基于光声光谱联合主成分回归法的血糖浓度无损检测研究

利用可调谐脉冲激光器激发联合聚焦超声探测器前向探测模式搭建了一套血糖光声无损检测实验装置。为了测试该装置的可靠性,实验中利用532 nm泵浦Nd∶YAG调Q脉冲激光器激发不同浓度的葡萄糖水溶液产生实时光声信号;采用脉冲激光在近红外波段1 300～2 300 nm内固定间隔波长10 nm扫描方式激发不同浓度的葡萄糖水溶液,获取了不同波长下的葡萄糖光声峰峰值,利用差谱方法筛选出了多个葡萄糖的特性波长;然后采用主成分回归算法优选了三个特性波长,并建立了浓度梯度与对应三个优选波长光声峰峰值之间的数学校正模型。实验表明,葡萄糖水溶液的光声信号符合弱吸收介质的柱状光声源模型;利用建立的校正模型对校正集和预测集的葡萄糖浓度预测结果表明,葡萄糖浓度的校正和预测均方根误差均小于10 mg·dl-1,相似系数为0.993 6。     

激光波长对拉曼散射水温遥感系统测温精度及探测深度的影响

机载激光拉曼散射雷达技术可以快速获取次表层海水温度的三维分布,具有重要的实用价值和经济价值.首先,从理论上分析了水的伸缩振动拉曼谱峰值位置和半高全宽与激发波长之间的对应关系,发现随着激发波长的增大,拉曼峰逐渐向长波方向移动,且拉曼光谱半高全宽显著增大.然后,实验测量了不同温度下450 nm激光和532 nm激光激发的水的拉曼光谱,对比验证了上述理论分析结果.并采用单高斯峰拟合法分析了两组拉曼光谱,拟合出高斯峰峰值位置与温度之间的关系,分析了激发波长对温度测量精度的影响.研究发现,采用较长波长的激发光可以提高拉曼光谱的测量精度,从而改善测温精度.最后,建立了拉曼散射雷达方程,分析了拉曼散射系数与激光波长之间的关系,研究了激光波长对雷达系统探测深度的影响.结果表明,激光波长对雷达系统探测深度有很大的影响,采用480 nm以下波长的激光时雷达系统探测深度较大,而采用长波段激光时雷达系统探测深度会大幅降低.实际系统设计中选取激光光源时需要综合考虑上述两方面的影响.     

光声光谱技术在多组分气体浓度探测中的应用

CO和CH_4气体作为判断变压器运行状态的故障气体,对其浓度的探测在变压器维护中具有重要意义.为了准确探测变压器运行过程中产生的CH_4和CO气体浓度,本文利用光声光谱技术,设计了一套基于宽带光源的多组分气体探测系统,和共振型光声系统相比,该系统中所用的非共振型光声池体积小,易加工,池内各处信号强度相同,降低了对声学信号探测器的安装要求.系统的性能通过对CO和CH_4气体的探测进行评估.首先,从理论上分析了信号强度与调制频率呈反比,然后根据宽带光声系统在不同调制频率下的响应,确定系统的最佳调制频率为22 Hz.在最佳调制频率下,根据温度与待测气体光声信号的关系,对光声信号进行温度补偿,消除温度变化对光声信号的影响,进一步提高了系统的稳定性.最后,通过不同浓度的CH_4和CO气体对系统进行标定.实验表明,温度补偿前后,光声信号随温度的漂移分别为0.023 23V/℃和8.383 48×10~(-5) V/℃,通过对不同浓度CH_4和CO气体的探测,系统的线性度分别达到0.995和0.998 4.在一个大气压下,积分时间为1s时,宽带光声探测系统对CO和CH_4气体的探测极限浓度能够达到1μL/L.该系统成本低,线性度好,探测灵敏度符合国标对变压器维护过程中CO和CH_4气体的探测要求.     

基于探测超声的新型生物组织光声层析成像

利用一束单频探测超声穿过由脉冲激光照射产生的光声激发区域，使之与光致声场产生相互作用，光声信号将耦合到探测束上，再解调探测超声来重建光吸收区域的图像，可以得到丰富的组织信息.该信息不仅反映了组织中光吸收的特性，也反映了组织的声学特性.实验中，通过旋转超声探测器进行数据采集，并利用滤波反投影算法重建图像，可得到高信噪比的光声层析图像.由于激光的窄光谱线宽，其吸收是特征分子选择性的，所以此方法既是一种无损伤的结构层析成像方法，也可用于组织的功能成像.     

激光声源特性研究及海洋应用

激光声作为水下声源的一种新的激发方法,具有高声强、窄脉冲、宽频谱等优点。基于激光声激发的线性及非线性理论,建立了激光声信号特性的初步模型,研究了激光在水中激发声波的特性,研究表明：在热膨胀激发状态,增大激光光强可以提高激光声的转换效率;光强大于击穿阈值后,激光声的激发机制为非线性的光击穿机制。激光声具有的高距离分辨能力和海洋抗干扰能力,对水下目标探测、空载平台等领域有着较广的应用前景。     

基于多元相控技术的一体化光声快速成像系统

利用多元相控技术发展了一体化光声快速成像系统,该成像系统集成了激光传输、光声激发和光声信号探测.多元线性阵列探测器以反射模式接收光声信号,并通过相控聚焦技术快速成像,得到了不同深度的猪油模拟样品的光声像和活体动物不同直径血管的光声像,系统的横向分辨率为0.5 mm,光声采集成像时间为5 s.该一体化光声快速成像系统与现有的光声成像系统相比,具有快速方便等特点.     

光源对激光超声信号特性的影响分析

通过已搭建好的激光超声检测实验平台,在保持相同激光脉冲能量和相同探测位置的条件下,重点研究了点光源与线光源产生的超声信号的特点和区别。研究了不同探测位置点光源与线光源激发出的超声信号幅值以及产生的超声信号波形。实验发现:在同一探测位置下,将点光源换成线光源后,产生的超声信号幅值由1.3 V提高到1.7 V,提高了0.4 V;在探测位置逐渐增大的情况下,点光源激发出超声信号幅值的衰减幅度为75.78%,而线光源激发出的超声信号幅值的衰减幅度为34.92%。结果表明,在功率密度相同的情况下,线光源产生的超声信号要比点光源产生的超声信号幅值提高40.86%,产生较强的表面波,提高了信噪比。     

脉冲激光器输出能量对薄膜损伤阈值测试的影响

薄膜损伤阈值是薄膜抗强激光作用的关键参数，而脉冲激光器的输出能量直接决定了激光薄膜损伤闲值测试结果及其测试精度。激光器的工作电压、频率以及传输距离是影响能量的重要因素。根据脉冲激光器的工作原理，建立了能量与电压、能量与频率和能量与传输距离的数学模型。在激光器工作电压范围内（300～1100V）进行了实验研究，结果表明：不同频率下建立的能量与电压的数学模型不同；同一工作频率下，激光输出能量与电压有两个线性区域；能量稳定性最好的区域其RMS值小于0．025，PV值小于0．07；输出能量随着探测距离的增加而减小。该结果为激光薄膜损伤阂值测试精度的提高提供了可靠的理论依据。     

探测光波长漂移对能见度测量的影响

为了研究探测光波长的漂移对能见度测量的影响。从Koschmieder经验公式的定义出发,根据实验测得400 nm~1 100 nm波段的气溶胶透过率,分析研究探测光波长漂移对能见度测量结果的影响。结果表明,能见度测量的相对误差与探测光波长和波长的漂移范围以及气溶胶消光特性有关,能见度测量的相对误差随着探测光的波长漂移范围线性增大,随着波长漂移范围的增大,各个波长的能见度测量相对误差线性增大的速率不同,对于相同的波长漂移范围,使用不同的探测光波长产生的能见度测量相对误差不同。对于某一大气环境,使用特定的波长而且中心波长稳定的光作为探测光可以明显减小由于探测光波长漂移引起的能见度测量相对误差。     

基于7.6μm量子级联激光的光声光谱探测N_2O气体

近年来,气候变化对地球的生态环境产生严重影响,而大气温室气体在气候变化中具有重要的作用.一氧化二氮(N_2O)作为一种重要的温室气体,其浓度变化对大气环境产生重要影响,因此对其浓度的探测在大气环境研究中具有重要意义.本文开展了基于中国自主研发的7.6μm中红外量子级联激光的共振型光声光谱探测N_2O的研究,建立了N_2O光声光谱传感实验系统.此系统在传统的光声光谱探测的基础上优化改进,采用双光束增强的方式,增加了有效光功率,进一步提高了系统的探测灵敏度.探测系统以1307.66 cm~(-1)处的N_2O吸收谱线作为探测对象,结合波长调制技术对N_2O气体进行探测研究.通过对一定浓度的N_2O气体在不同调制频率和调制振幅的光声信号的探测,确定了系统的最佳调制频率和调制振幅分别为800 Hz和90 mV.在最优实验条件下对不同浓度的N_2O气体进行了测量,获得了系统的信号浓度定标曲线.实验表明,在锁相积分时间为30 ms时,系统的浓度探测极限为150×10~(-9).通过100次平均后,系统噪声进一步降低,实现了大气N_2O的探测,浓度探测极限达到了37×10~(-9).     

不同旋转扫描次数对光声层析成像的影响

为了实现单元探测器高质量的快速光声图像重建,提出了不同旋转扫描次数对光声层析成像的影响方案。实验采用的光源为YAG激光器,波长为1 064 nm,重复频率为20 Hz,脉宽为7 ns,探测器为针状的PVDF膜水听器,接收直径为1 mm,得到了26个字母、12根头发丝、树叶骨架和模拟血管的光声重建图像。由仿真和实验结果表明,在不牺牲光声重建图像质量的前提下,单元探测器环形扫描一圈,均匀采集100个位置的信号,图像重建时间为5.903 s。该研究结果对于单元探测器的快速旋转扫描成像和环形阵列探测器阵元数的设计具有一定的指导意义。     

Evaluation of laser ablation threshold in polymer samples using pulsed photoacoustic technique

The acoustic signals generated in solids due to interaction with pulsed laser beam is used to determine the ablation threshold of bulk polymer samples of teflon (polytetrafluoroethylene) and nylon under the irradiation from a Q-switched Nd:YAG laser at 1.06μm wavelength. A suitably designed piezoelectric transducer is employed for the detection of photoacoustic (PA) signals generated in this process. It has been observed that an abrupt increase in the amplitude of the PA signal occurs at the ablation threshold. Also there exist distinct values for the threshold corresponding to different mechanisms operative in producing damages like surface morphology, bond breaking and melting processes at different laser energy densities.     

Photoacoustic flow measurements by use of laser-induced shape transitions of gold nanorods

A quantitative technique for flow measurements based on a wash-in analysis is proposed. The technique makes use of the shape dependence of the optical absorption of gold nanorods and the transitions in their shape induced by pulsed laser irradiation. The photon-induced shape transition of gold nanorods involves mainly a rod-to-sphere conversion and a shift in the peak optical absorption wavelength. The application of a series of laser pulses will induce shape changes in gold nanorods as they flow through a region of interest, with quantitative flow information being derived from the photoacoustic signals from the irradiated gold nanorods measured as a function of time. To demonstrate the feasibility of the technique, a Nd:YAG laser operating at 1064 nm was used for irradiation and a 1 MHz ultrasonic transducer was used for acoustic detection. The flow velocity ranged from 0.35 to 2.83 mm/s. Excellent agreement between the measured velocities and the actual velocities was demonstrated, with a linear regression correlation coefficient of 0.93. This study is a pioneer work on wash-in flow estimation in photoacoustic imaging.     

基于OPO脉冲激光激发光声光谱的真假血液分类鉴别

为了实现快速准确并可回收再利用地鉴别真血和假血,采用光声光谱技术构建了一套血液光声检测系统并获取血样的光声信号。选取三种动物真血（马血、牛血和兔血）和两种假血（道具假血和红墨汁）共125组血样作为实验样本。获取了700～1 064 nm波段内所有样本的光声信号和光声峰峰值谱。实验表明,真血和假血的光声信号幅度、轮廓、峰值时间点和光声峰峰值均存在差异。为了实现高准确度的真假血液分类识别,采用了遗传优化的小波神经网络（WNN-GA）算法,对全波段100组样本进行训练,并构建了类Morlet小波基函数,然后对25组测试血样进行分类识别。利用遗传算法对WNN网络的权值、阈值和小波基函数平移、伸缩因子进行了优化,同时通过调节两个学习率因子,将真假血液的分类识别率提高了24%。采用主成分分析（PCA）对全波段血样光声峰峰值进行特征提取,再利用WNN-GA算法进行训练和分类识别。结果表明,在主成分个数为6时,PCA-WNN-GA融合算法可以使真假血液的分类识别率提高到100%。与另外6种分类识别算法相对比,该融合算法的识别准确率明显占优。光声光谱技术联合PCA-WNN-GA算法,可以准确地实现真假血液的分类鉴别。     

Glucose-induced changes in the optical properties of Intralipid

Photoacoustic and optical measurement techniques were used in this paper to study glucose-induced changes in Intralipid suspensions. Optical energy was provided by a Nd:YAG laser at 1064 and 532 nm and a picosecond laser module at 906 nm. As detectors, the setup employed a photoacoustic detector, PIN diode, and streak camera. Increasing the glucose content of the suspensions increased the refractive indices of the studied media. This served to decrease the refractive index mismatch between the background and the scattering particles and led consequently to decreased scattering, which then affected both the peak-to-peak value of the photoacoustic signals and the transmitted optical pulses. At 1064 nm, glucose changed the peak-to-peak value of the photoacoustic signal more in 1% than in 2% Intralipid. In addition, the glucose-induced change in the transmitted pulse amplitude was less noticeable at 532 than at 1064 nm in 1% Intralipid. The text was submitted by the authors in English.     

高分辨率快速数字化光声CT乳腺肿瘤成像

提出了一种基于聚焦线性阵列探测器的快速光声计算机断层成像技术（光声CT）.在光声二维图像重建中,根据阵列探测器机械扫描和电子扫描相结合的组合扫描模式,提出了改进的有限场滤波反投影重建算法.一方面该算法适合多元探测器旋转扫描模式,另一方面探测器的指向性函数作为反投影的权重因子提高了系统的横向分辨率.同时,该成像系统还利用柱面声透镜实现Z轴方向上的聚焦扫描以实现三维层析成像.实验中,这套成像系统空间分辨率达到0.2mm,Z轴方向分辨率为1.5mm,扫描一幅二维图像仅需150s,得到 关键词： 光声CT 有限场滤波反投影算法 声透镜聚焦 乳腺肿瘤检测     

In vivo dark-field reflection-mode photoacoustic microscopy

Reflection-mode photoacoustic microscopy with dark-field laser pulse illumination and high-numerical-aperture ultrasonic detection is designed and implemented in noninvasively imaged blood vessels in the skin in vivo. Dark-field optical illumination minimizes the interference caused by strong photoacoustic signals from superficial structures. A high-numerical-aperture acoustic lens provides high lateral resolution, 45-120 microm in this system. A broadband ultrasonic detection system provides high axial resolution, estimated to be approximately 15 microm. The optical illumination and ultrasonic detection are in a coaxial confocal configuration for optimal image quality. The system is capable of imaging optical-absorption contrast as deep as 3 mm in biological tissue.     

Development of a laser photothermoacoustic frequency-swept system for subsurface imaging: theory and experiment

In conventional biomedical photoacoustic imaging systems, a pulsed laser is used to generate time-of-flight acoustic information of the subsurface features. This paper reports the theoretical and experimental development of a new frequency-domain (FD) photo-thermo-acoustic (PTA) principle featuring frequency sweep (chirp) and heterodyne modulation and lock-in detection of a continuous-wave laser source at 1064 nm wavelength. PTA imaging is a promising new technique which is being developed to detect tumor masses in turbid biological tissue. Owing to the linear relationship between the depth of acoustic signal generation and the delay time of signal arrival to the transducer, information specific to a particular depth can be associated with a particular frequency in the chirp signal. Scanning laser modulation with a linear frequency sweep method preserves the depth-to-delay time linearity and recovers FD-PTA signals from a range of depths. Preliminary results performed on rubber samples and solid tissue phantoms indicate that the FD-PTA technique has the potential to be a reliable tool for biomedical depth-profilometric imaging.