近红外漫射光层析成像实验研究

实验验证了所建立的时间分辨光学层析成像测量系统的光学参量预测能力、多个测量通道的一致性,表明了本测量系统具有层析成像的潜力.研究了采用特征数据量（平均飞行时间、广义脉冲谱技术为基础的用数据类型R）及全时间分辨数据的图像重建算法在光学参量重建准确度、重建出的对象尺寸、空间分辨率等方面的各自优势.     

基于时间分辨测量的近红外光三维层析成像研究

针对近红外漫射光层析成像中的三维成像问题展开了理论和实验研究.利用开发的以强度和平均飞行时间作为数据类型的三维重建算法对数值仿真模型进行了重建,同时采用多通道时间相关单光子计数层析成像系统对固体样品进行了三维成像.结果表明：所发展的算法较忠实地重建出了样品内部的异质体结构；采用的差分重建方法有利于提高重建的抗噪性能；提出的单层测头配置模式对于三维成像具有实际意义.     

基于频域近红外光谱法的生物组织光学参数的检测与三维重构

生物组织的光学特性参数与组织的各种生理、生化以及病理过程密切相关。光学特性参数的检测与三维重构可以在一定程度上了解组织的内部结构及特性。基于频域近红外光谱法,使用美国ISS公司的频域近红外光谱检测系统,采用多光源多检测器技术,将830nm的激光经过调制后,照射进放置了具有一定吸收系数和散射系数的异质体小球的牛奶中,检测出射光的光强和相位,然后应用光学扩散层析成像技术,通过计算含有异质体小球的牛奶的光学参数,重构出了牛奶中异质体的具体位置。实验结果表明,利用频域近红外光谱法得到的出射光的光强和相位信息,能够较准确地计算出牛奶及异质体小球的吸收系数和散射系数等组织光学参数,并可进一步定位出牛奶中异质体小球的位置。因此,可以考虑将该方法应用在分析及定位水果病变等农产品品质检测领域。     

具有在线形貌矫正能力的组织体光学参数测量系统

针对具有复杂形貌的大面积组织体,基于空间频率域方法,提出并搭建了一种具有在线形貌矫正能力的绝对光学参数测量系统.首先利用相位轮廓术获取组织体三维表面轮廓,用余弦辐射公式法矫正由组织体表面复杂形貌引起的光照度的差异.然后,采用漫反射板代替传统方法中的参考仿体,基于空间频率域测量模式进行绝对光学参数测量,并利用提出的光学参数反演方法实现组织体吸收系数的重建.组织仿体实验结果表明,对于表面高度小于29mm的仿体,经矫正后,吸收系数的测量相对误差从60%下降到13%.     

基于光学相干层析术的组织光学性质测量

通过在光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)模型中考虑多重散射的影响,提出了一种提取出不同深度处的组织光学性质,包括散射系数和各向异性因子的算法.当把吸收系数作为算法中的第三个拟合参量时,能减少算法拟合过程中由于吸收作用的影响而带来的误差.基于包含吸收因子的OCT扩展模型,改进的算法也能够提取出吸收系数.这些算法的有效性通过对聚苯乙烯微球溶液样品的测量实验得到验证.     

基于LabVIEW的光学相干层析成像控制系统

 为了实现对光学相干层析成像系统的实时自动监控,在光学相干层析成像技术的基础上以LabVIEW为开发平台,设计调试了一套生物组织光学特性测量的控制系统。该系统主要包括参考臂驱动程序模块和数据采集卡的数据采集程序模块,各模块既相互独立又有机地组成一个整体。使用该系统对不同浓度的Intralipid组织模拟液进行了测量,实验结果表明模拟液的散射系数可靠,而且系统具有开发周期短、成本低、维护简单、可移植性强等特点。     

基于多区域椭圆参数化描述的形状扩散光学层析成像方法研究

获取生物组织体的光学结构是扩散光学成像模式研究(如扩散光学层析技术和荧光分子成像技术)的核心内容.当假设组织器官中具有均匀光学参数时,光学结构的获取方法可归为基于形状的扩散光学层析成像(DOT)重建技术,该技术致力于同时重建组织器官的边界和内部光学参数.实现了二维的边界元正向模型,并与有限元正向模型的结果进行比较.反演问题中使用了截断奇异值(truncated-SVD)优化算法,并在40 dB噪声水平下用内部具有3个异质体的目标模型进行验证.数值结果表明,提出的图像重建算法具有良好的收敛性能,并能从噪声数据中准确恢复相应区域的形状参数和光学参数.     

频域近红外光学成像法的苹果内部病变检测精度

苹果组织内部的病变会导致其光学参数发生变化。用频域近红外光学成像法（FD-DOT）对苹果组织进行吸收系数和约化散射系数的检测，并结合三维重构技术得到的重构图像可以直观地了解苹果内部的病变情况，从而实现对苹果内部病变的无损检测。选择可最大程度区分苹果正常组织与病变组织所对应的波长为740 nm的光作为激光光源。当FD-DOT的入射光调制频率不同、苹果内部病变的程度不同、病变位置和大小不同时，会导致成像精度的变化，设计了一系列模拟仿真实验研究以上因素对苹果内部病变检测精度的影响：设定不同的激光调制频率，研究调制频率对重构图像精度的影响；在苹果模型中某一位置添加不同大小的球形病变，研究病变区域大小对重构图像精度的影响；在苹果模型中不同位置添加一定大小的异质体，研究病变位置不同对重构图像精度的影响。首先用Abaqus建立苹果有限元网格模型，设计了12个740 nm的近红外激光光源和6个检测器均匀排布在苹果模型表面，根据实验需要，在组织体模型中添加代表病变的球形异质体，用经过高频调制的光源照射进苹果，检测出射光的交流幅度和相位延迟，然后借助开源软件NIRFAST计算并反推出待测苹果内部的吸收系数和约化散射系数分布并进行三维重构，重构结果可以用重构图像的吸收系数对比度噪声比（CNR值）和吸收系数分布图进行评价。实验结果表明，想要检测到尺寸较大苹果的深处病变，需要较高的入射光调制频率；该方法可以检测到大小适宜的苹果中大部分半径大于5 mm的球形病变区域，且随着病变区域在一定范围内扩大，重构图像的精度逐渐增加，但病变区域过大时，图像精度开始降低；病变区域距离检测器越来越近时，重构图像的精度逐渐增加，但当病变区域与检测器距离过小时，重构图像的精度有降低的趋势；病变区域距离检测器平面的垂直距离越近，重构图像的精度越高。以上实验结果将为应用频域近红外光学成像法对苹果进行无损检测奠定良好基础。     

时间分辨光学层析的实验研究

描述了一个基于Ti:Sapphire飞秒激光和同步扫描相机的时间分辨光层析（CT）实验系统。该系统采用步进电机驱动的三维移动平台对被测组织体作类似X射线层析工作方式的平行扫描,由此可获得多角度下的时间分辨投影,通过对三种代表不同吸收和散射特性组合的模拟组织体（phantom)进行实际测量,并应用相应的非线性迭代图像重建算法,获得了可靠的重建图像,研究结果表明,该系统构思简洁,工作可靠,是进行光层析成像技术研究的理想模式之一。     

早期骨性关节炎的光学成像检测技术(英文)

介绍了光学相干层析成像技术、扩散光学层析成像技术和光声层析成像技术3种早期骨性关节炎光学成像检测技术.和X线平片常规影像诊断技术相比,光学相干层析成像技术可测量软骨的厚度,检测胶原结构的微小变化;扩散光学层析成像技术能测量软骨、滑液等结构的厚度和相应的吸收系数和散射系数;光声层析成像技术可探测胶原纤维网的恶化、变浑浊的滑液、骨的代谢功能障碍和软骨下骨的代谢过旺.最后对这3种成像检测技术的应用前景及早期骨性关节炎检测方法作了简要展望.     

生物组织光传播的时域特征分析

采用蒙特卡罗方法对脉冲光在组织中传播的时域特征作了研究，并把计算结果与漫射理论的解析解作了比较，文中详细分析了组织光学特性参数与组织表面时间分辨的漫反射光分布之间的关系。结果表明：散射系影响着漫反射光强到达峰值的时间，吸收系数影响着漫反射光强在峰值之后随时间下降的速度，而ｇ因子对响应曲线的前沿影响较大，在后沿阶段基本上没有影响。     

采用二元光学元件的三维轮廓测量方法

提出了采用二元光学元件(BOE)进行三维形貌测量的新方法。设计二元光学元件产生空间二维点阵结构光,经物面调制后的点阵信息被相机一次获取,利用三角测量法得到物体的三维空间坐标。按该方法处理得到的结果与实际物体的形貌特征吻合。结果表明,按该测量系统具有便捷式功能,适用于三维照相等应用领域。     

利用空间分辨漫反射无损测量生物组织的光学参量

利用空间分辨漫反射光确定生物组织的光学参量进行了实验研究，分别用光纤探测器和CCD无损测量了半无限大生物组织(牛脂肪和牛肉)表面的漫反射光的径向分布．由漫射方程对漫反射光强的相对分布值作非线性拟合确定了生物组织的吸收系数和约化散射系数，所得结果与国外报道的绝对测量法测量的结果相比，其差别小于9．4％．研究结果表明，光纤测量和CCD测量有较好的一致性，而CCD探测具有测量准确、简单和快捷的特点。     

A hybrid approach to reconstruct transient sound field based on the free-field time reversal method and interpolated time-domain equivalent source method

A hybrid approach is presented in the current work, which reconstructs the transient sound field radiated from the two-dimensional sources with unknown locations and sizes, by combining the free-field time reversal method and the interpolated time-domain equivalent source method (TDESM). In the first step of the proposed method, the time reversal focusing algorithm is performed to estimate the source locations on the source plane. And then, the interpolated TDESM is applied to reconstruct the transient sound field on the reconstruction plane by assuming that the equivalent sources are located near the estimated source locations found in the previous step. The proposed technique, in principle, requires fewer microphones in the measurement since the equivalent sources are only placed in the vicinity of the ‘real’ sound sources. Reconstruction of the transient sound field radiated from the dual-planar-piston model is studied by numerical simulation for feasibility demonstration. A measurement of the sound fields radiated from two baffled loudspeakers is performed in the anechoic chamber, which shows that a better reconstruction result can be achieved by using the proposed hybrid scheme than the original interpolated TDESM with relatively the same number of sampling channels.     

利用LED探测甲烷气体浓度的实验研究

报导了一个利用LED作光源探测甲烷浓度的差分探测系统，分析了系统中各光学元件的作用，给出甲烷浓度的计算方法及实验结果.选用甲烷在1.65 μm附近2ν3谱带中的R支作为探测对象.利用法布里-珀罗标准具的透过率曲线与甲烷吸收线相互匹配的方法滤掉无用光，并通过压电陶瓷改变标准具的腔长，从而实现了差分吸收探测，进一步提高了测量灵敏度，取得了较好的结果.     

基于光谱密度的差分吸收光谱法气体测量系统的校准研究

差分吸收光谱法(DOAS)是基于朗伯比尔定律的光谱法测量气体的重要方法,按此原理建立的测量系统是测量痕量气体的主要方法. 用于测量痕量气体的DOAS系统的关键是其检出限的校准,传统的方法是使用标准气体进行校准. 但是由于标准气体自身的量值确定问题,在ppb甚至ppt级的不确定度大于10％,而一般的ppt级的DOAS测量系统本身的不确定度也会高于标准气体,导致传统方法失效. 提出一种基于光谱密度的DOAS系统校准方法,利用朗伯比尔定律将DOAS系统的检出限和光谱密度建立关系. 由于光谱密度作为光学量值可以测量到10-6甚至更高,所以通过该方法可以实现DOAS系统在ppb乃至ppt级的校准. 本方法需要根据待校准的测量系统光学结构的基本参数计算其总的标准光学密度值,然后把标准光学密度片放入测量系统光程中,测得其光学密度值,根据前后两次光学密度计算测量系统的测量偏差,进而分析计算测量系统的标准不确定度和标定的扩展不确定度,所得到的标定的扩展不确定度即为测量系统的检出限. 该方法完全基于光学测量,不需引入标准气体评估,基于光学密度的精密测量和测量系统光学结构的装调误差,实现测量系统在较小不确定度水平上的标定,提高检出限标定的精度. 本方法在开放光程式的DOAS系统上进行了实验验证.     

Simulative investigation the impact of optical amplification techniques on single- and dual-electrode MZM and direct modulator's in single-tone RoF system

Since the introduction of erbium-doped fiber amplifier (EDFA) in optical fiber communication systems at 1550 nm, the fiber loss is no longer considered as the limiting factor but the fiber dispersion and chirp parameters play an important role in degrading the performance of optical communication systems. Further, the invention of external modulators of Mach-Zehnder (MS) type minimizes the transmission power penalty due to fiber chromatic dispersion as these modulators are consider almost chirp-free modulators. Also, better suppression of nonlinear distortions consists of harmonic distortions (HDs) and intermodulation distortions (IMDs) were achieved by using Mach-Zehnder external modulator [8]. In this work, a simulation comparison of external- and direct-modulation schemes using different optical amplifiers; SOA and EDFA in single-tone RoF system is reported. A single-tone channel of 20 GHz is transmitted over single-mode fiber (SMF) either externally modulated by using single-electrode (SEMZM) - and dual-electrode (DEMZM) - Mach-Zehnder modulator or by direct-modulation scheme. Better improvements in the measurement of received RF power of a 20 km linked single-tone RoF system are achieved by using SEMZM with EDFA, which means maximum optical link is achieved between Central Office (CO) and Base Station (BS). Further, this scheme provides better BER as compare to other schemes discussed in this paper.     

Multi-component chemical analysis of gas mixtures using a continuously tuneable lidar system

Differential absorption lidar (DIAL) measurements are usually made on single compounds by alternately switching the wavelength between on and off a resonance line. The selection of more than two wavelengths is a mathematical necessity for simultaneous measurement of multiple species or for resolving interference effects between a compound of interest and a background gas such as water vapour or carbon dioxide. This is especially true in the mid-IR region, where many hydrocarbon compounds have important spectral features. We present a method for remote measurement of gas mixtures in the mid-IR region based on a newly developed fast-switching, frequency-agile optical parametric oscillator lidar transmitter. A multivariate statistical procedure has also been applied for this system, which combines a genetic algorithm for wavelength selection with a partial least squares method for identifying individual compounds from their combined absorption spectrum. A calibration transfer is performed for compounds of interest using reference spectra from an absorption spectra database. Both indoor absorption cell measurements and outdoor remote range resolved measurements of hydrocarbon mixtures were performed to explore the performance of the method. PACS 42.62 Fi; 42.79 Qx; 02.50 Sk     

冲击压缩下NaCl单晶光辐射特性的研究

 用光辐射技术研究了氯化钠单晶冲击压缩下的光辐射特性,得到了在45～70 GPa压力范围内NaCl单晶的光谱吸收系数随冲击压力的变化,把这一结果与Kormer等人的结果比较,发现在较低压力下与Kormer等人的结果相差较少,当压力较高时实验结果比Kormer等人的结果约大1个数量级。并用实验结果计算了电子迁移率随冲击温度的变化,得到的结果与Ziman理论基本一致,从而解决了一直来Kormer的实验结果与Ziman理论不一致的困难,进一步证明了Ziman理论的正确性。