基于太赫茲波的氣體檢測識別分類系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣體檢測識別技術(shù)，特別涉及一種基于太赫茲波的氣體檢測識別分類系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]氣體分子在紅外波段下有著大量的特征吸收峰，這一特性多年來成為國際學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)，在太赫茲波段下氣體的轉(zhuǎn)動(dòng)能級較明顯，尤其是對于極性分子如氣態(tài)水，一氧化碳，甲醇，其吸收峰表現(xiàn)為特異性，重復(fù)性。利用太赫茲波譜中氣體的這些特性可實(shí)現(xiàn)多種氣體的快速檢測。
[0003]太赫茲波是指頻率在0.1-10 THz范圍(波長在0.03到3 mm范圍)的電磁波(ITHz=112 Hz)，在電磁波譜中位于微波與紅外輻射之間。太赫茲波特殊的電磁波譜位置使得它具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如光子能量低，在毫電子伏特量級，不會對生物組織產(chǎn)生有害的光致電離、很多物質(zhì)在該波段都有很強(qiáng)的吸收和色散，可以用于鑒別不同物質(zhì)等。
[0004]支持向量機(jī)(Support Vector Machine，簡稱SVM)是一種分類器。由Vapnik等人在多年研宄統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上對線性分類器提出的另一種設(shè)計(jì)最佳準(zhǔn)則。其原理也從線性可分說起，然后擴(kuò)展到線性不可分的情況。甚至擴(kuò)展到使用非線性函數(shù)中去，針對多種氣體的吸收譜，支持向量機(jī)可以很好的處理非線性數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分類。其它的方法如相關(guān)性分析，遺傳算法，主成分分析法在分類識別領(lǐng)域也有許多相關(guān)的研宄。
[0005]目前通用的氣體檢測方法有氣相色譜法，電子鼻，激光光譜法，太赫茲氣體分類方法相比于氣象色譜儀/質(zhì)譜儀具有檢測速度快，裝置輕便的特點(diǎn)，其結(jié)果較電子鼻更為準(zhǔn)確直觀，激光光譜法雖然檢出極限很低，但是有很多極性氣體在激光光譜范圍無明顯吸收峰，而由于太赫茲波段對于極性氣體及氣體中生物大分子較為靈敏，產(chǎn)生的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)指紋譜數(shù)據(jù)更方便做后期數(shù)據(jù)處理、識別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明是針對目前光譜檢測技術(shù)對于檢測氣體吸收譜分辨率不夠高，對混合氣體或未知?dú)怏w不能分類的問題，提出了一種基于太赫茲波的氣體檢測識別分類系統(tǒng)，通過太赫茲波與開放算法檢測氣體原子\分子并對其分類預(yù)測的方法，裝置簡單，操作容易，應(yīng)用范圍廣。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種基于太赫茲波的氣體檢測識別分類系統(tǒng)，激光光源輸出超短脈沖激光經(jīng)單色分束片，一部分反射作為泵浦光經(jīng)過第一光路到達(dá)太赫茲發(fā)射系統(tǒng)，產(chǎn)生太赫茲波由第一拋物面鏡組匯聚入密封氣體腔內(nèi)部，氣體腔兩側(cè)入射和出射口是由聚苯乙烯窗片密封，密封氣體腔下面有可抽真空的抽氣口和注氣的氣體管，太赫茲波與氣體在真空狀態(tài)相互作用后，從氣體腔入口對側(cè)穿出窗片后由第二拋物面鏡組收集到達(dá)太赫茲接收系統(tǒng)；單色分束片的另一部分透射作為探測光經(jīng)過第二光路到達(dá)太赫茲接收系統(tǒng)，兩路光光程相等時(shí)記錄太赫茲信號，太赫茲接收系統(tǒng)采集干燥空氣作為參考信號，采集待測氣體作為樣品信號，將兩信號送計(jì)算機(jī)進(jìn)行啟發(fā)式算法分類識別，對未知的待測氣體進(jìn)行快速分類。
[0008]所述第一光路依次包括慢延遲線模塊、快延遲線模塊、第二衰減片、第二反射鏡、第一凸透鏡，通過調(diào)整慢延遲線模塊和快延遲線模塊，調(diào)整光程。所述第二光路依次包括第一反射鏡，第一衰減片，第三反射鏡，第二凸透鏡。
[0009]所述太赫茲波發(fā)射系統(tǒng)選擇利用非線性效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波；或者利用光整流原理產(chǎn)生太赫茲波；或者光電導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲波。
[0010]所述太赫茲接收系統(tǒng)選擇使用電光采樣探測法，或者光電導(dǎo)天線探測法。
[0011]所述啟發(fā)式算法分類識別包括如下步驟:
1)由太赫茲接收系統(tǒng)接收到的太赫茲時(shí)域信號進(jìn)行快速傅里葉變換轉(zhuǎn)化為頻譜，根據(jù)比爾朗博定律將其轉(zhuǎn)化為吸收譜信號，由批處理腳本統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式并歸類建立數(shù)據(jù)庫；
2)提取數(shù)據(jù)庫信息導(dǎo)入軟件；
3)設(shè)定訓(xùn)練集與測試集，在設(shè)定訓(xùn)練集時(shí)用啟發(fā)式算法網(wǎng)格搜索法及遺傳算法來搜尋最佳參數(shù)并分配不同權(quán)重，建立有效的訓(xùn)練模型后與測試庫進(jìn)行一一比對；
4)最后結(jié)合相關(guān)算法、主成分分析、投票統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來確定樣本的種類。
[0012]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明基于太赫茲波的氣體檢測識別分類系統(tǒng)，通過太赫茲波檢測氣體原子\分子的吸收譜線，并利用開放算法為內(nèi)核的軟件對多種氣體譜線進(jìn)行準(zhǔn)確識別，分類預(yù)測，分辨率高，裝置簡單，容易操作，應(yīng)用范圍廣。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明基于太赫茲波的氣體檢測識別分類系統(tǒng)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明啟發(fā)式算法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]如圖1所示基于太赫茲波的氣體檢測識別分類系統(tǒng)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖，包括激光光源1，單色分束片2，反射鏡A3，慢延遲線模塊4，快延遲線模塊5，衰減片A6，衰減片B7，反射鏡B8，凸透鏡A9，太赫茲發(fā)射系統(tǒng)10，拋物面鏡All，壓強(qiáng)傳感器12，拋物面鏡B13，太赫茲接收系統(tǒng)14，凸透鏡B15，反射鏡C16，拋物面鏡C17，氣體管18，氣體腔19，抽氣口 20，拋物面鏡D21，從激光光源I輸出的超短脈沖激光經(jīng)單色分束片2，一部分反射作為泵浦光依次經(jīng)過慢延遲線模塊4、快延遲線模塊5、衰減片B7、反射鏡B8、凸透鏡A9到達(dá)太赫茲發(fā)射系統(tǒng)10，產(chǎn)生太赫茲波由拋物面鏡All、拋物面鏡C17匯聚入氣體腔19內(nèi)部，氣體腔19內(nèi)裝有壓強(qiáng)傳感器12，氣體腔19兩側(cè)入射和出射口是由聚苯乙烯窗片密封，由真空泵從抽氣口 20將氣體腔19抽成真空狀態(tài)后，再通過氣體管18注入某種氣體，使太赫茲波與該氣體相互作用，太赫茲波從入口對側(cè)穿出窗片后由拋物面鏡D21、拋物面鏡B13收集到達(dá)太赫茲接收系統(tǒng)14 ;單色分束片2的另一部分透射作為探測光經(jīng)過反射鏡A3，衰減片A6，反射鏡C16，凸透鏡B15到達(dá)太赫茲接收系統(tǒng)14，兩路光光程相等時(shí)記錄太赫茲信號。重復(fù)兩次上述步驟，第一次注入干燥空氣作為參考信號，第二次注入待測氣體作為樣品信號，將兩信號記錄下來進(jìn)行傅里葉變換，利用比爾朗伯定律計(jì)算待測氣體的太赫茲吸收系數(shù)，將吸收系數(shù)導(dǎo)入軟件中進(jìn)行訓(xùn)練分類識別。