本文關(guān)鍵詞： 輻射反問題 光學(xué)參數(shù)場(chǎng)重建 時(shí)頻光信息 熒光成像 序列二次規(guī)劃　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：彌散介質(zhì)廣泛存在于發(fā)動(dòng)機(jī)羽流、生物組織、爐膛火焰,紅外涂層、氣溶膠顆粒和陶瓷熱防護(hù)材料等領(lǐng)域,其內(nèi)部光學(xué)參數(shù)場(chǎng)分布是研究輻射傳輸過程的基礎(chǔ),但是大多數(shù)情況下,介質(zhì)內(nèi)部的光學(xué)參數(shù)場(chǎng)分布是未知的。這些內(nèi)部參數(shù)場(chǎng)不能直接測(cè)量獲得,需要利用最優(yōu)化算法重建得到。在目前的光學(xué)參數(shù)場(chǎng)重建研究中,普遍存在反問題求解效率偏低、重建結(jié)果誤差較大等問題,特別是吸收系數(shù)和散射系數(shù)等多光學(xué)參數(shù)場(chǎng)同時(shí)重建時(shí)的串?dāng)_(cross-talk)問題仍未解決。因此,亟需發(fā)展高效、準(zhǔn)確、魯棒性好的光學(xué)參數(shù)場(chǎng)重建技術(shù)。本文圍繞彌散介質(zhì)光學(xué)參數(shù)場(chǎng)重建這一主題,相繼以擴(kuò)散近似模型、頻域輻射傳輸方程和時(shí)域輻射傳輸方程為基礎(chǔ)開展研究,逐漸提高算法的精度和求解效率,最后構(gòu)建了高效、準(zhǔn)確的重建算法并克服了串?dāng)_問題。主要工作可以分為以下幾個(gè)方面:首先,對(duì)彌散介質(zhì)內(nèi)光學(xué)參數(shù)場(chǎng)重建問題和基于梯度的數(shù)值最優(yōu)化算法進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹,重點(diǎn)對(duì)共軛梯度法進(jìn)行了闡述,分析了光學(xué)參數(shù)場(chǎng)重建技術(shù)的核心問題,并采用基于廣義高斯-馬爾克夫隨機(jī)場(chǎng)模型的正則化技術(shù)克服光學(xué)參數(shù)場(chǎng)重建問題的病態(tài)特性,以擴(kuò)散近似方程為正問題模型,共軛梯度法為反問題求解算法,重建出了介質(zhì)內(nèi)的吸收系數(shù)、約化散射系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)場(chǎng),重建的光學(xué)參數(shù)分布圖像能夠清晰地顯示出介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),而且正則化技術(shù)有效地提高了重建精度。其次,針對(duì)擴(kuò)散近似方程僅適用于散射占優(yōu)介質(zhì)的局限性,開展適用于任意彌散介質(zhì)的基于頻域輻射傳輸方程的光學(xué)參場(chǎng)重建研究,分別考慮伴隨差分法和伴隨方程法來求解目標(biāo)函數(shù)關(guān)于光學(xué)參數(shù)的梯度,結(jié)合共軛梯度法同時(shí)重建散射占優(yōu)介質(zhì)和吸收散相當(dāng)介質(zhì)內(nèi)的吸收系數(shù)場(chǎng)和散射系數(shù)場(chǎng),結(jié)果表明改進(jìn)的伴隨差分法能夠準(zhǔn)確地求解頻域模型的目標(biāo)函數(shù)梯度,伴隨方程法能夠采用簡易的光源模型有效重建介質(zhì)內(nèi)的光學(xué)參數(shù)場(chǎng)。為了進(jìn)一步提高光學(xué)參數(shù)場(chǎng)重建技術(shù)的精確性,基于時(shí)域輻射傳輸方程開展重建算法研究;采用多次啟動(dòng)技術(shù)提高了共軛梯度法的收斂效率和精度,基于時(shí)域信息重建的結(jié)果精度明顯高于基于頻域的結(jié)果;針對(duì)目標(biāo)函數(shù)梯度求解和精確一維搜索消耗大量計(jì)算時(shí)間的問題,提出基于序列二次規(guī)劃算法結(jié)合伴隨方程法來提高重建效率,構(gòu)建了一種效率和精度兼并的時(shí)域光學(xué)參數(shù)場(chǎng)重建算法,能夠快速、準(zhǔn)確地重建出彌散介質(zhì)內(nèi)的吸收和散射系數(shù)場(chǎng),而且表現(xiàn)出了很好的魯棒性;繼而將時(shí)域光學(xué)參數(shù)場(chǎng)重建技術(shù)引入了熒光成像的研究中,能夠同時(shí)準(zhǔn)確地重建出不同對(duì)比度的熒光團(tuán)圖像。最后,采用時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器和多通道光開關(guān)搭建了多維時(shí)域紅外輻射信號(hào)測(cè)量平臺(tái),對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性、單光子計(jì)數(shù)器的主要參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn);通過環(huán)氧樹脂分別制作了光學(xué)參數(shù)均勻和非均勻的仿體,測(cè)量了超短脈沖激光作用下不同仿體的出射信號(hào),測(cè)量信號(hào)與時(shí)域輻射傳輸方程的模擬信號(hào)吻合得較好,通過測(cè)量信號(hào)能夠準(zhǔn)確地重建出非均勻仿體內(nèi)的吸收和散射系數(shù)場(chǎng),驗(yàn)證了算法的有效性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O43

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