本发明专利技术公开了一种利用太赫兹时域谱精确测定食用油光学参数的方法。利用透射式太赫兹时域谱（ＴＨｚ－ＴＤＳ）装置，测量没有放置样品时样品池的ＴＨｚ时域谱作为参考信号，再测量放置样品时样品池的ＴＨｚ时域谱作为样品信号；通过求样品信号和参考信号傅立叶变换的比值可得到样品在太赫兹波段传输系数的测量值，然后利用含容器在内的三层传输函数模型，使用Ｎｅｌｄｅｒ－Ｍｅａｄ寻优法和信赖域平滑法拟合样品在太赫兹波段传输系数的测量值，从而精确确定相应太赫兹波段食用油的折射率和吸收系数。本发明专利技术充分考虑了在多层介质中ＴＨｚ波传播时的多次反射效应，并考虑了噪声和测量误差影响，有效提高了食用油光学参数的测量精度，有利于将ＴＨｚ－ＴＤＳ技术应用于食用油成份分析等定量检测场合。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于太赫兹波
，涉及一种利用太赫兹时域谱精确测定食用 油光学参数的方法。
技术介绍
太赫兹(Terahertz or THz)波通常是指频率在0.1 10THz区间的电磁波， 其光子的能量约为1 10 meV，正好与分子振动及转动能级之间跃迁的能量大 致相当。大多数极性分子如水分子、氨分子等对THz辐射有强烈的吸收，许多 有机大分子(DNA、蛋白质等)的振动能级和转动能级之间的跃迁也正好在THz 波段范围。因此，物质的THz光谱(包括发射、反射和透射光谱)包含有丰富的 物理质和化学信息，其吸收和色散特性可以用来做爆炸物、药物等化学及生物 样品的探测和识别，在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科 学等方面具有重要的应用价值。THz光谱和成像技术对生物分子、水、非极性物体等独特的作用形式，可 使得这种新型检测技术在农产品与食品质量检测领域取得突破。从可见-荧光光 谱、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、紫外吸收光谱、到X射线成像分析等，光谱 分析和成像技术是农产品和食品分析研究中不可缺少的重要手段。相对于近红 外和中红外波段，THz辐射的优势在于其波长较长，物体的散射较小，THz辐 射能透射大多数非极性物体，而只有极少的介质对近红外和中红外辐射是透明 的。利用THz时域光谱技术(THz-TDS)可同时获得样品的折射率、吸收系数和 介电常数等全面的光学参数，为定量和全面分析提供更多有用信息。THz作为 一种新型的快速、无损、将来低廉的检测技术，可在农产品与食品检测领域获 得广泛应用。植物油是重要的农产品和食品原料，通过测量其THz时域谱可以计算得到 吸收系数、折射率、介电常数等非常重要的光学参数，用于品质评价及成份分 析，具有重要的实用价值。现有太赫兹谱计算模型是一种简化计算模型，没有 考虑多次反射效应，也没有考虑测量误差影响，不利于成份分析等定量检测场合。
技术实现思路
本专利技术目的是克服现有太赫兹谱简化模型的不足，提供一种利用太赫兹时 域谱精确测定食用油光学参数的方法。利用太赫兹时域谱精确测定食用油光学参数的方法包括如下步骤1) 在太赫兹时域谱透射测量装置上，测量没有放置样品时样品池的太赫兹 时域谱作为参考信号，再测量放置样品时样品池的太赫兹时域谱作为样品信号;2) 利用下式计算样品信号和参考信号傅立叶变换的比值，得到样品在太赫 兹波段传输系数的测量值￡邵o)邵其中五；,》是样品信号的傅立叶变换和《(《)是参考信号的傅立叶变换；3) 根据电磁理论，利用材料的光学参数复折射率S =" —& ("为实折射率，^为消光系数)，利用建立包含容器在内的三层传输函数模型-f (w) 、 、 丄 (") = ^"7，这时五 =70(丰0(0)尸0 )^)，其中 ^ + A和 ^ + ^分别为入射介质a和出射介质b的透射和反射系数；介质0为空气，介质l、 3为容器壁(S^2)，介质2是食用油，"^为 THz波在容器壁(&^)的传输、传播和多重反射因子-4) 利用含容器在内的三层传输函数模型，使用Ndder-Mead寻优法拟合样 品在太赫兹波段传输系数的测量值来确定光学参数；5) 通过多次测量得到二个以上样品信号和参考信号，然后根据测量误差理 论确定噪声门限和测量重复性引起的统计偏差作为平滑算法的信赖域，平滑光 学参数。所述的利用含容器在内的三层传输函数模型，使用Nelder-Mead寻优法拟合 样品在太赫兹波段传输系数的测量值来确定光学参数步骤1)利用参考信号与样品信号的主峰的时间差来确定样品折射率的初值"o ， 使用参考信号与样品信号的主峰的幅度之比来确定样品消光率的初值^;2)在0 2"。， 0 2&范围内采用凸多边形搜索法搜索光学参数"、A，使 求得接近H她。，o)。所述的使用信赖域平滑法平滑光学参数步骤1) 通过多次测量得到二个以上样品信号和参考信号，然后根据测量误差理 论确定噪声门限和测量重复性引起的统计偏差，进而传输函数实部和虚部的误 差范围，作为进一步平滑光学参数的信赖域；2) 除第一点和最后一点除外，由Nelder-Mead拟合得到的折射率和消光系 数做两点滑动平均，然后求各点的^^，(")与^Mw^)的偏差，如果小于该点的信赖域，则接受光学参数的平均值，如果大于信赖域则恢复该点平均前的原始 光学参数值；3) 重复步骤2) 5到10次，得到样品的平滑光学参数。 本专利技术充分考虑了在多层介质中THz波传播时的多次反射效应，并考虑了噪声和测量误差影响，建立食用油THz谱的多层介质测量模型，并使用 Ndder-Mead寻优法和基于信赖域的平滑法，有效提高了食用油光学参数的测量 精度，可用于其品质的定量评价，有利于将THz-TDS技术应用于食用油成份分 析等定量检测场合。 附图说明图l太赫兹时域谱测量装置图2(a)参考信号测量模型示意图，图中介质0为空气，介质l、介质3 为测量容器壁(石英)；图2 (b)样品信号测量模型示意图，图中介质1、介质3为测量容器壁(石 英)，介质2为样品(食用油)；图3 (a)玉米油的太赫兹时域谱波形图3 (b)玉米油太赫兹时域谱的傅立叶变换波形图3 (C)玉米油的折射率曲线；图3 (d)玉米油的吸收率曲线。 具体实施例方式本专利技术利用透射式太赫兹时域谱(THz-TDS)装置，测量没有放置样品时样品 池的THz时域谱作为参考信号，再测量放置样品时样品池的THz时域谱作为样 品信号；通过求样品信号和参考信号傅立叶变换的比值可得到样品在太赫兹波 段传输系数的测量值，然后利用含容器在内的三层传输函数模型，使用 Nelder-Mead寻优法和信赖域平滑法拟合样品在太赫兹波段传输系数的测量值，从而精确确定相应太赫兹波段食用油的折射率和吸收系数。如图1所示，钛蓝宝石飞秒锁模脉冲激光器产生中心波长为800nm、重复 频率为80MHz、脉冲宽度为100fs的激光光源，输出功率960mW。进入THz 系统后，光束经分束镜分为较强的泵浦光和较弱的探测光。泵浦光被斩波器调 制，经透镜聚焦后射向光电导天线砷化镓(GaAs)晶体激发THz脉冲。THz脉冲 经过两个离轴金属抛面镜准直入射到样品上，再经过另两个金属抛面镜聚焦到 达2mm厚的碲化锌ZnTe晶体，与经过延迟线的探测光汇合。这时THz电磁辐 射脉冲的电场通过线性电光效应调制电光晶体ZnTe的折射率椭球，探测光偏振 态随之发生改变，由平衡二极管进行探测，信号送入锁相放大器进行放大。并 通过改变延迟线长度的方法探测THz信号的整个时域波形。为了防止空气中水 蒸气对THz信号的影响，从产生THz信号的GaAs、样品池到探测晶体ZnTe的 这一段光路被密封在充有氮气的箱体内。箱内的相对湿度小于4%,温度为 294K。在信号扫描过程中，实验系统的信噪比为1000，谱分辨率好于40GHz。 利用太赫兹时域谱精确测定食用油光学参数的方法包括如下步骤1) 在太赫兹时域谱透射测量装置上，测量没有放置样品时样品池的太赫兹 时域谱作为参考信号，再测量放置样品时样品池的太赫兹时域谱作为样品信号；2) 利用下式计算样品信号和参考信号傅立叶变换的比值，得到样品在太赫 兹波段传输系数的测量值其中五J")是样品信号的傅立叶变换本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种利用太赫兹时域谱精确测定食用油光学参数的方法，其特征在于包括如下步骤： １）在太赫兹时域谱透射测量装置上，测量没有放置样品时样品池的太赫兹时域谱作为参考信号，再测量放置样品时样品池的太赫兹时域谱作为样品信号； ２）利用下式计 算样品信号和参考信号傅立叶变换的比值，得到样品在太赫兹波段传输系数的测量值： Ｈ↓［ｅｘｐ］（ω）＝Ｅ↓［Ｓｍｏｐｌｅ］↑［ｅｘｐ］（ω）／Ｅ↓［Ｒｅｆ］↑［ｅｘｐ］（ω）， 其中Ｅ↓［Ｓｍａｐｌｅ］↑［ｅｘｐ］（ω）是样品信号 的傅立叶变换和Ｅ↓［Ｒｅｆ］↑［ｅｘｐ］（ω）是参考信号的傅立叶变换； ３）根据电磁理论，利用材料的光学参数复折射率＊＝ｎ－ｉｋ（ｎ为实折射率，ｋ为消光系数），利用建立包含容器在内的三层传输函数模型： Ｈ↓［Ｔｈｏｅｒｙ］（ω） ＝Ｅ↓［Ｓｍａｐｌｅ］↑［ｔｈ］（ω）／Ｅ↓［Ｒｅｆ］↑［ｔｈ］（ω），这时 Ｅ↓［ｒｅｆ］（ω）＝η↓［０］（ω）Ｅ↓［０］（ω）Ｔ↓［１０］（ω）Ｐ↓［０］（ω）ＦＰ↓［０］↑［１３］（ω）Ｔ↓［０３］（ω）， Ｅ↓［Ｓａｍ ｐｌｅ］（ω）＝η↓［２］（ω）Ｅ↓［０］（ω）Ｔ↓［１２］（ω）Ｐ↓［２］（ω）ＦＰ↓［２］↑［１３］（ω）Ｔ↓［２３］（ω）， 其中Ｒ↓［ａｂ］（ω）＝＊＊＊和Ｔ↓［ａｂ］（ω）＝＊＊＊分别为入射介质ａ和出射介质ｂ的透射和反射系数 ；介质０为空气，介质１、３为容器壁（ＳｉＯ↓［２］），介质２是食用油，η↓［ｘ］（ω）为ＴＨｚ波在容器壁（ＳｉＯ↓［２］）的传输、传播和多重反射因子： η↓［ｘ］（ω）＝Ｔ↓［０１］（ω）Ｐ↓［１］（ω）ＦＰ↓［１］↑［０ｘ］（ω）Ｐ ↓［３］（ω）ＦＰ↓［３］↑［ｘ０］（ω）Ｔ↓［３０］（ω）； ４）利用含容器在内的三层传输函数模型，使用Ｎｅｌｄｅｒ－Ｍｅａｄ寻优法拟合样品在太赫兹波段传输系数的测量值来确定光学参数； ５）通过多次测量得到二个以上样品信号和参 考信号，然后根据测量误差理论确定噪声门限和测量重复性引起的统计偏差作为平滑算法的信赖域，平滑光学参数。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李九生，李向军，
申请(专利权)人：中国计量学院，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]
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