CN104730026A - 基于太赫兹波的气体检测识别分类系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于太赫兹波的气体检测识别分类系统，通过太赫兹波气体检测装置使太赫兹波与气体分子在密闭的腔内产生共振作用，气体原子周围的电子被激发产生跃迁，造成了分子的转动和振动，得到特征吸收峰，检测气体原子\分子的吸收谱线，并利用启发式算法对检测气体谱线进行准确识别，系统中采用了密闭腔、真空泵、压强监测装置以及启发式算法，使得太赫兹波与腔内气体可以在不同的压强条件下相互作用，并通过进一步的分类达到预测未知气体的功能，具有装置简单，操作容易，应用范围广的优点。

Description

基于太赫兹波的气体检测识别分类系统

技术领域

本发明涉及一种气体检测识别技术，特别涉及一种基于太赫兹波的气体检测识别分类系统。

背景技术

气体分子在红外波段下有着大量的特征吸收峰，这一特性多年来成为国际学术界关注的热点，在太赫兹波段下气体的转动能级较明显，尤其是对于极性分子如气态水，一氧化碳，甲醇，其吸收峰表现为特异性，重复性。利用太赫兹波谱中气体的这些特性可实现多种气体的快速检测。

太赫兹波是指频率在0.1-10 THz范围（波长在0.03到3 mm范围）的电磁波（1 THz=10¹² Hz），在电磁波谱中位于微波与红外辐射之间。太赫兹波特殊的电磁波谱位置使得它具有许多独特的优点，例如光子能量低，在毫电子伏特量级，不会对生物组织产生有害的光致电离、很多物质在该波段都有很强的吸收和色散，可以用于鉴别不同物质等。

支持向量机（Support Vector Machine，简称SVM）是一种分类器。由Vapnik等人在多年研究统计学习理论基础上对线性分类器提出的另一种设计最佳准则。其原理也从线性可分说起，然后扩展到线性不可分的情况。甚至扩展到使用非线性函数中去，针对多种气体的吸收谱，支持向量机可以很好的处理非线性数据的准确分类。其它的方法如相关性分析，遗传算法，主成分分析法在分类识别领域也有许多相关的研究。

目前通用的气体检测方法有气相色谱法，电子鼻，激光光谱法，太赫兹气体分类方法相比于气象色谱仪/质谱仪具有检测速度快，装置轻便的特点，其结果较电子鼻更为准确直观，激光光谱法虽然检出极限很低，但是有很多极性气体在激光光谱范围无明显吸收峰，而由于太赫兹波段对于极性气体及气体中生物大分子较为灵敏，产生的振动转动指纹谱数据更方便做后期数据处理、识别。

发明内容

本发明是针对目前光谱检测技术对于检测气体吸收谱分辨率不够高，对混合气体或未知气体不能分类的问题，提出了一种基于太赫兹波的气体检测识别分类系统，通过太赫兹波与开放算法检测气体原子\分子并对其分类预测的方法，装置简单，操作容易，应用范围广。

本发明的技术方案为：一种基于太赫兹波的气体检测识别分类系统，激光光源输出超短脉冲激光经单色分束片，一部分反射作为泵浦光经过第一光路到达太赫兹发射系统，产生太赫兹波由第一抛物面镜组汇聚入密封气体腔内部，气体腔两侧入射和出射口是由聚苯乙烯窗片密封，密封气体腔下面有可抽真空的抽气口和注气的气体管，太赫兹波与气体在真空状态相互作用后，从气体腔入口对侧穿出窗片后由第二抛物面镜组收集到达太赫兹接收系统；单色分束片的另一部分透射作为探测光经过第二光路到达太赫兹接收系统，两路光光程相等时记录太赫兹信号，太赫兹接收系统采集干燥空气作为参考信号，采集待测气体作为样品信号，将两信号送计算机进行启发式算法分类识别，对未知的待测气体进行快速分类。

所述第一光路依次包括慢延迟线模块、快延迟线模块、第二衰减片、第二反射镜、第一凸透镜，通过调整慢延迟线模块和快延迟线模块，调整光程。所述第二光路依次包括第一反射镜，第一衰减片，第三反射镜，第二凸透镜。

所述太赫兹波发射系统选择利用非线性效应产生太赫兹波；或者利用光整流原理产生太赫兹波；或者光电导天线产生太赫兹波。

所述太赫兹接收系统选择使用电光采样探测法，或者光电导天线探测法。

所述启发式算法分类识别包括如下步骤：

1）由太赫兹接收系统接收到的太赫兹时域信号进行快速傅里叶变换转化为频谱，根据比尔朗博定律将其转化为吸收谱信号，由批处理脚本统一数据格式并归类建立数据库；

2）提取数据库信息导入软件；

3）设定训练集与测试集，在设定训练集时用启发式算法网格搜索法及遗传算法来搜寻最佳参数并分配不同权重，建立有效的训练模型后与测试库进行一一比对；

4）最后结合相关算法、主成分分析、投票统计学方法来确定样本的种类。

本发明的有益效果在于：本发明基于太赫兹波的气体检测识别分类系统，通过太赫兹波检测气体原子\分子的吸收谱线，并利用开放算法为内核的软件对多种气体谱线进行准确识别，分类预测，分辨率高，装置简单，容易操作，应用范围广。

附图说明

图1为本发明基于太赫兹波的气体检测识别分类系统实施例结构示意图；

图2为本发明启发式算法的流程图。

具体实施方式

如图1所示基于太赫兹波的气体检测识别分类系统实施例结构示意图，包括激光光源1，单色分束片2，反射镜A3，慢延迟线模块4，快延迟线模块5，衰减片A6，衰减片B7, 反射镜B8，凸透镜A9，太赫兹发射系统10，抛物面镜A11，压强传感器12，抛物面镜B13，太赫兹接收系统14，凸透镜B15，反射镜C16，抛物面镜C17，气体管18，气体腔19，抽气口20，抛物面镜D21，从激光光源1输出的超短脉冲激光经单色分束片2，一部分反射作为泵浦光依次经过慢延迟线模块4、快延迟线模块5、衰减片B7、反射镜B8、凸透镜A9到达太赫兹发射系统10，产生太赫兹波由抛物面镜A11、抛物面镜C17汇聚入气体腔19内部，气体腔19内装有压强传感器12，气体腔19两侧入射和出射口是由聚苯乙烯窗片密封，由真空泵从抽气口20将气体腔19抽成真空状态后，再通过气体管18注入某种气体，使太赫兹波与该气体相互作用，太赫兹波从入口对侧穿出窗片后由抛物面镜D21、抛物面镜B13收集到达太赫兹接收系统14；单色分束片2的另一部分透射作为探测光经过反射镜A3，衰减片A6，反射镜C16，凸透镜B15到达太赫兹接收系统14，两路光光程相等时记录太赫兹信号。重复两次上述步骤，第一次注入干燥空气作为参考信号，第二次注入待测气体作为样品信号，将两信号记录下来进行傅里叶变换，利用比尔朗伯定律计算待测气体的太赫兹吸收系数，将吸收系数导入软件中进行训练分类识别。由于太赫兹波与气体分子在密闭的腔内产生共振作用，气体原子周围的电子被激发产生跃迁，造成了分子的转动和振动，得到特征吸收峰，利用开放算法对大量种类的气体在超平面上分开训练得到预测模型，自动寻优，从而实现对未知的待测气体进行准确快速的分类。

激光器输出光中心波长为780 nm，光谱范围780-820 nm，脉冲宽度为50fs，重复频率100MHz，以中心波长为780 nm的飞秒激光利用光电导天线辐射出太赫兹波与气体在密闭腔中相互作用，并利用电光采样原理探测太赫兹波，利用上面的基于太赫兹波的气体检测识别分类系统用启发式算法进行训练分类识别，可对甲醇，一氧化碳，二氧化硫等任意一种极性气体进行分类。其他波段、其他太赫兹波辐射方法以及其他气体测试方法与该实施方法一致。

所述太赫兹波发射系统10，可以选择利用非线性效应产生太赫兹波，如气体等离子体辐射太赫兹波；或利用光整流原理产生太赫兹波，如铌酸锂晶体辐射太赫兹波；或光电导天线产生太赫兹波，如用低温生长的砷化镓制备光电导天线辐射太赫兹波。

所述太赫兹接收系统14，可以选择电光采样探测法（EO-Sampling），或者光电导天线探测法（PCA）。

如图2所示启发式算法的流程图，第一步由太赫兹接收系统14接收到的太赫兹时域信号进行快速傅里叶变换转化为频谱，根据比尔朗博定律将其转化为吸收谱信号，由批处理脚本统一数据格式并归类建立数据库。第二步提取数据库信息导入软件系统（启发式算法的软件，里面包括支持向量机，遗传算法等一系列算法）。第三步设定训练集与测试集，在设定训练集时用到启发式算法网格搜索法及遗传算法来搜寻最佳c、g参数并分配不同权重，建立有效的训练模型后与测试库进行一一比对。最后一步结合相关算法、主成分分析、投票等统计学方法来确定样本的种类。

所述软件采用启发式算法为核心算法进行改进，具有对多种气体样品的多分类以及对未知样品预测的功能。软件采用在支持向量机标准算法基础上整合遗传算法，网格搜索法，相关性分析，主成分分析，以及特征吸收峰识别及气体分子仿真，并授予不同的权重因子自动寻优，为多种气体识别分类给出较为准确的判断依据。

通过太赫兹波检测气体原子\分子的共振转动谱线，将其导入启发式算法软件中进行训练，从而对待测气体进行快速准确分类的气体检测方法。太赫兹波与气体分子在密闭的腔内产生共振作用，气体原子周围的电子被激发产生跃迁，造成了分子的转动和振动，得到特征吸收峰，利用开放式算法对大量种类的气体在超平面上分开训练得到预测模型，从而实现对未知的待测气体进行准确快速的分类。系统中采用了密闭腔、真空泵、压强监测装置以及自主开发的基于启发式算法的软件，使得太赫兹波与腔内气体可以在不同的压强条件下相互作用，并通过进一步的分类达到预测未知气体的功能。

Claims (6)

1.一种基于太赫兹波的气体检测识别分类系统，其特征在于，激光光源输出超短脉冲激光经单色分束片，一部分反射作为泵浦光经过第一光路到达太赫兹发射系统，产生太赫兹波由第一抛物面镜组汇聚入密封气体腔内部，气体腔两侧入射和出射口是由聚苯乙烯窗片密封，密封气体腔下面有可抽真空的抽气口和注气的气体管，太赫兹波与气体在真空状态相互作用后，从气体腔入口对侧穿出窗片后由第二抛物面镜组收集到达太赫兹接收系统；单色分束片的另一部分透射作为探测光经过第二光路到达太赫兹接收系统，两路光光程相等时记录太赫兹信号，太赫兹接收系统采集干燥空气作为参考信号，采集待测气体作为样品信号，将两信号送计算机进行启发式算法分类识别，对未知的待测气体进行快速分类。

2.根据权利要求1所述基于太赫兹波的气体检测识别分类系统，其特征在于，所述第一光路依次包括慢延迟线模块、快延迟线模块、第二衰减片、第二反射镜、第一凸透镜，通过调整慢延迟线模块和快延迟线模块，调整光程。

3.根据权利要求2所述基于太赫兹波的气体检测识别分类系统，其特征在于，所述第二光路依次包括第一反射镜，第一衰减片，第三反射镜，第二凸透镜。

4.根据权利要求1至3所述基于太赫兹波的气体检测识别分类系统，其特征在于，所述太赫兹波发射系统选择利用非线性效应产生太赫兹波；或者利用光整流原理产生太赫兹波；或者光电导天线产生太赫兹波。

5.根据权利要求1至3所述基于太赫兹波的气体检测识别分类系统，其特征在于，所述太赫兹接收系统选择使用电光采样探测法，或者光电导天线探测法。

6.根据权利要求1所述基于太赫兹波的气体检测识别分类系统，其特征在于，所述启发式算法分类识别包括如下步骤：

1）由太赫兹接收系统接收到的太赫兹时域信号进行快速傅里叶变换转化为频谱，根据比尔朗博定律将其转化为吸收谱信号，由批处理脚本统一数据格式并归类建立数据库；

2）提取数据库信息导入软件；

3）设定训练集与测试集，在设定训练集时用启发式算法网格搜索法及遗传算法来搜寻最佳参数并分配不同权重，建立有效的训练模型后与测试库进行一一比对；

4）最后结合相关算法、主成分分析、投票统计学方法来确定样本的种类。