基于太赫兹光谱技术的六堡茶年份和等级识别的多任务定制门控控制方法

《Microchemical Journal》：A multi-task customized gate control method for vintage and grade identification of Liupao tea based on terahertz spectroscopy

提出基于THz-TDS、IHOA算法和CGC模型的联合识别框架，可同步检测Liupao茶年份与等级，相比单任务模型精度提升1.46%-14.86%，较传统多任务模型提升3.96%-10.38%，有效克服传统方法预处理复杂、单任务分析低效等问题。

　　

陈涛|黄贤燕|胡聪

中国广西桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，自动检测技术与仪器广西重点实验室，广西桂林541004

摘要

本文提出了一种联合识别框架，旨在满足六堡茶市场的多任务检测需求，同时识别茶叶的年份和等级。该框架整合了太赫兹时域光谱（THz-TDS）、改进的河马优化算法（IHOA）和多任务定制门控（CGC）模型，并采用门控融合机制来克服复杂的前处理过程、单任务分析效率低下以及传统方法难以区分细微光谱特征的问题。从五种不同年份和等级的三合六堡茶样品中获取了THz-TDS光谱数据。CGC架构利用共享专家模块提取年份和等级共有的特征，而特定任务的专家模块则分离出独特的光谱模式；IHOA算法则自适应地优化任务权重分配。实验结果表明，与传统的单任务模型（SVM、PLS-DA、CNN）相比，整体分类准确率（OCA）提高了1.46–10.90%（年份）和4.91–14.86%（等级）；与标准的多任务模型（MMoE、MTAN）相比，OCA分别提高了3.96–4.79%（年份）和8.75–10.38%（等级）；与未使用IHOA的CGC模型相比，OCA分别提高了2.29%（年份）和4.58%（等级）。这种方法为六堡茶的多维质量评估提供了一种有效且可解释的方法，并为将类似检测技术扩展到其他农产品提供了借鉴。

引言

六堡茶是一种来自广西的著名传统茶叶，以其悠久的历史和文化价值而闻名。它起源于广西梧州市苍梧县的六堡镇，以其“红、浓、陈、醇”的独特品质而受到赞誉[1]。在清朝嘉庆时期，六堡茶被列为中国24种著名茶叶之一，因其独特的槟榔香气而受到国内外好评。如今，它既是广西的文化瑰宝，也是中国茶叶遗产的重要组成部分。近年来，六堡茶的产量和经济效益显著增长，已成为该地区的主要经济作物。政府通过政策措施支持产业发展，致力于将广西建设成为全国主要的茶叶生产基地。这些努力使产量和价值增长了三倍，同时扩大了茶园面积，从而提高了当地农民的收入并促进了区域经济增长[2]。然而，市场的快速扩张也导致了假冒和劣质产品的泛滥，一些商家虚假标注茶叶的年份（六堡茶的生产年份为2015年、2018年、2021年，这是市场定价和质量的关键因素[3]）和等级（根据中国国家标准GB/T 32719.4–2016分为特级、一级、二级，基于感官品质和理化指标（多酚含量、水分）[5]），损害了消费者的权益并损害了品牌声誉。因此，开发准确可靠的六堡茶年份和等级鉴定方法已成为确保行业可持续发展的关键。

传统的检测技术，包括感官分析、近红外光谱、拉曼光谱、DNA指纹识别和色谱-质谱技术，可以辅助茶叶鉴定，但通常受到繁琐预处理、检测周期长以及依赖专业人员的限制[7]、[8]。太赫兹时域光谱（THz-TDS）在农产品质量评估中具有独特优势，因为它能量低、相干性强且具备材料指纹识别能力[9]、[10]。六堡茶中的关键成分（如茶多酚、多糖、氨基酸）的分子振动和旋转能级与THz波相互作用，导致时域波形出现特征性变化（如振幅衰减、相位延迟、脉冲宽度）。这些时间特征为区分年份和等级提供了直接依据[11]、[12]。先前的研究已经证明了THz技术在农业中的应用：LI等人将THz技术与傅里叶变换红外光谱和偏最小二乘判别分析结合，用于快速鉴定茶树炭疽病[13]；LU等人利用THz技术与二维相关光谱和偏最小二乘回归量化茶树冷害[14]；SUN等人通过THz-TDS结合自适应迭代加权最小二乘基线校正和k最近邻模型实现了茶茎异物的无损检测[15]；ZHANG等人通过改进的差分搜索算法优化SVM参数，并结合拉曼光谱使用斑马优化策略，实现了六堡茶和普洱茶年份的高精度鉴定（分别为96.87%和98.95%）[3]、[4]。然而，大多数现有方法仅关注单一指标，采用独立的建模方法，缺乏“年份+等级”等多维质量分析的能力。为此，本研究开发了一种多任务定制门控（CGC）模型。共享专家模块提取年份和等级共有的特征，而特定任务的专家模块捕获独特的光谱模式，形成了“单模型多任务”架构。改进的河马优化算法（IHOA）通过镜像反射、指数衰减动态边界和概率混合策略来平衡任务相关性和优化速度，有效调整模型权重，增强跨任务特征提取能力，实现了六堡茶年份和等级的同时高精度鉴定。

实验设备

实验使用的是CCT-1800透射式THz-TDS系统（中国通信技术有限公司），如图1所示。该系统由四个主要部分组成：飞秒激光器、时延控制模块、太赫兹波发生器和太赫兹波探测器。其工作频谱范围为0.1–3 THz，信噪比超过75 dB，支持最高1200 ps的延迟扫描[16]。其工作原理如下

定制门控（CGC）识别模型

为了解决太赫兹时域光谱多任务学习中的独特挑战——即从同一波形中同时提取年份和等级分类所需的共享特征和特定任务特征——本研究对定制门控（CGC）架构进行了关键扩展[19]。在保留CGC核心原理（共享专家和特定任务专家之间的协作）的基础上，我们在三个层面进行了系统改进

光谱分析

使用透射式太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统从600个六堡茶样品中获取了THz-TDS时域光谱，涵盖了三个年份（2015年、2018年、2021年）和三个等级（特级、一级、二级）。扫描窗口设置为30 ps（采样间隔=0.01 ps，每个波形3000个数据点），参考信号为无样品条件下的基线（空气）。如图4（a）所示，不同年份和等级的光谱表现出

结论

本研究解决了高精度和高效同时识别六堡茶年份和等级的关键问题——这是在市场规模不断扩大和假冒产品泛滥的背景下，限制六堡茶行业健康发展的核心瓶颈。为了克服传统方法的局限性，如繁琐的前处理过程、单任务分析效率低下、难以区分细微光谱特征以及信息丢失等问题

CRediT作者贡献声明

陈涛：项目管理工作。黄贤燕：撰写——原始草案、验证、软件开发。胡聪：数据调查、资金筹集。

未引用的参考文献

[21]

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：62261012和61841502）、广西研究生教育创新项目（项目编号：YCSW2025366）以及广西脑启发计算与智能芯片重点实验室（项目编号：BCIC-23-K7）的支持。