偏振光谱的土壤湿度遥感方法实验研究

偏振探测作为一种新型遥感技术,是对传统光谱遥感探测的有益补充,为目标遥感探测提供更丰富的信息。用地物偏振光谱仪实验测量,分析土壤湿度与偏振光谱的相关性,同时研究不同观测角下的土壤表面反射光偏振光谱特性。结果表明：在土壤湿度较高的情况下,偏振光谱与土壤湿度具有一定的相关性,尤其在500～700 nm波段,湿度与偏振度呈正比关系;低湿度的情况下,偏振光谱与土壤湿度相关性不明显;此外,不同观测角对偏振光谱也有影响,如入射角固定为50°,观测角在20°～60°区间测量时,偏振度随观测角增大而增大,且观测角愈大,偏振度随湿度的变化愈显著。     

基于可调偏振度源的PSIM偏振光谱仪线偏振度测量结果定标校正

提出了一种基于可调偏振度源的偏振定标方法,利用方法完成了基于偏振光谱强度调制(PSIM)技术偏振光谱仪的线偏振光偏振度测量结果定标校正。以可调偏振度源输出的不同偏振度的线偏振光作为待测光源,用PSIM偏振光谱仪测量待测光源输出得到原始数据。将原始数据解析处理得到的偏振度谱与待测光源输出的理论偏振度谱进行线性拟合,得到校正系数。利用该校正系数对PSIM偏振光谱仪的测量处理结果进行定标校正。结果表明:在有效测量波段内(500~650nm),定标校正后PSIM偏振光谱仪的线偏振度测量解析精度明显提高,与待测光源输出的标准偏振度值间的最大误差由0.017减小到约为0.003,基于可调偏振度源的偏振定标校正方法具有可行性。     

基于Kubelka-Munk理论的涂层表面多参量偏振双向反射分布函数模型

为了表征涂层的表面散射偏振特性,基于Kubelka-Munk理论,综合考虑表面散射和体散射,建立了一种多参量偏振双向反射分布函数(BRDF)模型;该模型通过引入镜向系数来表征表面散射的贡献程度,以改进传统的偏振BRDF模型,使得含5个参量(复折射率的实部和虚部、表面粗糙度、相对漫反射率系数、镜向系数)的新偏振BRDF模型更符合实际的涂层表面散射偏振特性;通过开展户外实验获得黑漆和绿漆涂层表面在不同观测几何时的偏振度,利用遗传算法从实测数据中反演关键参量。结果表明:对于不同的涂层表面,该多参量偏振BRDF模型的仿真结果与实测数据均能较好地吻合,引入镜向系数能够提高模型的准确性,可为涂层目标偏振特征的提取和有效识别提供依据。     

偏振光谱BRDF建模与仿真

在偏振光条件下,物体的表面反射受到折射率、表面粗糙度、入射角等多种因素的影响。针对粗糙物体表面在不同波段光照下表现出不同的偏振反射特性,提出一种基于Kirchhof理论的偏振光谱BRDF模型。利用已知材质在不同波长下的复折射率,对其折射率和消光系数部分分别反演出的对应光谱模型,进而得到复折射率的光谱模型;同借鉴经典的表面粗糙度测量方法,结合菲涅耳反射公式,推导出表面粗糙度的光谱模型,将得到的复折射率和粗糙度光谱模型与BRDF模型相结合,推导出偏振光谱BRDF建模。模型分别在折射率随波长变化、粗糙度为常量,折射率、粗糙度均随波长变化以及原模型三种情况下进行仿真对比实验,并将所得到的数据与其他资料进行对比。其结果表明,该模型能够较为准确的反映物体表面的偏振反射特性,并且能够描述偏振度随波长变化趋势的光谱特征,能够为偏振遥感、物质分类等方面的应用提供可靠依据。     

光的偏振对热光关联成像的影响

根据完全偏振光的不同偏振态和部分偏振光的不同偏振度对二阶关联函数的影响,利用统计光学理论研究了光的不同偏振性质对关联成像的可见度和信噪比的影响.研究表明,光的偏振对热光关联成像的影响体现在部分偏振光的不同偏振度上,关联成像的可见度是偏振度的二次函数,由二阶关联函数方法得到的信噪比随着偏振度增大而提高,而利用减去背景项的二阶关联函数以及二阶相干度方法得到的信噪比均与偏振度无关. 关键词： 关联成像 偏振 可见度 信噪比     

可见光-近红外波段土壤水分含量偏振光谱响应变化研究

通过在350～2 500 nm波段范围内对不同水分含量的土壤进行偏振光谱测试与分析,确定土壤偏振光谱数据与水分含量之间的关系,研究土壤水分含量对偏振光谱的响应与变化,并确定最佳土壤含水量偏振光谱预测模型。结果表明,微分偏振光谱模型的精度要高于偏振光谱模型和吸光度模型,且模型均呈现拐点含水量,发现不同偏振状态下的拐点含水量均在30%附近,具有一定的规律性。     

观测几何对大气偏振光谱的影响

研究大气偏振光谱在太阳天顶角SZA、观测天顶角VZA和相对方位角RAA构成的观测几何变化时的特征。采用离散坐标法求解大气矢量辐射传输方程,结合真实大气环境与结构参数,以MODTRAN太阳参照光谱仿真大气层顶初始光谱,考虑下垫面反照、气溶胶垂直分层与成分混合比及痕量气体吸收的影响,仿真计算相对方位角为0°和90°时0.4~3 μm波段大气偏振光谱,丰富大气偏振光谱信息。仿真结果表明：(1)相对方位角为0°时,偏振度DoP和Q/I随SZA的变化分别呈“V形”和倒“U”形, U/I很微弱,量级低于10-7,V/I在任何观测几何下都很微弱;(2)晨暮时段,若太阳不在视场内,大气偏振度在波长0.51和2.75 μm附近为极大值,在1.5 μm附近为极小值。因此,在不同的观测几何条件下,选择相应的波段和偏振信号,将有利于实体目标探测。     

叶片多角度偏振光谱特性影响因素的实验研究

通过测量绿萝、银杏、苹果三种叶片的多角度偏振光谱,采用斯托克斯矢量法计算了叶片的多角度光谱偏振度,并通过PROSPECT模型反演得到叶片的叶绿素、水分含量,进而分析了叶绿素、水分含量对叶片多角度光谱偏振度的影响,探索了观测几何条件与不同波段叶片偏振度间的关系。结果表明,相对于近红外波段,红光波段的偏振度受叶绿素含量变化的影响较小,而水分含量对这两个波段的偏振度基本均无明显影响。在反映叶片偏振度随观测几何变化方面,近红外波段较另外两个波段有着更好的敏感性和稳定性,但其偏振度值较另外两个波段偏小。     

椭偏测量法的油膜紫外可见-近红外光谱光谱偏振特性研究

为实现水面溢油目标的偏振遥感,选择合适的波段和观测角度,需要油膜的光谱偏振特性数据作支撑。在实验室采用椭偏测量的方法,针对不同厚度机油油膜和纯净水作为背景样本,测量了不同观测角度下从紫外到近红外波段（270~900 nm）的镜面反射光谱偏振参数：辅助角ψ和相位差Δ,并对在相同条件下油和水的测量结果作对比。分析表明除布儒斯特角附近位置外,不同厚度的油膜与水的起偏特性在各观测角都存在差异。通过在45°入射角所测的ψ和Δ,得到水/油样本的光谱折射率和消光系数,水折射率经过偏移修正后,与Schiebener水折射率模型的标准差为3×10-5。根据之前得到的油/水参数,对油膜在水背景的物理现象作薄油膜理想介质层建模,用菲涅耳定律仿真自然光的镜面反射,发现在全观测波段相同入射光条件下油膜的反射光存在明显的偏振度（DOP）或偏振角（AOP）光谱偏振可观测性。模型与实际测量结果对比发现：在300~350 nm仿真结果和实际测量相符,油膜的反射光偏振性质趋近于油样本;在350~550 nm,油膜模型仿真结果比实验的干涉效应更明显,油膜实验数据表明其光谱起偏性质依然与油保持一致;在大于550 nm直到近红外波段,实验干涉效应开始显著。说明油膜比油有更强的散射或吸收特性,辨识参数得到油膜的消光系数存在不同于油的随波长先变小后变大的性质。总之,利用光谱椭偏测量方法,通过多波段、多角度测量,分析液体样本的光谱偏振特性和折射率等性质;偏振观测的恰当角度与油/水的布儒斯特角有关,在布鲁斯特角之外的位置观测,油膜的光谱椭偏角相较水都存在分辨能力;对小于200 μm的薄油膜近红外波段可重复性较差,而紫外和可见蓝紫波段相比之下有很好的可重复性和区分性,更适合于对甚薄油膜表面种类的遥感观测。该实验涉及的方法可以用于其他油种油膜的偏振光谱测量,实验数据为偏振遥感工作的波段选择与观测角度提供提供参考。     

径向偏振调制对聚焦光斑匀滑及偏振特性的影响

基于标量衍射理论建立了光谱色散平滑(SSD)、随机相位板(RPP)和偏振匀滑(PS)联用的光束匀滑方案数值仿真模型。以斑纹对比度和偏振度为主要评价参量,利用该模型研究了径向偏振调制的匀滑及消偏振特性。研究表明,径向偏振调制可以有效降低聚焦光斑斑纹对比度和偏振度。使用半波片拼接方式产生近似径向偏振光时,拼接单元数对匀滑及偏振特性影响较小,8片拼接的匀滑效果已与理想径向偏振光几乎一致。对比分析了径向偏振调制、正交偏振调制和双折射楔三种PS方式,结果表明,由于三种PS方式本质上的一致性,光束的匀滑及偏振特性差别较小。     

FT‐Raman investigation of human dental enamel surfaces

FT‐Raman spectra of human enamel surfaces from sound, affected (with 1 cavity) and highly affected (with at least 3 cavities) tooth samples were analyzed by principal component analysis (PCA). Major differences between the unaffected and affected tooth samples seem to arise from the structural changes along the c‐axis of hydroxyapatite, the chief crystalline component of human dental enamel. Based on Fisher index calculations, the most discriminative value was obtained for the intensity of the only Raman active ν₂PO₄³⁻ (E₁) symmetric deformation mode at 428 cm⁻¹. Moreover, these changes can be observed through the whole tooth enamel surface, establishing a predisposition to caries correlated to chemical and structural composition of tooth enamel. No spectral changes regarding the CO₃²⁻ substitution were detected by both nondestructive FT‐Raman and FTIR (Fourier transform infrared) spectroscopy of the powdered teeth samples. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

离体龋齿的光热锁相成像检测试验

牙齿龋损是人类一种广泛存在的口腔疾病,如何能够尽早的发现早期龋齿,对患者牙齿龋损的预防与治疗具有重要意义。介绍了基于光热效应的光热锁相热成像技术,光热锁相热成像技术具有无损伤、高效率及探测面积大等优势被广泛应用于各类材料的无损检测。基于光热锁相热成像技术原理对人为模拟龋损的人类离体牙齿组织进行成像检测试验研究。首先开展了对不同模拟龋损位置离体牙齿的光热锁相成像试验,采用防酸指甲油对牙齿组织测试面进行开窗受控龋损(开窗大小为5 mm×5 mm),其中模拟龋损部位分别选择在牙齿组织的邻接面及牙颌面。试验结果显示,牙齿组织模拟龋损位置热波幅值增大,相位滞后增大且光热锁相成像的幅值图与相位图与X射线成像相比对模拟龋损部位表现出高敏感及高特异性;光热锁相成像技术对邻接面龋损比牙颌面龋损具有较高特异性。其次开展了对平滑面牙齿组织样本的多天(0,1,2,4及6 d)模拟龋损光热锁相成像跟踪试验研究,牙齿组织龋损程度采用X射线方法进行量化。试验结果表明,当龋损时间小于6 d时,X射线方法无法对龋损位置进行有效识别,而采用光热锁相热成像技术检测模拟龋损1 d的牙齿组织时,幅值差为3.82,相位差为10.57°,证明光热锁相热成像方法对牙齿组织龋损具有较高敏感性。提取的光热锁相成像幅值与相位与龋损时间具有良好的相关性。     

基于口腔自体荧光效应和深度学习的牙菌斑的分割及量化

牙菌斑是牙齿表面一层难以观测的生物膜,是导致龋齿、牙龈炎等一系列疾病的直接诱因.牙菌斑的早期定量化无损检测具有重要的临床意义.短波长光激发下,牙菌斑的细菌及其代谢产物可以产生自体荧光.基于前期成像系统的基础上,采集大量牙菌斑在405nm蓝光激发下产生的红色荧光;牙菌斑越成熟红色荧光强度越高;采用改进的U-net网络对该...     

光瞳半径对纯位相调制激光束整形系统的影响

光瞳截断作用对纯位相调制激光束整形系统的系统性能有重要影响. 本文提出了一种关于光瞳半径对近场调制位相和远场系统评价函数影响的定量分析方法. 通过拉格朗日乘数法等方法分析光瞳半径对近场调制位相的影响, 结果表明: 近场调制位相随光瞳半径近似线性增加. 通过建立数学模型, 拟合分析光瞳半径对系统评价函数的影响. 结果表明: 对方形目标光强, 系统评价函数拟合精度确定系数达到99%左右, 光瞳半径为2.5倍高斯光束束腰半径时, 相关系数达到0.997, 光强偏离残差平方均值达到0.0004左右, 光瞳截断作用趋于最小; 对圆形目标光强, 系统评价函数拟合精度确定系数达到97%, 光瞳半径为3倍高斯光束束腰半径时, 相关系数与光强偏离残差平方均值变化幅度均在10^-3量级, 系统评价函数趋于收敛, 光瞳截断作用趋于最小.     

利用自体荧光成像量化分析牙菌斑

牙菌斑是造成龋病及牙周病的主要因素之一,通过检测牙齿表面牙菌斑含量多少能在一定程度上了解牙齿健康程度,对口腔健康的维护有重要意义。利用牙菌斑与牙齿组织自体荧光光谱的差异性,本文设计了一套便携式的基于自体荧光成像的检测系统。(1)该系统以中心波长为405 nm的LED作为激发光源,辅以中心波长520 nm的长波通滤光片提高系统信噪比,CCD作为感光器件;系统采集荧光图像后,根据成像结果分析牙面上牙菌斑含量。(2)设计了验证实验采集受试者牙齿图像,并以牙菌斑百分比作为量化牙菌斑多少的指标。实验结果表明荧光图像菌斑百分比与Turesky改良的Quigley-Hein菌斑指数的Spearman等级相关系数为0.944,牙齿荧光图像牙菌斑百分比与染色图像牙菌斑百分比的Pearson相关系数为0.875。由此可见,文中的检测系统具有较好的准确性,而且因为采用光学检测方法,具有非侵入性且可重复性,所以它有广阔的临床应用前景,有望成为家用口腔健康的检查手段。     

Raman spectroscopy with an integrated arrayed-waveguide grating

An integrated arrayed-waveguide grating fabricated in silicon-oxynitride technology is applied to Raman spectroscopy. After its validation by reproducing the well-known spectrum of cyclohexane, polarized Raman spectra are measured of extracted human teeth containing localized initial carious lesions. Excellent agreement is obtained between the spectra of healthy and carious tooth enamel measured with our integrated device and spectra recorded using a conventional Raman spectrometer. Our results represent a step toward the realization of compact, hand-held, integrated spectrometers, e.g. for the detection of dental caries at an early stage.     

牙本质龋的太赫兹成像研究

牙本质龋与牙髓感染状态及活力密切相关,龋损深度则决定临床治疗方案,但目前牙本质龋的检测及诊断方法如：视诊、探诊容易受到主观因素影响;X线辅助检查对龋病灵敏度低等,都有一定缺陷,可靠性及有效性仍有待提高。太赫兹时域光谱可以利用不同的物理参数成像,在牙本质龋在体、无损检测方面有较大应用潜力。为探索牙本质龋损的太赫兹光谱图像开展本研究。实验通过搭建透射、反射式扫描太赫兹平台,对15枚含牙本质龋离体牙磨片扫描,通过数据二维重构,获得了不同参数的太赫兹透射和反射图像,再将太赫兹图像与实验室研究龋病的光镜图像与X线图像对比、拟合并进行光镜下、太赫兹图像下龋损面积评价。结果表明：太赫兹图像与光镜图像相符,较X线图像灵敏度更高。反射模式下由于太赫兹反射信号较弱,使得样品厚度,表面粗糙程度以及系统噪声对实验结果影响较大,图像仅能辨识样本轮廓,不能用于区分牙釉质、牙本质及牙本质龋。透射模式下的频域1.4 THz相位差成像、时域信号最小值对应的时间成像都能区分牙釉质,牙本质和牙本质龋,可以用来鉴别三者,其中最小值对应的时间成像效果最佳。对光镜下测得牙本质龋损面积与太赫兹透射模式下的时域信号最小值对应的时间图像测得的牙本质龋损面积进行配对样本Wilcoxon符号秩和检验,结果（p＞0.05）尚不能认为两种方法测得的牙本质龋损面积有差别,两种方法测量的差值源于系统误差。故可以认为通过太赫兹透射模式下的时域信号最小值对应的时间图像获得牙本质龋损范围、大小等诊断信息。研究表明太赫兹成像技术可以为牙本质龋的早期诊断提供更为精确有效且无电离辐射的诊断方法,为临床数字化、微创去龋提供一定形态学依据。     

Phase-resolved photoacoustic spectroscopy to monitor dental plaque on tooth enamel

Dental plaque is a biofilm on the enamel surface of the teeth, formed by colonizing bacteria. It is essential to monitor the biofilm presence on the surface of the enamel of the teeth, since plaque is a reason for periodontal disease and dental caries. This paper proposes applying photoacoustic spectroscopy to monitor and the phase-resolved photoacoustic method to analyze the biofilm plaque on samples of human dental enamel facets. The biofilm growth occurred in the oral cavity environment at deposition time of 48 and 72?h. Photoacoustic ex vivo monitoring found that: (1) Photoacoustic spectroscopy is a helpful tool to identify the bactericidal effect on dental plaque; (2) the biofilm deposition provides an optical absorption of the Soret band at 410?nm and increase of hydroxyl absorption band; (3) the biofilm thickness by phase-resolved photoacoustic method is in agreement with the literature in situ measurements. These new knowledges may help in development of a greater practicality and safety equipment able to identify and quantify dental biofilm, which may be achieved with low-cost Soret-band light emitting diode as light excitation.     

Characterization of enamel caries lesions in rat molars using synchrotron X‐ray microtomography

Dental caries is a ubiquitous infectious disease with a nearly 100% lifetime prevalence. Rodent caries models are widely used to investigate the etiology, progression and potential prevention or treatment of the disease. To explore the suitability of these models for deeper investigations of intact surface zones during enamel caries, the structures of early‐stage carious lesions in rats were characterized and compared with previous reports on white spot enamel lesions in humans. Synchrotron X‐ray microcomputed tomography non‐destructively mapped demineralization in carious rat molar specimens across a range of caries severity, identifying 52 lesions across the 30 teeth imaged. Of these lesions, 13 were shown to have intact surface zones. Depth profiles of fractional mineral density were qualitatively similar to lesions in human teeth. However, the thickness of the surface zone in the rat model ranges from 10 to 58 µm, and is therefore significantly thinner than in human enamel. These results indicate that a fraction of lesions in rat caries possess an intact surface zone and are qualitatively similar to human lesions at the micrometer scale. This suggests that rat caries models may be a suitable analog through which to investigate the structure of surface zone enamel and its role during dental caries.     

不同融化状态雪的偏振特性分析

在当今全球变暖的形势下,传统对于固态雪的研究已无法满足需求,文章定性分析了不同融化状态雪的偏振反射光谱,重点探讨了偏振角、方位角、光线入射天顶角和探测天顶角与不同融雪类型的关系,发现这些因素对不同融雪类型的偏振反射光谱均有影响。在可见光波段,融雪在90°偏振时的反射比最大,0°偏振时最小;探测角与入射角越大时,融雪的偏振反射比也越大;不同方位角时的融雪偏振反射光谱出现异于其他地物光谱的反常现象;某些波段的偏振光谱特征对判断融雪含水量大小具有一定意义;同时随着含水量的增加偏振反射比显著下降。这些规律为以后利用偏振光谱定量分析融雪特性奠定了基础,同时在淡水资源管理和监测春汛等自然灾害方面也有一定的现实意义。