非均匀采样干涉数据光谱反演技术研究

干涉光谱成像仪获取的干涉数据是一种中间数据,需要进行光谱反演才能够得到目标光谱数据,傅里叶变换方法是常规的光谱反演方法。由于干涉数据中存在非均匀采样问题,若忽略光谱混叠,直接采用快速傅里叶变换会导致反演光谱的失真,难以满足实时处理需求。针对非均匀采样干涉数据的光谱反演需求,将插值及非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)方法应用到光谱反演处理中,对过采样及部分欠采样情况下的非均匀采样干涉数据,提出了相应的光谱反演方法,并分析了方法的适用性。最后对过采样及部分欠采样情况下的光谱反演方法进行计算机仿真,过采样情况下采用NUFFT方法反演光谱的精度要明显高于插值方法,而部分欠采样情况下插值方法反演光谱的精度要明显高于NUFFT方法,并对欠采样造成的光谱混叠有一定的修正,验证了方法的有效性。     

大光程差PEM-FTS的快速光谱重建

弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEM-FTS)的调制光程差是高速、非线性变化,每秒可产生上万张干涉图。为了实现高速等时间采样干涉信号的快速光谱反演,对大光程差弹光调制干涉信号的特性、加速非均匀快速傅里叶变换算法(NUFFT)进行研究。加速非均匀快速傅里叶变换算法是基于卷积核函数插值的快速傅里叶变换算法,此算法的核函数类型、参数τ、延伸影响因子q、过采样率μ等参数的选择对算法准确度以及复杂度有影响。在分析这些参数对算法影响的基础上,在μ=2,q=10,τ=1×10-6时,将加速的NUFFT算法应用于弹光调制傅里叶变换光谱仪中,重建了632.8 nm的激光和氙灯光谱,复原的632.8 nm激光光谱的频率偏差小于0.013 52,插值时间小于0.267 s。实验表明加速的NUFFT算法有较快的运行速度和小的频率偏差,能快速准确地重建大光程差PEM-FTS的光谱。     

基于CPLD的线阵CCD光谱检测数据采集系统的研究

血液成分无创检测已成为生物医学工程领域关注的焦点和热点,其中以近红外血液成分检测最为突出,而动态光谱检测方法以能消除近红外血液成分检测中的个体差异和测量条件的影响备受研究者的青睐.但是,由于动态光谱检测系统要求较高的幅值精度和高的时间分辨率,因此要求所采用的CCD(charge coupled device)系统进行较长时间的实时输出,其数据量较大,需要匹配高速数据传输模块.文章介绍了一种基于CPLD(complex programmable logic device)的CCD数据采集系统,整个系统以CPLD为主芯片,它不仅为CCD提供工作时序信号,同时还控制信号调理、转换、传输模块中的采样率、相关双采样的时序和数据的存储与传输.采用CPLD器件不但简化了系统结构,提高了整个系统的速度,而且达到了幅值精度和时间分辨率的要求.     

教学用自组式傅里叶变换光谱仪

对原有的傅里叶变换光谱实验进行了全面的升级改造，研制了一种新型的教学用自组式傅里叶变换光谱仪，波长精度较原有实验提高了两个数量级，由该仪器构成的傅里叶变换光谱实验内涵丰富，不但可以使学生学习一种重要的光谱技术，更可以很好地培养学生综合运用所学知识解决实际问题的能力。     

消除个体条件测量差异的动态光谱及其频域提取法的研究

在近红外光谱的皮肤无创检测中,个体差异是一个相当大的技术难题.在血液成分无创检测中,个体差异包括毛发、角质层、表皮、真皮、皮下组织、肌肉、骨骼等.研究表明,个体差异随着个体不同而不同,是阻碍血液成分无创检测技术实用化的重要因素.文章提出了基于光电容积脉搏波的产生机理和傅里叶变换的检测血液成分浓度的新方法--频域提取法,这种方法可以消除测量中由于皮肤组织和肌肉组织产生的差异;提出了动态光谱的概念,从理论和实验两个方面说明了这种方法的优点,并通过实验直接提取了各波长中仅由血液成分产生的吸光度光谱图,对于近红外光谱无创检测血液成分的实际应用有着重要意义.     

傅里叶变换轮廓要中频谱泄漏的讨论

讨论了频谱泄漏对傅里叶变换轮廓术测量精度的影响.由于用傅里叶变换轮廓术进行三维面形测量时,测得的变形光场是空间有限函数,故离散傅里叶变换时先要进行周期拓展,如果拓展周期选择不当,拓展后的条纹将不连续,对之进行傅里叶变换会产生频谱泄漏.文章从理论上推导了拓展周期与变形结构光场频谱泄漏之间的关系.给出了由泄漏引起的视场边缘误差的计算模型和定量分析.提出采用条纹外插以减小泄漏误差的方法,计算机模拟及初步实验证实了该方法的有效性.     

基于三次样条插值的光纤F-P传感器傅里叶变换解调研究

从傅里叶变换原理入手,对不插值傅里叶变换解调和高斯频谱插值方法的误差进行了分析.介绍了三次样条插值的原理,通过三次样条插值得到输出光强信号对光频率均匀采样光谱.从光纤F-P传感器的腔长由20 μm以0.02 μm步长匀速增加至120 μm的仿真分析得出,经过三次样条插值后再进行傅里叶变换解调的精度相对频率插值法更高.在此基础上,采用美国Ocean Optics公司生产的USB2000型光谱仪和Melles Griot公司的17MAX600型光纤对准微动台(精度达0.01 μm)搭建了实验系统并进行了对比实验.结果表明,基于三次样条插值的傅里叶变换解调方法误差在0.06 μm以内.     

强度调制-傅里叶变换光谱偏振技术研究与仿真

强度调制-傅里叶变换光谱偏振技术是一种综合强度调制光谱偏振技术和傅里叶变换光谱技术的新型光谱偏振测量技术,能够同时实现全斯托克斯光谱偏振参数测量,保留了傅里叶变换光谱技术高通量、多通道的特点,同时具有降低数据处理复杂程度的优点.文章对强度调制-傅里叶变换光谱偏振测量技术的数据采集和光谱偏振复原过程进行了理论分析,给出了...     

新型空间调制微型傅里叶变换光谱仪的设计与仿真

傅里叶变换光谱仪(FTS)在光谱分析中的应用越来越广泛,并且其微型化的趋势也愈加明显.文章设计了一种新型空间调制微型傅里叶变换光谱仪.在介绍其结构理论的基础上,对其空间的光强分布进行了模拟,通过对该结构下引起相位误差因素的详细分析,采用改进的Mertz相位校正方法对小双边的采样数据进行了光谱复原,其理论分辨率可达到3.43 nm@800 nm,信噪比的理想分辨极限为6.8 dB.该结构的微型FTS可以用微机械加工的方法来实现,具有性能稳定,误差容易校正等优点,文章对空间调制微型傅里叶变换光谱仪的结构设计及仿真,为微型FTS的微机械加工实验提供了理论支持,还为微型傅里叶变换光谱仪的进一步应用提供了更广阔的空间.     

窄带高光谱干涉成像的压缩采样复原方法

利用干涉成像光谱仪对目标进行窄带高光谱成像探测具有高光通量、高光谱分辨率和高目标分辨率等优点。按照尼奎斯特定理对窄带光谱干涉信息进行采样存在较大的数据冗余,增加了后期傅里叶变换的数据处理量,影响光谱的复原效率。在分析窄带光谱傅里叶变换特性的基础上,提出了基于滤光片光谱透射率函数的窄带光谱压缩采样方法。引入滤光片参数和混叠参数,可以复原不同精度的窄带光谱信息。配以符合要求的多带通窄带滤光片,可对目标进行压缩采样获取多个谱段的窄带光谱信息,从而避免了逐个谱段探测,提高了探测效率。对该方法进行了仿真分析和实验验证,得到了与目标光谱相吻合的复原窄带光谱。     

基于最小二乘法的动态光谱补偿拟合提取

高信噪比的动态光谱(dynamic spectrum, DS)提取是实现高精度动态光谱血液成分无创检测的一个关键。为了进一步提高提取的精度和速度,从原理上分析了各单波长光电容积脉搏波(photoelectric plethysmography,PPG)的线性相似性,并基于此性质提出了补偿拟合法：首先按照PPG单周期采样点数进行滑动平均得到漂移基线进行补偿,除去基线漂移;其次用各波长对数PPG与全波长叠加平均模板PPG进行最小二乘拟合,提取一次项系数构成DS。利用拟合提取法对近红外和可见光波段各25组PPG数据样本进行DS提取实验验证,并将结果与单沿提取法进行平滑性指标的对比,结果表明：近红外和可见光波段补偿拟合法获取DS的平均方差分别为单沿提取法的77.9%和59.5%,稳定提高了DS的平滑性;近红外和可见光波段补偿拟合法处理时间分别可以达到单沿提取法的10%和20%,处理速度得到显著改善。补偿拟合法在单沿提取法的基础上稳定提高了DS的信噪比,改善了DS提取质量,缩减了提取时间,并简化了处理步骤,有望推动DS无创血液成分检测的发展。     

Dynamic Spectrum for noninvasive blood component analysis and its advances

Noninvasive blood component analysis by spectroscopy has broad prospects that based on Dynamic Spectrum (DS) can effectively suppress the influences of individual differences (such as skin, muscle, fat) and the variations of measurement conditions, which shows its potential in the clinical applications. The purpose of this article is to review the starting point and the advances of DS, to assess the current situation of the field and to explore future directions. The principle of DS and the error sources of noninvasive blood component analysis were introduced. An overview of the six stages of noninvasive blood component analysis, including sensing principle, acquisition methods of spectral photoplethysmography (photoplethysmography signal at multiple wavelengths) signals, spectral photoplethysmography (SPPG) preprocessing, DS extraction methods from SPPG, the quality evaluation for DS and modeling methods, was presented. Finally, the existing issues of DS are discussed and the future directions are predicted.     

像面数字全息的重建相位误差分析和改善

像面数字全息是数字全息技术中常用的测量和成像方式,它通常采用离散傅里叶变换和频率滤波的方法进行物光波的重建.本文讨论了这些算法对重建相位的影响.首先分析了频谱泄露对于相位误差的影响,结果表明当采样周期为整数时,重建相位误差很小,因此具有极高的相位重建精度;而当不满足整周期采样时,相位重建误差有了明显的增加.为了改善频谱泄露所引起的相位误差,采用Hanning函数对数字全息图进行了预处理,结果表明Hanning窗的加入能够有效地提高重建相位的准确程度.     

基于LabVIEW的动态光谱光电脉搏波信号提取的快速算法

在众多近红外光谱检测方法中,动态光谱法以能消除检测中个体差异和测量条件的影响而备受研究者的青睐。动态光谱提取自光电容积脉搏波,是与动脉血液信息高度相关的近红外光谱,可应用于动脉血液成分的无创检测,具有很好的临床应用价值。高精度和高速度是动态光谱检测的核心问题。应用过采样和数字锁相检测技术能提高动态光谱法中光电脉搏波信号的检测精度,文章对此进行了理论推导。同时,为了克服过采样导致的大数据量和锁相放大要求的大运算量等困难,提出了基于LabVIEW的快速算法和通过外部接口调用C语言的方法应用于动态光谱光电脉搏波的提取,并在LabVIEW环境下进行实验验证。结果表明,该方法不但提高了运算速度,还大大缩小了数据的存储量。     

提高DS法无创血液成分检测信噪比的方法与分析

为了提高血液成分无创检测精度,增加预测模型稳定性,对基于动态光谱(dynamic spectrum,DS)的血液成分无创检测仪器和预处理方法进行了定量信噪比分析与实验验证。在DS数据提取时加入boxcar积分器、降低波长分辨率、均衡DS信噪比和剔除粗大误差等预处理方法,使得各个波段上的DS数据信噪比得以均衡,提高了DS的总体信噪比。利用DS数据采集平台对两名志愿者连续多次测试,同一个体的DS数据相关度分别从0.934和0.953分布提高到了0.991和0.987,而不同个体间DS数据相关度与同一个体DS数据相关度差距也显著增加, 结果表明这些方法可以提高DS数据信噪比。无创血液成分检测信噪比定量分析可有效指导预处理方法的选择,为无创血液成分检测的临床应用创造了条件。     

无创血液成分检测全波段信号信噪比均衡

为充分扩展动态光谱无创检测血液成分的种类和提高检测精度,在全波段范围内对光源、组织吸收和传感器的灵敏度进行统筹考虑,通过光源补偿和加入远心透镜设计不仅扩大了有效光谱检测范围,而且均衡了全波段范围光电脉搏波信噪比,提高了动态光谱信号整体信噪比并扩大了测量带宽。动态光谱质量评估的方法验证了该方法的有效性:将可见动态光谱的有效检测范围从600～1000nm拓宽到500～1135nm,近红外动态光谱的有效检测范围从900～1 100nm拓宽到900～1 700nm,既为基于动态光谱无创检测新的血液成分创造了条件,也可进一步提高已可检测血液成分的精度。     

动态应变场下相移光栅光谱特性及实验研究

光纤传感技术以其抗电磁干扰、高精度、易组网等优势在航空航天及地下工程领域的声发射传感中得到了广泛应用。针对光纤光栅声发射监测系统,目前研究侧重于均匀光纤光栅的动态应变场传感特性,基于相移光纤光栅(phase-shifted fiber Bragg grating, PS-FBG)这一新型光纤光栅器件,重点研究声发射激励产生的动态应变场下相移光纤光栅的光谱特性变化规律。首先利用传输矩阵理论,建立PS-FBG的动态应变传感模型,利用指数衰减的余弦函数模拟声发射激励产生的动态应变场。通过数值仿真,详细研究PS-FBG光谱对动态应变场幅度、采样时刻、衰减系数、声发射频率及波长的响应特性。结果表明,PS-FBG反射谱形状随声发射频率与采样时刻呈现周期性变化,具体表现为透射窗口所对波长产生周期性漂移,而带宽变化不明显;随着动态应变场幅值越大,PS-FBG反射谱的谐振峰向两侧逐渐增多,透射窗口所对波长漂移很小;一定范围内衰减系数对PS-FBG光谱影响较大;而当声发射波长为0.1～2 L时,对PS-FBG光谱产生较大影响,此时光谱畸变较严重,在此范围外,光谱形状不发生明显变化。最后,搭建连续信号激励下的动态应变场实验平台,分析不同幅度a与频率f变化下PS-FBG的光谱特性,实验结果与仿真结果较好吻合。表明PS-FBG光谱对不同声发射激励产生的动态应变场响应不同,呈现一定规律性,该研究为基于相移光纤光栅传感技术的声发射传感提供理论指导。     

Modified scaling angular spectrum method for numerical simulation in long-distance propagation

The angular method(AS)cannot be used in long-distance propagation because it produces severe numerical errors due to the sampling problem in the transfer function.Two ways can solve this problem in AS for long-distance propagation.One is zero-padding to make sure that the calculation window is wide enough,but it leads to a huge calculation burden.The other is a method called band-limited angular spectrum(BLAS),in which the transfer function is truncated and results in that the calculation accuracy decreases as the propagation distance increases.In this paper,a new method called modified scaling angular spectrum(MSAS)to solve the problem for long-distance propagation is proposed.A scaling factor is introduced in MSAS so that the sampling interval of the input plane can be adjusted arbitrarily unlike AS whose sampling interval is restricted by the detector’s pixel size.The sampling interval of the input plane is larger than the detector’s pixel size so the size of calculation window suitable for long-distance field propagation in the input plane is smaller than the size of the calculation window required by the zero-padding.Therefore,the method reduces the calculation redundancy and improves the calculation speed.The results from simulations and experiments show that MSAS has a good signal-to-noise ratio(SNR),and the calculation accuracy of MSAS is better than BLAS.     

基于可调高斯型滤波器的光纤光栅振动解调技术研究

 传统的匹配光纤布拉格光栅型光纤光栅波长解调系统具有波长匹配精度低、调节困难和动态测量范围小的缺点。为了克服上述缺点,采用波长可调谐高斯型滤波器代替传统匹配光纤光栅,提出了一种新型的光纤光栅波长解调技术。建立了基于高斯型滤波器的光纤光栅振动解调系统。对不同频率和振幅的周期性振动进行了解调实验。发现当选择合适带宽的滤波器时,透过滤波器的光功率随压电陶瓷上所加电压信号同步且高保真地变化,表明该系统对振动信号实现了有效的解调。该系统同时具有响应速度快、物理结构简单、动态测量范围大的优点。     

MRF-ZOOM for the unbalanced steady-state free precession (ubSSFP) magnetic resonance fingerprinting

In magnetic resonance fingerprinting (MRF), tissue parameters are determined by finding the best-match to the acquired MR signal from a predefined signal dictionary. This dictionary searching (DS) process is generally performed in an exhaustive manner, which requires a large predefined dictionary and long searching time. A fast MRF DS algorithm, MRF-ZOOM, was recently proposed based on DS objective function optimization. As a proof-of-concept study, MRF-ZOOM was only tested with one of the earliest MRF sequences but not with the recently more popular unbalanced steady state free precession MRF sequence (MRF-ubSSFP, or MRF-FISP). Meanwhile noise effects on MRF and MRF-ZOOM have not been examined. The purpose of this study was to address these open questions and to verify whether MRF-ZOOM can be combined with a dictionary-compression based method to gain further speed. Numerical simulations were performed to evaluate the DS objective function properties, noise effects on MRF, and to compare MRF-ZOOM with other methods in terms of speed and accuracy. In-vivo experiments were performed as well. Evaluation results showed that premises of MRF-ZOOM held for MRF-FISP; noise did not affect MRF-ZOOM more than the conventional MRF method; when SNR ≥ 1, MRF quantification yielded accurate results. Dictionary compression introduced quantification errors more to T2 quantification. MRF-ZOOM was thousands of times faster than the conventional MRF method. Combining MRF-ZOOM with dictionary compression showed no benefit in terms of fitting speed. In conclusion, MRF-ZOOM is valid for MRF- FISP, and can remarkably save MRF dictionary generation and searching time without sacrificing matching accuracy.