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关键词：
太赫兹,太赫兹时域光谱,小波变换,水蒸气吸收
发表时间：
2011-12-01 15:09:42
摘 要 随着超快激光技术的发展及其人们对太赫兹( THz)电磁波波段与脉冲光源认识的进一步深入,太赫兹时域光谱(THz2TDS)技术作为一种新的、快速发展的光谱分析方法在许多领域备受关注。利用太赫兹时域光谱技术在空气环境下测量样品时, 样品的太赫兹光谱会因空气中水蒸气的影响而出现振荡现象。文章利用太赫兹时域光谱分析技术分别在氮气和空气环境下测量了七种样品在012～119太赫兹波段的光谱, 并以氮气环境下的太赫兹光谱为参考, 利用小波变换对空气环境下测量的数据进行了处理, 消除了太赫兹光谱中水蒸气吸收造成的影响, 实验结果证明了该方法的可行性, 在此基础上, 还对其中四种样品做了成像和识别, 并得到了较好的结果。
太赫兹波( THz wave) , 是指频率在01 1 ～10 THz范围内的电磁波(1 THz = 1012 Hz) , 其波段位于电磁波谱中毫米波和远红外光之间。在20世纪80年代中期以前, 人们对这个频段的电磁波特性知之甚少, 形成了远红外线和毫米波之间所谓的“太赫兹空隙”( THz gap ) 。近十几年来超快激光技术的迅速发展, 为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源, 促进了THz辐射在众多领域上的应用[ 1, 2 ] 。飞秒激光激发产生的相干THz波, 联合基于光电效应的THz探测, 就构成了THz时域光谱分析技术。THz时域光谱分析技术是一种非接触测量技术, 具有较高的信噪比, 能够迅速对样品成分的细微变化作出分析和鉴别, 并且能够对被测材料的物理信息进行快速准确的测量[ 3-10 ]。
THz时域光谱分析技术在实际应用中所面临的一个问题是空气中水蒸气的影响, 理论和实验均表明水蒸气在太赫兹频率范围存在强烈的吸收[ 11 ] 。通常, 在实验中降低水蒸气吸收影响的方法是对实验系统充以氮气或将实验系统抽成真空, 这在实际应用中是不可行的。小波变换[ 12-15 ]是20世纪80年代后期发展起来的应用数学分支, 是把待分析的信号分解成由原始小波经过移位和缩放后的一系列子小波。小波的多分辨率分析具有良好的时间域和频率域局部化特性, 可以聚焦到分析对象的任意细节, 具有很多傅里叶变换方法无可比拟的优点, 目前广泛的应用于很多工程领域。本文选择了白糖、食盐、淀粉、苏打、阿斯匹林、聚乙烯和二苯甲酮这七种样品, 首先分别在空气和氮气环境下测量了它们的THz光谱, 并利用小波变换对空气中直接测量的数据进行了处理,消除了水蒸气吸收造成的影响, 然后, 对二苯甲酮、淀粉、苏打和阿斯匹林这四种样品做了成像和识别。
THz时域光谱分析技术在实际应用中所面临的一个问题是空气中水蒸气的影响, 理论和实验均表明水蒸气在太赫兹频率范围存在强烈的吸收[ 11 ] 。通常, 在实验中降低水蒸气吸收影响的方法是对实验系统充以氮气或将实验系统抽成真空, 这在实际应用中是不可行的。小波变换[ 12-15 ]是20世纪80年代后期发展起来的应用数学分支, 是把待分析的信号分解成由原始小波经过移位和缩放后的一系列子小波。小波的多分辨率分析具有良好的时间域和频率域局部化特性, 可以聚焦到分析对象的任意细节, 具有很多傅里叶变换方法无可比拟的优点, 目前广泛的应用于很多工程领域。本文选择了白糖、食盐、淀粉、苏打、阿斯匹林、聚乙烯和二苯甲酮这七种样品, 首先分别在空气和氮气环境下测量了它们的THz光谱, 并利用小波变换对空气中直接测量的数据进行了处理,消除了水蒸气吸收造成的影响, 然后, 对二苯甲酮、淀粉、苏打和阿斯匹林这四种样品做了成像和识别。
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