浑浊介质光学特性多参数的识别方法研究
发布时间：2021-12-12 08:23
光学特性参数如吸收系数（μa）、散射系数（μs）、各向异性因子（g）和折射率（n）对于研究介质物理结构和化学成分至关重要。从漫反射光学信号里获取光学特性参数的逆向求解过程依赖于理论模型,在缺乏对介质特性先验知识的情况下会产生很大的参数识别误差,同时现有算法仅仅针对一两个参数进行识别,无法同时提供这四个光学参数的识别结果,这大大降低光学检测技术的效力。光学检测信息作为控制领域中一项重要的反馈信息,它的准确性影响着控制的精准程度。介质的光学特性参数对生物医学成像和食品加工业的控制问题有着十分重要的作用,当人体细胞发生癌变从而体积变大或人体皮肤中色素的非正常沉淀时,相应部位的组织光学参数将会不同于正常组织;当食品中的某一化学成分含量高于或低于正常水平时,其光学参数也会发生相应改变。因此研究精度高、普适性好的光学特性多参数识别方法对于光学检测技术乃至疾病诊断、治疗和食品制造中的精准控制问题至关重要。本文的整体工作包括漫反射光强分布图像的仿真生成软件开发和基于图像的光学特性多参数的识别方法研究。主要研究结果包括以下3部分:1.漫反射光强分布图的仿真生成软件开发研究。传统蒙特卡洛仿真程序仅能提供垂...
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
介质对光的折射作用
江南大学硕士学位论文10θ2θ1空气n1介质图2-1介质对光的折射作用2.2.2吸收系数和散射系数介质对光的吸收程度在理解光与介质中的粒子之间的相互作用方面很重要。光在介质中传播时有衰减，说明介质对光有吸收作用，介质对于光辐射的吸收能力可以用吸收系数μa进行量化描述。用透射法测定光在介质中传播的衰减情况时，发现介质中光的衰减率与光的强度成正比，为了方便吸收现象的数学描述，由式(2.3)引入比例系数μa，积分后得到的光吸收强度为dI/dx=-μaI(2.3)I=I0e-μax(2.4)其中x是介质的厚度，比例系数μa的大小和光的强度无关，称为光的吸收系数。对上式积分反映出吸收系数μa的物理含义是：当光在介质中的传播1/μa距离时，其能量减弱到原来的1/e。入射强度I0透射强度I厚度d吸收系数μa图2-2介质对光的吸收作用反射系数R和透射系数T与吸收系数密切相关，如图2-2所示。当光透过厚度为d，吸收系数为μa的介质时R与T的关系为T=It/I0=(1-R)2e-μax(2.5)介质中存在与光吸收有关的分子键，当来自光源的能量量子等于键向更高振动能级激发所需的能量时，光被吸收。例如，在植物组织中，叶绿素、花青素、叶黄素等是主要吸收基团，在动物组织中，蛋白质、糖类和脂肪会影响光的吸收。根据这种作用机制，吸收系数可以用于确定介质材料的化学成分。同时吸收系数是光子能量（波长）的函数，其值取决于分子键吸收的基本类型、泛音类型和组合类型的位置和偏振。因此有关于吸收系数的先验知识对于测量技术和统计方法的优化非常重要，有助于减少金钱和时间方面的成本。n2
橹识杂诠獯?ヂ肪兜母谋淇梢杂蒙⑸湎凳?é蘳）进行量化描述。光的散射是光与介质中的粒子相互作用产生的一种物理现象，当光以一种电磁辐射的形式在介质中撞击到一个粒子时，它会使粒子周围的电子与入射光的能量同步振荡。入射光在粒子中产生一个振荡偶极子，偶极矩的强度与入射光的能量成正比。这种振荡偶极子是一种能量源，它将光散射到与入射光波长相同的各个方向。影响光的散射现象的因素是介质的物理性质，主要有介质中粒子的大孝浓度、分子量等。因此，散射系数对于了解介质内部分子结构至关重要。透射强度I厚度d图2-3介质对光的散射作用吸收系数和散射系数主要用于朗伯比尔-布格定律中透射光强的计算。这个定律用于表示光波的光强度是如何沿光束穿过样品的路径指数衰减，散射过程如图2-3所示。准直光束在厚度为d的薄组织中衰减为I(d)=(1-RF)I0exp(-μtd)(2.6)其中，I(d)是透射光强度（W/cm2）；RF是菲涅尔反射系数，在光束准直入射的情况下RF=[(n-1)/(n+1)]2；n是组织和周围介质的相对平均折射率；I0是入射光强（W/cm2），d是组织厚度，单位是mm或是cm；吸收系数和散射系数的单位则相应为mm-1或是cm-1。其中μt是消光系数（相互作用或总衰减系数），表达式如下，μt=μa+μs(2.7)在很多报道中仅估计μt值以简化参数估计过程，以粗略研究介质的吸收和散射作用。2.2.3各向异性因子由电磁场理论可知，各向同性介质与各向异性介质中的电位移矢量的定义不同。进一步，由固体物理学知道，不同晶体的结构具有不同的空间对称性。自然界中存在的晶体按其空间对称性的不同分为单、双轴晶体和立方晶体，分别对应光学中的各向异性和各向同性介质，各向异性介质仅在一个或两个方向上拥有相同的介电常数，而各向同性介质在各个方向上的介电常数都
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进VGG卷积神经网络的奶牛牛脸识别研究[J]. 黄俊华,田壮. 湖北农机化. 2019(13)
[2]基于颜色矩的典型草原牧草特征提取与图像识别[J]. 韩丁,武佩,张强,韩国栋,通霏. 农业工程学报. 2016(23)
[3]不同池化模型的卷积神经网络学习性能研究[J]. 刘万军,梁雪剑,曲海成. 中国图象图形学报. 2016(09)
[4]基于漫反射模型的生物组织光学特性参量迭代反演[J]. 王伟,朱启兵,黄敏. 光子学报. 2016(03)
[5]基于改进BP网络模型的公路流量预测[J]. 彭勇,陈俞强,严文杰. 计算机技术与发展. 2012(08)
[6]方向导数及其几何意义[J]. 黄晓红,胡振华. 民营科技. 2011(09)
[7]近红外光早期宫颈癌诊断的频域逆蒙特卡洛光学参量重构研究[J]. 张顺起,侯少华,赵会娟,周晓青,高峰. 光子学报. 2009(07)
[8]强散射生物组织光学特性参数的重构[J]. 陈荣,陈韶华,刘江海. 湖北大学学报(自然科学版). 2006(01)
[9]生物组织的可见光与近红外光散射模型[J]. 李晖,谢树森,陆祖康,林磊. 光学学报. 1999(12)
[10]生物组织光学折射率[J]. 李晖,谢树森,陆祖康. 激光与红外. 1999(01)
博士论文
[1]基于辐射传输方程的扩散光学层析成像理论与算法研究[D]. 唐锦萍.哈尔滨工业大学 2016
硕士论文
[1]水果组织光学特性参数反演模型及其应用研究[D]. 王伟.江南大学 2017
[2]卷积神经网络及其应用[D]. 李飞腾.大连理工大学 2014
本文编号：3536334
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
介质对光的折射作用
江南大学硕士学位论文10θ2θ1空气n1介质图2-1介质对光的折射作用2.2.2吸收系数和散射系数介质对光的吸收程度在理解光与介质中的粒子之间的相互作用方面很重要。光在介质中传播时有衰减，说明介质对光有吸收作用，介质对于光辐射的吸收能力可以用吸收系数μa进行量化描述。用透射法测定光在介质中传播的衰减情况时，发现介质中光的衰减率与光的强度成正比，为了方便吸收现象的数学描述，由式(2.3)引入比例系数μa，积分后得到的光吸收强度为dI/dx=-μaI(2.3)I=I0e-μax(2.4)其中x是介质的厚度，比例系数μa的大小和光的强度无关，称为光的吸收系数。对上式积分反映出吸收系数μa的物理含义是：当光在介质中的传播1/μa距离时，其能量减弱到原来的1/e。入射强度I0透射强度I厚度d吸收系数μa图2-2介质对光的吸收作用反射系数R和透射系数T与吸收系数密切相关，如图2-2所示。当光透过厚度为d，吸收系数为μa的介质时R与T的关系为T=It/I0=(1-R)2e-μax(2.5)介质中存在与光吸收有关的分子键，当来自光源的能量量子等于键向更高振动能级激发所需的能量时，光被吸收。例如，在植物组织中，叶绿素、花青素、叶黄素等是主要吸收基团，在动物组织中，蛋白质、糖类和脂肪会影响光的吸收。根据这种作用机制，吸收系数可以用于确定介质材料的化学成分。同时吸收系数是光子能量（波长）的函数，其值取决于分子键吸收的基本类型、泛音类型和组合类型的位置和偏振。因此有关于吸收系数的先验知识对于测量技术和统计方法的优化非常重要，有助于减少金钱和时间方面的成本。n2
橹识杂诠獯?ヂ肪兜母谋淇梢杂蒙⑸湎凳?é蘳）进行量化描述。光的散射是光与介质中的粒子相互作用产生的一种物理现象，当光以一种电磁辐射的形式在介质中撞击到一个粒子时，它会使粒子周围的电子与入射光的能量同步振荡。入射光在粒子中产生一个振荡偶极子，偶极矩的强度与入射光的能量成正比。这种振荡偶极子是一种能量源，它将光散射到与入射光波长相同的各个方向。影响光的散射现象的因素是介质的物理性质，主要有介质中粒子的大孝浓度、分子量等。因此，散射系数对于了解介质内部分子结构至关重要。透射强度I厚度d图2-3介质对光的散射作用吸收系数和散射系数主要用于朗伯比尔-布格定律中透射光强的计算。这个定律用于表示光波的光强度是如何沿光束穿过样品的路径指数衰减，散射过程如图2-3所示。准直光束在厚度为d的薄组织中衰减为I(d)=(1-RF)I0exp(-μtd)(2.6)其中，I(d)是透射光强度（W/cm2）；RF是菲涅尔反射系数，在光束准直入射的情况下RF=[(n-1)/(n+1)]2；n是组织和周围介质的相对平均折射率；I0是入射光强（W/cm2），d是组织厚度，单位是mm或是cm；吸收系数和散射系数的单位则相应为mm-1或是cm-1。其中μt是消光系数（相互作用或总衰减系数），表达式如下，μt=μa+μs(2.7)在很多报道中仅估计μt值以简化参数估计过程，以粗略研究介质的吸收和散射作用。2.2.3各向异性因子由电磁场理论可知，各向同性介质与各向异性介质中的电位移矢量的定义不同。进一步，由固体物理学知道，不同晶体的结构具有不同的空间对称性。自然界中存在的晶体按其空间对称性的不同分为单、双轴晶体和立方晶体，分别对应光学中的各向异性和各向同性介质，各向异性介质仅在一个或两个方向上拥有相同的介电常数，而各向同性介质在各个方向上的介电常数都
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进VGG卷积神经网络的奶牛牛脸识别研究[J]. 黄俊华,田壮. 湖北农机化. 2019(13)
[2]基于颜色矩的典型草原牧草特征提取与图像识别[J]. 韩丁,武佩,张强,韩国栋,通霏. 农业工程学报. 2016(23)
[3]不同池化模型的卷积神经网络学习性能研究[J]. 刘万军,梁雪剑,曲海成. 中国图象图形学报. 2016(09)
[4]基于漫反射模型的生物组织光学特性参量迭代反演[J]. 王伟,朱启兵,黄敏. 光子学报. 2016(03)
[5]基于改进BP网络模型的公路流量预测[J]. 彭勇,陈俞强,严文杰. 计算机技术与发展. 2012(08)
[6]方向导数及其几何意义[J]. 黄晓红,胡振华. 民营科技. 2011(09)
[7]近红外光早期宫颈癌诊断的频域逆蒙特卡洛光学参量重构研究[J]. 张顺起,侯少华,赵会娟,周晓青,高峰. 光子学报. 2009(07)
[8]强散射生物组织光学特性参数的重构[J]. 陈荣,陈韶华,刘江海. 湖北大学学报(自然科学版). 2006(01)
[9]生物组织的可见光与近红外光散射模型[J]. 李晖,谢树森,陆祖康,林磊. 光学学报. 1999(12)
[10]生物组织光学折射率[J]. 李晖,谢树森,陆祖康. 激光与红外. 1999(01)
博士论文
[1]基于辐射传输方程的扩散光学层析成像理论与算法研究[D]. 唐锦萍.哈尔滨工业大学 2016
硕士论文
[1]水果组织光学特性参数反演模型及其应用研究[D]. 王伟.江南大学 2017
[2]卷积神经网络及其应用[D]. 李飞腾.大连理工大学 2014
本文编号：3536334
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