CN104713845A

CN104713845A - 基于太赫兹吸收光谱处理的混合物成分识别方法

Info

Publication number: CN104713845A
Application number: CN201510133780.1A
Authority: CN
Inventors: 李宏光; 韩占锁; 杨鸿儒; 刘瑞星; 俞兵; 于东钰; 解琪; 陈娟; 康登魁
Original assignee: Xian institute of Applied Optics
Current assignee: Xian institute of Applied Optics
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2035-03-25
Also published as: CN104713845B

Abstract

本发明提出一种基于太赫兹吸收光谱处理的混合物成分识别方法，属于光学测量领域。本发明用于利用太赫兹吸收光谱检测混合物的组分，首先获取混合物样品太赫兹吸收光谱的，在扣除环境噪声、背景噪声，消除随温度变化的水蒸气吸收造成的影响后，获得用于识别的太赫兹吸收光谱，然后调用太赫兹光谱数据库，采用模板匹配和吸收峰比对的方法，依次判断、识别并扣除各样品的太赫兹吸收光谱；判定扣除后的吸收光谱数据，直到检测出混合物所有组分。本发明将实验环境下的太赫兹光谱和普通环境下的太赫兹光谱相结合，可以用于普通环境下的太赫兹光谱识别，为太赫兹光谱识别技术的应用提供了保障。

Description

基于太赫兹吸收光谱处理的混合物成分识别方法

技术领域

本发明属于光学计量领域，主要涉及一种太赫兹吸收光谱处理方法，尤其涉及一种应用于混合物成分识别的太赫兹光谱处理方法。

背景技术

太赫兹辐射通常指频率在0.1～10太赫兹(THz)范围的电磁辐射，可以穿透大多数非金属非极性物质，但是特定的物质如炸药、金属、部分药物等对太赫兹辐射有显著的吸收，对这些吸收现象进行考察可以得到物质对应的太赫兹吸收光谱，不同的物质的太赫兹吸收光谱各不相同，通过对吸收光谱的分析处理可以判定其对应的物质成分。

现有的太赫兹吸收光谱处理方法在判定被测样品的成分时经常存在一定的误差，尤其是被测样品为混合物时，所测得的太赫兹吸收光谱为各种成分吸收光谱的叠加，现有处理方法只能检测出其中一种成分或部分成分，而不能逐一分辨出其中所有物质成分，甚至由于受背景环境干扰，吸收光谱信噪比很差，导致对其中任何一种成分都无法识别。在太赫兹吸收光谱测试过程中，由于太赫兹光源频率不稳定或设备精度不高，所测吸收光谱中吸收峰位置出现频率漂移，导致相应的物质无法被检测。同时，如果被测物处在空气环境中，水蒸气的吸收光谱会混杂到被测物的太赫兹吸收光谱中，现有处理方法的上述不足将更为明显，大大制约了太赫兹技术的应用。

发明内容

本发明针对现有太赫兹光谱分析和识别方法的不足，提供一种基于太赫兹吸收光谱处理的混合物成分识别方法，该方法基于模板匹配，对被测样品的太赫兹光谱进行分析，逐一分辨出被测样品的组成成分。

本发明的技术方案为：

所述一种基于太赫兹吸收光谱处理的混合物成分识别方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：获取被测混合物的太赫兹吸收光谱U(T)，背景环境信号V(T)，并根据背景环境湿度d，获得湿度为d时的水蒸气吸收光谱W_d(T)，其中T表示太赫兹频率，T的取值范围是[A，B]，参数T、A、B的单位为THz；

步骤2：用被测样品的太赫兹吸收光谱U(T)扣除背景环境信号V(T)和水蒸气吸收谱W_d(T)，得到预处理太赫兹吸收光谱U₁(T)＝U(T)-V(T)-W_d(T)；

步骤3：按以下公式对预处理太赫兹吸收光谱U₁(T)进行数值平滑，得到用于物质识别的识别吸收谱U₂(T)：

当时

U_{2} (T) = \frac{U_{1} (T) + U_{1} (T + a) + U_{1} (T + 2 a) + \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot + U_{1} (10) + U_{1} (T - a) + U_{1} (T - 2 a) + \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot + U_{1} (0.1)}{b}

当时

U_{2} (T) = \frac{U_{1} (T) + U_{1} (T + a) + U_{1} (T + 2 a) + \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot + U_{1} (T + \frac{b - 1}{2} a) + U_{1} (T - a) + U_{1} (T - 2 a) + \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot + U_{1} (0.1)}{b}

当

(T - \frac{b - 1}{2}) &GreaterEqual; A

且

(T + \frac{b - 1}{2}) \leq B

时

U_{2} (T) = \frac{U_{1} (T) + U_{1} (T + a) + U_{1} (T + 2 a) + \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot + U_{1} (T + \frac{b - 1}{2} a) + U_{1} (T - a) + U_{1} (T - 2 a) + \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot + U_{1} (T - \frac{b - 1}{2} a)}{b}

；其中a为频率取样间隔，b为数值平滑使用点数；

步骤4：从光谱数据库中提取单一物质的太赫兹吸收光谱，已提取过的单一物质的太赫兹吸收光谱不重复提取；

步骤5：识别步骤4提取的单一物质E是否在待测混合物中：

步骤5.1：从物质E的太赫兹吸收光谱U_E(T)中获得吸收光谱主吸收峰顶点U_E(t)，t是吸收光谱主吸收峰顶点对应的太赫兹频率；以U_E(t)为中心，向左取i个点：U_E(t-a)、U_E(t-2a)、U_E(t-3a)、……U_E(t-ia)，向右取j个点：U_E(t+a)、U_E(t+2a)、U_E(t+3a)、……U_E(t+ja)；其中i和j的数值满足以下公式：

U_E(t-ia)≥m×U_E(t) 且U_E(t-(i+1)a)<m×U_E(t)

U_E(t+ja)≥m×U_E(t) 且U_E(t+(j+1)a)<m×U_E(t)

其中m为设定的吸收谱线阈值；

步骤5.2：建立物质E的判定模板Z_E(T)：

步骤5.3：判断|Z_E(t)-U₃(t)|<e是否成立，若成立，则进入步骤5.4，否则进入步骤5.5；其中Z_E(t)为物质E的判定模板Z_E(T)在太赫兹频率t的值，U₃(t)是当前识别谱U₃(T)在太赫兹频率t的值，e为设定的主峰顶点偏差，当前识别谱U₃(T)的初始值为识别吸收谱U₂(T)；

步骤5.4：计算判定模板Z_E(T)的面积M_E和当前识别谱U₃(T)对应区域的面积M′_E：并判断是否成立，若成立，则表明待测混合物中存在物质E，然后进入步骤6，否则返回步骤4；其中f为设定的吸收峰面积偏差；

步骤5.5：计算Min|Z_E(t)-U₃(T_p)|<e是否成立，若成立，则进入步骤5.6，否则返回步骤4；其中T_p为太赫兹频率，T_p＝t+a、t+2a、…、t+pa、t-a、t-2a、…t-pa，p为设定的漂移处理数，U₃(T_p)是当前识别谱U₃(T)在频率T_p处的值；

步骤5.6：计算判定模板Z_E(T)的面积M_E和当前识别谱U₃(T)在漂移频率q附近的面积M″_E：并判断是否成立，若成立，则表明待测混合物中存在物质E，然后进入步骤6，否则返回步骤4；其中漂移频率q为|Z_E(t)-U₃(T_p)|取到最小值时对应的频率T_p；

步骤6：在当前吸收谱U₃(T)中扣除物质E的吸收光谱U_E(T)，得到新的吸收谱U₃(T)-U_E(T)，并用新的吸收谱U₃(T)-U_E(T)作为当前识别谱U₃(T)；

步骤7：判断当前吸收谱U₃(T)中是否有大于吸收峰高度阈值r的点，若有，则返回步骤4，否则识别过程结束。

有益效果

本发明的整体技术效果体现在：本发明将实验环境下的太赫兹光谱和普通环境下的太赫兹光谱相结合，在扣除环境噪声、背景噪声，消除随温度变化的水蒸气吸收造成的影响后，获得用于识别的太赫兹吸收光谱，然后调用太赫兹光谱数据库，采用模板匹配和吸收峰比对的方法，依次判断、识别并扣除各样品的太赫兹吸收光谱；判定扣除后的吸收光谱数据，直到检测出混合物所有组分。

附图说明

图1是本发明太赫兹光谱处理方法的流程图。

图2是本发明识别物质成分的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

本发明的实施以现有太赫兹探测装置采集获得的相关数据为条件。

实施本发明需要一台装有太赫兹光谱处理程序的计算机，计算机需要存储被测混合物A的太赫兹吸收光谱U(T)、同等测试条件下移除样品时测得的背景环境信号V(T)、对应不同湿度x时的水蒸气吸收光谱W_x(T)、吸收光谱测试时的频率取样间隔a，数值平滑使用点数b，吸收谱线阈值m，主峰顶点偏差e，吸收峰面积偏差f，漂移处理数p和吸收峰高度阈值r。此外，还存储有标准太赫兹吸收光谱的数据库(以下简称光谱数据库)。其中，光谱数据库中要确保包含有组成所述被测混合物的各单一物质的标准太赫兹吸收光谱，还可以包含太赫兹领域常见的物质的标准太赫兹吸收光谱，如火炸药、铝粉等。光谱数据库中的所有太赫兹吸收光谱和所述移除样品时测得的背景环境信号V(T)均在液氮环境下测量，排除水蒸气吸收等干扰；被测混合物的太赫兹吸收光谱U(T)在普通空气条件下测量，测量结果中混入了水蒸气吸收的影响和各种噪声干扰，测量时记录当时的湿度d。本发明的一个优选实施例包含下述步骤：

计算机开机上电后，启动太赫兹光谱处理程序按照图1所示流程执行以下步骤：

步骤1：载入太赫兹吸收光谱数据：

从计算机硬盘中载入被测混合物的太赫兹吸收光谱U(T)，背景环境信号V(T)，并根据背景环境湿度d，获得湿度为d时的水蒸气吸收光谱W_d(T)，其中T表示太赫兹频率，T的取值范围是0.1THz～10THz。

步骤2：数据预处理：

用被测样品的太赫兹吸收光谱U(T)扣除背景环境信号V(T)和水蒸气吸收谱W_d(T)，得到预处理太赫兹吸收光谱U₁(T)＝U(T)-V(T)-W_d(T)。

步骤3：数值平滑：

按以下公式对预处理太赫兹吸收光谱U₁(T)进行数值平滑，得到用于物质识别的太赫兹吸收光谱U₂(T)，以下简称识别吸收谱U₂(T)：

当时

U_{2} (T) = \frac{U_{1} (T) + U_{1} (T + a) + U_{1} (T + 2 a) + \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot + U_{1} (10) + U_{1} (T - a) + U_{1} (T - 2 a) + \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot + U_{1} (0.1)}{b}

当时

U_{2} (T) = \frac{U_{1} (T) + U_{1} (T + a) + U_{1} (T + 2 a) + . . . . . . + U_{1} (T + \frac{b - 1}{2} a) + U_{1} (T - a) + U_{1} (T - 2 a) + . . . . . . + U_{1} (0.1)}{b}

当

(T - \frac{b - 1}{2}) &GreaterEqual; 0.1

且

(T + \frac{b - 1}{2}) \leq 10

时

U_{2} (T) = \frac{U_{1} (T) + U_{1} (T + a) + U_{1} (T + 2 a) + \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot + U_{1} (T + \frac{b - 1}{2} a) + U_{1} (T - a) + U_{1} (T - 2 a) + \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot + U_{1} (T - \frac{b - 1}{2} a)}{b}

；其中a为频率取样间隔，a的值由太赫兹探测装置的性能和参数选择确定，b为数值平滑使用点数。

由于测试时存在各种噪声干扰，在测量结果的数据中会混入噪声数据，而在获取太赫兹吸收光谱进行的傅里叶变换相除运算中，噪声数据会被放大，导致在被测混合物的太赫兹吸收光谱U(T)和预处理太赫兹吸收光谱U₁(T)对应的吸收光谱曲线中，会出现振荡。本步骤中采取多点累加的数据平滑方式消除振荡，从而消除了噪声的影响，提高了后续处理的准确性和可靠性。

数值平滑使用点数b的数值随混合物A测试条件而变化，b的数值越大，数据平滑的效果越好，但是处理后带来的信号失真也越大；b的数值越小，数据平滑的效果越差。在实际工作中，如果混合物A在噪声干扰较小的环境下测量，对应的吸收光谱曲线上振荡较小，b的数值取3或5，如果混合物A在噪声干扰较大的环境下测量，对应的吸收光谱曲线上振荡较大，b的数值取7或9。本实施例中，b取5。

步骤4：从光谱数据库中提取单一物质的太赫兹吸收光谱，已提取过的单一物质的太赫兹吸收光谱不重复提取。

由于光谱数据库中包含了多种物质的太赫兹吸收光谱，载入的顺序以该物质的危险程度和对太赫兹辐射吸收程度而定，具有危险性且对太赫兹吸收明显的物品首先载入其吸收光谱，如HMX炸药等；其次载入对太赫兹辐射有一定吸收的物质的吸收光谱，例如金属铝；这个顺序能保证尽早发现危险物品，同时，在后续步骤中，已检测出的物质，其吸收光谱要在被测混合物A的吸收光谱中扣除，使得对太赫兹辐射吸收不明显的物质更易于被检测。

在提取物质E的太赫兹吸收光谱U_E(T)后，进入步骤5，此处物质E代表光谱数据库中的某一种物质。

步骤5：识别步骤4提取的单一物质E是否在待测混合物中：

步骤5.1：提取物质E的主吸收峰数据：

从物质E的太赫兹吸收光谱U_E(T)中获得吸收光谱主吸收峰顶点U_E(t)，t是吸收光谱主吸收峰顶点对应的太赫兹频率；以U_E(t)为中心，向左取i个点：U_E(t-a)、U_E(t-2a)、U_E(t-3a)、……U_E(t-ia)，向右取j个点：U_E(t+a)、U_E(t+2a)、U_E(t+3a)、……U_E(t+ja)。此处“左”指的是低频率方向，“右”指的是高频率方向，其中i和j的数值满足以下公式：

U_E(t-ia)≥m×U_E(t) 且U_E(t-(i+1)a)<m×U_E(t)

U_E(t+ja)≥m×U_E(t) 且U_E(t+(j+1)a)<m×U_E(t)

其中m为设定的吸收谱线阈值。

由于吸收峰是以顶点为高点，左右逐渐减小的形状，所以根据上述公式判断(i+j)个点的U_E(.)临近吸收谱线阈值m时，即认为该物质主吸收峰数据已经提取完成。

吸收谱线阈值m的值越小，取到的主吸收峰数据越多，包含的主吸收峰特征也越多；但是吸收谱线阈值m的值如果太小，会将主吸收峰以外的数据也提取出来，给后续的识别等处理带来不便甚至误判。因此m的取值应在0.35～0.85之间，本实施例中m取0.4。

接下来将通过判断混合物吸收光谱中是否存在物质E的主吸收峰来判断物质E是否存在混合物中：

步骤5.2：建立物质E的判定模板Z_E(T)，判定模板在相同频率处包括了物质E的主吸收峰，其它位置用零值填充：

在本实施例中，已经识别出的物质，其吸收光谱将从识别吸收谱U₂(T)中扣除(扣除方法见后)，因此识别吸收谱U₂(T)会不断更新，更新后的吸收光谱命名为当前识别谱U₃(T)，当没有物质被检测出，吸收识别谱U₂(T)没有更新时，U₂(T)和U₃(T)相同。接下来将判定模板Z_E(T)覆盖在当前识别谱U₃(T)上进行比对，寻找在当前识别谱U₃(T)上是否出现了物质E的主吸收峰。

步骤5.3：判断|Z_E(t)-U₃(t)|<e是否成立，若成立，说明当前识别谱U₃(T)在太赫兹频率t的位置出现了类似物质E的吸收峰，则进入步骤5.4，进一步判定该吸收现象是否由物质E产生；若不成立，说明在太赫兹频率t的位置未出现明显的类似物质E的吸收峰，则进入步骤5.5，进一步确认在当前识别谱U₃(t)上是否存在物质E的吸收峰；其中Z_E(t)为物质E的判定模板Z_E(T)在太赫兹频率t的值，U₃(t)是当前识别谱U₃(T)在太赫兹频率t的值，e为设定的主峰顶点偏差，当前识别谱U₃(T)的初始值为识别吸收谱U₂(T)。

步骤5.4：计算判定模板Z_E(T)的面积M_E和当前识别谱U₃(T)对应区域的面积M′_E：并判断是否成立，若成立，说明当前识别谱U₃(T)对应位置出现的吸收峰高度和面积均与物质E主吸收峰相同，则可以断定待测混合物中存在物质E，将物质E记录下来，进入步骤6，同时如果物质E是炸药之类的危险物质，则在显示屏上以醒目方式提前显示；如果物质E不是危险物质，则只记录，等判断完所有物质后统一显示。若不成立，则说明当前识别谱U₃(T)对应位置出现的吸收峰不是由物质E产生，当前物质E的判断流程结束，返回步骤4提取下一种物质，继续识别。

f为设定的吸收峰面积偏差，实践证明吸收峰面积偏差f的取值在3％～8％较为合理，f太小会导致识别误差增大，使得存在于混合物A中的物质未能有效识别，甚至使识别过程陷入无限循环无法结束，f太大可能会导致错误，将不同的吸收峰错误地判定为相同物质产生的，本实施例中取f＝3％。

步骤5.5：在当前识别谱U₃(T)的频率t附近寻找是否存在与物质E类似的吸收峰，方法是，计算下面2p个值

|Z_E(t)-U₃(T_p)| T_p＝t+a、t+2a、…、t+pa；t-a、t-2a、…t-pa

其中T_p为太赫兹频率，U₃(T_p)是当前识别谱U₃(T)在频率T_p处的值。计算这2p个值中的最小值Min|Z_E(t)-U₃(T_p)|<e是否成立，若成立，说明在当前识别谱U₃(T)上存在与物质E相似的吸收峰，则进入步骤5.6作进一步判断，若不成立，说明在当前识别谱U₃(T)上找不到物质E的吸收峰，即待测混合物中没有物质E，则物质E的识别流程结束，返回步骤4选择下一种物质继续识别。

p为设定的漂移处理数，漂移处理数p的大小决定了在处理中允许出现主吸收峰频率漂移的范围，p的值越大，允许主吸收峰频率漂移的范围也越大，同时造成错误识别的可能性也越大，实践表明p的最佳取值范围为3～12，本实施例中p取5。

步骤5.6：计算判定模板Z_E(T)的面积M_E和当前识别谱U₃(T)在漂移频率q附近的面积M″_E：并判断是否成立，若成立，说明当前识别谱U₃(T)在漂移频率q位置出现的吸收峰高度和面积均与物质E主吸收峰相同，则可以断定混合物A中存在物质E，将物质E记录下来，然后进入步骤6，同时如果物质E是炸药之类的危险物质，则在显示屏上以醒目方式提前显示；如果物质E不是危险物质，则只记录，等判断完所有物质后统一显示。若不成立，则说明当前识别谱U₃(T)对应位置出现的吸收峰不是由物质E产生，当前物质E的判断流程结束，返回步骤4载入下一种物质，继续识别。

漂移频率q为|Z_E(t)-U₃(T_p)|取到最小值时对应的频率T_p。在太赫兹吸收光谱测试中，需要不断变化频率以获得相应的光谱，而在实际过程中，由于太赫兹源频率的不稳定和扫描设备精度等原因，会导致吸收谱发生频率漂移，即本应出现在固有频率的吸收峰出现在了该固有频率的附近，本发明增加了在一定频率漂移范围内的识别和判断，消除了所述漂移带来的影响，增加了处理的可靠性。

步骤6：扣除样品吸收谱：

当第一次有物质被识别时，用吸收识别谱U₂(T)扣除物质E的吸收光谱U_E(T)，扣除后的吸收光谱作为当前吸收谱U₃(T)，即U₃(T)＝U₂(T)-U_E(T)；已有物质被识别时，从当前吸收谱U₃(T)中扣除物质E的吸收光谱U_E(T)，扣除后的吸收光谱U₃(T)-U_E(T)作为当前识别谱U₃(T)。

步骤7：判定是否仍有吸收峰存在：

判断当前吸收谱U₃(T)中是否有大于吸收峰高度阈值r的点，若有，说明当前吸收谱U₃(T)中仍然存在吸收峰，物质没有识别完毕，返回步骤4继续判断，如果当前吸收谱U₃(T)中没有大于吸收峰高度阈值r的点，说明当前吸收谱U₃(T)中已经没有吸收峰，所有物质都已识别，识别过程结束。

实践证明吸收峰高度阈值r的取值在0.2～0.3较为合理，r太小会导致识别过程冗长，甚至使识别过程陷入无限循环无法结束，r太大会使一些吸收峰被错过，导致部分物质无法识别，本实施例中取r＝0.23。

Claims

1.一种基于太赫兹吸收光谱处理的混合物成分识别方法，其特征在于：包括以下步骤：

当

(T + \frac{b - 1}{2}) > B

时

U_{2} (T) = \frac{U_{1} (T) + U_{1} (T + a) + U_{1} (T + 2 a) + . . . . . . {+ U}_{1} (10) + U_{1} (T - a) + U_{1} (T - 2 a) + . . . . . . + U_{1} (0.1)}{b}

当

(T - \frac{b - 1}{2}) < A

时

U_{2} (T) = \frac{U_{1} (T) + U_{1} (T + a) + U_{1} (T + 2 a) + . . . . . . + U_{1} (T + \frac{b - 1}{2} a) + U_{1} (T - a) + U_{1} (T - 2 a) + . . . . . . + U_{1} (0.1)}{b}

当

(T - \frac{b - 1}{2}) &GreaterEqual; A

且

(T + \frac{b - 1}{2}) \leq B

时

U_{2} (T) = \frac{U_{1} (T) + U_{1} (T + a) + U_{1} (T + 2 a) + . . . . . . + U_{1} (T + \frac{b - 1}{2} a) + U_{1} (T - a) + U_{1} (T - 2 a) + . . . . . . + U_{1} (T - \frac{b - 1}{2} a)}{b}

；其中a为频率取样间隔，b为数值平滑使用点数；

步骤5：识别步骤4提取的单一物质E是否在待测混合物中：

U_E(t-ia)≥m×U_E(t) 且U_E(t-(i+1)a)<m×U_E(t)

U_E(t+ja)≥m×U_E(t) 且U_E(t+(j+1)a)<m×U_E(t)

其中m为设定的吸收谱线阈值；

步骤5.2：建立物质E的判定模板Z_E(T)：

步骤5.4：计算判定模板Z_E(T)的面积M_E和当前识别谱U₃(T)对应区域的面积M′_E：

M_{E} = Σ_{T = t - ia}^{T = t + ja} Z_{E} (T), M_{E}^{'} = Σ_{T = t - ia}^{T = t + ja} U_{3} (T),

并判断

| \frac{M_{E}^{'} - M_{E}}{M_{E}} | < f

是否成立，若成立，则表明待测混合物中存在物质E，然后进入步骤6，否则返回步骤4；其中f为设定的吸收峰面积偏差；

步骤5.6：计算判定模板Z_E(T)的面积M_E和当前识别谱U₃(T)在漂移频率q附近的面积M″_E：

M_{E} = Σ_{T = t - ia}^{T = t + ja} Z_{E} (T), M_{E}^{''} = Σ_{T = q - ia}^{T = q + ja} U_{3} (T),

并判断

| \frac{M_{E}^{''} - M_{E}}{M_{E}} | < f

是否成立，若成立，则表明待测混合物中存在物质E，然后进入步骤6，否则返回步骤4；其中漂移频率q为|Z_E(t)-U₃(T_p)|取到最小值时对应的频率T_p；