基于快速蒙特卡罗的散射介质光学参量干涉测量方法研究

提出了一种散射介质光学参量的干涉测量方法.在蒙特卡罗数值模拟的基础上引入聚焦高斯光源模型和基于比例缩放的压缩算法,实现了对光子后向散射分布和干涉特性的快速模拟.利用计算数据训练了前向人工神经网络进行了介质光学参量的反向求解.实验中以脂肪乳注射剂和生物染色剂印度墨水组成的悬混液为样本,通过光学干涉系统测量得到了后向散射光依赖于深度的干涉光强分布,并对其中散射和吸收系数进行了反向计算.所得结果能够正确反映散射和吸收系数与散射和吸收物质浓度之间的线性关系,验证了该方法的可行性.     

基于快速蒙特卡罗的散射介质光学参量干涉测量方法研究

提出了一种散射介质光学参量的干涉测量方法. 在蒙特卡罗数值模拟的基础上引入聚焦高斯光源模型和基于比例缩放的压缩算法, 实现了对光子后向散射分布和干涉特性的快速模拟. 利用计算数据训练了前向人工神经网络进行了介质光学参量的反向求解. 实验中以脂肪乳注射剂和生物染色剂印度墨水组成的悬混液为样本, 通过光学干涉系统测量得到了后向散射光依赖于深度的干涉光强分布, 并对其中散射和吸收系数进行了反向计算. 所得结果能够正确反映散射和吸收系数与散射和吸收物质浓度之间的线性关系, 验证了该方法的可行性.     

气液两相流速度及粒径分布激光干涉测量方法的研究

为了实现对气液两相流的粒子粒径、空间分布及其速度测量。对激光干涉气液两相流测量技术（ILIDS）进行了深入研究,该技术是一种应州于气液两相流测量的新技术,其主要优点是不干扰流场和颗粒粒径、位置测量精度高。基于该技术所开发的图像自动处理方法可以利用普通粒子成像测量技术系统拍摄气液两相流的激光散射干涉图像。并利用图像卷积定位、傅里叶变换频率分析及其图像互相关测速等图像处理手段从干涉图像中自动提取粒子的位置、直径和速度信息。为了验证该方法的测量精度,对喷嘴生成的气水两相流进行了测量实验,得到了喷嘴出口处不同区域的粒径、速度矢量的空间分布,并将测得的速度矢量与用粒子成像测量技术方法测得的结果进行对比,证明两种方法测量的平均速度差别仅为0．38％。     

时域压缩合成孔径超分辨水声成像算法

提出一种针对水下稀疏目标的时域压缩合成孔径声呐成像方法(TC-SAS),实现了水声目标高分辨实时成像。通过多子阵的孔径合成,在时域上构造出成像网格格点到有效孔径内逐帧阵列的格林函数,并给出成像区域散射强度到数据域的映射矩阵;然后利用该区域空域稀疏的先验知识,通过正交匹配追踪的稀疏重构方式,解算出成像区域散射系数矩阵,实现了稀疏目标高分辨成像.同时,针对线性调频信号提出数据缩减的方法,通过对观测数据和字典矩阵同时脉压后截取,减小了数据规模;进一步结合二维矩阵数表查表的方法,以空间换时间,实现了区块实时成像。数值仿真以及湖试试验表明,所提算法能分辨出传统的时延求和算法难以分辨的目标,并且在图像清晰度指标上平均提升4.9 dB.改善了合成孔径声呐的成像质量.      

基于Wigner-Ville分布用超声回波测量随机介质的特征

生物组织微结构具有随机介质的特性,文中构建了生物组织超声散射的一维随机介质模型,提出用Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布函数方法估计该随机仙擀的空间分布特征,仿真和实验结果表明这一方法具有良好的空间分辨率,能较好地检测出随机介质微小散射元的个数和空间分布同时能精确地保估出散射元平均间距,研究结果表明该方法还具有良好的抗噪声性等优良特性。     

基于数字微镜器件超像素法实现散射介质传输矩阵的自参考干涉测量

散射介质的传输矩阵系统描述了散射介质对输入与输出光场之间的变换关系,是研究与控制光在无序介质中传输特性的重要工具.本文使用数字微镜器件实现散射介质传输矩阵的自参考干涉测量,首先利用超像素法实现对入射光的复振幅调制获得同时包含参考光和信号光的复合场,进而基于四步相移法分别测量了散射介质在Hadamard基和轨道角动量(OAM)基下的传输矩阵.进一步,根据相位共轭原理实现了光透过散射介质后的单点聚焦、多点聚焦以及涡旋聚焦,验证了传输矩阵测量的准确性.该方法能够有效提高光场调制的自由度,实现散射介质传输矩阵的测量,对散射环境下的光学成像和光通信等具有潜在应用价值.     

基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术研究

针对浑浊水体偏振成像时由于强散射作用导致的背景散射光分布不均匀且目标信息被淹没,无法有效解译,难以实现清晰化成像的问题,提出基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术.该技术利用散射光场中偏振信息的共模抑制特性消除非均匀性,结合水下散射光场中背景信息纹理单一、信息相关性高以及目标信息空间占比小的特点,建立偏振域的稀疏-低秩信息分析处理模型,有效分离目标和背景信息,重建高对比度清晰目标图像.实验结果表明,基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术不仅能够有效地提升浑浊水下图像的对比度,复原细节信息,而且能够有效地抑制非均匀强散射,在水下偏振成像领域具有良好的应用前景.     

声透镜对多层样品的光声层析成像

由于光声效应产生光声压分布图像,所以当强散射介质中的模拟吸光组织在受到短脉冲激光照射时,该声压分布会经声透镜成像在像平面上。在像平面上利用线性超声探测器阵列获取光声信号并传递给高速数据采集卡进行数据采集,可由程序重构出光声图像。设计的光声层析成像系统可以采集记录一定深度的数据,成像时只要在所采集到的数据中选取不同列数即可同时获得强散射介质多层样品不同层面的光声图像。实验成功地获得了强散射介质内多层样品不同层面的光声层析图像。该成像方法无需进行复杂的算法重建,且可以同时实现多层样品不同切面的光声成像。     

激光超声检测中干涉特征提取算法的研究

为了有效地检测结构中的损伤位置及其形状,开展了基于超声导波干涉特征提取算法的损伤成像技术研究。在波场可视化的基础上,从波场历程中进一步分析了损伤对超声导波传播的影响;为了提取损伤附近超声导波干涉的能量,采用时间与空间域上的傅里叶变换对波场中的入射波和反射波进行分离,并根据计算出的干涉能量分布完成了损伤的成像;由于损伤产生的干涉能量在空间上的分布较广,为了减少损伤区域外的干涉能量,提高图像中损伤形状的分辨率,利用实Morlet小波分析的方法对宽频信号进行处理,提取窄带信号分量再进行干涉能量计算,提高了损伤成像的信噪比。     

四元裂解位相调制实现相干光通过散射介质聚焦

光在不均匀介质中传播会受到散射的干扰,在这些散射材料中,例如粉末、生物组织、亚波长颗粒对入射光多次散射使得出射光无法聚焦,从而在接收平面形成散斑.本文提出四元裂解位相调制方法对入射相干光场进行调制,使其通过散射介质聚焦.此方法利用入射光场全场调制,充分考虑光场单元之间的干涉作用,从整个空间光调制器的调制面开始,逐层进行四元裂解及位相优化.运用此方法在实验中实现了相干光的前向散射和后向散射有效聚焦,这为生物医学领域中通过散射介质成像提供了新的思路和方法.     

散射介质对强度关联成像影响的教学实验研究

本文根据北京航空航天大学本科生专业课程有关新型探测实验的教改要求,设计了散射介质对强度关联成像影响的教学实验。该实验基于主动式强度计算关联成像原理,采用激光光源,经准直扩束照射到数字微镜器件(digital micromirror device, DMD)进行空间光场调制,用聚苯乙烯胶体粒子模拟雾霾散射介质,利用CCD探测器作为桶探测器,对振幅型物体进行探测,结合空间光场调制信号完成关联运算,并通过衬噪比分析散射介质对关联成像的影响。实验结果显示关联成像具有抗散射介质的特性。旨在通过实验中一系列实验现象激发学生的思考能力,培养学生科学的创新思维,促进实验教学的变革和发展。     

强散射过程与双随机相位加密过程的等价性分析

薄层强散射介质的散射系统只会引起入射光波的振幅和相位分布变化,但不会导致总能量的衰减.这一过程可以看成光波被散射系统编码的过程,与双随机加密系统极为相似.本文首先证明了载有目标信息的光波在通过薄层强散射介质的散射系统时所产生散斑的分布特性,与双随机加密系统加密同一明文目标所得到的密文分布特性具有高度的相似性.然后,本文将该散射系统视为一个双随机加密系统,并利用相位恢复算法精确地计算出该散射系统所对应的两块随机相位密钥,同时证明了这两块密钥板还可以成功地从该散射系统所得到的其他任何散斑中恢复出对应的原始图像.最后,为了进一步证明二者的等价性,本文使用一种适用于双随机加密系统的唯密文攻击方法,成功地破解了薄层强散射介质的散射系统,得到了较好结果.     

基于声透镜成像系统的光声层析成像

光声成像是采用“光激发-超声波成像”的新型成像技术，它是检测强散射介质内部光吸收分布的一种有效医学影像技术.用短脉冲激光照射强散射介质(如生物组织)，强散射介质由于光声效应产生超声信号，使用具有成像能力的声透镜把声压分布成像于像面上，然后利用具有空间分辨能力的阵列光声传感器，把同一像面上的光声信号强度记录下来，最后根据光声信号强度的空间分布进行图像重组.根据成像系统物像共轭原理，同一物平面的光声信号到达像面的时延相等，而不同物面的光声信号到达同一个探测器平面的时延各不相同，因此，利用BOXCAR的门控积分 关键词： 光声层析成像 声透镜 光声信号     

透过散射介质对直线运动目标的全光成像及追踪技术

光散射是限制光传输以及降低和破坏光学成像性能的主要因素,透过复杂散射介质对运动目标的全光成像是光学领域极具挑战性的技术之一.本文提出一种利用散斑差值自相关透过散射介质对运动目标进行实时追踪的方法.采用赝热光照明,基于光学记忆效应理论,通过对运动目标采集的两帧散斑做差值,然后做自相关运算,计算目标移动的距离,实现对目标的实时追踪,并且利用相位恢复算法进行简单处理就可以重建隐藏目标.对该方法进行了实验验证,成功地对隐藏的运动目标实现了成像与追踪.这种透过散射介质对运动目标的全光成像及实时追踪技术,在生物医学等领域具有重要应用潜力.     

基于压缩感知的动态散射成像

利用基于压缩感知的成像系统可以透过静态的散射介质获得高质量的重建图像. 但是当散射介质动态变化时, 因为采样所得的测量值受到散射介质衰减系数非线性变化的影响, 重建图像质量会大大下降. 针对上述情况, 本文提出基于压缩感知成像系统的测量值线性拉伸算法, 该算法能够对所得到的非线性测量值进行分析, 根据测量值大小的不同将测量值划分成数个区域并计算补偿系数, 从而根据补偿系数进行测量值线性拉伸变换, 使测量值线性化. 最后再对变换后的测量值进行压缩感知重建计算. 通过理论分析、计算机仿真和实验证明了所提算法能够有效地应对动态的散射介质, 提高基于压缩感知成像系统在透过动态散射介质时的图像重建质量.     

辐射传输介质散射相函数的蒙特卡洛算法

复分散系相函数在辐射介质传热中是关键参数,蒙特卡洛法兼具数值算法与试验测量的优点.利用该方法计算复分散系的多重散射相函数克服了以往算法的缺点,可以体现多重散射的影响,并且可以计算任意形状控制体的相函数.大量的数学实验发现当介质系密度增大时,散射能量在4π空间内分布趋于均匀.     

基于赝热光照明的单发光学散斑成像

散射介质对光的散射是当前限制光学成像深度或距离的一个严重的问题.本文首先数值模拟比较了光透过随机散射介质成像研究中常用的基于光学记忆效应(memory effect, ME)和自相关(autocorrelation, AC)方法的HIOER算法和乒乓(Ping-Pang, PP)算法的优缺点.通过对HIOER算法和PP算法的恢复效果和迭代次数进行比较,发现PP算法在保持较高恢复效果的前提下拥有更快的运行速度.实验中,利用连续HeNe激光器和旋转毛玻璃产生赝热光源,通过物镜对随机散射介质后数毫米距离内的不同形状物体进行了单帧成像,并采用PP算法成功地恢复出微米量级物体的实际图像.这一研究结果将进一步促进ME和AC方法在深层生物组织医学成像研究上的应用.最后,实验研究了不同的物镜和散射介质的间距对成像恢复的放大率、分辨率和图像强度的影响特性,并进行了详细研究.     

基于块稀疏贝叶斯的生物发光断层重建

生物发光断层成像(BLT)是一种非侵入、高灵敏度的光学分子影像技术,可以通过探测生物体表面的光信号重建出生物体内部光源的三维分布情况。由于光在组织中传播时,散射占据主导作用,导致BLT重建问题的病态性,给光源重建带来巨大的挑战。在BLT重建中,基于光源稀疏分布的特征,稀疏正则化方法相比于传统的L2范数正则化取得了显著进展。更进一步,由于生物发光光源的分布具有的空间聚集特征,利用该特征将有助于进一步提高BLT重建的准确性。相比于传统的针对求解域中所有未知量进行稀疏重建的算法,探索了利用块稀疏进行生物发光断层成像重建的可行性,首先通过对系统矩阵进行相关系数分析将求解域划分成一系列数据块,然后利用块稀疏贝叶斯算法对生物发光光源的分布进行三维重建。通过仿真实验与小鼠活体实验,并与传统稀疏重建算法L1-LS进行了比较,结果表明该方法可以有效缓解BLT重建问题的病态性,抑制噪声,并且可提高重建结果的准确性。     

Y+SO_2反应动力学成像（英文）

本文利用时间切片离子速度成像技术、交叉分子束和激光溅射技术研究了高碰撞能下(36 kcal/mol)钇原子与二氧化硫分子的反应动力学.利用多光子电离在482～615 nm的波长范围内得到了产物YO的时间切片离子速度成像.YO的切片图像显示其较宽的速度分布和前-后向散射为主的角分布,其中前向散射信号明显强于后向散射.这种空间分布暗示了该反应通过一个中间体进行,且中间体的寿命不超过一个转动周期.中间体的形成意味着该氧化反应电子转移机理的发生.     

混浊介质二维后向漫散射穆勒矩阵的测量

研制了一套实验系统用于测量混浊介质的后向漫散射穆勒矩阵.在系统中，激光被调制成所需偏振态，聚焦于混浊介质表面.利用CCD相机配合相应的偏振元件，测量入射点周围区域的后向散射光中特定偏振态的能量空间分布，并由测量值计算出介质的后向漫散射穆勒矩阵.描述了系统的组成、测量原理以及方法，分别测量了消偏振分光棱镜的反射穆勒矩阵和浓度1.5％的脂肪乳溶液的后向漫散射穆勒矩阵.实验证明:该系统能够完全消除样品表面镜面反射光的干扰，精确的测量混浊介质的后向漫散射穆勒矩阵；并可望用于生物组织的研究中.