CN106295614A - 太赫兹波检测颗粒样品频谱散射线的去除算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹波检测颗粒样品频谱散射线的去除算法，针对太赫兹波检测颗粒样品时由于散射效应的存在，导致频率谱线随着频率增大而缓慢变高，在后期应用中提取特征谱线中特征峰的位置和峰高时会引入较大误差，从而无法准确地描述被测样品在太赫兹波段内的光谱特性这一问题，从太赫兹系统采集得到的时域或者频域信号，建立对应的数学模型，推导频谱散射线与频率之间的对应关系，最终得到去除散射线之后的特征谱线。可以提高被测样品的特征峰和峰高的提取精度。该方法简单易行，适用范围广，准确度高。

Description

太赫兹波检测颗粒样品频谱散射线的去除算法

技术领域

本发明涉及一种太赫兹波检测技术，特别涉及一种太赫兹波检测颗粒样品频谱散射线的去除算法。

背景技术

太赫兹波一般是指频率在0.1到10THz(1THz＝10¹²Hz)范围内的电磁波，在电磁波谱中位于微波与红外波之间。由于在这一波段电磁波具有光子能量低、透射性高、携带信息量丰富等特性，太赫兹波在很多领域都显示了其巨大的应用价值，如在天文观测、物质识别、安检以及通信等。目前，主要的应用研究有太赫兹时域光谱技术、太赫兹成像技术、安全检查、太赫兹雷达、天文学、通信技术。

目前，太赫兹系统可以分为采集得到的信息是时域信息和频域信息两类。采集得到的信息是时域信息时，将得到的太赫兹时域波形经过傅里叶变换后可以得到频域信息。根据两种系统得到的频域信息进行处理，获得材料在太赫兹波段的复介电常数，即色散及吸收等信息。

但是，当太赫兹波照射到颗粒状样品上时会发生散射现象，导致频域谱线会随着频率的增大而缓慢上升，在后期应用中提取特征谱线中特征峰的位置和峰高时会引入较大误差，从而无法准确地描述被测样品在太赫兹波段内的光谱特性。但是目前，国内外使用太赫兹波对颗粒状样品进行物质成分测定分析时，只考虑了物质本身的吸收特性，而忽略了散射效应的影响，物质成分测定分析的精确度低。

发明内容

本发明是针对太赫兹波检测颗粒样品时由于散射效应的存在，导致频率谱线随着频率增大而缓慢变高，在后期应用中提取特征谱线中特征峰的位置和峰高时会引入较大误差，从而无法准确地描述被测样品在太赫兹波段内的光谱特性的问题，提出了一种太赫兹波检测颗粒样品频谱散射线的去除算法，从太赫兹系统采集得到的时域或者频域信号，建立对应的数学模型，推导频谱散射线与频率之间的对应关系，最终得到去除散射线之后的特征谱线。

本发明的技术方案为：一种太赫兹波检测颗粒样品频谱散射线的去除算法，太赫兹系统测试信号为时域信号时，去除频谱散射线具体步骤包括为：

1)检测系统在未放置样品的情况下，扫描得到太赫兹时域参考信号R_Time(t)，对其进行傅里叶变换后，得到参考频域信息R_Time(ω)，根据平均频率计算公式求得参考频谱信号平均频率μ_{r_Time}；

2)在相同的检测系统中，放置被测样品后，扫描得到太赫兹时域测试信号S_{S_Time}(t)，对其进行傅里叶变换后，得到测试频域信息S_{S_Time}(ω)，根据平均频率计算公式求得测试频谱信号平均频率μ_{S_Time}；

3)计算得采集信号为时域信息的太赫兹系统检测颗粒样品时的特征谱线α_Time(ω)；

4)计算得采集信号为时域信息的太赫兹系统检测颗粒样品时的频谱散射线α_{S_Time}(ω)；

5)用步骤3)所得实际测得的被测样品特征谱线减去频谱散射线α_{S_Time}(ω)，得到最终的样品特征谱。

所述太赫兹波检测颗粒样品频谱散射线的去除算法，太赫兹系统测试信号为频域信号时，去除频谱散射线具体步骤包括为：

A：检测系统在未放置样品的情况下，直接获得参考频谱信号R_Freq(ω)，根据平均频率计算公式，求得参考频谱信号平均频率μ_{r_Freq}；

B：在相同的检测系统中，放置被测样品后，获得被测频谱信息S_{S_Freq}(ω)；同样，根据平均频率计算公式，求得测试频谱信号平均频率μ_{s_Freq}；

C：计算得采集信号为时域信息的太赫兹系统检测颗粒样品时的特征谱线α_Freq(ω)；

D：计算得采集信号为时域信息的太赫兹系统检测颗粒样品时的频谱散射线α_{S_Freq}(ω)；

E：用步骤C所得实际测得的被测样品特征谱线减去频谱散射线α_{S_Freq}(ω)，得到最终的样品特征谱。

所述太赫兹系统检测颗粒样品时的频谱散射线α_S(ω)公式如下：

${\mathrm{\α}}_S\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\mathrm{\π}({{\mathrm{\μ}}_r}^2-{{\mathrm{\μ}}_S}^2)}{4{{\mathrm{d\μ}}_r}^2{{\mathrm{\μ}}_S}^2}{\mathrm{\ω}}^2,$

其中μ_r为根据平均频率计算公式求得参考频谱信号平均频率，μ_S为根据平均频率计算公式求得测试频谱信号平均频率，d为被测样品的厚度。

本发明的有益效果在于：本发明太赫兹波检测颗粒样品频谱散射线的去除算法，可以提高被测样品的特征峰和峰高的提取精度。该方法简单易行，适用范围广，准确度高。

附图说明

图1为本发明太赫兹时域光谱系统对样品进行太赫兹波检测时，未放置样品时，得到的参考时域图；

图2为本发明太赫兹时域光谱系统对样品进行太赫兹波检测时，放置样品时，得到的参考时域图；

图3为本发明太赫兹系统检测颗粒样品时的频谱散射线图；

图4为本发明得到采集信号为时域信息的太赫兹系统进行太赫兹波检测时去除频谱散射线后的被测样品特征谱线图；

图5为本发明使用红外光谱系统对样品进行太赫兹波检测时，未放置样品时，直接获得的参考频谱图；

图6为本发明红外光谱系统对样品进行太赫兹波检测时，放置样品时，直接获得的参考频谱图；

图7为本发明得到采集信号为频域信息的太赫兹系统检测颗粒样品时的频谱散射线图；

图8为本发明使用红外光谱系统对颗粒样品进行太赫兹波检测时去除频谱散射线后的被测样品特征谱线图。

具体实施方式

实施例1:本发明所用的采集信号为时域信息的太赫兹系统，以太赫兹时域光谱系统(TDS)为例，其它采集信号为时域信息的太赫兹系统处理方法与之类似。所用的被测样品成分为C5爆炸物，厚度为1mm。

TDS系统对样品进行太赫兹波检测时，未放置样品时，得到参考时域信息R_TDS(t)，如图1。经过傅里叶变换后，可以得到参考频谱信号R_TDS(ω)。

根据下面平均频率计算公式，求得参考频谱信号平均频率μ_{r_TDS}：

$\mathrm{\μ}=\frac{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}\mathrm{\ω}R\left(\mathrm{\ω}\right)d\mathrm{\ω}}{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}R\left(\mathrm{\ω}\right)d\mathrm{\ω}}.$

在同一检测系统中，放入被测样品后，得到测试时域信息S_{S_TDS}(t)，如图2。经过傅里叶变换后，可以得到测试频谱信号S_{S_TDS}(ω)。根据相同的平均频率计算公式，求得测试频谱信号平均频率μ_{S_TDS}。

采集信号为时域信息的太赫兹系统检测颗粒样品时的特征谱线为：

${\mathrm{\α}}_{TDS}\left(\mathrm{\ω}\right)=-\frac{1}{d}ln\[\frac{S_{S\_TDS}\left(\mathrm{\ω}\right)}{R_{TDS}\left(\mathrm{\ω}\right)}\]$

其中，d＝1mm，为被测样品的厚度。

根据太赫兹信号数学模型可以计算得采集信号为时域信息的太赫兹系统检测颗粒样品时的频谱散射线，如图3：

${\mathrm{\α}}_{S\_TDS}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\mathrm{\π}({{\mathrm{\μ}}_{r\_TDS}}^2-{{\mathrm{\μ}}_{S\_TDS}}^2)}{4{{\mathrm{d\μ}}_{r\_TDS}}^2{{\mathrm{\μ}}_{r\_TDS}}^2}{\mathrm{\ω}}^2$

最后，得到采集信号为时域信息的太赫兹系统对颗粒样品进行太赫兹波检测时去除频谱散射线后的被测样品特征谱线，如图4：

α₀(ω)＝α_TDS(ω)-α_{S_TDS}(ω)。

实施例2:本发明所用的采集信号为频域信息的太赫兹系统，以傅里叶变换红外光谱系统(FTIR)为例，其它采集信号为频域信息的太赫兹系统处理方法与之类似。所用的被测样品成分为谷氨酸，厚度为1mm。

使用FTIR对样品进行太赫兹波检测时，在不放置样品的情况下，可以直接获得参考频谱信号R_FTIR(ω),如图5,根据平均频率计算公式，求得参考频谱信号平均频率μ_{r_FTIR}。

在同一检测系统中，放入被测样品后，可以获得被测频谱信息S_{S_FTIR}(ω),如图6。同样，根据平均频率计算公式，求得测试频谱信号平均频率μ_{s_FTIR}。

采集信号为频域信息的太赫兹系统检测颗粒样品时的特征谱线为：

${\mathrm{\α}}_{FTIR}\left(\mathrm{\ω}\right)=-\frac{1}{d}ln\[\frac{S_{S\_FTIR}\left(\mathrm{\ω}\right)}{R_{FTIR}\left(\mathrm{\ω}\right)}\]$

如图7，根据太赫兹信号数学模型可以计算得到采集信号为频域信息的太赫兹系统检测颗粒样品时的频谱散射线为：

${\mathrm{\α}}_{S\_FTIR}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\mathrm{\π}({{\mathrm{\μ}}_{r\_FTIR}}^2-{{\mathrm{\μ}}_{S\_FTIR}}^2)}{4{{\mathrm{d\μ}}_{r\_FTIR}}^2{{\mathrm{\μ}}_{S\_FTIR}}^2}{\mathrm{\ω}}^2$

最后，得到使用FTIR系统对颗粒样品进行太赫兹波检测时去除频谱散射线后的被测样品特征谱线，如图8：

α₀(ω)＝α_FTIR(ω)-α_{S_FTIR}(ω)。

Claims (3)

1.一种太赫兹波检测颗粒样品频谱散射线的去除算法，其特征在于，太赫兹系统测试信号为时域信号时，去除频谱散射线具体步骤包括为：

1)检测系统在未放置样品的情况下，扫描得到太赫兹时域参考信号R_Time(t)，对其进行傅里叶变换后，得到参考频域信息R_Time(ω)，根据平均频率计算公式求得参考频谱信号平均频率μ_{r_Time}；

2)在相同的检测系统中，放置被测样品后，扫描得到太赫兹时域测试信号S_{S_Time}(t)，对其进行傅里叶变换后，得到测试频域信息S_{S_Time}(ω)，根据平均频率计算公式求得测试频谱信号平均频率μ_{S_Time}；

3)计算得采集信号为时域信息的太赫兹系统检测颗粒样品时的特征谱线α_Time(ω)；

4)计算得采集信号为时域信息的太赫兹系统检测颗粒样品时的频谱散射线α_{S_Time}(ω)；

5)用步骤3)所得实际测得的被测样品特征谱线减去频谱散射线α_{S_Time}(ω)，得到最终的样品特征谱。

2.根据权利要求1所述太赫兹波检测颗粒样品频谱散射线的去除算法，其特征在于，太赫兹系统测试信号为频域信号时，去除频谱散射线具体步骤包括为：A：检测系统在未放置样品的情况下，直接获得参考频谱信号R_Freq(ω)，根据平均频率计算公式，求得参考频谱信号平均频率μ_{r_Freq}；

B：在相同的检测系统中，放置被测样品后，获得被测频谱信息S_{S_Freq}(ω)；同样，根据平均频率计算公式，求得测试频谱信号平均频率μ_{s_Freq}；

C：计算得采集信号为时域信息的太赫兹系统检测颗粒样品时的特征谱线α_Freq(ω)；

D：计算得采集信号为时域信息的太赫兹系统检测颗粒样品时的频谱散射线α_{S_Freq}(ω)；

E：用步骤C所得实际测得的被测样品特征谱线减去频谱散射线α_{S_Freq}(ω)，得到最终的样品特征谱。

3.根据权利要求1或2所述太赫兹波检测颗粒样品频谱散射线的去除算法，其特征在于，所述太赫兹系统检测颗粒样品时的频谱散射线α_S(ω)公式如下：

${\mathrm{\α}}_S\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\mathrm{\π}({{\mathrm{\μ}}_r}^2-{{\mathrm{\μ}}_S}^2)}{4{{\mathrm{d\μ}}_r}^2{{\mathrm{\μ}}_S}^2}{\mathrm{\ω}}^2,$

其中μ_r为根据平均频率计算公式求得参考频谱信号平均频率，μ_S为根据平均频率计算公式求得测试频谱信号平均频率，d为为被测样品的厚度。