测定混浊介质参数用MC仿真与逆运算加速算法的研究

发布时间：2017-04-26 23:03

  本文关键词：测定混浊介质参数用MC仿真与逆运算加速算法的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：光与材料的相互作用主要可分为吸收与散射两类。自然界中的许多材料为混浊介质即其与光的相互作用中散射远大于吸收，如陶瓷，牛奶，细胞悬浮液体，人体组织等。许多领域中均需要测量样品介质的光学参数，因此对光与混浊介质间的相互作用研究是研发新型相关测量技术以及许多新型仪器的基础，近数十年来受到极大重视。 用于测定均匀混浊介质样品多个光学参数的Monte Carlo仿真加速算法的研究分为以下几个部分： 1、已有的基于积分球设计的多参数光谱测量结构较为复杂，而基于散射信号空间分布设计的新型多参数光谱测量结构简单，易于实现，但需要可以准确快速计算不同空间位置和角度范围的传感器所接收到的混浊介质光信号的仿真模型。本论文研究的散射光空间分布信号由漫反射率和漫透射率两个信号代表，其对应的空间角分布范围与积分球测量相比一般要小3个数量级。因此如何以迭代方式快速准确与反复计算在空间角分布范围很小时测得的光信号，从而高效率地求解逆问题既具有很强的理论挑战性，也极具应用性。 2、尽管Monte Carlo统计仿真模型具有算法简单，可求解各种边界值问题以及易于编程的突出优点，运算速率是限制其应用和准确度的主要因素，已有的Monte Carlo混浊介质仿真用算法在模拟很小空间角范围内测量光信号时的光子收集率极低，导致模拟运算时间冗长，所以提高Monte Carlo算法是本论文研究的所需要解决的第一个问题，为此我们采用了以GPU(Graphic Processing Unit)并行计算方法为基础的Monte Carlo加速算法。 3、为进一步提高逆运算速度，本论文研究在吸取了White Monte Carlo、Forced Detection Monte Carlo、Perturbation Monte Carlo等快速算法的基础之上提出了一种新的微扰算法，可根据测量信号对辐射传输理论所定义的全部3个光学参数通过微扰迭代的方式求解，从而形成了在辐射传输理论框架下的iMC逆运算加速解决方案。与现有方法相比，iMC逆运算加速方法可提高光学信号计算与多参数求解速度300倍以上。 本文最后总结了iMC逆运算加速算法，并与已有的经典Monte Carlo算法运算速度做了比较，根据实验测量获得了intralipid样品光学参数，完成了iMC逆运算加速算法的验证并提出未来的研究方向。
【关键词】：MonteCarlo算法 空间角模型GPU iMonteCarlo 快速算法
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O436.2;R318.51
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 生物组织光学的研究背景9-10
• 1.2 混浊介质光学的研究现状10-12
• 1.3 本论文的主要任务12-14
• 第二章 理论框架14-23
• 2.1 混浊介质光学参数14-15
• 2.2 辐射传输理论15-16
• 2.3 混浊介质中的 Monte Carlo 模拟16-21
• 2.3.1 光子在介质中的传输过程17-20
• 2.3.2 Monte Carlo 模拟的校验20-21
• 2.4 本章小结21-23
• 第三章 基于散射信号空间分布光谱测量模型23-37
• 3.1 积分球光谱测量结构23-26
• 3.2 新型散射信号空间分布光谱测量结构26-30
• 3.3 逆运算混浊介质光学参数的原理30-35
• 3.3.1 模拟介质的折射率30-32
• 3.3.2 模拟介质的衰减系数32-34
• 3.3.3 逆运算混浊介质光学参数34-35
• 3.5 本章小结35-37
• 第四章 Monte Carlo 加速算法37-56
• 4.1 GPU 并行计算加速解决方案37-43
• 4.1.1 GPU 简介37-39
• 4.1.2 GPU 并行计算理论39-41
• 4.1.3 GPU 并行计算加速算法模拟数据41-43
• 4.2 算法加速解决方案43-47
• 4.2.1 几种常用的快速算法解决方案43-44
• 4.2.2 算法加速解决方案44-46
• 4.2.3 算法加速解决方案模拟数据46-47
• 4.3 iMC 逆运算加速算法47-50
• 4.4 iMC 加速算法仿真混浊介质光学参数50-54
• 4.5 本章小结54-56
• 第五章 总结与展望56-59
• 5.1 工作总结56-57
• 5.2 存在问题57
• 5.3 展望57-59
• 参考文献59-63
• 发表论文和参加科研情况说明63-64
• 致谢64

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1 幸

本文编号：329389