第36卷，第12期 2016年12月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol. 36,No. 12·pp3875-3880
December, 2016
提取葡萄糖多晶光学参数的迭代和遗传算法比较分析
李佳宇1，孙萍1*，邹韵，刘维"，王文爱 1.北京市应用光学重点实验室，北京师范大学物理系，北京100875 2.太赫慈光电子教育部重点实验室，首都师范大学物理系，北京100048
摘要基于太赫兹反射时域光谱技术，分别利用送代算法和遗传算法提取葡萄糖多晶太赫兹频段的两个光学参数，即折射率和吸收系数，并将遗传算法与送代算法进行对比分析。研究结果表明：当将利用弱吸收近似条件所获得的光学参数作为选代算法的初始值时，采用送代算法可以提高计算效率。然而，送代算法对初始值敏感，当初始值偏离实际值较大时，迭代算法不能保证获得较高精度的光学参数；遗传算法通过参数编码、初始种群、遗传操纵、参数控制和条件约束等设计，保证了算法的收敛性和种群多样性。而且，遗传算法的最优解并不依赖于初始种群。与送代算法相比，采用遗传算法所获得的物质的光学参数拥有更高的精度。因此，在基于TH2光谱技术提取物质的光学参数时，本文建议采用智能优化的算法，这样可以获得高精确度的光学参数，
关键词太赫慈光谱；折射率；吸收系数；遗传算法；迭代算法；无水葡萄糖
中图分类号：0433.4
4文献标识码：A
引言
D0I: 10. 3964/i. issn. 10000593(2016)12387506
调整搜索方向。在实际应用中，遗传算法的形式出现了多种变形，Goldberg提出了一种基本遗传算法。该算法通过对自然界进化过程中自然选择、交叉、变异机理的模仿，来完成
太赫兹时域光谱（Terahertztime domain spectroscopy， THz-TDS)技术是一种新型的光谱探测技术，许多分子之间弱的相互作用（氢键、范德华力等）、生物大分子的骨架振动、偶极子的旋转和振动跃迁以及晶体中晶格的低频振动吸收正好处于THz频段范围。因此，THz光谱技术在分析和研究生物大分子方面有着诱人的应用前录，基于THz-TDS，可同时获取物质的折射率和吸收系数，这两个光学参数为分析物质的性质提供了量化信息，它们在食品、固体化学、材料科学和生物医学等领域具有重要的应用价值[1-41]。
送代算法利用具有快速计算功能的计算机做重复性操作，原理简明、编程技术简单，在基于THz-TDS技术提取物质的光学参数时常被采用。然而，送代算法存在者一些局限性，如，对初始值依赖性强、计算效率受到限制、解的精度低等。针对这些问题，人们提出了采用智能优化算法替代送代算法，如模拟退火（SA)6)、遗传算法（GA)和神经网络算法(NNA)S。Holland提出了遗传算法，即模仿自然选择和遗传机制的一种智能优化随机搜索算法，主要特点是直接对结构对象进行操作，采用概率化的寻求方法，自适应地
收稿日期：2015-11-19，修订日期：2016-03-24
基金项目：国家自然科学基金项目(61371055)资助
作者简介：李佳宇，女，1991年生，北京师范大学物理系硕士研究生
万数据系人
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对最优解的搜索过程
本文选取葡萄糖多晶作为研究对象，首先测量其THz 反射光谱。然后，分别采用迭代算法和基本遗传算法提取其 THz频段的折射率和吸收系数，并对两种算法进行对比分析。
1光学参数提取算法 1.1送代算法
图1为固体薄片样品的THz波传播示意图，THz波E()垂直人射到样品的前表面，采取本文作者提出的自参考送代方法9}提取样品的光学参数，即以E（@)为参考信号， E（)为样品信号，它们分别表示为9
E, (α) = E, (α)rs
[Ez (α) = E,()t,retexp(—2 jod /c)
(1)
其中，d是样品的厚度；c为光在真空中传播的速度；和 r分别表示空气与样品、样品与空气界面的反射系数，t和 t。分别表示空气与样品、样品与空气界面的透射系数，它们
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