混浊介质多参数光谱测量方法的建立及其应用研究

发布时间：2017-09-25 09:09

  本文关键词：混浊介质多参数光谱测量方法的建立及其应用研究

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【摘要】：光与材料的相互作用主要可分为吸收与散射两类，如介质材料具有相对于光吸收较强的光散射能力，则称为光学混浊介质。混浊介质材料与人们的现实生活紧密联系，如血液、软组织、药品、油品、陶瓷、塑料等，对其成分分析一直都是光谱学研究的热点和难点问题。 混浊介质的光学特征参数包括吸收系数光谱a、散射系数光谱s和散射各向异性因子光谱g，其中吸收系数光谱a通常由混浊介质材料的分子结构决定，而散射系数光谱s和散射各向异性因子光谱g则由其颗粒结构决定，因此混浊介质光学特征参数光谱的准确测量将极大地提高光谱学方法对于混浊介质材料的分析能力。 目前研究报道中所见的均匀混浊介质多光学参数测量方法，一般采用基于积分球装置实现多点光信号采集，再通过不同模型进行仿真计算。上述方法存在测量系统结构复杂、成本高，模型计算时间超长、且建模时引入理想条件等问题，均导致现有研究方法难以达到仪器化应用水平，阻碍了光谱学方法在混浊介质成分分析中的实际应用。 本文拟建立一种针对混浊介质的多参数光谱学分析新方法，可同时测量并快速计算输出被测混浊介质样品的吸收系数光谱、散射系数光谱和散射各向异性因子光谱，与现有单参数和多参数光谱分析方法比较，具有测量光学参数多、测量系统结构简单、无需样品预处理、操作使用方便等优势。该方法采用数字锁相技术和独立光电传感器相结合采集混浊介质样品的空间分布光强信号，获得由漫反射率、漫透射率和准直透射率组成的混浊介质空间特征光信号测量值，并用其作为输入参数，通过基于蒙特卡洛仿真模型和微扰算法的逆计算，获得被测混浊介质样品的吸收系数、散射系数和散射各向异性因子光谱数据，为混浊介质材料的定性和定量分析提供一种无需样品制备、快速准确，并可实现仪器化应用的光谱学分析新方法。 本文研究内容具体包括如下几个方面： 1、构建了基于空间特征光信号、无需积分球装置测量并逆计算输出混浊介质多参数光谱新方法。定义被测混浊介质样品的漫反射率、漫透射率和准直透射率为混浊介质样品的空间特征光信号，其由被测混浊介质样品外确定空间点测得的漫透射光强度、漫反射光强度和准直透射光强度分别与样品入射光强的比值所决定。在获得上述结果的基础上，通过Beer-Lambert定律，由准直透射率计算获得被测混浊介质样品的衰减系数t；通过基于辐射传输理论和菲涅尔公式建立的Monte Carlo仿真模型，由漫反射率和漫透射率测量结果逆计算获得被测混浊介质样品的吸收系数μa，散射系数μs和散射各向异性因子g，并进而获得宽光谱范围内的混浊介质样品多参数光谱数据。 2、设计并实现了本文定义的混浊介质样品空间特征光信号所需测量系统，包括光学子系统、微弱光信号采集和放大处理硬件电路、基于傅里叶变换的空间特征光信号提取算法等。光学子系统包括广谱光源、单色仪、光调制器，以及样品系统等。光学子系统将广谱光源发出的复合光经单色仪色散为单色光，并经强度调制后，入射至被测混浊介质样品；多个独立光电探测器接收被测混浊介质样品外确定位置点的漫透射光信号、漫反射光信号和准直透射光信号，以及样品入射光校准光分量，并转换为电流信号。微弱电流信号放大处理硬件电路包括前置放大电路、主放大电路、带通滤波电路和50Hz陷波电路等。其中，前置放大电路首先将电流转换为电压信号并进行初级放大；为提高测量信号的线性放大范围，并提高测量信噪比，采用带通滤波电路和50Hz陷波电路使噪声信号得到明显抑制；再经主放大电路对弱电压信号进一步完成线性放大。微弱电流信号放大电路的总跨阻放大倍数最高达到108-109(Ω)数量级，满足空间特征光信号采集要求。基于傅里叶变换的空间特征光信号提取算法包括：多通道模拟电压信号高速采集并送A/D转换、离散数据的FFT变换，以及在频谱图中实时调制频率点的谐波分量值的准确提取等。最终通过测量和计算获得被测混浊介质样品的漫透射率、漫反射率和准直透射率空间特征光信号结果。 3、将空间特征光信号测量值与基于辐射传输理论和菲涅尔公式，并采用微扰快速算法的Monte Carlo逆计算模型相结合，将空间特征光信号测量值、漫反射光和漫透射光探测器相对于样品池中心点的空间坐标、光电探测器感光面积、样品入射光截面积，以及样品池折射率等作为输入参数一并送入Monte Carlo逆计算模型，最终通过逆计算模型输出被测样品在一个波长点的吸收系数、散射系数和散射各向异性因子数据。通过在宽波长入射光范围内对空间特征光信号的测量和Monte Carlo逆计算，最终获得所需波长范围内被测混浊介质样品的多参数光谱数据。 4、以Intralipid悬浮液为对象，对上述测量方法获得结果的准确性进行了实验验证：将30%体积浓度的Intralipid悬浮液用蒸馏水分别配制成3%和6%体积浓度的Intralipid溶液，在400-780nm波长范围内测量两种不同浓度Intralipid溶液的多参数光谱，并讨论了漫反射率和漫透射率变化对多参数光谱输出结果的影响。 5、开展了聚苯乙烯微球悬浮液的多参数光谱测量研究。选择不同浓度下，，粒径分别为700nm和3500nm聚苯乙烯微球溶液进行测量，获得了不同粒径、不同浓度聚苯乙烯微球溶液的的多参数光谱数据。 本文研究工作完成的混浊介质多参数光谱测量方法与现有研究方法比较，具有如下创新：（1）、建立了一种基于散射光空间分布信号、无需积分球装置、快速测定均匀混浊介质样品3个光学参数，即吸收系数、散射系数和各向异性因子及其光谱数据的新方法；（2）、该方法采用数字锁相技术和独立光电传感器相结合采集混浊介质样品的空间分布光强信号，获得由漫反射率、漫透射率和准直透射率组成的特征信号测量值，并将其作为基于Monte Carlo模型的逆计算方法输入测量参数；（3）、采用创新的微扰算法，利用参考样品与微扰样品之间3个光学参数的关联，直接计算微扰样品的特征信号，极大地减少了逆计算反复迭代过程中需要进行Monte Carlo仿真计算的次数，实现了基于Monte Carlo模型的快速逆运算。 存在的问题主要包括：（1）、光学子系统结构尺寸过大，难以满足仪器化现场检测的应用要求；（2）、由于氙灯光源低波长段光强较弱，造成低波长段空间特征光信号测量信噪比相对较低；（3）、iMC-GPU逆计算加速算法占用GPU资源过大，导致逆运算时经常出现程序崩溃现象；下一步工作将首先重点解决以上存在问题，在减小系统尺寸、提高测量精度和逆运算速度上开展更加细致、深入的改进和完善工作。 随着对混浊介质多参数光谱测量方法研究的不断深入和完善，在不远的将来将有望为血液、油品、药品、食品等方面的混浊介质成分定性和定量分析提供一种无需样品制备的快速、准确新方法。
【关键词】：混浊介质光学 多参数光谱 空间特征光信号 Monte Carlo逆计算 混浊介质成分分析
【学位授予单位】：中国人民解放军军事医学科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.51
【目录】：

• 缩略词表5-6
• 摘要6-9
• ABSTRACT9-13
• 第一章 前言13-19
• 1.1 混浊介质多参数光谱测量的研究背景13-15
• 1.2 混浊介质多参数光谱测量方法的国内外研究现状15-17
• 1.3 本论文的主要研究内容17-19
• 第二章 混浊介质光学的理论基础19-24
• 2.1 光与混浊介质的相互作用19
• 2.2 辐射传输理论19-21
• 2.3 混浊介质光学特征参数21-22
• 2.4 边界条件22-24
• 第三章 混浊介质空间特征光信号检测系统24-45
• 3.1 混浊介质空间特征信号与多参数光谱测量原理24-26
• 3.1.1 混浊介质空间特征光信号24
• 3.1.2 混浊介质多参数光谱测量原理24-26
• 3.2 混浊介质空间特征光信号检测系统设计及实现26-44
• 3.2.1 光学子系统26-33
• 3.2.2 空间特征光信号检测33-41
• 3.2.3 空间特征光信号提取41-44
• 3.3 混浊介质空间特征光信号检测系统小结44-45
• 第四章 混浊介质多参数光谱测量方法的实现45-51
• 4.1 Monte Carlo 仿真模型45-47
• 4.2 混浊介质多参数光谱测量方法的建立47-51
• 第五章 混浊介质多参数光谱测量方法的应用研究51-61
• 5.1 Intralipid 悬浮液的多参数光谱测量51-56
• 5.1.1 实验方法51-53
• 5.1.2 实验结果53
• 5.1.3 分析与讨论53-56
• 5.2 聚苯乙烯微球悬浮液多参数光谱测量56-61
• 5.2.1 实验方法56
• 5.2.2 实验结果56-58
• 5.2.3 分析与讨论58-61
• 第六章 总结与展望61-63
• 6.1 工作总结61-62
• 6.2 存在问题62
• 6.3 下一步工作计划62-63
• 参考文献63-68
• 综述68-73
• 参考文献71-73
• 个人简历73-74
• 致谢74

【参考文献】

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1 赵友全,范世福;生物组织微弱散射光的检测装置[J];光电工程;2000年04期

2 韩永辉,徐可欣,贺忠海,罗云瀚,王智丽;牛奶光学特性参数的单积分球法测量[J];光电子·激光;2004年09期

3 范世福;;光谱技术和仪器的新发展[J];光谱仪器与分析;2000年02期

4 赵芸;蒋璐璐;张瑜;谈黎虹;何勇;;应用光谱技术快速测定发动机润滑油的粘度值[J];光谱学与光谱分析;2010年09期

5 苏畅，丁海曙，白净;生物组织光谱学技术[J];国外医学.生物医学工程分册;1995年06期

6 张颖;王暄;杨春;栾照辉;;波长可变光源及数据联合采集的计算机实现[J];信息技术;2007年09期

7 徐志龙;王忠义;黄岚;刘志存;侯瑞锋;王成;;农产品光学参数测量的双积分球系统及其应用[J];农业工程学报;2006年11期

8 吴波;方国恩;;游离血红蛋白主要测定方法及输入过量对机体影响的研究进展[J];实用医药杂志;2008年05期

9 王晓峰,于国萍,魏正和,张湘华;对光栅单色仪信号采集和处理的改进[J];物理实验;2004年11期

10 田会娟;刘迎;王利军;张智卜;肖立峰;;混合漫射近似模型的漫反射理论及其模拟实验研究[J];物理学报;2009年01期

本文编号：916553