太赫兹检测技术中的低成本信号处理方法

n
1
1
(W
m
A
W
m
A
)
表4表示应用余弦分析法在低错误率时,最小误差干扰程度对
应的物质。 4.4 方法四:邓氏关联度分析法
灰色关联分析是基于序列曲线几何形状的相似度来判断联系
是否紧密。步骤如下:
(1)原数组记为material和误差序列记为sample。
(2)标准化。计算误差序列与原物质数组的差值。代入下式:
2 方法步骤 (1)将3-120Thz频段电磁波射线照射物质获得太赫兹穿透频
谱。本论文的太赫兹频谱数据来自RIKEN Center (3)。本文研究的 10种物质:D(-)果糖、D(+)葡萄糖、黑钻、果糖、L(-)山梨糖、L(-)山梨 糖、乳糖一水合物、麦芽五糖、麦芽五糖、麦芽糖。
(2)将穿透过物体的太赫兹级射线经16个滤波器过滤,并利用传 感器换成电压值。
应用研究
数字技术 与应用
太赫兹检测技术中的低成本信号处理方法
邹舟诣奥 (中山大学南方学院 电子通信与软件工程系,广东广州 510970)
摘要:本论文以太赫兹频谱技术为基础,利用太赫兹频谱与物质上对应的独特性来检测不同物质。本文中的检测算法只利用有限个太
赫兹频段而并非整个太赫兹频谱,因而是低成本处理太赫兹信号的方法。在比较五种不同的检测算法之后,得出最佳方法是最小二乘法。
应用研究
4.2 算法二:最小二乘法 最小二乘法基本原理是计算误差序列与原数组的均方根值。公 式如下: ei sample1, materiali,12 sample2 materiali,22 （（(sample16 materiali,16)2 其中,sample表示原数组;material表示误差序列。 表2表示应用最小二乘法在低错误率时,最小误差干扰程度对 应的物质。 4.3 方法三:余弦分析法 两序列的相似度还可以用连线的斜率差异来反映,其中斜率差 异用各时间段上连线的夹角的余弦量度。余弦分析法具体算法如下: (1)原数组记为material,误差序列记为sample。 (2)标准化。 1)求均值。以原数组为例。
(3)在原数组中加入误差干扰,产生误差序列。 (4)找到在同等错误率下,允许误差干扰程度最大的算法。 简要流程图如下图1所示。
3 计算太赫兹频谱能量 计算太赫兹能量是利用矩形积分的方法:先将频谱划分为小矩
形,再计算滤波曲线下小矩形的面积之和。将过滤频段的频率依次 记为f1,f2…fn,太赫兹穿透率用T表示。积分之和计算如下。再将经过 过滤器的太赫兹能量利用电压传感器转换成每种物质相应的16个 电压数据。
正确。表5表示应用邓式关联法在低错误率时,最小误差干扰程度对
应的物质[4]。 4.5 方法五: 灰色斜率关联度分析法
灰色斜率关联度分析法是基于斜率关联度计算的,其计算步骤
如下: (1)原数组记为material,误差序列记为sample。
(2)计算出序列的增量。
其中m +是正相关总数;m -是负相关总数;A+是正相关平均 表 4 余弦分析法在1%,2%,5%,10%对应的最小误差干扰程度的
物质
检测错误率 1% 2% 5% 10%
最小误差干扰程度 8% 9% 9.5% 11%
关键词: 太赫兹技术；物质鉴别；频谱信号分析
中图分类号:TN015
文献标识码:A
文章编号:1007-9416(2017)04-0056-02
1 太赫兹频谱简介 太赫兹(Tera Hertz,THz)是波动频率单位之一,等于1012Hz,
通常用于表示电磁波频率。太赫兹波段能轻易穿透物质,基于不同 分子在同一太赫兹频段反射或者折射的能量不同,可得独特的太赫 兹反射或穿透频谱[1][2]。
2)均值化生成。以原数组为例。
(3)求增量序列。以原数组为。
(4)计算各时段的相关系数。
其中βj计算式为:
(5)计算各时段关联度的加权系数。正关联加权系数记为W+,由 下式计算而来。
值;A-是负相关平均值。负关联加权系数记为W_,关联度为零其加
权系数为零[3]。
(6)计算总系数。
r (samle*, material*)
错误率 1% 2% 5% 10%
最小误差干扰程度 7% 9% 10% 12%
对应物质 4.果糖 9.麦芽五糖 2 4.果糖 4.果糖
表2 最小二乘法在1%,2%,5%,10%对应的最小误差干扰程度的 物质
错误率 1% 2% 5% 10%
最小干扰误差 20% 22% 23% 24%
对应物质 6.L(-)山梨糖 2 10.麦芽糖 10.麦芽糖 10.麦芽糖
4.1 算法一:互相关系数法 互相关系数计算公式如下:
式中,ρ表示互相关系数;X,Y分别表示X序列和Y序列;σ为 自相关系数;u为平均数;m为两序列之间的序列差。
表1表示应用互相关系数在低错误率时,最小误差干扰程度对 应的物质。
表1 互相关系数法在1%,2%,5%,10%对应的最小误差干扰程度 的物质
i (k )
min i(k)
max max
其中,ρ = 0.5; max, min 分别对应绝对差最大值和最小值。
(3)系数平均数即是相关系数。相关系数
1
n=16,k=1,2,….16
(4)依次计算出误差序列与原物质序列之间的相关系数。如果误
差序列与本身原物质序列最相近则检测出相匹配的物质,表示检测
图1 利用有限个太赫兹频段检测物质的流程图 收稿日期:2017-03-28 作者简介:邹舟诣奥(1990 —),女,汉,湖南长沙人,硕士,助教,研究方向:控制算法,电力系统自动化。
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4 算法简介 本章节阐述了五种寻找最相似数组的算法。误差干扰数组在
matlab中用以下代码实现:resultnoise(1:100,i)=table(number,i) *(1-beta+(2*beta).*rand(100,1));其中table是原数组,resultnoise 是误差序列。误差干扰程度由beta决定。检测正确率表示能成功检测 出相匹配物质的正确次数百分比。反之为检测错误率,该文中用检 测错误率来表示实验结果。