CN109444092B - 运用太赫兹与激光联合识别油品种类的测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种运用太赫兹与激光联合识别油品种类的测试系统及方法，该系统包括：太赫兹单站时域光谱装置、激光诱导荧光光谱装置、样品放置装置、样品检测装置；太赫兹单站时域光谱装置与激光诱导荧光光谱装置共同使用一个激光源，太赫兹单站时域光谱装置将经过剖面镜扩束后的太赫兹波直接照射待测样品，激光诱导荧光光谱装置则将激光直接照射待测样品，生成待测样品的太赫兹时域信号以及荧光光谱，样品检测装置用于根据太赫兹时域光谱信号与荧光光谱对所述待测样品进行检测。本发明提出的检测识别系统可用于全部油品的测试识别，具有识别种类全面的特点，且准确率高、识别速度快、测试成本低，是一种具有应用前景的油品检测识别产品。
Description
技术领域
本发明涉及电磁与激光散射测试技术领域，特别涉及一种运用太赫兹与激光联合识别油品种类的测试系统及方法。
背景技术
在经济社会的发展中，油品的检测与识别在海洋油污的清理，原油提取，以及食品安全等领域起到了至关重要的作用。目前主要的检测识别技术激光诱导荧光光谱技术。运用太赫兹时域光谱技术进行油品种类的识别也已经在实验室内展开了基础研究，但两种检测技术各有优劣。
激光诱导荧光光谱技术利用不同品牌或者相同品牌不同型号的油品含有不一样的荧光团，受激发之后，其荧光光谱则会有不同的特征峰，通过对比荧光光谱图库或采用荧光比值法、特征波长比值法进行检测。该技术易实现、快速，高效，识别率高，但灵敏度较低，对激光光源的稳定性要求较高，并且识别油品种类有局限性。
太赫兹时域光谱技术利用太赫兹短脉冲透过样本材料后其波形幅值和相位的变化反映样本的材料特性。幅值和相位信息与样本的吸收系数和折射率直接相关，这样就可以直接得到物质的复折射率。该技术具有极高的信噪比，检测精度高，光子能量低，对石蜡等油品污染物的高透过性，具备其它波段光波所不具备的优点，但环境对测量的影响较大，且太赫兹波与油品相互作用的机理尚未完全掌握。
在现有的油品检测识别系统设计研发中，如一套基于太赫兹时域光谱技术的测试系统对不同型号的汽油与柴油，获取了汽油与柴油的光学参数，但获取的参数较少，分析较为复杂，混合油品的鉴别误差较大，检测效率低，实时性差。基于激光诱导荧光光谱原理，利用激光器发射波长为355nm的紫外激光，诱导九种常见机油样品发射荧光，利用主成分分析结合聚类分析法实现了对90组待识别光谱数据的快速识别，总识别率可达97.8％。但部分种类油品的识别率不足90％，且识别种类具有局限性。
为解决油品检测识别中所面临的上述问题，提出了一种基于太赫兹雷达单站散射截面测量机理，运用太赫兹时域光谱技术联合激光诱导荧光光谱技术来识别油品种类的测试系统。传统的测试系统通常仅使用其中一种技术，但基本没有解决各自检测技术所带了的不足，也不适合快速准确的识别油品种类，检测油品会耗费大量时间。如现有技术中提出的一种基于太赫兹时域光谱技术的检测系统，该系统需要将太赫兹波聚焦后测试样品，待测样品制作较为繁琐，且需要找太赫兹光斑位置，测试效率低，并不适合快速识别样品种类。现有技术中还提出的一种测试太赫兹时域光谱的设备通过透射式光路进行测试，导致调试获取目标信号较为繁琐，测试效率低，并且不适合大量样品的鉴别，成本较高。另，现有技术中提出的串行双光路激光诱导荧光光谱仪中所描述的一套测试系统，依然存在检测产品种类受限的问题，且操作复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种运用太赫兹与激光联合识别油品种类的测试系统及方法，以解决现有技术中油品识别检测的准确率稳定性较低以及受到单一技术局限性的影响，本发明是基于太赫兹单站散射测量机理，并运用太赫兹时域光谱技术联合激光诱导荧光光谱技术来识别油品种类的测试系统，从而可以在一次测试中得到油品更多的参数，并且可以对大量不同种类的油品进行识别，提升了准确率与速率。
为了达到上述目的，本发明提供了一种运用太赫兹与激光联合识别油品种类的测试系统，包含：
样品放置装置，放置待测样品；
太赫兹单站时域光谱装置，将扩束后的太赫兹波直接照射所述待测样品，生成待测样品的太赫兹时域信号；
激光诱导荧光光谱装置，将激光直接照射待测样品，生成所述待测样品的激光诱导荧光光谱；
样品检测装置，根据太赫兹时域光谱信号与荧光光谱对所述待测样品进行检测。
优选地，所述太赫兹单站时域光谱装置设置为太赫兹单站反射式测试光路。
优选地，所述激光诱导荧光光谱装置采用后向散射荧光光路。
优选地，所述太赫兹单站时域光谱装置与所述激光诱导荧光光谱装置共同使用一个作为激光源的飞秒激光器；
所述太赫兹单站时域光谱装置包含太赫兹波分束镜、太赫兹波发生器、第一离轴抛物面反射镜、时间延迟系统；
所述激光诱导荧光光谱装置包含光纤探头和光谱分析仪；
所述样品检测装置包含太赫兹波探测器和计算机；
其中，当进行目标识别测量时，飞秒激光器作为泵浦源产生激光脉冲，该激光脉冲经太赫兹波分束镜被分为以下三束：
第一束光为泵浦光，进入太赫兹波发生器，太赫兹波发生器产生的太赫兹波经过第一离轴抛物面反射镜进行波束的扩束和准直，再经过一个赫兹偏振片，实现目标的全照射；
第二束为探测光，通过时间延迟系统以改变其与泵浦光之间的光程差，在时间延迟系统中经过金属反射镜反射后，再通过另一离轴抛物面反射镜，沿着水平方向到达太赫兹波探测器，使得太赫兹波探测器对不同时刻的目标回波的电场强度进行取样，获得样品太赫兹时域信号，再将该样品太赫兹时域信号发送至计算机；
第三束光通过一个反光镜直接照射位于样品放置装置上的目标，生成的后向散射光被光纤探头所接收，经光谱分析仪进行分析处理，获得样品的激光诱导荧光光谱，计算机获取样品的激光诱导荧光光谱以及太赫兹时域信号，最终通过联合分析荧光光谱与太赫兹时域信号，进行油品种类的识别。
优选地，所述样品放置装置包含：
样品放置架，放置有待测样品；
金属平板，放置在所述样品放置架上端；所述待测样品涂抹在所述金属平板上；
三维转台，其上端放置有所述样品放置架；所述三维转台转动以带动所述待测样品移动。
优选地，所述三维转台包含：
水平平移台，与水平面平行；
垂直平移台，放置在所述水平平移台一侧端并与水平面垂直；
转台，放置在所述水平平移台上端；
俯仰台，放置在所述转台上端；所述样品放置架设置在所述俯仰台上端。
优选地，所述样品放置架设置为可拆卸式样品槽，固定所述金属平板，所述样品槽的材质为聚四氟乙烯材料。
优选地，所述金属平板的材质为金属铜板，涂抹在所述金属平板上的待测样品类型为石油、润滑油、机油、食用油中的一种或两种以上。
本发明还提供了一种采用如上文一项所述的运用太赫兹与激光联合识别油品种类的测试系统的油品种类检测方法，该方法包含以下步骤：
S401、将未涂抹待测样品的金属平板放置在三维转台之上进行测试，获取此时的金属平板的太赫兹时域信号作为参考信号；
S402、将涂抹有待测样品的金属平板放置在三维转台之上，调整金属平板的位置、金属平板与太赫兹波的角度以及进行俯仰，以获取涂抹金属平板后样品的最佳太赫兹时域信号与样品的激光诱导荧光光谱；
S403、对太赫兹时域参考信号与样品太赫兹时域测试信号进行傅里叶变换，得到太赫兹频域参考信号与样品太赫兹频域测试信号；
S404、根据太赫兹频域参考信号与样品太赫兹频域测试信号，生成待测样品的吸收率和折射率；
S405、对激光诱导荧光光谱曲线分别并基于激光诱导荧光光谱库，查找油品种类，通过获取折射率进行联合分析鉴别。
优选地，在所述步骤S404中，根据太赫兹频域参考信号与样品太赫兹时域测试信号，生成待测样品的吸收系数α(ω)和折射率n(ω)，包括：
其中，d为样品厚度，c为光速，ω为频率，Es(ω)与Er(ω)分别为太赫兹反射信号与参考信号的强度比值，T(n)为样品表面与空气界面的反射损耗。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过更换涂抹不同种类油品的金属平板，获取金属平板之上不同种类油品的太赫兹时域光谱信号与荧光光谱并进行联合分析，方便检测人员进行识别，克服了传统测试系统使用单一技术的局限性，提高了测试精度与识别准确率。
附图说明
图1本发明的一种太赫兹与激光联合识别油品种类的测试系统示意图。
图2本发明的待测样本制作示意图。
图3本发明的样品放置架结构示意图。
图4本发明的实施例中油品测试流程图。
图5本发明的实施例中太赫兹时域光谱的参考信号与样品的太赫兹时域光谱信号。
具体实施方式
本发明提供了一种运用太赫兹与激光联合识别油品种类的测试系统，为了使本发明更急明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明的一种运用太赫兹与激光联合识别油品种类的测试系统包含太赫兹单站时域光谱装置、激光诱导荧光光谱装置、样品放置装置和样品检测装置。
其中，太赫兹单站时域光谱装置将扩束后的太赫兹波直接照射待测样品，激光诱导荧光光谱装置则将激光直接照射待测样品，从而生成待测样品的太赫兹时域信号以及荧光光谱。样品检测装置用于根据太赫兹时域光谱信号与荧光光谱对待测样品进行检测。
太赫兹单站时域光谱装置包含太赫兹波分束镜2、太赫兹波发生器3、离轴抛物面反射镜4、赫兹偏振片5、时间延迟系统9、离轴抛物面反射镜7。太赫兹单站时域光谱装置为太赫兹单站反射式测试光路。
激光诱导荧光光谱装置包含光纤探头11以及光谱分析仪12。激光诱导荧光光谱装置采用后向散射荧光光路设计方式，即测得的是样品的后向散射荧光光谱。
太赫兹单站时域光谱装置与激光诱导荧光光谱装置共同使用一个激光源，该激光源可使用800nm飞秒激光器1。
样品检测装置包含太赫兹波探测器8以及计算机13等。
样品放置装置包括三维转台、样品放置架和金属平板；样品放置架放置在三维转台之上，用于放置待测样品；金属平板放置在样品放置架之上。通过控制三维转台带动待测样品进行移动，以调整太赫兹时域信号以及激光诱导荧光光谱的质量；且待测样品均匀涂抹在金属平板之上。
具体地，在进行目标识别测量时，飞秒激光器1作为泵浦源产生激光脉冲，该激光脉冲经太赫兹波分束镜2被分为三束：(1)第一束光为泵浦光，进入太赫兹波发生器3，太赫兹波发生器3产生的太赫兹波经过一个离轴抛物面反射镜4实现波束的扩束和准直，再经过一赫兹偏振片5，从而实现目标的全照射；(2)第二束为探测光，通过时间延迟系统9以改变其与泵浦光之间的光程差，在时间延迟系统9中经过金属反射镜反射后，再通过另一个离轴抛物面反射镜7，沿着水平方向到达太赫兹波探测器8，使得太赫兹波探测器8可以对不同时刻的目标回波的电场强度进行取样，获得样品太赫兹时域信号，再将该样品太赫兹时域信号发送至计算机13；(3)第三束光通过一个反光镜10直接照射位于样品放置装置6上的目标，波束直径10cm，生成的后向散射光被光纤探头11所接收，经光谱分析仪12分析处理，获得样品的激光诱导荧光光谱，计算机13获取样品的激光诱导荧光光谱以及太赫兹时域信号，最终通过联合分析激光诱导荧光光谱与太赫兹时域信号，进行油品种类的识别。
如图2和图3所示，样品检测放置装置6包括样品放置架62、金属平板60、俯仰台63、转台64、水平平移台65以及垂直平移台66。俯仰台63、转台64、水平平移台65以及垂直平移台66共同组成本发明的三维转台。
其中，水平平移台65与水平面平行，垂直平移台66放置在水平平移台65一侧端并与水平面垂直。转台64放置在水平平移台65上端，俯仰台63放置在转台64上端，样品放置架62放置在俯仰台63上端，样品放置架62上端放置有待测样品61和金属平板60。
本实施例中，通过调整俯仰台63、水平平移台65和垂直平移台66，可以改变待测样品61所在位置以及待测样品61摆放的姿态，便于寻找样品太赫兹时域光谱最佳信号。
在本实施例中，在三维转台之上放置一金属平板，金属平板的材质为金属铜板。在金属平板之上均匀涂抹不同种类的油品。油品可以选取各种类型，如石油、润滑油、机油、食用油等。
示例地，样品放置架62设置为可拆卸式样品槽，可将涂抹样品的金属平板固定。样品槽的材质为聚四氟乙烯材料，对太赫兹波的反射率基本为零，没有基底的多次反射，所以提高了检测的精度。
如图4所示，利用本发明实施例的太赫兹与激光联合测试系统进行油品检测的方法包括以下步骤：
S401、将未涂抹某油品的金属平板放置在三维转台之上进行测试，获取此时的金属平板的太赫兹时域信号作为参考信号。
S402、将涂抹有某油品的金属平板放置在三维转台之上，调整金属平板的位置、金属平板与太赫兹波的角度以及进行俯仰，以获取涂抹金属平板后样品的最佳太赫兹时域信号与样品的激光诱导荧光光谱。
S403、对太赫兹时域参考信号与样品太赫兹时域测试信号进行傅里叶变换，得到太赫兹频域参考信号与样品太赫兹频域测试信号。
S404、根据太赫兹频域参考信号与样品太赫兹频域测试信号，生成待测样品的吸收率和折射率。
S405、对激光诱导荧光光谱曲线较为丰富的油品可通过激光诱导荧光光谱库进行查找油品种类，对于区别较小的油品可通过获取折射率进行联合分析鉴别。
在步骤S401与步骤S402中，太赫兹时域参考信号与样品太赫兹时域测试信号如图5所示，P1表示太赫兹时域参考信号的变化曲线，P2表示样品太赫兹时域测试信号的变化曲线，其中横坐标表示时间(ps)，纵坐标表示强度(mV)。
在所述步骤S404中，根据太赫兹频域参考信号与样品太赫兹时域测试信号，生成待测样品的吸收系数α(ω)和折射率n(ω)，包括：
其中，d为样品厚度，c为光速，ω为频率，Es(ω)与Er(ω)分别为太赫兹反射信号与参考信号的强度比值，T(n)为样品表面与空气界面的反射损耗。
综上所述，本发明将太赫兹单站时域系统与激光诱导荧光光谱测试系统进行一体化设计，采用一次性测试获取更多样品参数的方法进行样品的检测识别。而且，采用本发明可进行大量不同种类的油品识别，测试简便，测试效率高，成本低，更换样品便捷，并且可重复使用，准确率高，抗干扰能力强。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (7)
1.一种运用太赫兹与激光联合识别油品种类的测试系统，其特征在于，包含：
样品放置装置，放置待测样品；
太赫兹单站时域光谱装置，将扩束后的太赫兹波直接照射所述待测样品，生成待测样品的太赫兹时域信号；
激光诱导荧光光谱装置，将激光直接照射待测样品，生成所述待测样品的激光诱导荧光光谱；
样品检测装置，根据太赫兹时域光谱信号与荧光光谱对所述待测样品进行检测；
所述太赫兹单站时域光谱装置设置为太赫兹单站反射式测试光路；
所述激光诱导荧光光谱装置采用后向散射荧光光路；
所述太赫兹单站时域光谱装置与所述激光诱导荧光光谱装置共同使用一个作为激光源的飞秒激光器（1）；
所述太赫兹单站时域光谱装置包含太赫兹波分束镜（2）、太赫兹波发生器（3）、第一离轴抛物面反射镜（4）、时间延迟系统（9）；
所述激光诱导荧光光谱装置包含光纤探头（11）和光谱分析仪（12）；
所述样品检测装置包含太赫兹波探测器（8）和计算机（13）；
其中，当进行目标识别测量时，飞秒激光器（1）作为泵浦源产生激光脉冲，该激光脉冲经太赫兹波分束镜（2）被分为以下三束：
第一束光为泵浦光，进入太赫兹波发生器（3），太赫兹波发生器（3）产生的太赫兹波经过第一离轴抛物面反射镜（4）进行波束的扩束和准直，再经过一个赫兹偏振片（5），实现目标的全照射；
第二束为探测光，通过时间延迟系统（9）以改变其与泵浦光之间的光程差，在时间延迟系统（9）中经过金属反射镜反射后，再通过另一离轴抛物面反射镜（7），沿着水平方向到达太赫兹波探测器（8），使得太赫兹波探测器（8）对不同时刻的目标回波的电场强度进行取样，获得样品太赫兹时域信号，再将该样品太赫兹时域信号发送至计算机（13）；
第三束光通过一个反光镜（10）直接照射位于样品放置装置（6）上的目标，生成的后向散射光被光纤探头（11）所接收，经光谱分析仪（12）分析处理，获得样品的激光诱导荧光光谱，计算机（13）获取样品的激光诱导荧光光谱以及太赫兹时域信号，最终通过联合分析荧光光谱与太赫兹时域信号，进行油品种类的识别。
2.如权利要求1所述的一种运用太赫兹与激光联合识别油品种类的测试系统，其特征在于，
所述样品放置装置包含：
样品放置架（62），放置有待测样品；
金属平板（60），放置在所述样品放置架（62）上端；所述待测样品涂抹在所述金属平板上；
三维转台，其上端放置有所述样品放置架（62）；所述三维转台转动以带动所述待测样品移动。
3.如权利要求2所述的一种运用太赫兹与激光联合识别油品种类的测试系统，其特征在于，
所述三维转台包含：
水平平移台（65），与水平面平行；
垂直平移台（66），放置在所述水平平移台（65）一侧端并与水平面垂直；
转台（64），放置在所述水平平移台（65）上端；
俯仰台（63），放置在所述转台（64）上端；所述样品放置架（62）设置在所述俯仰台（63）上端。
4.如权利要求2或3所述的一种运用太赫兹与激光联合识别油品种类的测试系统，其特征在于，
所述样品放置架（62）设置为可拆卸式样品槽，固定所述金属平板，所述样品槽的材质为聚四氟乙烯材料。
5.如权利要求2所述的一种运用太赫兹与激光联合识别油品种类的测试系统，其特征在于，
所述金属平板的材质为金属铜板，涂抹在所述金属平板上的待测样品类型为石油、润滑油、机油、食用油中的一种或两种以上。
6.一种采用如权利要求1-5任意一项所述的运用太赫兹与激光联合识别油品种类的测试系统的油品种类检测方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
S401、将未涂抹待测样品的金属平板放置在三维转台之上进行测试，获取此时的金属平板的太赫兹时域信号作为参考信号；
S402、将涂抹有待测样品的金属平板放置在三维转台之上，调整金属平板的位置、金属平板与太赫兹波的角度以及进行俯仰，以获取涂抹金属平板后样品的最佳太赫兹时域信号与样品的激光诱导荧光光谱；
S403、对太赫兹时域参考信号与样品太赫兹时域测试信号进行傅里叶变换，得到太赫兹频域参考信号与样品太赫兹频域测试信号；
S404、根据太赫兹频域参考信号与样品太赫兹频域测试信号，生成待测样品的吸收率和折射率；
S405、对激光诱导荧光光谱曲线分别并基于激光诱导荧光光谱库，查找油品种类，通过获取折射率进行联合分析鉴别。
7.如权利要求6所述的一种运用太赫兹与激光联合识别油品种类的测试系统，其特征在于，
在所述步骤S404中，根据太赫兹频域参考信号与样品太赫兹时域测试信号，生成待测样品的吸收系数α(ω)和折射率n(ω)，包括：
其中，d为样品厚度，c为光速，ω为频率，E s (ω)与E r (ω)分别为太赫兹反射信号与参考信号的强度比值，T(n)为样品表面与空气界面的反射损耗。
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