CN111735792A - 一种利用太赫兹技术检测叶片自由水、结合水含量的方法 - Google Patents
一种利用太赫兹技术检测叶片自由水、结合水含量的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111735792A CN111735792A CN202010814290.9A CN202010814290A CN111735792A CN 111735792 A CN111735792 A CN 111735792A CN 202010814290 A CN202010814290 A CN 202010814290A CN 111735792 A CN111735792 A CN 111735792A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- blade
- terahertz
- water
- measured
- free water
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 126
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 93
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 62
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 34
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 14
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 13
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 8
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims description 8
- 238000001328 terahertz time-domain spectroscopy Methods 0.000 claims description 7
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims description 6
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 claims description 6
- 238000009499 grossing Methods 0.000 claims description 5
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 claims description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 3
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 2
- 238000001453 impedance spectrum Methods 0.000 claims description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 2
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 claims description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 14
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 abstract description 3
- 241000219475 Bougainvillea Species 0.000 description 31
- 241001316288 Bougainvillea spectabilis Species 0.000 description 15
- 150000003445 sucroses Chemical class 0.000 description 12
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 10
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 10
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 238000000701 chemical imaging Methods 0.000 description 5
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 5
- 238000005102 attenuated total reflection Methods 0.000 description 4
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 4
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 3
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 3
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 2
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 2
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000010298 pulverizing process Methods 0.000 description 2
- 238000007873 sieving Methods 0.000 description 2
- 238000009777 vacuum freeze-drying Methods 0.000 description 2
- 238000000342 Monte Carlo simulation Methods 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical group [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012271 agricultural production Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 210000002615 epidermis Anatomy 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000002223 garnet Substances 0.000 description 1
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- -1 silicon prism-saturated sucrose Chemical class 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 210000003462 vein Anatomy 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3554—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for determining moisture content
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3554—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for determining moisture content
- G01N21/3559—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for determining moisture content in sheets, e.g. in paper
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3563—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing solids; Preparation of samples therefor
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
- G01N21/3586—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation by Terahertz time domain spectroscopy [THz-TDS]
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N2021/8466—Investigation of vegetal material, e.g. leaves, plants, fruits
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A40/00—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production
- Y02A40/10—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production in agriculture
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明涉及一种利用太赫兹技术检测叶片自由水、结合水含量的方法，属于太赫兹光谱检测领域。该方法包括：S1：获取待测叶片中自由水、结合水、固体物质和气体的真实介电函数εF(ω)、εB(ω)、εS(ω)和εG(ω)；S2：获取太赫兹波在待测叶片表面反射系数及内部散射系数；S3：获取待测叶片厚度d；S4：建立关于待测叶片的等效传递函数幅值；S5：获取待测叶片的真实传递函数的幅值；S6：利用随机优化算法调整叶片中四者含量百分比，使叶片等效传递函数的幅值与测量所得的叶片真实传递函数的幅值之差最小，得到aF(ω)、aB(ω)、aS(ω)和aG(ω)的值。本发明可以提供自由水、结合水、固体物质和气体含量的直观分布图像，提高检测精度。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹光谱检测领域，涉及一种基于太赫兹光谱成像技术及随机优化算法的定量检测叶片自由水、结合水含量以及含量分布情况的方法。
背景技术
植物体内的水包含自由水、结合水两种。定量评估叶片自由水与结合水的空间、时间变异性有助于了解植物在正常和胁迫条件下对环境变化的响应。
阿贝折射法和称重法作为传统的叶片自由水及结合水含量定量测量方法，简单可靠，但该方法具有破坏性，无法获得实时结果，不适合在温室或田间进行连续无创监测，此外该方法只能给出自由水、结合水含量的整体特征，无法提供空间分布信息。随着光谱技术的发展，近红外光谱、高光谱等基于电磁波谱的无损检测方法满足了农业生产中对实时、原位监测的需求。其中太赫兹波在水中有强衰减，已经证实其在水识别和物质检测中具有极大潜力。但现有的基于太赫兹光谱的叶片检测，仅能对叶片总含水量进行分析，无法获取自由水和结合水的含量信息，同时，现有太赫兹检测均将叶片看作简单平板，忽略了叶片的内部结构。
为了弥补现有技术在叶片自由水、结合水检测方面的空白，完善基于太赫兹技术的叶片检测方法，基于自由水和结合水在太赫兹波段的介电性质存在客观差异，本发明提供了一种基于太赫兹光谱成像技术的叶片自由水、结合水含量定量分析方法，该方法考虑了叶片精细结构，可以有效计算叶片中自由水、结合水固体物质及气体物质体积百分比的精确值，同时可以提供该四组份含量的直观分布图像。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于太赫兹光谱成像技术的叶片自由水、结合水含量定量分析方法，利用太赫兹光谱成像技术实现对植物叶片自由水、结合水、固体物质及气体含量的非接触、无损测量；同时直观展示自由水、结合水固体物质及气体含量的空间分布状态。本发明用于植物叶片状态的长期原位检测，为精准农业和智慧农业提供技术支持。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种利用太赫兹技术检测叶片自由水、结合水含量的方法，其具体包括以下步骤：
S1：获取待测叶片中自由水、结合水、固体物质和气体的真实介电函数εF(ω)、εB(ω)、εS(ω)和εG(ω)；其中εG(ω)＝1；
S2：获取太赫兹波在待测叶片表面反射系数αr及内部散射系数αs；
S3：获取待测叶片厚度d；
S4：根据基本电方程、太赫兹光学常数提取模型及有效介质模型(如扩展的Landau-Lifshize-Looyenga模型、Maxwell-Garnet模型、Bruggeman模型等)建立关于待测叶片的等效传递函数幅值|TLe(ω)|的函数：
|TLe(ω)|＝f(aF，aB，aS，aG，εF(ω)，εB(ω)，εS(ω)，εG(ω)，d，αs(ω)，αr(ω))
其中，aF、aB、aS和aG分别表示自由水、结合水、固体物质和气体含量百分比；TLe(ω)表示叶子的等效传递函数，ω为角频率，αs(ω)、αr(ω)为待测叶片的内部散射系数和表面反射系数；其中，εF(ω)，εB(ω)，εS(ω)，εG(ω)，d，αs(ω)，αr(ω)的数值由实验获取。
S5：获取待测叶片的真实传递函数的幅值|TLm(ω)|；
S6：利用随机优化算法(如粒子群算法、遗传算法、神经网络算法、蚁群算法等)，调整叶片中的自由水、结合水、固体物质、气体四者含量百分比，使叶片等效传递函数的幅值|TLe(ω)|与测量所得的叶片真实传递函数的幅值|TLm(ω)|之差最小，从而得到aF、aB、aS和aG的值，以此反映叶片内四种物质的真实含量；
S7：采集待测叶片中每一点的太赫兹光谱信号，重构整合后获取反映叶片真实自由水、结合水、固体物质和气体含量的含量分布图。
进一步，步骤S1中，获取待测叶片自由水的真实介电函数εF(ω)，具体包括：
1)采用搭载表面全反射模块的太赫兹时域光谱系统采集参考光谱和去离子水的太赫兹时域光谱；对所得的太赫兹时域光谱进行转换和处理，得到去离子水的介电函数；
2)重复步骤1)中三次，并将三次结果的平均值作为自由水的介电函数。
进一步，步骤S1中，获取待测叶片结合水的真实介电函数εB(ω)，具体包括：
1)配制饱和糖溶液；
2)采用搭载表面全反射模块的太赫兹时域光谱系统采集参考光谱和步骤1)中饱和糖溶液的太赫兹时域光谱；对所得的太赫兹时域光谱进行转换和处理，得到饱和糖溶液的介电函数；
3)重复步骤2)三次，并将三次结果的平均值作为结合水的介电函数。
进一步，步骤S1中，获取待测叶片固体物质的真实介电函数εS(ω)，具体包括：
1)制备叶片固体压片：从同一物种不同植株采集不同位置上的新鲜植物叶片，置于-80℃冰箱冷冻24小时，真空冷冻干燥至恒重；取叶肉部分，粉碎，过筛，压片；获得叶片固体物质压片；
2)获取固体物质压片厚度信息：在压片上选取5-10个不同的点测量其厚度，取均值作为该固体物质压片的厚度信息；
3)采用太赫兹时域光谱系统采集参考光谱和步骤1)中固体压片的太赫兹时域光谱；对所得的太赫兹时域光谱进行转换和处理，得到对应的压片介电光谱；
4)重复步骤3)三次，并将三次结果的平均值作为该固体压片的介电函数；
5)对步骤1)中获取的各压片重复步骤4)，并对所得结果进行平均，作为叶片固体物质的介电函数。
进一步，所述步骤S2具体包括：建立以细胞为单位的叶片三维模型，利用仿真方法(FDTD仿真或蒙特卡洛模拟等)，获得太赫兹波在叶片表面的反射系数αr及内部散射系数αs。
进一步，所述步骤S3具体包括：在待测叶片样本上取10～25个不同的点测量厚度，取所有厚度值的平均值作为待测叶片样本的厚度d。
进一步，步骤S4中，建立的关于待测叶片的等效介传递函数幅值|TLe(ω)|为：
其中，d为待测叶片厚度，c为光速，εLe(ω)为待测叶片的等效介电函数；αs(ω)、αr(ω)为待测叶片的内部散射系数和表面反射系数。
进一步，步骤S5中，获取待测叶片的真实传递函数TLm(ω)，具体包括：采用太赫兹时域光谱系统采集参考光谱，结合二维平移台采集待测叶片样本的时域光谱数据集，对所得的太赫兹时域光谱数据集进行转换和处理，得到对应的太赫兹传递函数集。
更进一步，所述转换和处理为：将所采集的太赫兹时域光谱进行傅里叶变换，转换成对应的太赫兹频域光谱，然后根据太赫兹频域光谱提取太赫兹传递函数或太赫兹介电函数，再对传递函数或太赫兹介电函数进行平滑处理。
本发明的有益效果在于：本发明考虑了叶片精细结构，可以有效计算叶片中自由水、结合水固体物质及气体物质体积百分比的精确值，同时可以提供该四组份含量的直观分布图像。本发明利用太赫兹光谱成像技术实现对植物叶片自由水、结合水、固体物质及气体含量的非接触、无损测量；同时直观展示自由水、结合水固体物质及气体含量的空间分布状态。本发明实现了基于太赫兹光谱成像技术的叶片自由水、结合水、固体物质、气体含量定量成像分析，具体优点包括：
1)与传统的检测方法相比本方法具有无损、快速等优点；
2)实现基于太赫兹光谱的自由水、结合水含量检测；
3)单次检测即可同时获得叶片自由水，结合水，固体物质，气体四组份含量的精确值；
4)同时可以提供自由水，结合水，固体物质，气体四组份含量的直观分布图像；
5)考虑太赫兹波在叶片表面的反射及在叶片内部的散射效应，提高检测精度。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1，本发明优选一种基于太赫兹成像技术定量分析三角梅叶片成分分布情况的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：本实施例选用T-ray 5000太赫兹时域光谱系统，激光器为钛蓝宝石激光器，飞秒激光脉冲中心波长为1064nm，脉宽80fs，重复频率100MHz，输出功率20mW，光谱分辨率12.5GHz，有效频率带宽0-3.5THz。本案实施过程中，其他太赫兹时域光谱仪同样适用。
步骤2：获取自由水的真实介电函数εF(ω)
1)采集去离子水的太赫兹频域光谱信号
将衰减全反射测量模块置于太赫兹光谱系统测量光路中，用滴管吸取1mL去离子水滴于硅棱镜表面，使去离子水均匀覆盖硅棱镜表面，采集光谱信号，经过傅里叶变换后作为去离子水的太赫兹频域光谱信号。
2)采集去离子水的参考太赫兹频域光谱信号
将衰减全反射测量模块置于太赫兹光谱系统测量光路中，采集光谱信号，经过傅里叶变换后作为模块的太赫兹频域光谱信号，即去离子水的参考太赫兹频域光谱信号。
3)根据以下公式计算εF(ω)，并对所得结果进行平滑处理
εF(ω)＝[nF(ω)+ikF(ω)]2
其中，nF(ω)为水的折射率，kF(ω)为水的消光系数，ω为角频率。
其中，AW(ω)为去离子水传递函数的幅值，即步骤1)中去离子水的太赫兹频域光谱信号和步骤2)中去离子水的参考太赫兹频域光谱信号之比的幅值，r和r′分别为硅棱镜-水界面和硅棱镜-空气界面的菲涅尔折射系数。
其中，nsi为硅的折射率，θ＝51.6°为THz波的入射角。
4)重复上述过程3次，并取其平均结果作为自由水的真实介电函数。
步骤3：获取结合水的真实介电函数εB(ω)
1)配置5ml饱和蔗糖溶液；
2)采集饱和蔗糖溶液的太赫兹频域光谱信号
将衰减全反射测量模块置于太赫兹光谱系统测量光路中，用滴管吸取1mL饱和蔗糖溶液滴于硅棱镜表面，使饱和蔗糖溶液均匀覆盖硅棱镜表面，采集光谱信号，经过傅里叶变换后作为饱和蔗糖溶液的太赫兹频域光谱信号；
3)采集饱和蔗糖溶液的参考太赫兹频域光谱信号
将衰减全反射测量模块置于太赫兹光谱系统测量光路中，采集光谱信号，经过傅里叶变换后作为模块的太赫兹频域光谱信号，即饱和蔗糖溶液的参考太赫兹频域光谱信号；
4)根据以下公式计算εB(ω)，并对所得结果进行平滑处理
εB(ω)＝[nB(ω)+ikB(ω)]2
其中，nB(ω)为饱和蔗糖溶液的折射率，kB(ω)为饱和蔗糖溶液的消光系数，ω为角频率。
其中，AB(ω)为饱和蔗糖溶液传递函数的幅值，即步骤1)中饱和蔗糖溶液的太赫兹频域光谱信号和步骤2)中去饱和蔗糖溶液的参考太赫兹频域光谱信号之比的幅值，r和r′分别为硅棱镜-饱和蔗糖溶液界面和硅棱镜-空气界面的菲涅尔折射系数，ω为角频率；
其中，nsi为硅的折射率，θ＝51.6°为THz波的入射角。
5)重复上述过程3次(步骤2)-4))，并取其平均结果作为结合水的真实介电函数；
步骤4：获取三角梅叶片固体物质的真实介电函数
1)制备叶片固体物质压片
从不同三角梅植株采集不同位置上的新鲜植物叶片20片，置于-80℃冰箱冷冻24h后真空冷冻干燥至恒重，取各三角梅叶片叶肉部分混合后粉碎，过筛，压片，获得5片三角梅叶片固体物质压片。
2)采集三角梅叶片固体物质压片的太赫兹频域光谱信号
将步骤1)中获得的一片三角梅叶片固体物质压片放入样品架内，置于太赫兹光谱系统测量光路中，采集光谱信号，傅里叶变换后作为该三角梅叶片固体物质压片的太赫兹频域光谱信号。
3)采集三角梅叶片固体物质压片的参考太赫兹频域光谱信号
将样品架置于太赫兹光谱系统测量光路中，采集光谱信号，傅里叶变换后作为样品架的太赫兹频域光谱信号，即三角梅叶片固体物质压片的参考太赫兹频域光谱信号。
4)采集三角梅叶片固体物质压片的厚度信息
在步骤1)中一片叶片固体物质压片上选取5个不同的点测量厚度，取所得厚度值的平均值作为该三角梅叶片固体物质压片的厚度。
5)根据以下公式计算εs(ω)，并对所得结果进行平滑处理
εS(ω)＝[nS(ω)+ikS(ω)]2
其中，nS(ω)为叶片固体物质的折射率，kS(ω)为叶片固体物质的消光系数，ω为角频率。
其中，AS(ω)和
分别为叶片固体物质传递函数的幅值和相位，所述叶片固体物质传递函数的值等于步骤2)中所述叶片固体物质的太赫兹频域光谱信号和步骤3)中所述叶片固体物质的参考太赫兹频域光谱信号之比，ω为角频率，dS为步骤4)中叶片固体物质压片的厚度，c为太赫兹波在空气中的传播速度；
6)重复上述过程3次(步骤2)～5))，并取其平均结果作为该固体压片的介电函数；
7)对1)中所述的各三角梅叶片固体物质压片均参照第一片三角梅叶片固体物质压片方法进行处理(步骤2)～6))，从而获得步骤1)中各三角梅叶片固体物质压片的介电函数；对各固体压片的介电函数取平均值，作为叶片固体物质的真实介电函数。
步骤5：获取太赫兹波在三角梅叶片表面反射系数αr及内部散射系数αs
根据光学显微镜观察的并记录三角梅叶肉、表皮及叶脉细胞几何形貌、密度、层数，并且利用MATLAB软件构建以细胞为单位的三角梅叶片模型。利用蒙特卡洛模拟太赫兹脉冲在叶片中随机行走的过程，利用统计学分析获得THz在叶片模型中的反射αr与散射系数αs。
步骤6：获取三角梅叶片的真实传递函数的幅值|TLm(ω)|
1)采集待测三角梅叶片样本的太赫兹频域光谱信号数据集
将待测三角梅叶片样本固定在二维平移台上后，置于太赫兹光谱系统测量光路中，移动所述二维平移台，以扫描步进0.25mm，扫描速度50mm/s对待测三角梅叶片样本进行扫描，采集光谱信号，获得待测三角梅叶片样本的时域光谱数据集，将待测三角梅叶片样本的时域光谱数据集通过傅里叶变换，转换成对应的频域光谱数据集，作为待测三角梅叶片样本的太赫兹频域光谱信号数据集；
2)采集待测三角梅叶片样本的参考太赫兹频域光谱信号
将二维平移台置于太赫兹光谱系统测量光路中，采集光谱信号，重复上述操作2次，获得3个二维平移台的时域光谱数据，将3个二维平移台的时域光谱数据分别通过傅里叶变换，转换成对应的频域光谱数据，取三者处理后数据的平均结果，作为二维平移台的太赫兹频域光谱信号，即待测三角梅叶片样本的参考太赫兹频域光谱信号；
3)步骤1)中待测三角梅叶片样本的太赫兹频域光谱信号和步骤2)中待测三角梅叶片样本的参考太赫兹频域光谱信号之比的幅值即为三角梅叶片的真实传递函数的幅值|TLm(ω)|。
步骤7：获取三角梅叶片的等效传递函数的幅值|TLe(ω)|
1)基于三角梅叶片中的自由水、结合水、固体物质、气体三者含量百分比及三者的太赫兹频谱会影响整个三角梅叶片的太赫兹频谱，根据有扩展的Landau-Lifshize-Looyenga模型建立三角梅叶片的等效介电函数：
其中，aF、aB、aS和aG分别代表三角梅叶片中自由水、结合水、固体物质和气体含量百分比；εF(ω)、εB(ω)、εS(ω)和εG(ω)分别代表三角梅叶片中自由水、结合水、固体物质和气体的真实介电函数，其中εG(ω)＝1；ω为角频率。
2)采集待测三角梅叶片样本的厚度信息
在待测三角梅叶片样本上取15个不同的点测量厚度，取所有厚度值的平均值作为待测三角梅叶片样本的厚度。
3)根据下式获得等效传递函数的幅值|TLe(ω)|
其中，d为步骤2)中获得的三角梅叶片厚度；c为光速；εLe(ω)为1)中获得的三角梅叶片的等效介电函数；αs(ω)、αr(ω)为5中获得的三角梅叶片的散射系数和反射系数。
步骤8：利用粒子群算法，调整三角梅叶片中的自由水、结合水、固体物质、气体四者含量百分比，使三角梅叶片等效传递函数的幅值|TLe(ω)|与三角梅叶片的真实传递函数的幅值|TLm(ω)|之差最小，从而得到aF、aB、aS和aG的值，以此反映三角梅叶片中内四种物质的真实含量，各三角梅叶片样本中四者的真实含量参见表1。
表1
步骤9：对待样本1中每一像素点的光谱信息进行计算、分析、重组，获得能够定量反映该样本中自由水，结合水，固体物质，气体含量空间分布情况的可视化图像。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种利用太赫兹技术检测叶片自由水、结合水含量的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1：获取待测叶片中自由水、结合水、固体物质和气体的真实介电函数εF(ω)、εB(ω)、εS(ω)和εG(ω)；
S2：获取太赫兹波在待测叶片表面反射系数αr及内部散射系数αs；
S3：获取待测叶片厚度d；
S4：根据基本电磁方程、太赫兹光学常数提取模型及有效介质模型建立关于待测叶片的等效传递函数幅值|TLe(ω)|的函数：
|TLe(ω)|＝f(aF,aB,aS,aG,εF(ω),εB(ω),εS(ω),εG(ω),d,αs(ω),αr(ω))
其中，aF、aB、aS和aG分别表示自由水、结合水、固体物质和气体含量百分比；TLe(ω)表示叶子的等效传递函数，ω为角频率，αs(ω)、αr(ω)为待测叶片的内部散射系数和表面反射系数；
S5：获取待测叶片的真实传递函数的幅值|TLm(ω)|；
S6：利用随机优化算法调整叶片中的自由水、结合水、固体物质、气体四者含量百分比，使叶片等效传递函数的幅值|TLe(ω)|与测量所得的叶片真实传递函数的幅值|TLm(ω)|之差最小，从而得到aF、aB、aS和aG的值，以此反映叶片内四种物质的真实含量；
S7：采集待测叶片中每一点的太赫兹光谱信号，重构整合后获取反映叶片真实自由水、结合水、固体物质和气体含量的含量分布图。
2.根据权利要求1所述的检测叶片自由水、结合水含量的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：建立以细胞为单位的叶片三维模型，利用仿真方法，获得太赫兹波在叶片表面的反射系数αr及内部散射系数αs。
3.根据权利要求1所述的检测叶片自由水、结合水含量的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：在待测叶片样本上取10～25个不同的点测量厚度，取所有厚度值的平均值作为待测叶片样本的厚度d。
4.根据权利要求1所述的检测叶片自由水、结合水含量的方法，其特征在于，步骤S4中，建立的关于待测叶片的等效传递函数幅值|TLe(ω)|为：
其中，d为待测叶片厚度，c为光速，εLe(ω)为待测叶片的等效介电函数；αs(ω)、αr(ω)为待测叶片的内部散射系数和表面反射系数。
5.根据权利要求1所述的检测叶片自由水、结合水含量的方法，其特征在于，步骤S5中，获取待测叶片的真实传递函数TLm(ω)，具体包括：采用太赫兹时域光谱系统采集参考光谱，结合二维平移台采集待测叶片样本的时域光谱数据集，对所得的太赫兹时域光谱数据集进行转换和处理，得到对应的太赫兹传递函数集。
6.根据权利要求1所述的检测叶片自由水、结合水含量的方法，其特征在于，步骤S1中，获取待测叶片自由水的真实介电函数εF(ω)，具体包括：
1)采用搭载表面全反射模块的太赫兹时域光谱系统采集参考光谱和去离子水的太赫兹时域光谱；对所得的太赫兹时域光谱进行转换和处理，得到去离子水的介电函数；
2)重复步骤1)中三次，并将三次结果的平均值作为自由水的介电函数。
7.根据权利要求1所述的检测叶片自由水、结合水含量的方法，其特征在于，步骤S1中，获取待测叶片结合水的真实介电函数εB(ω)，具体包括：
1)配制饱和糖溶液；
2)采用搭载表面全反射模块的太赫兹时域光谱系统采集参考光谱和步骤1)中饱和糖溶液的太赫兹时域光谱；对所得的太赫兹时域光谱进行转换和处理，得到饱和糖溶液的介电函数；
3)重复步骤2)三次，并将三次结果的平均值作为结合水的介电函数。
8.根据权利要求1所述的检测叶片自由水、结合水含量的方法，其特征在于，步骤S1中，获取待测叶片固体物质的真实介电函数εS(ω)，具体包括：
1)制备叶片固体压片；
2)获取固体压片的厚度信息；
3)采用太赫兹时域光谱系统采集参考光谱和步骤1)中固体压片的太赫兹时域光谱；对所得的太赫兹时域光谱进行转换和处理，得到对应的压片介电光谱；
4)重复步骤3)三次，并将三次结果的平均值作为该固体压片的介电函数；
5)对步骤1)中获取的各压片重复步骤4)，并对所得结果进行平均，作为叶片固体物质的介电函数。
9.根据权利要求5～8中任意一项所述的检测叶片自由水、结合水含量的方法，其特征在于，所述转换和处理为：将所采集的太赫兹时域光谱进行傅里叶变换，转换成对应的太赫兹频域光谱，然后根据太赫兹频域光谱提取太赫兹传递函数或太赫兹介电函数，再对太赫兹传递函数或太赫兹介电函数进行平滑处理。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010814290.9A CN111735792B (zh) | 2020-08-13 | 2020-08-13 | 一种利用太赫兹技术检测叶片自由水、结合水含量的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010814290.9A CN111735792B (zh) | 2020-08-13 | 2020-08-13 | 一种利用太赫兹技术检测叶片自由水、结合水含量的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111735792A true CN111735792A (zh) | 2020-10-02 |
| CN111735792B CN111735792B (zh) | 2023-02-17 |
Family
ID=72658428
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010814290.9A Active CN111735792B (zh) | 2020-08-13 | 2020-08-13 | 一种利用太赫兹技术检测叶片自由水、结合水含量的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111735792B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112504991A (zh) * | 2020-11-26 | 2021-03-16 | 西南科技大学 | 一种固体粉末的太赫兹光学参数提取方法及系统 |
| CN112784400A (zh) * | 2020-12-24 | 2021-05-11 | 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 | 基于太赫兹指数的作物叶片生物指标的反演方法 |
| CN112924407A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-06-08 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种六氟化硫气体微量水分含量的检测方法 |
| CN113218908A (zh) * | 2021-05-10 | 2021-08-06 | 北京理工大学 | 基于太赫兹后向散射信号的植物叶片含水量检测方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120037804A1 (en) * | 2007-01-30 | 2012-02-16 | New Jersey Institute Of Technology | Methods and apparatus for the non-destructive measurement of diffusion in non-uniform substrates |
| WO2012058567A1 (en) * | 2010-10-29 | 2012-05-03 | New Jersey Institute Of Technology | Methods and apparatus for the non-destructive measurement of diffusion in non-uniform substrates |
| CN106018327A (zh) * | 2016-06-23 | 2016-10-12 | 北京农业信息技术研究中心 | 基于太赫兹波的植物叶片含水量检测方法和系统 |
| CN107561032A (zh) * | 2017-08-30 | 2018-01-09 | 浙江大学 | 基于太赫兹吸收系数光谱检测油菜叶片水分状态的方法 |
| CN110542668A (zh) * | 2019-09-11 | 2019-12-06 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种基于太赫兹成像技术定量分析叶片成分分布情况的方法 |
-
2020
- 2020-08-13 CN CN202010814290.9A patent/CN111735792B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120037804A1 (en) * | 2007-01-30 | 2012-02-16 | New Jersey Institute Of Technology | Methods and apparatus for the non-destructive measurement of diffusion in non-uniform substrates |
| WO2012058567A1 (en) * | 2010-10-29 | 2012-05-03 | New Jersey Institute Of Technology | Methods and apparatus for the non-destructive measurement of diffusion in non-uniform substrates |
| CN106018327A (zh) * | 2016-06-23 | 2016-10-12 | 北京农业信息技术研究中心 | 基于太赫兹波的植物叶片含水量检测方法和系统 |
| CN107561032A (zh) * | 2017-08-30 | 2018-01-09 | 浙江大学 | 基于太赫兹吸收系数光谱检测油菜叶片水分状态的方法 |
| CN110542668A (zh) * | 2019-09-11 | 2019-12-06 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种基于太赫兹成像技术定量分析叶片成分分布情况的方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| ZHEYU SONG ET AL.: "Temporal and Spatial Variability of Water Status in Plant Leaves by Terahertz Imaging", 《IEEE TRANSACTIONS ON TERAHERTZ SCIENCE AND TECHNOLOGY》 * |
| ZIYI ZANG ET AL.: "Terahertz spectral imaging based quantitative determination of spatial distribution of plant leaf constituents", 《PLANT METHODS》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112504991A (zh) * | 2020-11-26 | 2021-03-16 | 西南科技大学 | 一种固体粉末的太赫兹光学参数提取方法及系统 |
| CN112504991B (zh) * | 2020-11-26 | 2022-04-22 | 西南科技大学 | 一种固体粉末的太赫兹光学参数提取方法及系统 |
| CN112784400A (zh) * | 2020-12-24 | 2021-05-11 | 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 | 基于太赫兹指数的作物叶片生物指标的反演方法 |
| CN112924407A (zh) * | 2021-03-26 | 2021-06-08 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种六氟化硫气体微量水分含量的检测方法 |
| CN113218908A (zh) * | 2021-05-10 | 2021-08-06 | 北京理工大学 | 基于太赫兹后向散射信号的植物叶片含水量检测方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111735792B (zh) | 2023-02-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111735792B (zh) | 一种利用太赫兹技术检测叶片自由水、结合水含量的方法 | |
| CN110542668B (zh) | 一种基于太赫兹成像技术定量分析叶片成分分布情况的方法 | |
| Huang et al. | Tissue characterization using terahertz pulsed imaging in reflection geometry | |
| Shin et al. | Qualitative identification of food materials by complex refractive index mapping in the terahertz range | |
| Redo-Sanchez et al. | Review of terahertz technology readiness assessment and applications | |
| Ali et al. | Rapid and nondestructive techniques for internal and external quality evaluation of watermelons: A review | |
| Schirmer et al. | Biomedical applications of a real-time terahertz color scanner | |
| Qin et al. | Monte Carlo simulation for quantification of light transport features in apples | |
| CN108303044B (zh) | 一种叶面积指数获取方法及系统 | |
| Yasuda et al. | Real-time two-dimensional terahertz tomography of moving objects | |
| CN109540836A (zh) | 基于bp人工神经网络的近红外光谱糖度检测方法及系统 | |
| Sun et al. | Measurement of plumpness for intact sunflower seed using terahertz transmittance imaging | |
| CN104280349A (zh) | 一种基于高光谱图像对白萝卜糠心鉴定的方法 | |
| JPWO2006085403A1 (ja) | 実時間テラヘルツ・トモグラフィー装置および分光イメージング装置 | |
| WO2021067635A1 (en) | Method for identifying chemical and structural variations through terahertz time-domain spectroscopy | |
| Jiang et al. | Detection of foreign bodies in grain with terahertz reflection imaging | |
| CN111442733A (zh) | 一种基于太赫兹时域光谱成像对橡胶复合材料的无损检测方法 | |
| CN104833638A (zh) | 基于连续波的双层瓜果组织光学特性无损检测方法与装置 | |
| CN108732125A (zh) | 一种基于高斯迭代算法的太赫兹材料内部缺陷检测方法 | |
| Kulya et al. | Fast terahertz spectroscopic holographic assessment of optical properties of diabetic blood plasma | |
| Catapano et al. | THz imaging and data processing: State of the art and perspective | |
| Si et al. | Quality assessment of fruits and vegetables based on spatially resolved spectroscopy: A review | |
| Li et al. | Study on detection of the internal quality of pumpkin seeds based on terahertz imaging technology | |
| Lin et al. | Outdoor detection of the pollution degree of insulating materials based on hyperspectral model transfer | |
| Yadav et al. | Terahertz parametric real-time imaging of jade stone by terasense |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |