本文關(guān)鍵詞：混濁介質(zhì)多參數(shù)光譜測量方法的建立及其應(yīng)用研究

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【摘要】：光與材料的相互作用主要可分為吸收與散射兩類，如介質(zhì)材料具有相對于光吸收較強的光散射能力，則稱為光學(xué)混濁介質(zhì)。混濁介質(zhì)材料與人們的現(xiàn)實生活緊密聯(lián)系，如血液、軟組織、藥品、油品、陶瓷、塑料等，對其成分分析一直都是光譜學(xué)研究的熱點和難點問題。 混濁介質(zhì)的光學(xué)特征參數(shù)包括吸收系數(shù)光譜a、散射系數(shù)光譜s和散射各向異性因子光譜g，其中吸收系數(shù)光譜a通常由混濁介質(zhì)材料的分子結(jié)構(gòu)決定，而散射系數(shù)光譜s和散射各向異性因子光譜g則由其顆粒結(jié)構(gòu)決定，因此混濁介質(zhì)光學(xué)特征參數(shù)光譜的準(zhǔn)確測量將極大地提高光譜學(xué)方法對于混濁介質(zhì)材料的分析能力。 目前研究報道中所見的均勻混濁介質(zhì)多光學(xué)參數(shù)測量方法，一般采用基于積分球裝置實現(xiàn)多點光信號采集，再通過不同模型進(jìn)行仿真計算。上述方法存在測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，模型計算時間超長、且建模時引入理想條件等問題，均導(dǎo)致現(xiàn)有研究方法難以達(dá)到儀器化應(yīng)用水平，阻礙了光譜學(xué)方法在混濁介質(zhì)成分分析中的實際應(yīng)用。 本文擬建立一種針對混濁介質(zhì)的多參數(shù)光譜學(xué)分析新方法，可同時測量并快速計算輸出被測混濁介質(zhì)樣品的吸收系數(shù)光譜、散射系數(shù)光譜和散射各向異性因子光譜，與現(xiàn)有單參數(shù)和多參數(shù)光譜分析方法比較，具有測量光學(xué)參數(shù)多、測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、無需樣品預(yù)處理、操作使用方便等優(yōu)勢。該方法采用數(shù)字鎖相技術(shù)和獨立光電傳感器相結(jié)合采集混濁介質(zhì)樣品的空間分布光強信號，獲得由漫反射率、漫透射率和準(zhǔn)直透射率組成的混濁介質(zhì)空間特征光信號測量值，并用其作為輸入?yún)?shù)，通過基于蒙特卡洛仿真模型和微擾算法的逆計算，獲得被測混濁介質(zhì)樣品的吸收系數(shù)、散射系數(shù)和散射各向異性因子光譜數(shù)據(jù)，為混濁介質(zhì)材料的定性和定量分析提供一種無需樣品制備、快速準(zhǔn)確，并可實現(xiàn)儀器化應(yīng)用的光譜學(xué)分析新方法。 本文研究內(nèi)容具體包括如下幾個方面： 1、構(gòu)建了基于空間特征光信號、無需積分球裝置測量并逆計算輸出混濁介質(zhì)多參數(shù)光譜新方法。定義被測混濁介質(zhì)樣品的漫反射率、漫透射率和準(zhǔn)直透射率為混濁介質(zhì)樣品的空間特征光信號，其由被測混濁介質(zhì)樣品外確定空間點測得的漫透射光強度、漫反射光強度和準(zhǔn)直透射光強度分別與樣品入射光強的比值所決定。在獲得上述結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過Beer-Lambert定律，由準(zhǔn)直透射率計算獲得被測混濁介質(zhì)樣品的衰減系數(shù)t；通過基于輻射傳輸理論和菲涅爾公式建立的Monte Carlo仿真模型，由漫反射率和漫透射率測量結(jié)果逆計算獲得被測混濁介質(zhì)樣品的吸收系數(shù)μa，散射系數(shù)μs和散射各向異性因子g，并進(jìn)而獲得寬光譜范圍內(nèi)的混濁介質(zhì)樣品多參數(shù)光譜數(shù)據(jù)。 2、設(shè)計并實現(xiàn)了本文定義的混濁介質(zhì)樣品空間特征光信號所需測量系統(tǒng)，包括光學(xué)子系統(tǒng)、微弱光信號采集和放大處理硬件電路、基于傅里葉變換的空間特征光信號提取算法等。光學(xué)子系統(tǒng)包括廣譜光源、單色儀、光調(diào)制器，以及樣品系統(tǒng)等。光學(xué)子系統(tǒng)將廣譜光源發(fā)出的復(fù)合光經(jīng)單色儀色散為單色光，并經(jīng)強度調(diào)制后，入射至被測混濁介質(zhì)樣品；多個獨立光電探測器接收被測混濁介質(zhì)樣品外確定位置點的漫透射光信號、漫反射光信號和準(zhǔn)直透射光信號，以及樣品入射光校準(zhǔn)光分量，并轉(zhuǎn)換為電流信號。微弱電流信號放大處理硬件電路包括前置放大電路、主放大電路、帶通濾波電路和50Hz陷波電路等。其中，前置放大電路首先將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號并進(jìn)行初級放大；為提高測量信號的線性放大范圍，并提高測量信噪比，采用帶通濾波電路和50Hz陷波電路使噪聲信號得到明顯抑制；再經(jīng)主放大電路對弱電壓信號進(jìn)一步完成線性放大。微弱電流信號放大電路的總跨阻放大倍數(shù)最高達(dá)到108-109(Ω)數(shù)量級，滿足空間特征光信號采集要求�；诟道锶~變換的空間特征光信號提取算法包括：多通道模擬電壓信號高速采集并送A/D轉(zhuǎn)換、離散數(shù)據(jù)的FFT變換，以及在頻譜圖中實時調(diào)制頻率點的諧波分量值的準(zhǔn)確提取等。最終通過測量和計算獲得被測混濁介質(zhì)樣品的漫透射率、漫反射率和準(zhǔn)直透射率空間特征光信號結(jié)果。 3、將空間特征光信號測量值與基于輻射傳輸理論和菲涅爾公式，并采用微擾快速算法的Monte Carlo逆計算模型相結(jié)合，將空間特征光信號測量值、漫反射光和漫透射光探測器相對于樣品池中心點的空間坐標(biāo)、光電探測器感光面積、樣品入射光截面積，以及樣品池折射率等作為輸入?yún)?shù)一并送入Monte Carlo逆計算模型，最終通過逆計算模型輸出被測樣品在一個波長點的吸收系數(shù)、散射系數(shù)和散射各向異性因子數(shù)據(jù)。通過在寬波長入射光范圍內(nèi)對空間特征光信號的測量和Monte Carlo逆計算，最終獲得所需波長范圍內(nèi)被測混濁介質(zhì)樣品的多參數(shù)光譜數(shù)據(jù)。 4、以Intralipid懸浮液為對象，對上述測量方法獲得結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了實驗驗證：將30%體積濃度的Intralipid懸浮液用蒸餾水分別配制成3%和6%體積濃度的Intralipid溶液，在400-780nm波長范圍內(nèi)測量兩種不同濃度Intralipid溶液的多參數(shù)光譜，并討論了漫反射率和漫透射率變化對多參數(shù)光譜輸出結(jié)果的影響。 5、開展了聚苯乙烯微球懸浮液的多參數(shù)光譜測量研究。選擇不同濃度下，，粒徑分別為700nm和3500nm聚苯乙烯微球溶液進(jìn)行測量，獲得了不同粒徑、不同濃度聚苯乙烯微球溶液的的多參數(shù)光譜數(shù)據(jù)。 本文研究工作完成的混濁介質(zhì)多參數(shù)光譜測量方法與現(xiàn)有研究方法比較，具有如下創(chuàng)新：（1）、建立了一種基于散射光空間分布信號、無需積分球裝置、快速測定均勻混濁介質(zhì)樣品3個光學(xué)參數(shù)，即吸收系數(shù)、散射系數(shù)和各向異性因子及其光譜數(shù)據(jù)的新方法；（2）、該方法采用數(shù)字鎖相技術(shù)和獨立光電傳感器相結(jié)合采集混濁介質(zhì)樣品的空間分布光強信號，獲得由漫反射率、漫透射率和準(zhǔn)直透射率組成的特征信號測量值，并將其作為基于Monte Carlo模型的逆計算方法輸入測量參數(shù)；（3）、采用創(chuàng)新的微擾算法，利用參考樣品與微擾樣品之間3個光學(xué)參數(shù)的關(guān)聯(lián)，直接計算微擾樣品的特征信號，極大地減少了逆計算反復(fù)迭代過程中需要進(jìn)行Monte Carlo仿真計算的次數(shù)，實現(xiàn)了基于Monte Carlo模型的快速逆運算。 存在的問題主要包括：（1）、光學(xué)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸過大，難以滿足儀器化現(xiàn)場檢測的應(yīng)用要求；（2）、由于氙燈光源低波長段光強較弱，造成低波長段空間特征光信號測量信噪比相對較低；（3）、iMC-GPU逆計算加速算法占用GPU資源過大，導(dǎo)致逆運算時經(jīng)常出現(xiàn)程序崩潰現(xiàn)象；下一步工作將首先重點解決以上存在問題，在減小系統(tǒng)尺寸、提高測量精度和逆運算速度上開展更加細(xì)致、深入的改進(jìn)和完善工作。 隨著對混濁介質(zhì)多參數(shù)光譜測量方法研究的不斷深入和完善，在不遠(yuǎn)的將來將有望為血液、油品、藥品、食品等方面的混濁介質(zhì)成分定性和定量分析提供一種無需樣品制備的快速、準(zhǔn)確新方法。
【關(guān)鍵詞】：混濁介質(zhì)光學(xué) 多參數(shù)光譜 空間特征光信號 Monte Carlo逆計算 混濁介質(zhì)成分分析
【學(xué)位授予單位】：中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：R318.51
【目錄】：

• 縮略詞表5-6
• 摘要6-9
• ABSTRACT9-13
• 第一章 前言13-19
• 1.1 混濁介質(zhì)多參數(shù)光譜測量的研究背景13-15
• 1.2 混濁介質(zhì)多參數(shù)光譜測量方法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-17
• 1.3 本論文的主要研究內(nèi)容17-19
• 第二章 混濁介質(zhì)光學(xué)的理論基礎(chǔ)19-24
• 2.1 光與混濁介質(zhì)的相互作用19
• 2.2 輻射傳輸理論19-21
• 2.3 混濁介質(zhì)光學(xué)特征參數(shù)21-22
• 2.4 邊界條件22-24
• 第三章 混濁介質(zhì)空間特征光信號檢測系統(tǒng)24-45
• 3.1 混濁介質(zhì)空間特征信號與多參數(shù)光譜測量原理24-26
• 3.1.1 混濁介質(zhì)空間特征光信號24
• 3.1.2 混濁介質(zhì)多參數(shù)光譜測量原理24-26
• 3.2 混濁介質(zhì)空間特征光信號檢測系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)26-44
• 3.2.1 光學(xué)子系統(tǒng)26-33
• 3.2.2 空間特征光信號檢測33-41
• 3.2.3 空間特征光信號提取41-44
• 3.3 混濁介質(zhì)空間特征光信號檢測系統(tǒng)小結(jié)44-45
• 第四章 混濁介質(zhì)多參數(shù)光譜測量方法的實現(xiàn)45-51
• 4.1 Monte Carlo 仿真模型45-47
• 4.2 混濁介質(zhì)多參數(shù)光譜測量方法的建立47-51
• 第五章 混濁介質(zhì)多參數(shù)光譜測量方法的應(yīng)用研究51-61
• 5.1 Intralipid 懸浮液的多參數(shù)光譜測量51-56
• 5.1.1 實驗方法51-53
• 5.1.2 實驗結(jié)果53
• 5.1.3 分析與討論53-56
• 5.2 聚苯乙烯微球懸浮液多參數(shù)光譜測量56-61
• 5.2.1 實驗方法56
• 5.2.2 實驗結(jié)果56-58
• 5.2.3 分析與討論58-61
• 第六章 總結(jié)與展望61-63
• 6.1 工作總結(jié)61-62
• 6.2 存在問題62
• 6.3 下一步工作計劃62-63
• 參考文獻(xiàn)63-68
• 綜述68-73
• 參考文獻(xiàn)71-73
• 個人簡歷73-74
• 致謝74

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：916553