基于主成分分析和支持向量机的太赫兹光谱鉴别模型

摘要

太赫兹波是一种电磁波，英文名为Terahertz wave，简称THz波，它位于红外波与微波之间，近年来受到科学家们越来越多的关注。目前主流并且较为成熟的THz时域光谱技术是通过飞秒激光脉冲激发和探测太赫兹波。
　　全文分为五个部分。第一部分系统地介绍了THz波相关基础知识，两种THz波的产生和探测方法：光电导天线法和光整流效应法，以及基于 THz技术的定性和定量分析研究进展。第二部分介绍了基于光电导开关的太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）的工作原理、组成部分和性能特征以及透射式THz-TDS系统提取材料光学常数的方法。第三部分内容为介绍支持向量机（SVM）和主成分分析（PCA）理论知识。第四和第五部分是论文的核心内容，分述如下。
　　第四部分内容是采用THz-TDS技术结合主成分分析和四种不同核函数支持向量机对左旋龙脑、右旋龙脑和合成冰片三类冰片进行种类鉴别研究。首先，采用主成分分析方法对120组冰片数据进行聚类分析，获得了原始数据的二维得分图和三维得分图，从得分图中可以非常明显地分辨出三类冰片。然后，我们将前十个主成分得分值代替实验测得的原始数据，并建立四种不同核函数支持向量机模型。研究结果表明，不同核函数SVM所具备的冰片分类效果各不相同，从本文所研究的四种核函数来看，径向基核函数支持向量机对冰片的分类效果最高，对左旋龙脑、右旋龙脑和合成冰片三类冰片的分类准确率均为100％。因此本文选取径向基核函数SVM构建三类冰片的种类鉴别模型。另外，分析在加20%噪声情况下四种核函数支持向量机对三类冰片的分类准确率，发现四种核函数SVM的总分类准确率均大于85%，由此可见，本研究中的不同核函数的SVM分类模型有着非常强的泛化能力。综合上述研究，THz-TDS技术结合SVM和PCA能够高效、准确地对中药冰片进行鉴别分类。
　　第五部分采用THz-TDS技术结合主成分分析和三种不同核函数支持向量机对花生油、大豆油、葡萄籽油、芝麻油和橄榄油五种植物油进行种类鉴别研究。植物油是日常生活必需品，越来越多的劣质掺混油甚至地沟油进入市场，极大地损害了消费者的利益，植物油质量监管机构迫切需要快速、简便、准确的检测和鉴别方法。本文使用透射式太赫兹时域光谱系统分别获得了五种植物油在0.2～2 THz之间的吸收谱线。首先，采用主成分分析方法，获得了原始数据的二维得分图和三维得分图，从得分图中可以非常明显地分辨出五种植物油。然后，将前十个主成分得分值代替实验测得的原始数据，通过对5种植物油的150组样本训练，对未知的150组样本鉴别，建立了三种不同核函数的支持向量机模型。对比结果表明，多项式内积核函数构建的支持向量机对五种植物油的分类鉴别准确率均为100%，由此我们确定选择具有多项式内积核函数的支持向量机建立植物油种类的鉴别模型。此项研究表明主成分分析结合支持向量机方法对植物油具有很好的分类和鉴别效果，为其种类鉴别提供了一种新方法。

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第一章 绪论

第一节 概述

第二节 THz波的产生和探测

第三节 THz技术的相关研究领域

第四节 THz时域光谱检测的研究进展

第五节 本论文的主要研究内容和创新点

第二章 基于光电导开关的太赫兹时域光谱技术

第一节 光电导太赫兹发射器结构和原理

第二节 光电导太赫兹探测天线结构和原理

第三节 基于光电导的THz-TDS技术

第四节 THz-TDS系统的特性

第五节 透射式THz-TDS系统提取测量材料光学常数的原理

第三章 支持向量机与主成分分析简介

第一节 SVM简介

第二节 主成分分析

第四章 基于主成分分析和支持向量机的太赫兹光谱冰片鉴别

第一节 中药冰片简介

第二节 三类样品制作和光谱取得

第三节 谱线预处理

第四节 结果与分析

第五章 基于主成分分析和支持向量机的太赫兹光谱植物油鉴别

第一节 植物油简介

第二节 植物油样品制备及光谱获得

第三节 谱线预处理

第四节 结果与分析

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果