中草药的太赫兹光谱研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.5MB 54 页 15积分

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摘要

太赫兹（THz）波是指频率在 0.1 THz~10 THz（波长在 3mm~30μm）区间的

远红外电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间。它具有高带宽、低能量、无损

探测、高信噪比、对相位信息灵敏等优势，并且通过对物质太赫兹波段的研究，

能够深入地了解物质的特性。作为中华民族的一大宝藏，中草药在治疗大多常见

慢性和消耗性的疾病方面，具有西药不能替代的重要作用。但是中草药的种类繁

多，品质参差不齐，中草药鉴别和质量控制是制约中药发展的一大难题。在鉴别

中草药的方法中，光谱法是重要和最常用的一种，太赫兹光谱技术对中草药的研

究，是对光谱法鉴别中草药的又一补充。支持向量机技术的迅速发展为数据挖掘

和模式识别注入新的动力，其在许多方面得到广泛的应用。本论文将太赫兹时域

光谱技术和支持向量机技术结合应用到多类中草药的研究中，取得了不错的成果。

本课题的主要工作如下几个方面：首先，搭建实验所需的时域太赫兹光谱系

统，包括太赫兹系的设计、优化和改进以及参与实验所需软件的编写。其次，实

验样品的制备，包括样品盒材料的选型，选择对太赫兹透过率在 65%以上的高密

度聚乙烯作为样品盒的材料；样品盒的制作及改进，样品盒为三明治结构，中间

样品层的厚度从 2mm 改为 0.5mm 后得到更宽的频谱。然后，实验数据的处理和

分析，包括频谱信号和吸收系数的提取。最后，多分类支持向量机的中草药分类

鉴别，包括特征数据的提取，分类模型的建立及对四种中草药的分类鉴别。

本文采用透射式太赫兹时域太赫兹光谱系统测得四种易混淆同科目中草药黄

郁金、绿郁金、桂郁金和温郁金的太赫兹光谱，通过傅里叶变换后得到了它们的

频域光谱，进一步计算后得到 0.2-1.6THz 太赫兹吸收谱。实验结果显示中草药在

0.2-1.6THz 波段没有明显的吸收峰，这是因为中草药的成分复杂，所表现出来的

太赫兹吸收谱比较平滑，而且四种中草药的太赫兹吸收谱比较相近，很难明显的

区分开。进一步，我们借助支持向量机的方法，通过使用不同的核函数（线性核

函数、多项式核函数、径向基核函数）来对 0.2-1.4THz 波段四种中草药的吸收谱

进行鉴别和分类，结果表明，四种易混淆的中草药能够很好的被区分开，准确率

达到 90%以上。

关键词：太赫兹波中草药支持向量机核函数吸收谱

ABSTRACT

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

between microwave and infrared, belongs to far infrared region. It has high bandwidth,

low-energy, non-destructive testing, high signal to noise ratio, sensitive to phase

information and other advantages, and using the new THz technique, we can get the

characteristic of substance in THz band. As a great treasure of the Chinese nation,

Chinese herbal medicine has the important role that western medicine can’t replace in

the treatment of most common chronic and consumptive diseases. But as we know, the

species of Chinese herbal medicine are rich, and the quality is uneven, the

identification and quality control Chinese herbal medicine is a major problem

constraining the development of Chinese medicine. In methods of Chinese herbal

medicine identification, spectroscopy is an important and most commonly used method.

Terahertz spectroscopy studying on Chinese herbal medicine is another supplement.

The rapid development of Support vector machine (SVM) technology, gives new

impetus to data mining and pattern recognition, it is widely used in many fields. In this

article, applied THz and SVM in investigation of Chinese herbal medicine, we get

good results.

The subject work mainly has several aspects below: Firstly, the construction of

experimental time-domain terahertz spectroscopy system, including the design,

optimization and improvement of terahertz system, and participation in the preparation

of software that experiment required. Secondly, preparation of experimental samples,

including the selection of the material of sample box, selecting the high-density

polyethylene as the material of the sample box, the THz transmittance of this material

was more than 65 percent; the fabrication and improvement of the sample boxes,

sample box was sandwich structure, the intermediate sample thickness changed from

2mm to 0.5mm, the spectrum broadened to 1.6THz. Thirdly, processing and analysis

of experimental data, including the extraction of the spectrum signal and the absorption

coefficient; At last, multi-class classification and identification of Chinese herbal

medicine, including the extraction of feature data, the establishment of classification

model, the classification and identification of four kinds of Chinese herbal medicine.

In this thesis, we used transmitted terahertz time-domain terahertz spectroscopy

system to measure four kinds of Chinese herbs confused easily, including huangyujin,

lvyujin, guiyujin and wenyujin. Frequency domain spectrum was obtained by Fourier

transform, and got terahertz absorption spectrum the 0.2-1.6THz range. The

experimental results showed that Chinese herbal medicine had no obvious absorption

peak in the 0.2-1.6THz band; this was because the ingredients of Chinese herbal

medicine, terahertz absorption spectrum was relatively smooth, and the absorption

spectrum of four kinds of Chinese herbs was similar and difficult to significantly

distinguish. Further, with the support vector machine method, we used different kernel

functions (linear kernel, polynomial kernel function, radial basis kernel function) to

distinguish and classify terahertz absorption spectrum of four kinds of Chinese herbs in

the 0.2-1.4THz range, the results showed that four kinds of Chinese herbal medicine

could be distinguished well, and the accuracy rate was more than 90%.

Key Word：Terahertz wave, Chinese herbal medicine, Support vector

machine, Kernel function, Absorption spectrum

中文摘要

ABSTRACT

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

§1.1 中草药传统鉴别法 .............................................. 1

§1.2 中草药现代鉴别法 .............................................. 1

§1.3 基于太赫兹技术的中草药鉴别原理介绍 ............................ 3

§1.4 本论文的章节安排 .............................................. 4

第二章太赫兹辐射 .................................................... 6

§2.1 太赫兹辐射的产生 .............................................. 7

§2.2 太赫兹辐射的探测 ............................................. 10

§2.3 本章小结 ..................................................... 15

第三章太赫兹时域光谱技术 ........................................... 16

§3.1 太赫兹时域光谱技术 ........................................... 16

§3.2 实验样品制备、影响因素分析和实验步骤 ......................... 18

§3.2.1 实验样品的制备 ........................................... 18

§3.2.2 实验影响因素 ............................................. 19

§3.2.3 实验操作步骤 ............................................. 20

§3.3 实验数据处理方法 ............................................. 21

§3.4 本章小结 ..................................................... 26

第四章支持向量机算法理论研究 ....................................... 27

§4.1 支持向量机概述 ............................................... 27

§4.2 支持向量机的基本原理 ......................................... 27

§4.2.1 线性支持向量机 ........................................... 27

§4.2.2 非线性支持向量机 ......................................... 30

§4.3 支持向量机多类别分类方法介绍 ................................. 32

§4.4 LIBSVM 软件简介 .............................................. 32

§4.5 本章小结 ..................................................... 33

第五章太赫兹波谱法四种郁金的鉴别 ................................... 34

§5.1 样品简介 ..................................................... 34

§5.2 实验结果分析 ................................................. 35

§5.2.1 四种郁金的太赫兹透射特性 ................................. 35

§5.2.2 四种郁金的太赫兹吸收特性 ................................. 36

§5.3 支持向量机分析 ............................................... 37

§5.3.1 提取特征数据 ............................................. 37

§5.3.2 支持向量机训练和建模 ..................................... 37

§5.3.3 鉴别结果分析 ............................................. 38

§5.4 本章小结 ..................................................... 40

第六章总结与展望 ................................................... 41

§6.1 本论文的主要结论 ............................................. 41

§6.2 对未来工作的展望 ............................................. 41

参考文献 ............................................................ 43

附录 ................................................................ 47

附录 1：多分类 SVM 算法程序 ......................................... 47

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 50

致谢 ................................................................ 51

第一章绪论

中草药是中华民族的一大宝藏，用中草药治疗疾病是我国的传统，特别是对

于一些慢性病、消耗性的疾病，具有西药不能替代的重要作用。但是中草药的种

类繁多，品质参差不齐，其疗效直接与中草药的品质和种类有密切关系。如何准

确、快捷而有效地鉴别中草药已经成为新的热点。中药鉴别的方法、技术和理论

也随之经历了一个形成、发展、不断完善和不断提高的过程。尤其在中草药现代

化和世界化的进程中，怎么有效地鉴别研究中草药已经成为一个备受关注的焦点。

下面针对中草药的研究过程中常用的鉴定方法作简单介绍以及基于太赫兹技术的

中草药鉴别原理的介绍。

§1.1中草药传统鉴别法

传统的中草药鉴别方法有四种，分别是基源鉴定、性状鉴定、显微鉴定和理

化鉴定。

基源鉴定即中药的原植（动）物鉴别，就是根据已有生物分类的知识和内容，

确定每一味中草药的生物学来源，验证其学名，这是中草药鉴定的最基本的方法。

性状鉴定是运用眼看、手摸、鼻闻、口尝、水试、火试等直观的方法，依据

中草药的外观和性状，如形状、色泽、大小、表面、质地、断面、气味等进行中

草药的鉴别工作。

显微鉴定是借助显微镜来观察中草药的显微组织，主要包括组织构造，细胞

形状及内含物的特征，用来鉴别药材的真伪，纯度以及品质。

理化鉴定是利用利用中草药所含化学成分的某些物理性质或化学反应对中药

进行定性和定量分析，一般应用于含不同化学成分的性状相似而又无明显显微鉴

别特征的药材。

§1.2中草药现代鉴别法

随着科学技术的高速发展，各领域的相互融合使分析仪器的手段不断的更新，

如紫外、红外、气相、高效液相、核磁共振、扫描电子显微镜、计算机图像分析、

各种电泳、同功酶分析法、分子生物学技术、X射线衍射技术、差热分析技术、

聚类分析法等均被吸收到中药鉴别的方法中，使中草药鉴别技术朝着现代化发展。

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摘要：

摘要太赫兹（THz）波是指频率在0.1THz~10THz（波长在3mm~30μm）区间的远红外电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间。它具有高带宽、低能量、无损探测、高信噪比、对相位信息灵敏等优势，并且通过对物质太赫兹波段的研究，能够深入地了解物质的特性。作为中华民族的一大宝藏，中草药在治疗大多常见慢性和消耗性的疾病方面，具有西药不能替代的重要作用。但是中草药的种类繁多，品质参差不齐，中草药鉴别和质量控制是制约中药发展的一大难题。在鉴别中草药的方法中，光谱法是重要和最常用的一种，太赫兹光谱技术对中草药的研究，是对光谱法鉴别中草药的又一补充。支持向量机技术的迅速发展为数据挖掘和模式识别注入新的动力...

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