太赫兹时域光谱成像增强算法

低分辨率是扫描太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统图像的一个重要缺点.本文提出了一种针对太赫兹时域光谱图像的超分辨率增强算法,该算法结合了多层感知机(MLP)和超分辨率卷积神经网络(SRCNN),创建了一个复合网络.本文算法针对太赫兹光谱图像的特点,通过引入新的目标函数,避免了传统机器学习算法需要采集或模拟生成大量训练集的弊端,实现了训练图像即目标图像的单幅光谱图像增强.为了实现这一目标,本文算法的基本原理是,让试件产生一个刚体位移,利用THz-TDS系统采集位移前后两幅三维(1个时间维,2个空间维)光谱图像作为输入数据.机器学习网络包括两部分:首先,利用一个MLP网络实现三维光谱图像到二维光强图像的转化;其次,采用传统针对二维图像的SRCNN网络获取一幅高分辨率图像,对位移前后图像处理后计算得到新的高分辨率图像的位移场,并将位移场方差作为目标函数,再通过机器学习算法,优化网络中的成像参数,实现太赫兹光谱图像的分辨率增强.典型验证性实验最终得到的峰值信噪比为42.65 dB,结构相似度为0.816,均比其他现有方法高,表明本文算法能获得良好的图像增强.

太赫兹时域光谱技术在材料科学领域研究进展

太赫兹时域光谱技术是一种研究材料中载流子超快动力学过程及光电导率特性的重要实验手段。近年来,随着材料科学的飞速发展,人们应用太赫兹时域光谱技术研究了包括二维层状材料、钙钛矿材料和碳基低维材料等新型材料中光生载流子、激子和极化子等粒子及准粒子在皮秒时间尺度上的超快动力学过程及在太赫兹波段的光电导特性。本文主要介绍近5年来太赫兹时域光谱技术在材料科学领域取得的最新研究进展,并对太赫兹时域光谱技术在材料科学领域的应用做出展望。

基于太赫兹时域光谱系统的双折射率晶体非接触式表征方法

晶体的各向异性探测技术正逐渐向非接触和非破坏性方法发展。太赫兹辐射由于其对许多介电材料的大穿透深度和非电离特性,在各向异性材料的双折射研究中具有广阔的前景。石英、蓝宝石、液晶以及含有亚波长结构的超材料等都表现出太赫兹双折射,作为偏振功能器件中的常用材料,其参数测量对于太赫兹器件研发具有重要意义。材料双折射率的提取往往依赖光轴方向和晶体厚度等先验参数。材料的光轴方向表征其各向异性的优先方向,对于已知光轴取向的晶体,可以根据经验选择合适的琼斯向量,而在实际应用中,只要选择探测太赫兹波的线偏振方向、光轴、探测轴。可以很容易地测量出寻常光和非常光,并直接从时域信号中计算出各自的折射率。对于光轴方向未知的材料,需要旋转样品以不同的方位角进行测量。双折射率的提取依赖于材料厚度的确定,通过游标卡尺或千分尺所得测量值与真实值存在较大差异,容易在样品表面造成划痕。无论是旋转样品还是厚度测量,人为操作都会为双折射率表征引入不确定性。基于透射式太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)开发了一种双折射晶体光轴方向和晶片厚度的非接触式测量方法,不依赖于晶体先验参数,即可获取晶体完整的折射率。通过控制样品旋转配合光学延迟线动作实现光轴自动定位,利用传递函数迭代逼近算法提取晶体厚度和完整的折射率。为验证该方法,选择了在太赫兹波段具有双折射特性的(10-10)取向蓝宝石晶体进行测量,准确地提取了晶体在0.3~1.5 THz频率范围的平均寻常光折射率3.39±0.02,非常光折射率3.08±0.02,双折射率-0.31±0.02,并绘制了吸收谱。结果证明,所建立的测量方法避免了人工操作引起的样品损坏和定位误差,提高了双折射晶体太赫兹频段材料参数的测量速度、稳定性和精确度,对偏振敏感太赫兹测量技术及其应用具有重要意义。

基于太赫兹时域光谱技术的CFRP薄涂层厚度检测方法

针对碳纤维增强复合材料(CFRP)上的薄涂层测厚存在的基底各向异性、多重反射、回波重叠、环境噪声等问题,提出基于太赫兹时域光谱技术与稀疏分解的涂层测厚方法,并在仿真波形和实际样品上成功验证。CFRP通常由碳纤维与环氧基体牢固结合并多层复合而成,具有各向异性特点,在光学性质上表现为CFRP上同一位置不同入射方向、同一入射方向不同位置的反射波形均存在差别。这致使基于理论模型的优化算法用于其上涂层测厚时精度有待提高。另外,在涂层较薄时,受噪声与多重反射等因素的干扰,无法直接在时域根据反射波形区分涂层界面,即直接使用飞行时间法(TOF)难以获得涂层厚度。为此,使用稀疏分解法来定位薄涂层的分界面,再结合TOF法计算CFRP上薄涂层的厚度。首先,分析了多层结构上的太赫兹反射信号与信号稀疏分解模型之间的联系,并利用参考信号构成稀疏字典。然后,鉴于太赫兹信号的传播路径只在分界面发生改变这一先验知识,即涂层层数决定了信号稀疏分解后非零脉冲个数,使用前向正交匹配追踪算法(LAOMP)求解太赫兹反射信号的稀疏表示。LAOMP算法可直接指定稀疏度,便于选择稀疏脉冲定位涂层分界面。获得对应于各涂层界面的脉冲后,使用TOF法求得涂层的厚度。最后,在总厚度分别为102和66μm的双涂层仿真数据与实际样品上验证方法的性能,并与经典基于L1范数的谱投影梯度算法(SPGL1)进行了对比。结果表明:在相邻涂层折射率差别较小的情况下,LAOMP算法可以有效检测CFRP上35μm的薄涂层。在总厚度为66μm的双涂层样件上,检测误差在11%以内,具有调参简单、结果稳定的优点。

太赫兹时域光谱成像系统的研究进展

太赫兹时域光谱成像技术具有穿透性、超快时间分辨能力、指纹光谱特性、安全无辐射电离等显著特点,在物质成分光谱分析、工业材料无损检测领域具有独特的应用价值,成为近些年来的研究热点。基于此,从成像体制和成像算法两个方向进行介绍。在成像体制层面,全面介绍了逐点扫描成像、太赫兹焦平面成像、太赫兹光电导阵列成像等二维的成像方式,以及突破衍射极限的太赫兹近场成像技术;在成像算法层面,介绍了飞行时间成像和断层扫描成像技术等三维成像方式。列举了太赫兹技术在生物医学、无损检测、安防检测等领域的应用。最后总结了当前太赫兹时域光谱技术所面临的问题。

基于太赫兹时域光谱的XLPE不同尺度缺陷研究

交联聚乙烯(XLPE)在生产、敷设、运行过程中会受到多种因素影响,产生不同尺度的结构缺陷,进而影响XLPE的电气性能。本文对XLPE电力电缆中常见的分子缺陷、聚集态结构缺陷与宏观气隙缺陷进行了重构,并结合X射线衍射测试(XRD)与太赫兹时域光谱(THz-TDS)的透射和反射模块对3种尺度的缺陷进行表征。结果表明:太赫兹时域光谱的电压幅值、相位信息分别表现出关于极性分子与聚集态结构变化的敏感特性;通过太赫兹时域光谱透射与反射模块的联用技术,可精准识别并计算出内部气隙缺陷的位置及尺寸,实现对不同尺度缺陷的无损检测。

基于太赫兹时域光谱和PCA-SVM算法的甜蜜素含量分析

光谱分析是研究太赫兹(THz)辐射与物质相互作用的重要手段。采用全光纤式THz时域光谱(THz Time-Domain Spectroscopy,THz-TDS)系统测试了不同含量甜蜜素样品的透过率光谱,发现甜蜜素的特征吸收峰位置在1.4 THz和1.7 THz附近;采用主成分分析结合支持向量机(PCA-SVM)的方法建立了甜蜜素含量回归模型,然后将其预测结果与遗传算法结合偏最小二乘(GA-PLS)模型进行分析比较,并引入决定系数(R 2)和预测均方根误差(RMSE)来评价建模效果,对以10%含量梯度制作的样品集进行检测。研究结果表明,采用PCA-SVM、SVM和GA-PLS方法建立的预测模型的RMSE分别为1.885%、1.926%和2.432%。因此,PCA-SVM方法的预测效果最优,且预测数据与实际数据均表现出良好的相关性,获得了效果良好的含量回归预测模型,为甜蜜素含量的检测与分析提供了一种有效手段。

太赫兹时域光谱法测定水中重金属离子

采用太赫兹时域光谱法采集溶液时域数据,经过去噪和时域分析,汞、镉、铜离子溶液分别在频率为1.7 THz、0.7 THz、1.2 THz位置上建立线性模型,得到拟合效果最佳的决定系数,分别为0.969、0.896、0.932。该方法检出限为0.001 mg/L~0.002 mg/L,空白加标样6次测定结果的RSD为2.0%,加标回收率为94.0%~102%。将该方法用于测定某污水处理厂两个进口的实际水样,结果汞离子未检出。

太赫兹时域光谱仪虚拟仿真平台设计

太赫兹波段作为全光谱波段内唯一尚未完全开发的波段,其特性具有极大的科学研究价值和教学意义。太赫兹时域光谱仪是实现该波段光谱表征的仪器,同时也是实现全光谱探测的重要组成。本文采用3D Studio Max、WebGL、AR等技术设计开发了包括实验导读与虚拟仿真实验操作等内容在内,兼具演示教学、交互式仿真练习、操作考评和交流研讨四大核心功能的太赫兹时域光谱仪虚拟仿真实验平台。该平台科学实用、仿真还原度高且不受时空限制,为传统实验教学做出了重要补充。在优化实验教学方式、改善教学效果、探索线上+线下混合式教学模式,促进虚拟仿真技术与太赫兹领域的深度融合等方面起到了重要作用。

太赫兹光谱技术在食品污染检测中的研究进展

随着新的食品加工技术及新型食品材料的不断涌现,食品污染问题也越来越多,国际食品安全事件频繁爆发,食品污染造成的食源性疾病对人民生命健康造成严重威胁,如何把控好食品质量成为人们关注的焦点问题。太赫兹技术作为一项新兴的检测技术,其反映样品的物理结构、性质及化学成分的同时,也获取样品在太赫兹波段的时域和频域信息作为物质“指纹”谱,用于无损检测和识别领域并取得了一定的成果。相较于传统的检测手段,太赫兹技术安全性高、透视性好以及波谱分辨能力强等优势使其在食品污染检测领域具有极大的应用潜力和应用前景。文章简述了太赫兹光谱技术的基本原理,以其中最为常用的太赫兹时域光谱技术为主要研究重点,对该技术在食品生物性污染、化学性污染、物理性污染检测方面的应用研究工作进行了重点归纳总结,最后聚焦于太赫兹技术在食品污染检测领域的实际应用现状,讨论其发展趋势和应用前景,并分析目前研究仍存在的问题,以期为太赫兹技术在食品安全检测领域未来的进一步发展提供参考。

全光纤耦合式太赫兹近场探针光谱成像系统

通过对太赫兹光电导探针天线与飞秒倍频光路进行光纤模块化封装,并结合光纤耦合式太赫兹光电导天线辐射源,以及自主研制设计的光纤飞秒激光光源和光纤式高速光学延时线,开发了一种全光纤耦合式太赫兹近场探针光谱成像系统,其光谱范围覆盖0.1~2.0 THz,动态范围达到60 dB,光谱采样速度高达0.1 s/谱,近场成像分辨率优于20μm的全光纤耦合式太赫兹近场探针光谱成像系统。得益于整套系统的全光纤结构设计,太赫兹辐射源和探针式探测器之间可以根据测量需求灵活调节而不需要重新校准光路,极大地提高了系统的工作稳定性和使用方便性。该研究为太赫兹科学研究提供了一种高性能且实用性强的太赫兹近场光谱成像测量系统。

太赫兹时域光谱仪光谱范围和信噪比校准技术

光谱范围和信噪比是评价太赫兹时域光谱仪性能的重要参数。为了解决太赫兹时域光谱仪光谱范围和信噪比的校准问题,介绍了太赫兹时域光谱仪的构成及原理,比较了目前常用的光谱范围和时域信噪比校准方法的优缺点,并优选其中一种方法,设计了太赫兹时域频域信噪比参数校准方法。以空测时频域信号幅值最大值的1/M对应的频率范围作为光谱范围,研究了M取值对光谱范围的影响。M值越大,则光谱范围越宽。当M值≥50时,光谱范围变化不大。对空测时域信号的信号和噪声进行定义,并计算出时域信噪比。以空测时的频域功率谱作为信号,以金属板遮挡光路时的频域功率谱作为噪声,从而计算出频域信噪比。进行了光谱范围和信噪比校准实验,采用对照法研究了湿度变化对太赫兹时域光谱仪测量范围和信噪比参数的影响。当相对湿度≤50%时,对光谱范围和时域信噪比影响不大;当相对湿度>50%时,因为空气中水蒸气对于太赫兹的吸收急剧增加,光谱范围和信噪比急剧缩小。

反射式太赫兹时域光谱技术快速辨别水性和溶剂型涂料

采用反射式太赫兹时域光谱技术测试涂料的时域光谱,通过第1次反射和第2次反射的反射峰比值,得到判定涂料为水性还是溶剂型的临界阈值。该方法无需复杂的样品前处理,仅需将涂料置于测量容器中即可完成测试。一次性纸杯或聚乙烯塑料容器、不同的测试人员和测试时间对临界阈值均无影响,为生态环境监管领域提供了一种快速、准确辨别水性涂料和溶剂型涂料的方法。

太赫兹时域光谱技术在涂层检测中的研究进展

涂层结构具有美观、隔热和耐腐蚀等优点,被广泛应用于航空航天、汽车船舶制造和制药等领域。但在涂层制备和服役过程中会不可避免地出现气泡和裂纹等缺陷,且涂层厚度和均匀性会直接影响涂层寿命,因此对涂层结构的检测显得十分重要。与常规无损检测技术相比,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术非接触性好、抗干扰性强,适用于涂层结构快速无损检测。首先,简要地介绍了太赫兹波、太赫兹时域光谱技术和典型的太赫兹时域光谱系统;然后,详细地阐述了太赫兹时域光谱技术在光学参量、厚度和微结构检测方面的国内外研究进展,特别是太赫兹波在汽车船舶、航空航天和生物制药方向的厚度检测与成像;最后,分析了涂层结构无损检测的现状,对现有的太赫兹波检测涂层存在的问题进行了总结,并对其未来的发展进行了讨论和展望。

食品检测中太赫兹时域光谱技术的应用

在当今的食品检测过程中,太赫兹时域光谱技术发挥着至关重要的作用。为实现此项技术的良好应用,本文特以红薯淀粉中的明矾添加剂检测为例,对太赫兹时域光谱技术的具体应用进行分析。希望通过本次的分析,可以为太赫兹时域光谱技术的应用与食品检测质量的提升提供一定参考。

太赫兹光谱结合特征选择算法分选掺混稻种

农业生产安全是食品安全的重要组成,粳米作为日常食用的大米,劣质掺混种子的快速检验是相关领域的重要研究工作。本研究使用太赫兹时域光谱采集220份掺混稻种和纯品稻种样本的光谱信号,通过傅里叶变换(Fourier transform, FT)对光谱数据进行预处理,将时域信号转化为频域信号作为建模数据集,对QUSET等5种模式识别模型进行分选研究。结果表明,随机森林算法(RF)、连续投影算法(SPA)、变量集群分析耦合迭代保留算法(VCPA-IRIV)等3种算法分别选择9个、6个、25个重要的特征频率,其中VCPA-IRIV作为耦合算法选择的特征频率包含的光谱信息最为丰富。为进一步优化模型,对特征频率选择后建模,在分析速度和识别精准度上显著优于全光谱建模方法,经VCPA-IRIV算法筛选的25个特征频率建立的QUEST和KNN分类对是否掺混的鉴别准确率均能达100%。变量集群分析耦合迭代保留算法能够有效地选择包含信息丰富的太赫兹光谱特征频率,能够有效提升所建立的识别模型的准确率。基于太赫兹光谱和耦合特征选择算法建立的掺混稻种识别模型快速、准确,能够为检测劣质掺混粳米种子提供新的方法。

热老化对润滑脂太赫兹光谱影响的实验研究

为研究润滑脂热老化温度与其太赫兹光谱之间的内在规律,应用透射式太赫兹时域光谱仪采集经过不同温度静态加速热老化实验处理的润滑脂样品的时域光谱,计算得到样品在0.4~1THz的太赫兹频域光谱,分析了热老化温度对润滑脂太赫兹光谱和相关太赫兹特征参数的影响。通过实验发现,热老化温度与润滑脂样品时域谱正向最大峰值、频域谱平均绝对值之间均存在良好的线性关系,且与频域谱平均绝对值的线性相关关系最强,相关系数R2为0.9979。研究结果可为后续润滑脂热老化程度的快速、准确、无损定量检测方法研究提供重要参考。

GaN薄膜的太赫兹光谱响应研究

目前,太赫兹时域光谱(THz-TDS)已经成为研究固体光学参数及色散关系的有效工具。采用太赫兹时域光谱仪对纤锌矿结构GaN薄膜在0~8.0 THz范围内的吸收光谱、介电常数、折射率以及介电损耗等进行了研究。研究结果表明,频率为4.65 THz的太赫兹响应是由GaN的E2(low)声子振动模式主导的,获得的低频介电常数8.9和高频介电常数6.0与理论值接近;进一步研究了频率在4.24~4.40 THz之间的太赫兹介电常数响应谱,获得的GaN薄膜的中心振动频率与太赫兹吸收光谱一致,介电损耗值很小且逐渐趋近于0,表明GaN有良好的介电特性。得出的结论拓展了GaN基电子元器件在THz波段中的应用,对进一步研究GaN基电子元器件在THz波段的质量与可靠性具有借鉴意义。

肉桂酸衍生物的太赫兹光谱及弱相互作用分析

利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)测试了对羟基肉桂酸(PCA)、反式-2-羟基肉桂酸(OCA)和4-氟肉桂酸(4-FCA)三种肉桂酸的衍生物(CADs)在0.5~3.5 THz范围内的吸收峰。基于密度泛函理论(DFT),借助振动模式自动关联判定方法(VMARD)对三种样品THz吸收峰的来源进行了指认。最后采用分子力场能量分解法(EDAFF)分析了分子体系的弱相互作用力形式,通过VMD绘制原子着色图进行了可视化分析,并研究了其原子在分子体系中对弱相互作用力的贡献类型和强弱。研究结果表明,基于THz-TDS、DFT与VMARD、EDA-FF方法结合不但能有效地辨别同分异构体及结构近似的有机分子,而且也能为其生化功能揭示提供有价值的参考数据。

太赫兹时域光谱技术研究S掺杂GaSe晶体的电导率特性

本文采用透射式太赫兹时域光谱技术研究0.3—2.5 THz范围内本征GaSe,S掺杂质量分数为2.5%GaSe(GaSe:S(2.5%))和S掺杂质量分数为7%GaSe(GaSe:S(7%))晶体的电导率特性,并利用Drude-SmithLorentz模型对复电导率进行拟合.研究发现GaSe晶体的电导率实部随S掺杂浓度的增大而减小,主要是由于S掺杂使GaSe晶体的费米能级逐渐向电荷中性能级转移,载流子浓度下降引起的.本征GaSe和GaSe:S(2.5%)在约0.56 THz处有明显的晶格振动峰,而GaSe:S(7%)在0.56 THz附近无晶格振动峰,这主要是由于S掺杂提高了晶体的结构硬度,减弱了晶体的层间刚性振动.且3个样品均在约1.81 THz处存在明显的窄晶格振动峰,强度随S掺杂浓度的增大先减小再增大,主要是由于S掺杂降低了GaSe的局部结构缺陷,减弱了窄晶格振动峰强度,而过量的S掺杂生成β型GaS晶体,进而增加晶体的局部结构缺陷,窄晶格振动峰强度随之增强.GaSe晶体约在1.07 THz和2.28 THz处的宽晶格振动峰强度随S掺杂浓度的增大而减弱甚至消失,主要是由于S掺杂产生替位杂质(S取代Se)和GaS间隙杂质,降低了基频声子振动强度,从而减弱了晶体二阶声子差模引起的晶格振动.结果表明,S掺杂可以有效抑制GaSe晶体的晶格振动,降低电导率,减少在THz波段的功率损耗.此研究为低损耗THz器件的设计和制作提供重要的数据支撑和理论依据.