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原文传递基于多角度测量的弥散介质光学参数场探测装置及方法

专利名称：	基于多角度测量的弥散介质光学参数场探测装置及方法
摘要：	基于多角度测量的弥散介质光学参数场探测装置及方法，属于频域近红外光学成像技术领域，为解决现有技术中光学参数场重建时仅用一次调频激光入射得到探测信号进行重建，其所得的结果存在病态及串扰严重的问题，包括：激光控制器、激光头、CCD相机和数据采集处理系统；所述激光控制器的输出端同时与激光头的激光控制信号输入端和数据采集处理系统的信号输入端连接，所述数据采集处理系统的信号输入端与CCD相机的信号输出端连接。本发明运用重建算法处理得到的重建结果具有较高的鲁棒性，可以更好地改善频域重建问题中的病态问题及串扰问题，更加高效、准确的解决弥散介质的光学参数重建问题。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	黑龙江;23
申请人：	哈尔滨工业大学
发明人：	齐宏;赵方舟;任亚涛;阮立明
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-27T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-16T00:00:00+0800
申请号：	CN201910446648.4
公开号：	CN110132874A
代理机构：	哈尔滨市松花江专利商标事务所
代理人：	时起磊
分类号：	G01N21/35(2014.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号
主权项：	1.基于多角度测量的弥散介质光学参数场探测装置，其特征在于包括：激光控制器(1)、激光头(2)、CCD相机(4)和数据采集处理系统(5)；所述激光控制器(1)的输出端同时与激光头(2)的激光控制信号输入端和数据采集处理系统(5)的信号输入端连接，所述数据采集处理系统(5)的信号输入端与CCD相机(4)的信号输出端连接。 2.基于多角度测量的弥散介质光学参数场探测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一：开启激光控制器(1)，使激光头(2)发射出的调频激光射入到弥散介质(3)中，然后将弥散介质(3)以几何中心为旋转中心顺时针旋转z°，旋转n次，且每次旋转都利用调频激光入射弥散介质(3)，90>z>0，n＞0；所述激光头(2)每发射一次调频激光，所述CCD相机(4)都会采集一次弥散介质边界的出射辐射强度信号，然后将获得的所有出射辐射强度信号发送至数据采集处理系统(5)中；所述数据采集处理系统(5)分别对其获得的出射辐射强度信号进行处理，获得弥散介质(3)各边界射出的光谱辐射强度值作为调频激光入射时的测量信号，m表示选取入射激光频域序号，s表示光源照射的边界序号，d表示探测点位置序号；步骤二：假设弥散介质的多宗量光学参数场初值为μ0，将μ0带入频域辐射传输方程，计算得到不同频率下介质边界的透反射辐射强度信号与步骤一中的测量信号构成目标函数F(μ0)；步骤三：判断是否出现出现Maratos现象，如果出现Maratos现象，则执行步骤四；如果未出现则执行步骤五；步骤四：利用二阶修正技术更新弥散介质光学参数场的分布值：μk＝μk-1+Δμ，k＝1,2,…；Δμ表示利用二阶修正技术更新后的光学参数场的改变量，执行步骤六；步骤五：利用序列二次规划算法更新弥散介质光学参数场的分布值：μk＝μk-1+Δμ'，k＝1,2,…；Δμ'表示利用序列二次规划算法更新后的光学参数场的改变量，执行步骤六；步骤六：根据第k步迭代得到的光学参数分布μk，运用频域辐射传输方程进行计算，得到介质边界的出射辐射强度计算目标函数F(μk)，如果目标函数值小于阈值，执行步骤八；否则，执行步骤七；步骤七：令迭代次数k＝k+1，更新序列二次规划子问题中的参数矩阵：Βk+1＝Βk+ΔB，执行步骤三，其中，Β为拉格朗日方程中的海塞矩阵的近似，Βk为第k次迭代的参数值，Βk+1为第k+1次迭代的参数值；步骤八：将当前迭代得到的光学参数场作为重建结果，结束反演过程。 3.根据权利要求2所述的基于多角度测量的弥散介质光学参数场探测方法，其特征在于：所述步骤一中所述激光头(2)发射的激光射入弥散介质(3)时，发射的激光沿穿过弥散介质几何中心的直线射入弥散介质(3)。 4.根据权利要求2所述的基于多角度测量的弥散介质光学参数场探测方法，其特征在于：当所述弥散介质(3)进行旋转时，激光头(2)发射的激光仍沿弥散介质(3)未旋转时的方向入射，即激光头(2)的绝对入射方向保持不变。 5.根据权利要求2所述的基于多角度测量的弥散介质光学参数场探测方法，其特征在于，所述步骤二中弥散介质的多宗量场μ包括吸收系数μa和散射系数μs光学参数场，且两部分参数场同时进行重建。 6.根据权利要求2所述的基于多角度测量的弥散介质光学参数场探测方法，其特征在于所述步骤二中的频域辐射传输方程的表达式如下：其中，i表示虚数单位，ω为调制频率，c为弥散介质中的光速，Ω为辐射传输方向；▽表示梯度；μa、μs分别为吸收系数和散射系数；r为空间位置，I为辐射强度，Ω′表示立体角；Φ(Ω′,Ω)为弥散介质(3)的散射相函数，dΩ′表示Ω′的微分。 7.根据权利要求6所述的基于多角度测量的弥散介质光学参数场探测方法，其特征在于，所述激光入射介质后，其辐射强度可以分为平行光Ic和扩散光Id：I＝Ic+Id，平行光的传输服从贝尔定律：频域辐射传输方程为：式中，Sc(r,Ω,ω)是由平行光引起的辐射源项。 8.根据权利要求2所述的基于多角度测量的弥散介质光学参数场探测方法，其特征在于，所述步骤二中目标函数F(μ0)的表达式为：其中，ψ(μ)为正则化项，由吉洪诺夫正则化模型构建得到：其中，N表示邻点参数的集合，xs和xr表示两个相邻的参数，bs-r为正则化参数。 9.根据权利要求2所述的基于多角度测量的弥散介质光学参数场探测方法，其特征在于，所述步骤四中光学参数分布的改变量Δμ为：其中，ak为第k次迭代的步长，可由一维搜索得到；dk为第k次求解序列二次规划子问题所得到的解；为应用二阶修正技术时，求解修正后的二阶规划子问题所得到的解。 10.根据权利要求2所述的基于多角度测量的弥散介质光学参数场探测方法，其特征在于：所述步骤五中表示此时光学参数场的改变量为： Δμ'＝akdk。
所属类别：	发明专利