时域太赫兹波谱法测量水体质量

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3.0 高德中 2024-11-19 6 4 2.53MB 59 页 15积分

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摘要

太赫兹波是指振荡频率在 0.1 THz～10 THz 区间的远红外电磁辐射，其波段

位于微波和红外光之间,它是一种新兴的、有很多独特优点的辐射源，与其它光

谱技术相比具有高带宽、低能量、无损伤探测等优势。超快激光技术的发展为太

赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的光源，使用太赫兹光谱技术从众多光谱技术

中脱颖而出，其中太赫兹时域光谱技术的发展尤为引人注目。太赫兹光谱技术是

以THz 辐射作为探测源，利用电光采样直接记录样品的时域波形，通过傅里叶

变换就得到测量信号幅度和相位的光谱分布，进而获得材料在太赫兹波段吸收和

色散等信息。

本文采用透射式时域太赫兹光谱系统测得浓度分别为 0%、25%、50%、75%、

100%的丙酮水溶液的太赫兹光谱，傅里叶变换后得到了他们的频域光谱和吸收

谱。通过分子振动理论研究了溶液吸收数与溶液成分含量呈线性变化的原因。分

析结果表明：水对太赫兹辐射具有强烈的吸收作用，主要原因在于水分子中的

H-O 键的振动频率处于太赫兹波段，每个水分子能够提供两个 H-O 键，而丙酮

的分子结构中不存在 H-O 键，当丙酮溶液中水的浓度升高时，H-O 键的含量也

会线性的升高，其宏观上表现为吸收系数也呈现线性变化趋势。

通过使用核函数分别为线性内积函数、多项式内积函数和径向基内积函数的

支持向量机算法对五组不同浓度的丙酮溶液进行分类预测，得出：即使在预测函

数中加入 5%的噪声，三种核函数的区分能力都达到了 90% 以上的正确率，支

持向量机具有非常强的泛化能力。本文的工作为使用太赫兹时域光谱技术和支持

向量机理论相结合的技术为溶液成分的定量分析提供了可行的技术方案和实验

数据。

关键词：太赫兹太赫兹时域光谱技术支持向量机丙酮

ABSTRACT

Terahertz radiation with a frequency range of 0.1 THz-10 THz, sandwiched

between microwave and infrared, belongs to far infrared region．In recent years, rapid

progress in ultrafast laser technology provides a steady and available source for

terahertz pulses generation, which greatly promotes the development of THz

spectroscopy and imaging technique. This technique can record the amplitude of the

wave by electro-optical or photoconductive sampling. After fast Fourier transform,

the amplitude and phase of the THz pulse wave is given. then the refractive index and

absorption of the material in THz region is extracted.

In this article, we use THz time domain spectroscopy system measured 0%, 25%,

50%, 75%, 100% acetone solution. The results showed that 0%, 25%, 50%, 75% and

100% acetone solution have different frequency-dependent response in terahertz

region due to different strength of solution. Experiment result indicates that acetone

solution with higher proportion of water has higher hydration compared to acetone

solution with lower percent of water; it shows increased absorption in the terahertz

spectral region.

We also use three different support vector machines (Linear inner product function

SVM, Polynomial inner product function SVM and Radial basis inner product

function SVM) to identify four group of acetone solution. The result showed that our

machines’ resolution can achieves above 90% even with noise. SVM in terahertz

spectrum is an efficacious way for classification. Our work in this thesis provides a

general method to differentiate acetone solution with different water content and also

practicable methods and trustworthy experiment data.

Keyword: Terahertz, Terahertz Time-Domain Spectroscopy, SVM

Acetone

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

§1.1 引言 ....................................................... 1

§1.2 本文的研究内容及意义 ....................................... 1

§1.3 水质检测现状调查 ........................................... 1

§1.4 太赫兹简介 .................................................. 2

§1.5 国内外太赫兹辐射的应用及研究现状 ............................ 4

§1.6 太赫兹辐射的产生与探测 ...................................... 6

§1.6.1 太赫兹辐射的产生 .............................................. 6

§1.6.2 太赫兹辐射的探测 .............................................. 9

§1.7 本论文的主要工作 ........................................... 13

第二章太赫兹时域光谱技术 ......................................... 14

§2.1 时域太赫兹系统介绍 ......................................... 14

§2.2 实验系统介绍 ............................................... 14

§2.2.1 实验硬件环境介绍 ........................................... 14

§3.2.2 实验软件环境介绍 ........................................... 17

§2.3 实验操作步骤 ............................................... 22

§2.4 太赫兹时域光谱系统光学常数的提取 ........................... 22

§2.5 本章小结 ................................................... 28

第三章支持向量机算法理论研究 ..................................... 29

§3.1 支持向量机概述 ............................................. 29

§3.2 学习方法 ................................................... 29

§3.3 支持向量机的基本方法 ....................................... 31

§3.3.1 线性情况 .................................................... 31

§3.3.2 非线性情况 .................................................. 34

§3.4 支持向量机多类别分类方法介绍 ............................... 36

§3.5 LIBSVM 软件包简介 .......................................... 36

第四章太赫兹波谱法的不同浓度的丙酮溶液的研究 ..................... 37

§4.1 样品简介 ................................................... 37

§4.2 丙酮样本制备 ............................................... 38

§4.3 实验结果分析 ............................................... 39

§4.3.1 透射测量结果 ................................................ 39

§4.3.2 吸收系数分析 ................................................ 40

第五章支技向量机对不同浓度的丙酮溶液的鉴别 ....................... 43

§5.1 支持向量机特征数据的提取 ................................... 43

§5.2 训练建模 ................................................... 43

§5.3 鉴别结果分析 ............................................... 44

第六章总结与展望 ................................................. 46

§6.1 本论文的主要结论 ........................................... 46

§6.2 对未来工作的展望 ........................................... 46

参考文献 .......................................................... 48

附录 .............................................................. 52

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 56

致谢 .............................................................. 57

第一章绪论

§1.1 引言

太赫兹波是指振荡频率在 0.1 THz～10 THz 区间的远红外电磁辐射，其

波段位于微波和红外光之间。近年来，随着超快光电子学为基础的脉冲太赫兹

技术的迅速发展，太赫兹光谱技术已经在各个领域展开了深入的研究。作为一

种新兴的、具有很多独特优点的辐射源，太赫兹辐射引起了人们的广泛关注，

以致被美国政府列入“改变未来世界的十大技术”之一。物质的太赫兹光谱(包

括透射光谱和反射光谱)包含了大量的化学信息和物理信息，通过使用太赫兹

成像及时域光谱技术能能够方便地提取物质在太赫兹波段的光学参数，对于人

们物理、化学等领域的探究具有重要意义。目前太赫兹技术已经在医药、成像、

安全检查领域初步应用，对现代科研、国防安全、医药检测等产生了深远的影

响。

§1.2 本文的研究内容及意义

随着人们对生活饮用水的水质要求不断提高，饮用水水质标准不断发展和

完善，这给当前的水质检测技术带来了机遇和挑战。由于大量分了的转动和振

动能级正好处于太赫兹波段，因此在利用太赫兹时域波谱技术(THZ-TDS)探测

水溶液样本时，能够产生吸收峰，这就为水溶液中含有的成分进行识别提供了

方法，另外，不同成分的溶液在太赫兹波段的吸收系数也各不相同，这也为溶

液中成分含量的检测提供了依据。在本文中，我们选取了实验中经常使用的丙

酮试剂作为实验研究对象，利用时域太赫兹光谱技术测得了不同浓度的丙酮水

溶液在太赫兹波段的光谱，分析丙酮溶液中浓度和相对吸收系数的关系，最后

使用不同核函数的支持向量机理论对不同含量的丙酮溶液的数据样本进行预

测。结果表明使用太赫兹时域光谱技术和支持向量机算法结合的技术，能够正

确识别不同浓度的丙酮溶液。本文的研究结果为利用太赫兹光谱技术进行定量

检测提供了有效的方法，并为将太赫兹技术在水质检测方面的应用提供了基

础。

§1.3 水质检测现状调查

目前国内对水质检测的主要方法为使用电子检测设备对水质指标进行检

时域太赫兹波谱法测量水体质量

测。这些指标主要包括：

(1)色度：色度为水质的外观指标，去除悬浮物后水的颜色称为真色，没有

去除的水的颜色称为表色。在我国的标准中规定饮用水的色度不能超过15度。

(2)浑浊度：又称为浊度，通过与已知浑浊度的标准浑水测得。对生活饮用

水和某些高质量的工业用水，浑浊度是一个重要的水质参数，我国生活饮用水

水质标准规定，浊度不超过5度。目前市面上已有专门用来测浊度的浑浊度测

试仪。

(3)化学需氧量：指化学氧化剂氧化水中有机污染物时所需氧量。通过化学

方法可以定量测量有机污染程度。

(4)臭和味：臭是检验原水与处理水的水质必测项目之一。水中臭主要

来源于生活污水和工业废水中的污染物、天然物质的分解或与之有关的微

生物活动,为有机物污染。

(5)细菌总数：水中含有的细菌数量。

(6)余氯：余留在水中的含氯量。

使用水质检测设备的主要优点是能够快速地通过测量水中的一些参数获

知是否国家水质标准。不足之处在于无法准备地测量污水中所含污染物的成

分。无法给污水处理提供精确的成分信息。

由于目前太赫兹技术仍处于理论探究阶段，国内外没有发现太赫兹光谱技

术用于水质检测方面的报道。

§1.4 太赫兹简介

太赫兹辐射是对一个特定波段的电磁辐射的统称。它在电磁波谱中位于微

波和红外辐射之间，它的振荡频率在 0.1 THz～10 THz(波长在 3mm～30µm)，

如图 1-1 所示。THz 频段是一个很有科学价值但尚未被完全认识和利用的最后

一个电磁辐射区域。尽管自然界中充斥着大量的太赫兹辐射，但在上世纪 80

年代以前，由于当时科学技术的限制，缺乏有效的太赫兹产生方法和检测方法。

对这一波段的研究也仅仅局限于太赫兹发生源和探测装置的研究。只有极少的

技术和应用。进入 20 世纪 90 年代后，超快激光技术的迅速发展为太赫兹脉冲

提供了稳定、可靠的激发光源，使得太赫兹技术在许多领域[1,2,3,4]得到了蓬勃的

发展。

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摘要：

摘要太赫兹波是指振荡频率在0.1THz～10THz区间的远红外电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间,它是一种新兴的、有很多独特优点的辐射源，与其它光谱技术相比具有高带宽、低能量、无损伤探测等优势。超快激光技术的发展为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的光源，使用太赫兹光谱技术从众多光谱技术中脱颖而出，其中太赫兹时域光谱技术的发展尤为引人注目。太赫兹光谱技术是以THz辐射作为探测源，利用电光采样直接记录样品的时域波形，通过傅里叶变换就得到测量信号幅度和相位的光谱分布，进而获得材料在太赫兹波段吸收和色散等信息。本文采用透射式时域太赫兹光谱系统测得浓度分别为0%、25%、50%、75%、100%的丙酮...

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