專利名稱：一種基于太赫茲時域光譜的紡織纖維鑒別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太赫茲技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種基于太赫茲時域光譜技術(shù)的紡織 纖維鑒別方法。
背景技術(shù)：
太赫茲(ITHz = 1012Hz)波通常是指頻率范圍在0. ITHz到lOTHz的電磁波輻射， 處于微波與紅外光之間。太赫茲波技術(shù)具有以下特點(1)太赫茲時域光譜技術(shù)采用光脈 沖取樣探測方法，可以獲得太赫茲波的瞬態(tài)電場，即同時得到幅度和相位信息。(2)太赫茲 輻射對陶瓷、塑料、紡織纖維等很多物質(zhì)透射率高，可以用于這些材料的質(zhì)量控制。(3)太赫 茲輻射是一種非常安全的電磁輻5射，頻率為ITHz的電磁波的光子能量只有4mev，是X射 線的百萬分之一，對人體危害極小，可以用于無損檢測。(4)利用太赫茲時域光譜技術(shù)可以 獲得亞皮秒、飛秒時間分辨率，而且通過取樣測量技術(shù)，能夠有效地抑制背景輻射噪聲的干 擾，信噪比可以達到101(1。(5)太赫茲波波長較長，受物質(zhì)顆粒散射影響很小。在紡織生產(chǎn)管理或產(chǎn)品分析中，常常要對各種狀態(tài)下的纖維材料進行鑒別，有呈 散纖維狀態(tài)的紡織原料，也有各道工序生產(chǎn)的半制品或成品。由于化學(xué)纖維的大量發(fā)展， 加之混紡品種的日益增多，使紡織成品的花色品種更為繁多，因此，對紡織材料進行系統(tǒng)鑒 別是一項非常重要而復(fù)雜的工作。各種紡織纖維的外觀形態(tài)與內(nèi)在性質(zhì)，有很多相似的地 方，也有很多不同的地方。纖維鑒別，就是利用纖維的各種外觀形態(tài)或內(nèi)在性質(zhì)的差異，采 用各種方法將其區(qū)分開來。目前鑒別的方法，有手感目測法、顯微鏡觀察法、溶解法、藥品著 色法以及紅外光譜法等。其中，手感目測法雖是鑒別纖維最簡單的方法，但無法鑒別合成纖 維，而且對已經(jīng)紡紗、織布的纖維也無能為力；燃燒法只能粗略地區(qū)分纖維的大類；顯微鏡 觀察法無法確切區(qū)分截面呈圓形的化學(xué)纖維，如富強纖維、滌綸、錦綸等，只能借助其他方 法進行鑒別。藥品著色法只適用于鑒別未染色的散纖維或純紡紗線織物；溶解法受溶劑的 濃度、溶解時的溫度和作用時間等影響較大；紅外光譜法是基于不同的化學(xué)基團在紅外光 譜中出現(xiàn)的特征吸收帶的位置不同而進行鑒別物質(zhì)的，只要兩種物質(zhì)的成分不同，一般情 況下可以鑒別出來。但是結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)的紅外光譜則區(qū)別不大，因此也很難區(qū)分。尋找 新的鑒別紡織纖維方法非常重要。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提供一種基于太赫茲時域光譜技術(shù)的紡織纖維鑒別 方法，以解決現(xiàn)有紡織纖維鑒別技術(shù)存在的局限。技術(shù)方案基于太赫茲時域光譜的紡織纖維鑒別方法，其特征在于該方法主要包 括以下步驟1)測量標準紡織纖維的太赫茲時域光譜，建立光譜數(shù)據(jù)庫；2)根據(jù)紡織纖維的太赫茲時域光譜建立紡織纖維的分類模型；3)測量待檢紡織纖維的太赫茲時域光譜，根據(jù)紡織纖維的太赫茲時域光譜分類模型和待檢紡織纖維的太赫茲光譜對待檢紡織纖維進行鑒別。所述步驟1)為以太赫茲時域光譜測量裝置分別測量透過空的樣品架和透過裝 有標準紡織纖維樣品架的太赫茲脈沖時域波形，透過空樣品架的波形作為參考信號，透過 裝有標準紡織纖維的樣品架的波形作為樣品信號，根據(jù)參考時域波形和樣品時域波形提取 標準紡織纖維在太赫茲波段的吸收系數(shù)譜。所述步驟2)主要包括以下步驟21)判別模型的建立從不同種類的紡織纖維中分別選擇70%的樣本組成建模用 的訓(xùn)練集，首先應(yīng)用主成分分析法提取標準紡織纖維太赫茲光譜的特征，然后選擇馬氏距 離判別法按照不同的紡織纖維類別建立紡織纖維鑒別模型；建模與實際判別時的光譜處理 方法必須一致，按照不同的紡織纖維類別分別建立區(qū)分不同紡織纖維的鑒別模型；22)判別模型的驗證以剩余的30%的樣本組成驗證集，首先應(yīng)用主成分分析法 提取標準紡織纖維太赫茲光譜的特征，然后調(diào)用已經(jīng)建立的紡織纖維鑒別模型，獲得驗證 集樣本的類別。所述步驟3)為以太赫茲時域光譜測量裝置分別測量透過空的樣品架和透過裝 有待測紡織纖維樣品架的太赫茲脈沖時域波形，透過空樣品架的波形作為參考信號，透過 裝有標準紡織纖維的樣品架的波形作為樣品信號，根據(jù)參考時域波形和樣品時域波形提取 標準紡織纖維在太赫茲波段的吸收系數(shù)譜，應(yīng)用主成分分析法提取新樣本太赫茲光譜的特 征，然后調(diào)用建立好的判別模型對其進行鑒別，鑒別結(jié)果發(fā)現(xiàn)太赫茲光譜法能正確對紡織 纖維進行分類。所述的太赫茲時域光譜的太赫茲波的頻率在0. 2-2. 5THz。太赫茲時域光譜系統(tǒng)直接工作在室溫環(huán)境下。有益效果本發(fā)明提出的紡織纖維鑒別方法是基于光譜的鑒別方法，無需復(fù)雜的 前處理過程，測試時間短，此方法屬于無損檢測的范疇，對被檢樣品沒有損害，鑒別準確性 高，適用于成分相近的紡織纖維鑒別。


圖1為樣品架結(jié)構(gòu)，圖中兩片聚乙烯薄片間的距離為1mm ；圖2為實施例中棉的太赫茲吸收光譜；圖3為實施例中精煉棉的太赫茲吸收光譜；圖4為實施例中粘膠的太赫茲吸收光譜；圖5為實施例中強力粘膠的太赫茲吸收光譜；圖6為實施例中人造棉的太赫茲吸收光譜；圖7為實施例中五種紡織紡織材料在第一主成分PC1和第二主成分PC2 二維坐標 系中的散點圖。
具體實施例方式本發(fā)明所提出的基于太赫茲時域光譜的紡織纖維鑒別方法，包括以下步驟(1)應(yīng)用太赫茲時域光譜(THz-TDS)系統(tǒng)獲取標準紡織纖維的太赫茲時域波形；(2)從時域波形中提取紡織纖維在太赫茲波段的吸收光譜；
(3)應(yīng)用特征提取方法獲取紡織纖維吸收光譜的特征；(4)采用模式識別方法建立紡織纖維的鑒別模型；(5)按照步驟(1)_(3)獲得待鑒別紡織纖維THz吸收光譜的主分量，應(yīng)用步驟(4) 所建立的鑒別模型進行鑒別。由于物質(zhì)的THz吸收光譜中存在大量的信息冗余，因此采用主成分分析法提取紡 織纖維在THz波段的吸收光譜的主分量。以紡織纖維在0. 2-2. 5THz范圍的吸收光譜作為 特征量構(gòu)造數(shù)據(jù)表，應(yīng)用主成分分析進行分解，一般地，選取少數(shù)幾個在變差總信息量中比 例較大的主成分來分析事物。主成分在變差信息量中的比例越大，它在綜合評價中的作用 就越大。取信息量之和大于85%的前幾個主分量作為紡織纖維的特征。選取棉、精煉棉、粘膠、強力粘膠和人造棉五種成分相近的棉類材料作為實驗介 質(zhì)，每一種選擇14個樣本進行實驗，具體說明基于太赫茲時域光譜的紡織纖維鑒別方法的 實現(xiàn)過程首先應(yīng)用太赫茲時域光譜(THz-TDS)系統(tǒng)測得THz波透過空的樣品架(圖1. a) 和透過裝有紡織纖維的樣品架(圖1. b)后的THz時域波形，透過空樣品架的波形作為參考 信號，透過裝有樣品的樣品架的波形作為樣品信號。THz-TDS系統(tǒng)可以同時測得透過樣品后的太赫茲波的幅度和相位，樣品的散射和 吸收等效應(yīng)會改變透射的太赫茲電場。電場的透射系數(shù)T = Esam/EMf，其中Esam和分別 為THz波透過被測材料和透過空氣后的幅度，物質(zhì)在太赫茲波段的吸收系數(shù)可以表示為a = ~\丨 Eref )
^ ( 1 )獲得了這些材料在太赫茲波段的吸收光譜之后，應(yīng)用在0. 2-2. 5THz波段的吸 收光譜作為特征量構(gòu)造數(shù)據(jù)表，進行主成分分析，分解后獲得的第一和第二主成分的貢 獻率分別為74. 78%和13. 31%，因此，取前兩個主成分表示原數(shù)據(jù)，所能解釋的方差為 88. 09%，因此選取前兩個主成分作為這些材料的THz吸收光譜的特征。如圖3所示為五種 材料在其第一主成分PC1和第二主成分PC2 二維坐標系中的散點圖。然后應(yīng)用馬氏距離法對這種五種材料進行分類。先在每類紡織材料中各取10個， 共50個樣本，設(shè)棉、精煉棉、粘膠、強力粘膠和人造棉五種材料的總體分別為G2，G3，C4， G5，每個總體中有10個樣本，分別用Xij(i = l,2-10,j = 1，2…5)表示。由于每個總體的
均值向量八與協(xié)方差矩陣E ^未知，因此用訓(xùn)練樣本的估計值式、17代替h和E p式和I,.
分別用下式獲得 1 10 令…=&，Sy. =%，作為每個總體的均值向量和協(xié)方差矩陣。這樣就建立了應(yīng)用馬 氏距離判別法進行紡織纖維鑒別的鑒別模型。其余的樣本作為測試集檢測應(yīng)用訓(xùn)練樣本獲得的分類模型的分類準確性。用X表 示判別樣本，計算判別樣本與各個總體G」的距離，
。所有的判別樣本的分類結(jié)果
見表4-1.其中Mi列是把測試樣本識別為第i類的樣本數(shù)。從表中可以看出應(yīng)用本文建立 的紡織纖維鑒別模型可以準確地實現(xiàn)成分相似的紡織纖維鑒別。表1模型驗證結(jié)果
權(quán)利要求
一種基于太赫茲時域光譜的紡織纖維鑒別方法，其特征在于該方法主要包括以下步驟1)測量標準紡織纖維的太赫茲時域光譜，建立光譜數(shù)據(jù)庫；2)根據(jù)紡織纖維的太赫茲時域光譜建立紡織纖維的分類模型；3)測量待檢紡織纖維的太赫茲時域光譜，根據(jù)紡織纖維的太赫茲時域光譜分類模型和待檢紡織纖維的太赫茲光譜對待檢紡織纖維進行鑒別。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太赫茲時域光譜的紡織纖維鑒別方法，其特征在于，所 述步驟1)為以太赫茲時域光譜測量裝置分別測量透過空的樣品架和透過裝有標準紡織 纖維樣品架的太赫茲脈沖時域波形，透過空樣品架的波形作為參考信號，透過裝有標準紡 織纖維的樣品架的波形作為樣品信號，根據(jù)參考時域波形和樣品時域波形提取標準紡織纖 維在太赫茲波段的吸收系數(shù)譜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太赫茲時域光譜的紡織纖維鑒別方法，其特征在于，所 述步驟2)主要包括以下步驟21)判別模型的建立從不同種類的紡織纖維中分別選擇70%的樣本組成建模用的訓(xùn) 練集，首先應(yīng)用主成分分析法提取標準紡織纖維太赫茲光譜的特征，然后選擇馬氏距離判 別法按照不同的紡織纖維類別建立紡織纖維鑒別模型；建模與實際判別時的光譜處理方法 必須一致，按照不同的紡織纖維類別分別建立區(qū)分不同紡織纖維的鑒別模型；22)判別模型的驗證以剩余的30%的樣本組成驗證集，首先應(yīng)用主成分分析法提取 標準紡織纖維太赫茲光譜的特征，然后調(diào)用已經(jīng)建立的紡織纖維鑒別模型，獲得驗證集樣 本的類別。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太赫茲時域光譜的紡織纖維鑒別方法，其特征在于，所 述步驟3)為以太赫茲時域光譜測量裝置分別測量透過空的樣品架和透過裝有待測紡織 纖維樣品架的太赫茲脈沖時域波形，透過空樣品架的波形作為參考信號，透過裝有標準紡 織纖維的樣品架的波形作為樣品信號，根據(jù)參考時域波形和樣品時域波形提取標準紡織纖 維在太赫茲波段的吸收系數(shù)譜，應(yīng)用主成分分析法提取待測樣本太赫茲光譜的特征，然后 調(diào)用建立好的判別模型對其進行鑒別，鑒別結(jié)果發(fā)現(xiàn)太赫茲光譜法能正確對紡織纖維進行 分類。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太赫茲時域光譜的紡織纖維鑒別方法，其特征在于所述 的太赫茲時域光譜的太赫茲波的頻率在0. 2-2. 5THz。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太赫茲時域光譜的紡織纖維鑒別方法，其特征在于太赫 茲時域光譜系統(tǒng)直接工作在室溫環(huán)境下。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于太赫茲時域光譜技術(shù)的紡織纖維鑒別方法，主要包括以下步驟首先應(yīng)用太赫茲時域光譜測量裝置獲取標準紡織纖維在太赫茲波段的吸收光譜；然后應(yīng)用主成分分析法提取紡織纖維吸收光譜的主分量；采用模式識別的方法建立紡織纖維的分類模型；根據(jù)上述方法獲得待鑒別紡織纖維的太赫茲吸收光譜并提取其主分量，調(diào)用已建立的模型進行分類，確定待鑒別紡織纖維的種類。該鑒別方法是基于光譜的鑒別方法，無需復(fù)雜的前處理過程，測試時間短，此方法屬于無損檢測的范疇，對被檢樣品沒有損害，鑒別準確性高，適用于成分相近的紡織纖維鑒別。
文檔編號G01N21/35GK101876633SQ200910235090
公開日2010年11月3日 申請日期2009年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月13日
發(fā)明者曹丙花 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)