的含量并删去相应成分对光谱影响，最终得到单一组分的化合物光谱及相应的含量百分比。

因此，本发明的装置可以得到的标准化太赫兹时域光谱数据，并对数据进行现场分析。在不破坏原有太赫兹时域光谱仪的结构体系的前提下，通过有线或者无线通信的方式和太赫兹时域光谱仪交换数据；该装置内部嵌入对光谱的预处理方法，即使是受大气环境，尤其是水蒸气，干扰较强的太赫兹时域光谱，也能通过预处理算法恢复出不受大气环境干扰的光谱特征，因此有较强的环境适应能力。

Claims (9)

1.一种宽带太赫兹时域光谱的分析方法，其特征在于：

(1)对化学品建立宽带太赫兹时域光谱特征光谱数据库；

(2)获得待测样品的宽带太赫兹时域光谱特征光谱数据，对所述特征光谱数据进行去噪和恢复；

(3)将步骤(2)得到的特征光谱数据与数据库中数据进行匹配。

2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于步骤(2)中，对所述特征光谱数据进行去噪包括：

(i)获取对样品光谱测量时所处的环境湿度条件，确定湿度环境对光谱数据的影响，获得所述环境下湿度对太赫兹的吸收谱，得到消除了湿度影响的待测样品的太赫兹光谱；

(ii)检测太赫兹时域光谱数据中是否存在回波，如果存在，则通过主波和回波进行比较得到回波的幅频谱；再根据相频谱，得到回波和主波的时间间隔，消除回波对光谱的影响；如果检测到太赫兹时域光谱中含有多个回波，则进行多层次回波消除；

(iii)利用小波变换方法，对光谱进行小波分解，去除含有基线漂移和高频噪声的小波分量，对剩下的小波分量进行恢复光谱，获得光谱的去噪。

3.权利要求1所述方法的便携式分析装置，包括外壳、设置在外壳中的单片机、与所述单片机相连的通信接口、触屏液晶显示屏、按键和ROM存储器、SD卡槽，还包括用于固化所述化学品特征光谱数据库及其相应匹配方法的第一存储器、用于存储光谱数据及计算结果的第二存储器、环境参数探测系统；所述的环境参数探测系统包括温度传感器、湿度传感器、100微米级颗粒物浓度传感器及所有所述的传感器与所述的单片机相连的控制电路。

4.根据权利要求3所述的分析装置，其特征在于第一存储器和第二存储器是SD卡。

5.根据权利要求3所述的分析装置，其特征在于所述的通信接口接收其他设备传送的待测样品的宽带太赫兹时域光谱数据；所述的太赫兹时域光谱数据是ASCII文件；所述的ASCII文件存储于所述的SD卡2中。

6.根据权利要求4所述的分析装置，其特征在于所述SD卡有一个或多个，是不可写的、固化有不可擦除的光谱数据库及算法数据的SD卡，每一类化合物对应着一个SD卡，或所述SD卡是可写的SD卡。

7.根据权利要求3所述的分析装置，其特征在于所述ROM存储器中具有根据环境湿度条件确定湿度环境对光谱数据的影响，获得所述环境下湿度对太赫兹的吸收谱，得到消除了湿度影响的待测样品的太赫兹光谱的装置。

8.根据权利要求3所述的分析装置，其特征在于所述ROM存储器中具有检测太赫兹时域光谱数据中是否存在回波，如果存在，则通过主波和回波进行比较得到回波的幅频谱；再根据相频谱，得到回波和主波的时间间隔，消除回波对光谱的影响；如果检测到太赫兹时域光谱中含有多个回波，则进行多层次回波消除的装置。

9.根据权利要求3所述的分析装置，其特征在于所述分析装置具有将待测样品的特征光谱数据与第一存储器中的数据进行匹配的装置。