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光学学报 2021年第17期41卷 82-90页

作者：王奇书牟达周桐宇任姣姣张丹丹辛胤杰长春理工大学光电工程学院光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室吉林长春130022 长春理工大学光电工程学院光电工程国家级实验教学示范中心吉林长春130022

利用时域有限差分法和太赫兹时域光谱技术对玻纤复合材料分层缺陷进行研究。首先,基于透射式太赫兹时域光谱系统获得玻纤复合材料在太赫兹波段的光学参数,并用时域有限差分法对缺陷进行数值仿真;其次,利用太赫兹时域光谱系统对提前预制... 详细信息

利用时域有限差分法和太赫兹时域光谱技术对玻纤复合材料分层缺陷进行研究。首先,基于透射式太赫兹时域光谱系统获得玻纤复合材料在太赫兹波段的光学参数,并用时域有限差分法对缺陷进行数值仿真;其次,利用太赫兹时域光谱系统对提前预制的缺陷样件进行实际检测;最后,对比理论和实际检测获得的时域波形数据,对缺陷进行成像分析,发现两种方法均实现了在距离材料上表面3 mm和5 mm处对0.3 mm厚度分层缺陷的检测。结果表明:时域有限差分法可为利用太赫兹时域光谱系统检测复合材料缺陷提供理论支撑,减小对标准件的依赖性;太赫兹时域光谱系统可有效检测材料内部缺陷,可通过检测结果判断材料整体性能。

关键词：测量无损检测时域有限差分太赫兹光学参数提取复合材料

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太赫兹时域光谱技术的参数提取及其误差分析

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光电工程 2018年第2期45卷 16-24页

作者：侯春鹤朱运东李丽娟任姣姣长春理工大学光电工程学院吉林长春130000

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)是通过分析携带介质信息(如振幅和相位等)的宽频带太赫兹脉冲,从而对材料内部信息进行提取的一种光谱检测方法。实验应用透射式的检测方式,对陶瓷基复合材料和硅胶材料进行检测。建立材料光学参数模型,提取... 详细信息

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)是通过分析携带介质信息(如振幅和相位等)的宽频带太赫兹脉冲,从而对材料内部信息进行提取的一种光谱检测方法。实验应用透射式的检测方式,对陶瓷基复合材料和硅胶材料进行检测。建立材料光学参数模型,提取了折射率和吸收系数的值,并绘制了折射率和吸收系数随频率变化的曲线图。结果显示,密度不同的陶瓷基复合材料的折射率各自稳定于常数1.11、1.14、1.16,厚度不同的硅胶的折射率为2.10,且折射率曲线不存在频率依赖性;而吸收系数对频率依赖性较强,但对于材料特性不同的样品的吸收明显不同。基于高斯误差理论,对实验中出现的系统误差进行数学识别与建模,分析了密度为2.8 g/cm3的陶瓷基复合材料光学参数的几种误差源的传播过程。折射率的标准差趋于平稳,吸收系数的标准差随频率变化明显,且标准差均在0.001量级,这对折射率和吸收系数等物理量的精确提取具有较大的意义。

关键词： THz-TDS 光学参数提取误差分析陶瓷基复合材料硅胶

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基于太赫兹技术的纸页厚度检测方法

基于太赫兹技术的纸页厚度检测方法

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作者：王伟中国矿业大学

学位级别：硕士

造纸业的发展对于国家经济建设和人们生活福祉方面产生重要影响。厚度参数是纸质量问题的主要指标,将纸页厚度控制在合理可控的范围内是保证纸的其他性能需求的首要条件。太赫兹(Terahertz,THz)技术是近年来新兴的技术,它的波段介于电... 详细信息

造纸业的发展对于国家经济建设和人们生活福祉方面产生重要影响。厚度参数是纸质量问题的主要指标,将纸页厚度控制在合理可控的范围内是保证纸的其他性能需求的首要条件。太赫兹(Terahertz,THz)技术是近年来新兴的技术,它的波段介于电磁波和红外波之间,它的很多特殊性质使得太赫兹技术在物质识别、定量检测及环境监控等领域被广泛研究。本文研究了基于太赫兹光谱技术的纸页厚度检测,建立了纸页与太赫兹波相互作用的理论模型,并分别采用基于实验数据和理论模型的方法实现纸页厚度检测,取得了较好的结果,本文的主要研究工作和成果如下:1、介绍了纸页厚度在线检测和太赫兹技术发展的的现状,阐明了本课题的研究意义。并从太赫兹产生和探测原理、太赫兹时域光谱系统以及本文采用的透射式太赫兹系统三个方面详细介绍了太赫兹时域光谱技术。2、建立纸页与太赫兹信号相互作用的理论模型。基于菲涅尔公式,考虑多重反射的影响,建立了太赫兹与纸页相互作用的透射模型,并根据太赫兹透射模型进行仿真,研究纸页太赫兹信号的不同特征(时域信号和频域信号)与纸页厚度之间的关系,为基于太赫兹技术实现纸页厚度检测提供理论指导,证明基于太赫兹技术实现纸页厚度定量检测的可行性。3、研究了基于太赫兹实验数据进行纸页厚度检测的方法。首先利用太赫兹时域光谱技术测量纸页的太赫兹光谱,分别提取时域和频域特征建立纸页厚度检测的定量模型,并将数据特征进行比较,结果表明频域相位谱具有较好的预测结果,为了进一步提高检测的准确性,提出了利用粒子群算法(BPSO)和偏最小二乘(PLS)结合的智能算法,筛选纸页的相位信息并建立纸页厚度模型并对纸页厚度参数进行预测,并与常用的建模方法做对比,包括PLS和最优单频线性回归法,结果表明BPSO-PLS方法提高了纸页厚度预测的准确性。考虑到仅采用相位谱进行厚度预测,丢失了幅值谱中的信息,因此进一步研究了融合幅值谱和相位谱进行纸页厚度检测的方法,并将集合经验模态分解(EEMD)和多维偏最小二乘(NPLS)结合,其中EEMD分解提取主要信号并去噪处理,N-PLS法建立纸页的幅值和相位信息与纸页厚度的关系。研究结果表明通过融合纸页的幅值谱和相位谱可以进一步提高纸页厚度预测的准确性。4、研究了基于太赫兹理论模型进行纸页厚度参数检测的方法,给出了此方法的工作机理,将纸页的太赫兹实验信号作为优化目标,以A160和A80纸页为例,利用研究内容2建立的理论模型,不断修改模型的输入参数,最终使得理论模型输出的结果与实验检测结果一致,进行参数调整时选择Nelder-Mead算法优化理论,最终实现纸页厚度的参数提取。结果表明基于太赫兹理论模型可以很好的实现纸页厚度检测,且此方法仅需要一次实验即可准确实现纸页厚度检测的优势。

关键词：太赫兹光谱光学参数提取智能算法理论模型厚度预测

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基于FDTD方法的材料太赫兹检测方法研究

基于FDTD方法的材料太赫兹检测方法研究

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作者：侯春鹤长春理工大学

学位级别：硕士

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)是通过宽频带太赫兹脉冲携带介质信息,对材料内部信息进行提取的一种光谱检测方法。本文基于时域有限差分(FDTD)法研究太赫兹波的传输特性,建立太赫兹缺陷检测的理论模型,分析不同缺陷的特定波形,并与实际... 详细信息

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)是通过宽频带太赫兹脉冲携带介质信息,对材料内部信息进行提取的一种光谱检测方法。本文基于时域有限差分(FDTD)法研究太赫兹波的传输特性,建立太赫兹缺陷检测的理论模型,分析不同缺陷的特定波形,并与实际检测结果进行对比,该方法弥补了缺陷类型的定性分析标准库。本文首先构建了材料光学参数的数学模型,计算了包括材料的折射率、吸收系数和消光系数等光学参数。并基于材料的误差理论,分析参数提取过程中的系统误差源。其次,将时域有限差分法应用到太赫兹无损检测技术中,通过研究时域有限差分法的基础理论,构建了材料的仿真模型,以单介质材料、脱粘和夹杂缺陷材料为例,对样品进行基于FDTD方法的仿真实验,提取单介质和缺陷检测的仿真波形。最后,通过时域光谱检测技术对单介质材料和平底洞缺陷材料进行实际检测,采集并分析了实际的飞行时间结果。对比仿真厚度计算值和THz-TDS技术的厚度计算值,得出单介质材料和缺陷的厚度误差均在10量级内,但仿真厚度的误差更小,对厚度的重现更精确。实验结果证明了基于时域有限差分法在无损检测领域的可行性。同时,以THz-TDS检测幅值占仿真幅值的百分比为标准,分析并得到了陶瓷基复合材料的表面散射效果比HDPE材料表面的散射效果更强。

关键词：太赫兹时域光谱无损检测光学参数提取时域有限差分法

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