一种液体物质成分变化的太赫兹信息识别方法及其应用技术

本发明专利技术涉及智能感知信息处理技术领域，尤其涉及一种非接触、无电离破坏的液体物质成分变化的信息识别方法，包括：基于垂直向上反射式太赫兹检测方法获得待识别物质的太赫兹时域信号，进一步获取其复合加权尺度熵，并依据复合加权尺度熵的差异对待识别物质进行区分。本发明专利技术提出了一种非接触、无电离破坏的流体物质成分变化的信息获取与识别方法，该方法操作简便、信号重复性好，识别准确率高，适用范围广，可用于识别浓度不同的溶液、生物活性溶剂标志物识别或液体混合物稳定性监测等等。标志物识别或液体混合物稳定性监测等等。标志物识别或液体混合物稳定性监测等等。

【技术实现步骤摘要】
一种液体物质成分变化的太赫兹信息识别方法及其应用


[0001]本专利技术涉及智能感知信息处理
，尤其涉及一种液体物质成分变化的太赫兹信息识别方法及其应用。

技术介绍

[0002]太赫兹(THz)波是一种介于毫米波和红外之间的电磁波，其频率大致位于0.1～10THz范围内，许多大分子的振转能级落在太赫兹频段，利用太赫兹信号研究与大分子物质的相互作用规律具有更好的一一对应的指认性。THz波辐射能量低，大概在毫电子伏特量级，因而不会对被测物质造成破坏，是一种比较理想的无损检测手段。于是，近年来越来越多的学者使用太赫兹波进行物质检测与识别，特别是在生物、化学、医学等领域。流体或溶液状样品通常无明显特征不易直接通过原始信号区分。
[0003]现有技术中的太赫兹照射方式相位稳定性不佳，例如常规采用液体池的方式有多个界面，而且液体池的液面厚度通常较小以便使得太赫兹信号可以有效透过，会出现无法滤除的多波干扰叠加，液体池厚度通常在1mm一下，与太赫兹的波长范围比较接近，多界面后产生许多回波振荡。还有人采用向下照射的方式，此时在更换被测液体时，无法确保液面高度的精确一致，微小的变化导致太赫兹的微扰有可能淹没液体中微量成分的导致的信号变化。
[0004]熵是自然界中的一个基本物理量，可以用于表征系统的复杂度。对于溶液系统或类溶液系统，大量分子的相互作用组成了一个复杂的整体体系，太赫兹信号与系统发生相互作用时携带了系统的信息。样本熵是通过计算条件概率的负对数来确定时间序列的复杂度，可以用于时间信号的特征提取，突破了常规的特征提取的限制，但其计算结果只有一个数值(即建立在单一尺度上)，有时并不能正确的表示长时间信号的变化规律。复合多尺度熵是通过考虑多个尺度的样本熵来量化信号的复杂度，但是默认为不同尺度的信号对样品的反应是一样的，仍然限制了识别的效果。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术和应用存在的问题，本专利技术提供一种非接触、无电离破坏的流体物质成分变化的太赫兹信息识别方法及其应用。
[0006]当物质中的成分发生微量变化，导致整体宏观系统发生变化，从而导致观测信号的变化，本专利技术通过分析，获得微观变化对应的宏观量的变化，从而对微观信息进行有效判断。第一步是高相位精度的信号测试方式。采用高纯度熔融各向同性石英基底作为被测物的承载体；综合各种需求因素选择石英作为首选承载体物质经过大量筛选和对比，需要考虑太赫兹电磁波的透射率、反射率、材料成本、材料的稳定性、耐腐蚀性、硬度、多光谱的透光性、可视性等等，在一些特定的极端条件下，还可以选择金刚石、高阻硅材料作为承载体；被测物依靠自然重力置于基底上表面，并达到一定的厚度和覆盖面积；太赫兹信号从基底下表面垂直上下表面入射，透过下表面到达上表面，在上表面与被承载物发生相互作用，收
集被原路反射回的信号用于数据分析。第二步是信号预处理。获得多个待识别物质的太赫兹时域信号；获得所述信号不同频域尺度或不同时域尺度的子波信号。第三是表征信号。获得所述子波信号的复合加权尺度熵；通过所述复合加权尺度熵的差异区分所述多个待识别物质；所述复合加权尺度熵为以太赫兹信号的振幅变化作为权重，对信号进行加权平均后计算样本熵得到。
[0007]基于上述原理，本专利技术提一种出液体物质成分变化的信息识别方法，包括：
[0008]将所述待识别物质置于基底上，从所述基底下方，以垂直于所述基底所在平面的方向照射太赫兹波，太赫兹波穿过所述基底，接触待测液体并反射回探测器，即得所述液体的太赫兹信号；
[0009]所述基底的材料为各向同性石英、金刚石或高阻硅材料中的一种或多种，优选为各向同性石英。
[0010]进一步地，所述基底的厚度大于0.5cm，优选为2～3cm。通常要求规避的石英下表面信号的振荡，厚度越厚，规避越好，但是同时也造成信号衰减增大、信号传输路径过长、波束变形影响提高等负面影响增强。
[0011]进一步地，所述获取所述太赫兹时域信号的复合加权尺度熵包括：
[0012]对所述太赫兹时域信号进行变分模式分解得到多组模函数；选择一组模函数作为所述太赫兹时域信号的子波信号，获取所述子波信号的复合加权尺度熵作为所述太赫兹时域信号的复合加权尺度熵。
[0013]进一步地，所述选择一组模函数作为所述太赫兹时域信号的子波信号包括：
[0014]基于模函数的频域和所述太赫兹时域信号的覆盖范围，结合所述待识别物质的物质状态先验信息，选择差异最大的一组模函数；
[0015]所述物质状态先验信息包括：预测的浓度范围、溶液的组成成分、环境条件稳定性、设备状态稳定性中的一种或多种。
[0016]进一步地，在获取所述子波信号的复合加权尺度熵的过程中，在得到多个加权粗粒化序列后，针对每一个待识别物质，计算将其所有加权粗粒化序列的样本熵，后按照相应的加权尺度之和的平均值作为其的复合加权尺度熵。
[0017]进一步地，所述变分模式分解中使用的二次惩罚因子α通过如下方法得到：
[0018](1)将二次惩罚因子α在200～2200范围内寻优，从200开始，依次递增10遍历至2200；
[0019](2)针对每个二次惩罚因子α，实施变分模式分解，结合物质状态先验信息，选择一组模函数作为子波信号，根据设定的尺度s将待识别物质的太赫兹时域信号划分为多个不重叠的窗口，计算每个窗内太赫兹时域信号的平均值作为粗粒化信号，得到s个粗粒化序列；
[0020]根据设定的加权尺度因子ss，将每一个粗粒化序列划分为多个不重叠的窗口，获得每个窗内相邻信号点的振幅变化率作为其自身的权重系数ω(由于窗内第一个点无法得到幅值变化故设置其权重为1)，并依据每个粗粒化信号的权重系数进行加权平均得到加权粗粒化信号，针对每一个粗粒化序列，得到ss个加权粗粒化序列；
[0021]计算每一个加权粗粒化信号的样本熵后，将ss个加权粗粒化序列的样本熵按照相应的加权尺度之和取平均值即得到复合加权尺度熵；
[0022](3)确定出各尺度下的加权尺度的样本熵值的差异性，获得至少在一个加权尺度下熵值有差异的二次惩罚因子α。
[0023]进一步地，步骤(2)中，2≤s≤20，和/或，2≤ss≤20；
[0024]进一步地，步骤(2)中，所述计算每一个加权粗粒化信号的样本熵后，复合加权尺度熵可通过如下复合加权尺度熵公式计算得到：
[0025][0026][0027]其中，为所述加权粗粒化序列，m为嵌入维度，r为相似度阈值，ω(k,j)为权重系数，1≤k≤s，1≤kk≤ss。
[0028]进一步地，步骤(2)中，所述选择一组模函数作为子波信号为：基于模函数的频域和所述太赫兹时域信号的覆盖范围，结合所述待识别物质的物质状态先验信息，选择差异最大的一组模函数。
[0029]进一步地，步骤(3)中，在获得至少在一个加权尺度下熵值有差异的二次惩罚因子α后，比较具有差异性的样本熵值的加权尺度个数，个数最多的对应的二次惩罚因子α即为最优的二次惩罚因子α。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液体物质成分变化的太赫兹信息识别方法，其特征在于，包括：基于垂直向上反射式的太赫兹检测方法获得待识别物质的太赫兹时域信号；获取所述太赫兹时域信号的复合加权尺度熵，并依据所述复合加权尺度熵的差异对所述待识别物质进行识别。2.根据权利要求2所述的太赫兹信息识别方法，其特征在于，所述垂直向上反射式的太赫兹检测方法为：将所述待识别物质置于基底上，从所述基底下方，以垂直于所述基底所在平面的方向照射太赫兹波，太赫兹波穿过所述基底，接触待测液体并反射回探测器，即得所述液体的太赫兹信号；所述基底的材料为各向同性石英、金刚石或高阻硅材料中的一种或多种，优选为各向同性石英。3.根据权利要求1或2所述的太赫兹信息识别方法，其特征在于，所述基底的厚度大于0.5cm，优选为2～3cm。4.根据权利要求1
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3任一项所述的太赫兹信息识别方法，其特征在于，所述获取所述太赫兹时域信号的复合加权尺度熵包括：对所述太赫兹时域信号进行变分模式分解得到多组模函数；选择一组模函数作为所述太赫兹时域信号的子波信号，获取所述子波信号的复合加权尺度熵作为所述太赫兹时域信号的复合加权尺度熵。5.根据权利要求4所述的太赫兹信息识别方法，其特征在于，所述选择一组模函数作为所述太赫兹时域信号的子波信号包括：基于模函数的频域和所述太赫兹时域信号的覆盖范围，结合所述待识别物质的物质状态先验信息，选择差异最大的一组模函数；所述物质状态先验信息包括：预测的浓度范围、溶液的组成成分、环境条件稳定性、设备状态稳定性中的一种或多种。6.根据权利要求4或5任一项所述的太赫兹信息识别方法，在获取所述子波信号的复合加权尺度熵的过程中，在得到多个加权粗粒化序列后，针对每一个待识别物质，计算将其所有加权粗粒化序列的样本熵，后按照相应的加权尺...

【专利技术属性】
技术研发人员：张振伟，刘海顺，张存林，
申请(专利权)人：首都师范大学，
类型：发明
国别省市：