基于模板匹配的太赫兹光谱识别物质方法

殷清燕; 车露美; 韩占锁; 周亚西; 罗蓓蓓

doi:doi:10.3788/LOP57.101506

激光与光电子学进展, 2020, 57 (10): 101506, 网络出版: 2020-05-08

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Template Matching-Based Method for Identifying Substances in Terahertz Spectrum

论文大纲

殷清燕 ¹车露美 ^1,*韩占锁 ²周亚西 ³罗蓓蓓 ²

作者单位

¹ 西安建筑科技大学理学院, 陕西西安 710055

² 西安应用光学研究所, 陕西西安 710065

³ 西安现代控制技术研究所, 陕西西安 710065

机器视觉混合物识别太赫兹光谱模板匹配吸收峰提取 machine vision mixture identification terahertz spectrum template matching absorption peak extraction

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注：本部分内容由 AI 自动生成，请您知悉。

摘要

针对混合物成分识别难题,采用太赫兹时域光谱技术获得物质的特征吸收光谱,研究0.1~7.0 THz宽带太赫兹吸收光谱处理方法和特征光谱识别方法。先扣除空气环境中环境噪声、背景噪声和随温度变化的水蒸气吸收谱对待测物质造成的影响,获得用于识别的太赫兹吸收光谱;基于模板匹配、数值平滑、主吸收峰提取与识别和混合物成分判定等方法,建立混合物成分的太赫兹光谱提取分析模型;调用太赫兹光谱数据库,采用模板匹配和吸收峰峰值、面积比对的方法,依次判断识别扣除各样品的太赫兹吸收光谱。最后,依据算法模型完成混合火炸药的太赫兹特征光谱探测与识别。结果表明,所提方法可逐一分辨混合物成分,是一种可靠的太赫兹宽带光谱特性识别方法。

Abstract

Results

show that the proposed method can sequentially distinguish the components of the mixture, and is a reliable method to identify the terahertz broadband spectral characteristics for these components.

1 引言

太赫兹辐射通常是指频率在0.1~10.0 THz范围内的电磁辐射,可穿透大多数非极性物质,同时因为太赫兹辐射具有较低的光子能量,不会对生物体产生有害的电离和伤害,因此在物质特性分析和无损检测等方面具有巨大的应用前景。许多化合物在太赫兹波段有着独特的“指纹光谱”,可应用于物质的准确识别。

现有的太赫兹时域光谱系统能够获得被测样品的太赫兹吸收光谱,并由此分析判定被测样品中感兴趣的成分;但被测样品的成分经常存在一定判定误差,尤其是被测样品为混合物时,只能检测出其中一种成分或部分成分,而不能逐一分辨出其中所有物质成分,甚至对其中任何一种成分都无法识别^[1-3]。如果被测物质处在空气环境中,由于受到各类噪声和随温度等因素变化的水蒸气吸收谱的影响,上述不足将更为明显,从而制约了太赫兹技术在物质识别方面的应用^[4-5]。

针对现有的太赫兹光谱分析和识别方法的不足,本文旨在探讨一种基于模板匹配的太赫兹光谱处理方法,建立混合物成分的太赫兹光谱提取和分析模型,采用模板匹配和吸收峰峰值、面积比对的方法,依次判断和识别并扣除各样品的太赫兹吸收光谱,逐一分辨出被测样品的组成成分。

2 太赫兹吸收光谱处理识别物质方法

混合物样品可能包含多种物质成分,如炸药分为单体炸药和混合炸药两类。单体炸药分为硝基类、硝胺类、硝酸脂类、以及胺类和硝酸盐类等不同种类化合物^[6]。混合炸药由单体炸药和铝粉、木粉及各种添加剂等组成。如CL-20,化学名称为六硝基六氮杂异伍兹烷;LLm-105,化学名称为2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物;FOX-7属于高能硝胺炸药,化学名称为1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(DADNE);RDX的分子式为(CH₂NNO₂)₃,化学名称为环三亚甲基三硝胺。

针对混合物样品物质成分识别的难题,采用太赫兹光谱探测技术,通过被测物质的吸收特征光谱研究相应的吸收光谱处理及识别物质方法^[7-9],具体步骤如下。

1) 利用太赫兹时域光谱系统检测混合物A的组分。先获取混合物A的太赫兹吸收光谱,再扣除环境噪声和背景噪声,消除随温度变化的水蒸气吸收谱造成的影响,获得用于识别的太赫兹吸收光谱。

2) 调用太赫兹光谱数据库,采用模板匹配和吸收峰比对的方法,依次判断、识别并扣除各样品的太赫兹吸收光谱;分析和判定扣除后的吸收光谱数据,直到检测出混合物所有组分。

光谱数据库中要确保包含有组成所述被测混合物A的各种单一物质的标准太赫兹吸收光谱,还可包含太赫兹频域常见物质的标准太赫兹吸收光谱,如火炸药和铝粉等^[10]。光谱数据库中所有的太赫兹吸收光谱和所述移除样品时测得的背景环境信号V(T)(T为太赫兹吸收频率)均在液氮环境下测量,排除水蒸气吸收等干扰;被测混合物A的太赫兹吸收光谱U(T)在普通空气条件下测量,测量结果中混入了水蒸气吸收的影响和各种噪声干扰。

3 基于模板匹配的太赫兹主吸收峰提取方法

针对被测物质处在空气环境中的太赫兹特征光谱信噪比低的问题,研究了基于模板匹配、数值平滑、主吸收峰提取与识别、噪声扣除与信号计算和混合物成分判定等识别方法^[11-13]。存在的问题:1)特征吸收峰不明显;2)若干吸收峰接近,不易区分。太赫兹特征光谱的提取方法如图1所示。

图 1. 太赫兹主吸收峰的提取方法

Fig. 1. Terahertz main absorption peak extraction method

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具体流程如下。

1) 消除干扰

测得被测样品的太赫兹吸收光谱和背景环境信号,对该吸收光谱扣除背景环境信号和光谱数据库中的水蒸气吸收谱,得到预处理的太赫兹吸收光谱U₁(T)。

2) 数值平滑

数值平滑的意义是进一步剔除太赫兹吸收光谱曲线上的随机噪声,提高识别的准确性。

当 $\begin{matrix} (T + \frac{b - 1}{2}) \end{matrix}$ >10时,

\begin{matrix} \begin{matrix} U_{2} (T) = [U_{1} (T) + U_{1} (T + a) + \\ U_{1} (T + 2 a) + \dots + U_{1} (10) + U_{1} (T - a) + U_{1} (T - 2 a) + \dots + U_{1} (0.1)] / b, (1) \end{matrix} \end{matrix}

当 $\begin{matrix} (T - \frac{b - 1}{2}) \end{matrix}$ <0.1时,

\begin{matrix} \begin{matrix} U_{2} (T) = [U_{1} (T) + U_{1} (T + a) + U_{1} (T + 2 a) + \dots + \\ U_{1} (T + \frac{b - 1}{2} a) + U_{1} (T - a) + U_{1} (T - 2 a) + \dots + U_{1} (0.1)] / b, (2) \end{matrix} \end{matrix}

当 $\begin{matrix} (T - \frac{b - 1}{2}) \end{matrix}$ ≥0.1且 $\begin{matrix} (T + \frac{b - 1}{2}) \end{matrix}$ ≤10时,

\begin{matrix} \begin{matrix} U_{2} (T) = [U_{1} (T) + U_{1} (T + a) + U_{1} (T + 2 a) + \dots + \\ U_{1} (T + \frac{b - 1}{2} a) + U_{1} (T - a) + U_{1} (T - 2 a) + \dots + U_{1} (T - \frac{b - 1}{2} a)] / b, (3) \end{matrix} \end{matrix}

式中:b为采样点总数;a为采样间隔。用(1)~(3)式对预处理的太赫兹吸收光谱U₁(T)进行数值平滑,得到用于物质识别的太赫兹吸收光谱U₂(T)。

3) 主吸收峰识别

将太赫兹吸收光谱与太赫兹光谱数据库进行比较,提取被测样品的主吸收峰数据;从光谱数据库中逐一载入各物质的太赫兹吸收光谱。先确定光谱数据库中物质E的最大值点(主吸收峰),再以最大值点为中心,提取与该物质对应的被测样品吸收光谱数据,记为当前识别谱U₃(T)。这一步提取的是与物质E对应频率的被测样品吸收光谱数据,需分析后才能判定物质E是否存在被测样品中。

这里物质A是指被测混合物,物质E是可能存在于混合物A中的待检成分,具有自己的太赫兹吸收谱。虽在现有技术下,不同探测设备针对同一物质的太赫兹吸收光谱可能会获得不同的探测结果,单一物质的太赫兹吸收光谱作为具有共识的已知量来使用,物质E正是这样具有公认的太赫兹吸收光谱的单一物质。

4 混合物成分的太赫兹光谱提取和分析模型

建立混合物成分的太赫兹光谱提取和分析模型,通过分析主吸收峰特征和吸收谱形状以判定物质E是否存在混合物中,识别流程如图2所示,其中主吸收峰特征通过吸收峰高低差异进行判定,吸收谱形状通过计算比较物质E的吸收谱面积和U₃(T)的面积进行判定,由此确定混合物吸收光谱中是否存在物质E的特性吸收谱。其中峰值偏差ε和面积偏差f由实验确定,取值过大导致漏判,取值过小导致错判。

4.1 基于模板匹配的判定计算

利用生成物质E对应的判定模板Z_E(T)判定模板在相同频率处,包含了物质E的主吸收峰,其他位置用零值填充,即在T取值位于物质E的主吸收峰时,Z_E(T)=U_E(T),其他频率点Z_E(T)=0,其中U_E(T)表示物质E在T处的吸收光谱。

将Z_E(T)覆盖在U₃(T)上进行比对,寻找在U₃(T)上是否出现了物质E的主吸收峰,判别方法如下。

1)计算峰值偏差

计算并判断峰值偏差

\begin{matrix} |Z_{E} (t) - U_{3} (t)| < ε (4) \end{matrix}

是否成立,式中:Z_E(t)为Z_E(T)在太赫兹频率为t时的值;U₃(t)为U₃(T)在太赫兹频率为t时的值。

若(4)式成立,说明U₃(T)在t位置处出现了类似物质E的吸收峰,则自动进入步骤2),进一步判定该吸收峰是否由物质E产生;若(4)式不成立,说明在t位置处未出现明显类似物质E的吸收峰,则自动进入步骤3),进一步确认在U₃(t)上是否存在物质E的吸收峰。

图 2. 识别物质成分模型的流程图

Fig. 2. Flow chart for identifying substance components models

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2) 计算面积偏差

计算Z_E(T)的面积M_E和U₃(T)对应区域的

面积M'_E,即

\begin{matrix} \begin{matrix} M_{E} = \overset{T = i + ja}{\sum_{T = i - ia}} Z_{E} (T), (5) \\ M'_{E} = \overset{T = i + ja}{\sum_{T = i - ia}} U_{2} (T), (6) \end{matrix} \end{matrix}

式中:i、j分别为以峰值点为中心,向左、向右的取样点个数。

吸收峰面积偏差的表达式为

\begin{matrix} |\frac{M'_{E} - M_{E}}{M_{E}}| < f 。 (7) \end{matrix}

若(7)式成立,说明U₃(T)对应位置出现的吸收峰高度和面积均与物质E主吸收峰相同,则可判定混合物A中存在物质E,将物质E记录下来。若(7)式不成立,说明U₃(T)对应位置出现的吸收峰不是由物质E产生,当前物质E的判断流程结束,返回载入下一种物质,继续识别。

实验证明f的取值在3%~8%之间较为合理,f值太小导致识别误差增大,使得存在于混合物A中的物质未能有效识别,甚至使识别过程陷入无限循环以致无法结束,f值太大可能导致错判,将不同的吸收峰错误地判定为相同物质。

3) 在漂移处理数p以内计算峰值偏差

某些情况下,在采集、处理、分析和转换等软硬件环节中引入的误差,会导致测得的吸收谱与物质E的实际吸收谱出现偏差,从直观上看好像吸收谱在频率坐标上出现偏移,在这种情况下为了识别出物质E,需允许频率有一个合理的偏移量,这个偏移量就是漂移处理数p。

在U₃(T)中t附近寻找是否存在与物质E类似的吸收峰,方法如下。

吸收峰的太赫兹频率个数为

\begin{matrix} \begin{matrix} 2 p = |Z_{E} (t) - U_{3} (T_{p})| \\ T_{p} = t + a, t + 2 a, \dots, t + pa, t - a, \\ t - 2 a, \dots, t - pa, (8) \end{matrix} \end{matrix}

式中:T_p为太赫兹吸收频率值序列;U₃(T_p)为U₃(T)在T_p处的值。

找出在2p个值中的最小值,记为 $\begin{matrix} \min |Z_{E} (t) - U_{3} (T_{p})|, \end{matrix}$ 并记录取得该最小值时T_p的漂移频率值q。判断

\begin{matrix} \min |Z_{E} (t) - U_{3} (T_{p})| < ε (9) \end{matrix}

是否成立。若(9)式不成立,说明在U₃(T)上找不到物质E的吸收峰,即混合物A中没有物质E,则物质E的识别流程结束,回到步骤1)计算峰值偏差选择下一种物质继续识别;若(9)式成立,说明在U₃(T)上存在与物质E相似的吸收峰,则进入步骤4),进一步判断。

p值的大小决定了在处理中允许主吸收峰频率漂移的范围,p值越大,允许主吸收峰频率漂移的范围也越大,同时造成错误识别的可能性也越大,实验表明p的最佳取值范围为3~12。

4) 在p以内计算面积偏差

计算Z_E(T)的面积M_E和U₃(T)在q附近的面积M″_E,即

\begin{matrix} \begin{matrix} M_{E} = \overset{T = t + ja}{\sum_{T = t - ia}} Z_{E} (T), (10) \\ M ″_{E} = \overset{T = q + ja}{\sum_{T = q - ia}} U_{3} (T) 。 (11) \end{matrix} \end{matrix}

吸收峰面积偏差的表达式为

\begin{matrix} |\frac{M ″_{E} - M_{E}}{M_{E}}| < f 。 (12) \end{matrix}

若(12)式成立,说明U₃(T)在q位置出现的吸收峰高度和面积均与物质E主吸收峰相同,则可判定混合物A中存在物质E,将物质E记录下来。若(12)式不成立,说明U₃(T)对应位置出现的吸收峰不是由物质E产生,载入下一种物质,继续识别。这增加了在一定频率漂移范围内的识别和判断,消除了漂移带来的影响,使得处理更可靠。

4.2 样品吸收谱的扣除与判定方法

当第一次有物质被识别时,使用U₂(T)扣除物质E的U_E(T),扣除后的吸收光谱作为U₃(T),即U₃(T)=U₂(T)-U_E(T);已有物质被识别时,从U₃(T)中扣除物质E的U_E(T),扣除后的吸收光谱U₃(T)-U_E(T)作为U₃(T)。

判定是否仍有吸收峰存在的方法如下。

判定U₃(T)是否有大于吸收峰高度阈值r的点;若U₃(T)中没有大于r的点,说明U₃(T)中已没有吸收峰,所有被测样品中存在的物质都已被识别。

实验证明r的取值在0.2~0.3之间较为合理,r值太小导致识别过程冗长,甚至使识别过程陷入无限循环以致无法结束,r值太大会使一些吸收峰被错过,导致部分物质无法从被测样品中识别出来。

5 混合火炸药太赫兹光谱实验结果

采用美国Zomega公司生产的ZAP(空气产生原理的太赫兹光谱仪)宽带太赫兹时域光谱仪分别对硝基弧、TNT(三硝基甲苯)固态样品和TTNT-F(炸药)粉末等三种混合物火炸药样品的太赫兹光谱进行测试,对测试结果采用太赫兹光谱识别算法进行处理,火炸药太赫兹光谱的测试实验是在氮气环境下进行,始终对ZAP宽带太赫兹时域光谱仪内部充氮气,氮气环境下的光谱测试结果,如图3~5所示。

图 3. 硝基弧混合样品的有效太赫兹吸收峰曲线

Fig. 3. Effective terahertz absorption peak curves of nitro-arc mixed samples

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图 4. TNT固态混合样品的有效太赫兹吸收峰曲线

Fig. 4. Effective terahertz absorption peak curves of TNT solid mixed samples

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图 5. TTNT-F粉末混合样品的有效太赫兹吸收峰曲线

Fig. 5. Effective terahertz absorption peak curves of TTNT-F powder mixed samples

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该系统采用飞秒激光激发空气产生太赫兹波,其频谱覆盖范围为0.1~7.0 THz。原始测试结果包含了信号吸收峰、水吸收峰和噪声峰,根据太赫兹吸收光谱处理识别物质方法去除水吸收峰;进而,按照基于模板匹配的太赫兹主吸收峰提取算法运行软件,滤掉噪声吸收峰。在识别物质成分时,识别出水吸收峰和噪声产生无效的太赫兹光谱特征峰:1.05,1.64,2.17,2.63,3.00,5.04,6.03 THz,根据识别算法,扣除这些特征吸收峰。据此判断出火炸药混合物中包含铝粉和粘合剂等物质,铝粉和粘合剂的吸收峰分别为0.468 THz和0.937 THz。

物质识别的结果:有效太赫兹吸收峰值在0.59,1.46,1.99 THz时,对应的样品为硝基弧炸药;有效太赫兹吸收峰值在0.88 THz时,对应的样品为TNT固态样品;有效太赫兹吸收峰值在0.47 THz和0.94 THz时,对应的样品为TTNT-F粉末样品。基于模板匹配的太赫兹光谱识别物质方法,可解决混合物样品物质成分的识别难题,其中Ref为无样品时的有效太赫兹吸收峰曲线。

6 结论

对于混合了铝粉和粘合剂等的炸药,吸收峰的提取比较困难,采用基于模板匹配的宽带太赫兹光谱识别物质方法可有效识别物质典型的太赫兹吸收峰。该方法将实验环境下的太赫兹光谱与普通环境下的太赫兹光谱结合,扣除环境噪声和背景噪声,消除随温度变化的水蒸气吸收造成的影响,获得用于识别的太赫兹吸收光谱,再调用太赫兹光谱数据库,采用模板匹配和吸收峰高度、面积比对的方法,依次判断和识别并扣除各样品的太赫兹吸收光谱;判定扣除后的吸收光谱数据,根据对多种混合物样品的检测结果,可检测出混合物中所有组分。

参考文献

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1 引言

2 太赫兹吸收光谱处理识别物质方法

3 基于模板匹配的太赫兹主吸收峰提取方法

图 1. 太赫兹主吸收峰的提取方法

Fig. 1. Terahertz main absorption peak extraction method

4 混合物成分的太赫兹光谱提取和分析模型

4.1 基于模板匹配的判定计算

图 2. 识别物质成分模型的流程图

Fig. 2. Flow chart for identifying substance components models

4.2 样品吸收谱的扣除与判定方法

5 混合火炸药太赫兹光谱实验结果

图 3. 硝基弧混合样品的有效太赫兹吸收峰曲线

Fig. 3. Effective terahertz absorption peak curves of nitro-arc mixed samples

图 4. TNT固态混合样品的有效太赫兹吸收峰曲线

Fig. 4. Effective terahertz absorption peak curves of TNT solid mixed samples

图 5. TTNT-F粉末混合样品的有效太赫兹吸收峰曲线

Fig. 5. Effective terahertz absorption peak curves of TTNT-F powder mixed samples

6 结论

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1 引言

2 太赫兹吸收光谱处理识别物质方法

3 基于模板匹配的太赫兹主吸收峰提取方法

图 1. 太赫兹主吸收峰的提取方法

Fig. 1. Terahertz main absorption peak extraction method

4 混合物成分的太赫兹光谱提取和分析模型

4.1 基于模板匹配的判定计算

图 2. 识别物质成分模型的流程图

Fig. 2. Flow chart for identifying substance components models

4.2 样品吸收谱的扣除与判定方法

5 混合火炸药太赫兹光谱实验结果

图 3. 硝基弧混合样品的有效太赫兹吸收峰曲线

Fig. 3. Effective terahertz absorption peak curves of nitro-arc mixed samples

图 4. TNT固态混合样品的有效太赫兹吸收峰曲线

Fig. 4. Effective terahertz absorption peak curves of TNT solid mixed samples

图 5. TTNT-F粉末混合样品的有效太赫兹吸收峰曲线

Fig. 5. Effective terahertz absorption peak curves of TTNT-F powder mixed samples

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