散射光谱的目标材质及比例反演研究

研究了基于散射光谱的点目标在远距离条件下表面材质及比例反演方法,旨在为空间碎片探测及预报提供数据参考。首先根据散射光谱的远距离目标探测物理模型,建立了基于散射光谱的目标参数反演物理模型,给出了基于最小二范数理论方法的目标表面材质及比例信息的反演算法,结合光源照射特性、目标材料表面光学反射特性、入射、反射及探测角等信息,利用双向反射分布函数(BRDF) 的多级融合模型,表征复杂材料表面的光学反射特性, 将BRDF中对应的面积量作为待反演参数,给出了目标表面材质及比例信息的反演算法;其次进行了实验验证,搭建了室内散射光谱探测及采集系统,进行了单一材质及多种材质不同比例的目标散射光谱探测及数据采集,经过对散射光谱数据进行预处理,截取有效波长范围为400～800 nm;结合理论分析及反演算法,对于四种材质组合的样品,进行了相同和不同比例组合的材质及比例反演,等比例反演结果最小误差为0.8%。最大误差为13.6%,平均误差为4.9%;不等比例反演结果最小误差为6%,最大误为12%,平均误差为9.25%;综合以上测试结果可以得出,反演平均误差最大为9.25%,考虑到入射光源稳定性有2.89%的误差,反演结果最大平均误差将小于6.36%。得到了平均反演误差小于10%的良好效果,验证了该方法的准确性;最后以某失效卫星为例,对其在轨的散射光谱信息,进行了材质及比例反演计算,给出了其主要材质为太阳能帆板、保温膜及碳纤维板,与真实情况相符较好。该研究为点目标远距离材质比例反演识别提供了新的技术途径。     

生物组织单光程光谱技术的理论研究

高灵敏度光谱检测技术在临床诊疗和组织光学参数测量中具有极其重要的意义。文章提出了一种差分调制激光光谱技术,将经过生物组织后的散射光与参考光的光程差转换为光谱信号的频率特征,通过相敏检测技术将不同频率的信号进行分离,从而实现生物组织散射光的光程分离。文章分析了差分调制激光光谱的机理及信号的谱特征,并基于文献中的生物组织散射光的光程分布,从理论上讨论了差拍信号的谱特征,即光源调制速率一定时,光谱信号中的主频成分位置只与散射光和参考光的光程差有关;生物组织对光信号的衰减系数会影响光谱信号中频率成分的能量强度分布。分析结果表明,差分调制激光光谱能对生物组织的光谱信号进行光程分离,从而实现生物组织的单光程光谱检测。     

基于散射光谱的空间碎片分类研究

采用地基光谱探测技术,观测到了最低亮度为4.2星等的空间碎片其分辨率为0.5 nm的高精度散射光谱。并对卫星残骸和火箭残骸的光谱数据进行了归一化处理和离散率分析,得到了不同类别目标的明显区别。火箭残骸的多帧散射光谱归一化后线型一致,而对于卫星的多帧散射光谱归一化后线型不一致,对归一化的空间碎片的每一帧光谱求离散率,得到的结果为火箭残骸的离散率低,都在0.978%～3.067%之间,且波动差值及平均值较小;而卫星的每帧归一化散射光谱的离散率高,在3.1184%～19.4727%之间。且波动差值及平均值较大。原因是火箭残骸的结构简单,组成材料较单一,卫星的结构复杂,组成材料较多。因此散射光谱分析可以应用于空间碎片分类的研究。     

由吸收系数和粒度分布计算浮游植物的散射光谱特征

散射特性在水色卫星遥感模式的开发、水下光辐射传输、优势藻光谱特征的提取以及赤潮监测等方面有着重要的应用价值.在假定藻细胞为均匀球形结构的条件下,建立了浮游植物的散射正演模型.模型输入参量为实际测量的藻细胞吸收系数和粒度分布,输出参量为浮游植物的散射效率和吸收效率光谱.对短伪海链藻和威氏海链藻进行实验,模拟结果与实验结果的比较发现:该模型估箅得到的散射光谱能与实验的散射光谱得到很好的吻合,两种藻的模拟散射效率相对实验散射效率的误差分别为7%和10.6%,吸收效率的误差分别为7.4%和13.4%.模拟与实验结果的吻合表明,由吸收系数和粒度分布可以模拟出藻类的散射光谱特性.单细胞近似球形藻类散射正演模型可行.     

光源光谱对标志逆反射系数的影响

以光源发射光谱和逆反射材料光谱反射率曲线为基础,通过数据拟合的方式研究了多种光源照射条件下材料逆反射系数的相对关系及其变化趋势。在已有标准A光源测试系统基础上,分别测试氙灯、卤素灯、不同色温白光LED光源发射光谱和红、黄、白、绿、蓝五种逆反射材料的光谱反射率曲线,并通过拟合计算得到同一材料在不同光源照射条件下的相对逆反射系数修正因子。分析结果表明,在可见光范围内具有连续光谱反射率曲线分布的白色材料逆反射系数数值受入射光源光谱变化较小,而单色材料逆反射系数受入射光源光谱差异影响较大,且呈现不同的变化趋势：以卤素光源入射条件下材料逆反射系数测试结果为基础值,不同色温的白光LED、氙灯光源对红色和黄色材料逆反射系数具有正增益效果,且随着光源色温的升高,红色和黄色材料逆反射系数呈下降趋势,降幅最高分别达到47.7%和4.9%;绿色和蓝色材料逆反射系数呈上升趋势,涨幅最高达到16.5%和28.9%。     

连续激光辐照对三结砷化镓电池散射光谱的特性影响

太阳能电池作为一种高效的光电转化器,被广泛地应用于光伏发电系统中。激光作为一种高亮度光源辐照电池时,会导致其出现损伤,可利用电池的表面散射光谱特性,对其损伤程度进行判别。通过目标表面散射光谱测量系统,对激光辐照后的三结砷化镓电池散射光谱进行测量,并计算双向反射分布函数(BRDF)。其中测量系统主要由FX 2000和NIR 17型光纤光谱仪组成,针对电池表面的强镜反射特性,在实验中采用了入射角和反射角为30°的测量几何模型。原始三结砷化镓太阳能电池的结构主要包括减反射膜DAR层、顶电池GaInP层、中电池GaAs层和底电池Ge层,其散射光谱特征包括可见光谱段(500～900 nm)的吸收特性及近红外谱段(900～1 200 nm)的类周期振荡特性,在对连续激光辐照损伤后电池的光谱特性进行实验测量后,得到了损伤电池光谱BRDF的变化,并结合基于薄膜干涉理论的电池散射光谱模型,对各膜层损伤后的特征进行了分析。结果表明：DAR层的主要作用是降低光谱反射能量,对光谱曲线的特性影响较小;Ge层对光谱曲线形状基本无影响;电池散射光谱吸收和干涉等特征主要由GaInP层和GaAs层所引起,其中,GaIn...     

分布式多位置散射光谱法对被测组织内部信息的初步研究

分布式多位置散射光谱法从光子在组织中传播的“香蕉”路径这一理论出发,对测量组织的内部信息进行分析,有效消除了浅表组织对内部信息测量的干扰。设计了一种半透膜——牛奶双层结构仿体实验,以40组不同浓度的牛奶溶液代表需要被测的组织内部成分,牛奶上方盖以1至5层不同厚度的半透膜代表略有差异的浅表组织厚度干扰信息。通过贴合半透膜对该仿体采集分布式两点位置散射光谱数据样本200例,并以其中一单点位置的光谱数据为对照,均按3∶1的比例用BP神经网络的方法分别对下层牛奶溶液的浓度进行建模和预测。实验结果显示单一位置散射光谱和两点位置散射光谱均达到90%以上的训练拟合率和预测精度,且两点位置散射光谱的预测精度更高,达到98.41%。证明了运用光子传播路径的散射光谱法可实现对底层牛奶溶液浓度的有效预测,消除浅表组织对于测量内部组织成分的影响,且将多点位置考虑到建模过程中可进一步提高预测精度。从而验证了该方法对于在不破坏组织完整性的前提下对组织表层以下内部某种成分或物质浓度进行分析的可行性。     

铜绿微囊藻吸收和散射特性理论模拟

基于奇异衍射近似理论和Kramers-Kronig关系,通过实测铜绿微囊藻的吸收光谱数据和粒径分布估算出铜绿微囊藻折射率的实部和虚部,结合Mie散射理论,计算出铜绿微囊藻的吸收效率光谱、散射效率光谱。对比模拟结果与实验结果发现:该模型估算得到的散射光谱与实验的散射光谱之间误差为10.08%,吸收效率的误差为4.8%。从模拟结果与实测结果来看,均匀球形模型能够较好的重现铜绿微囊藻的吸收和散射特征。     

基于掺铒光子晶体光纤超荧光光源的实验研究

为了改进传统掺铒光纤超荧光光源的输出稳定性,提出基于掺铒光子晶体光纤的超荧光光源。构建了单程后向结构掺铒光子晶体光纤超荧光光源,研究了这种新型光源的输出特性。分析了掺铒光子晶平均波长体光纤长度和抽运功率对光源输出功率、光谱谱宽和平均波长的影响。结果表明,通过优化选取光纤长度28m和抽运功率220mW,获得了单程后向结构超荧光光源输出如下:输出功率45.74mW、光-光转换效率20.79%、谱宽31.5nm和平均波长1548.003nm。该实验结果为进一步研究掺铒光子晶体光纤超荧光光源在不同环境下的稳定性奠定了基础。     

一种用多色光作为激发源产生拉曼光谱的新算法

探讨用多色光代替激光作为拉曼光源的新型拉曼光谱仪的可能性。根据拉曼光谱原理, 并通过数学分析, 发现当用多色光照射在样品上时, 所得到的散射光经散射频率校正后在不同频率上的强度分布可以写成样品的Raman-Rayleigh联合散射谱和激发光光源的功率谱的卷积。利用傅里叶变换算法,有可能从多色光照射样品所得到的散射光谱中导出样品的拉曼光谱。基于上述原理,可能发展出不用激光的新一代拉曼光谱仪。     

硫酸钡微球掺杂聚碳酸酯材料的光散射特性模拟分析

基于多重米氏(Mie)散射理论和蒙特卡罗(Monte Carlo)方法, 对掺杂硫酸钡(BaSO4)微球体的散射型聚碳酸酯(PC)光散射材料进行了数值模拟。研究了BaSO4粒子粒径、浓度及样品厚度等光学参量对PC材料透光率、扩散率、照度角分布等光学性能的影响, 并进行了设计评估。通过比较不同材料参数下光散射材料光学性能的差别, 总结出了获得良好光学性能所需的合适材料参数。模拟结果为高性能光散射材料的实验制备提供了理论参考。     

激光白光光源及其光学系统解析

为进一步推广激光白光光源在汽车大灯、投影、背光显示等领域的应用，对激光白光光源的合成方式进行了介绍，从泵浦源、光转换材料、光学系统3个方面详细解析了激光照明系统的关键组成要素。通过理论分析，计算出了激光照明系统中最高理论光光转换效率为498 lm/W。然而，受困于技术和工艺难题，目前激光照明系统的最终效率仅约为17%。随后，在对适用于高亮度激光照明系统的光转换材料进行总结后，创新性地利用一种棒形(长度> 10 mm)YAG陶瓷(Ce < 0.1 at%)来匹配高流明密度蓝光；并从光学设计的角度，提出一种光转换材料的“透镜型”结构来综合提升光效。最后，结合专利分布情况，对激光照明系统在激光显示、可见光通信等领域的前景与应用进行了展望。     

展陈照明光源光谱对光敏文物的辐照损伤研究

展陈照明中的光辐照会对光敏文物材料造成褪色、老化等辐照损伤,尤其对字画、染色丝绸、彩绘陶器等颜色非常丰富的光敏性文物损伤巨大,不利文物安全。国内外展陈照明标准为减少对文物的辐照损伤,严格控制照明标准水平,如光敏文物的照度仅50lx,不利于观众更加细致的欣赏这类文物。随着半导体固态光源Light emitting diode （LED）技术的发展,其光谱中不含对文物损伤最大的紫外和红外波段,与传统光源相比具有天然优势,能够实现在相同照度条件下对文物产生更小的伤害。并使得在不增加对文物损伤的前提下,提高照明环境亮度从而改善照明环境水平成为可能。然而,即使仅有可见光光谱,可见光光子能量仍会对材料造成不可逆的损伤。而LED光源光谱多样,甚至有较大差异,在LED光源大规模进入文物展陈照明领域时,如何科学指导博物馆文物照明光源的研发与应用,是改善文物展陈照明环境的关键问题。该研究对常见光敏文物材料进行可见光连续辐照下表面颜色属性变化的测量研究,通过制备常用的国画颜料和植物染料样品（国画颜料主要有硃磦、赭石、三青、花青、胭脂、炭黑、曙红、酞青蓝;植物染料主要有茜草、黄檗、栀子、靛蓝、槐米、苏木、紫草）,利用不同波长单色光和不同色温复合光的LED作为光源,对样品进行大剂量连续辐照实验。辐照过程中,定期测量材料表面颜色的色度学参数L*, a*, b*,以CIE 1976 L*a*b*均匀色空间色差计算方法,求算出不同光谱的LED光源辐照后样品的色差变化。再分别从辐射度学和光度学出发,对比分析具有不同光谱的LED光源对国画颜料和植物染料的长期辐照影响。实验结果表明：不论从辐射度学还是光度学角度分析,相同辐照剂量或曝光量照射后,单色光中短波长的蓝光辐照导致样品的色差最大,绿光次之,红光最小;而在复合光中,高色温LED光源由于蓝光占比较大,对样品的辐照影响明显高于低色温LED光源;目前利用光照度对博物馆照明环境进行评价时,由于蓝光对应的人眼视见函数数值较低,与辐射照度评价相比,蓝光辐照对文物的影响会被进一步低估;相同光照条件下,植物染料的老化程度总体高于国画颜料;黄色系的植物染料（黄檗、槐米）和红色系的国画颜料（硃砂、曙红）在光照过程中更易老化。因此,博物馆展陈照明的LED光源应严格控制蓝光成分,采用低色温的光源更有助于对文物的保护。在今后制定文物展陈照明标准时,应对光源的蓝光占比进行限制。此外,对于黄色系、红色系等光敏文物进行照明时,相应的展陈照明标准应更为严格。该研究对于LED光源在博物馆照明更加合理的研发与应用,以及未来博物馆展陈照明标准改进及照明条件改善具有重要指导意义。     

Spectral Changes of Light Produced by Multiple Scattering from Space-Time Fluctuating Random Media under the Born Approximation

Changes in the spectrum of light scattered by space-time fluctuating random media are investigated theoretically within the accuracy of the second-order Born approximation, as a continuation of the previous paper [Opt. Commun. 123 (1996) 234]. Effects of multiple scattering on the resultant field are manifested by a number of illustrative examples. It is shown, in particular, that the spectrum of the scattered light to be observed under practical circumstances is distorted by the process of multiple scattering. Comparison between spectra of both single and multiple scattering lights is also presented in the framework of the dynamic scattering.     

双层散射介质的单次后向散射光谱分析

从上皮组织的结构特点出发,基于米氏(Mie)散射理论,建立了双层散射介质的单次后向散射光谱的理论模型,该模型通过偏振门屏蔽来自下层的噪声背景,只保留来自上层的单次散射光。计算分析了粒子的形态学参量如平均尺寸及其分布、相对折射率变化时,单次散射光谱的特征。并用傅里叶波形分析法研究了这些参量对单次后向散射光谱曲线形状及其谐波幅值的影响。结果表明,这些只经历了表层粒子单次散射的光谱信号对表层粒子的平均尺寸及其分布、相对折射率具有灵敏性。对光谱曲线波纹结构的幅值、频率,散射强度,光谱谐波的幅值有直接的影响。研究结果对早期癌症的散射光谱特征识别及其特征提取有重要的实用价值。     

红外区磷化稼散射强度的计算与分析

根据Mie散射理论,对磷化稼粒子光散射特性进行了数值计算与理论分析,得到了散射强度与散射角、入射波长以及偏振度与散射角的关系。研究表明,红外波段光散射很小,前向散射占有优势,粒子半径越大,前向散射越强,并且在散射角900方向上能观测到线偏振光,对研究GaP红外光学特性提供了理论参考。     

高散射媒质中的光程可分割动态光散射研究

为研究散射光强度随光子在散射媒质中散射光程的变化,基于单散射理论与扩散波光谱理论,采用了低相干动态光散射装置对不同粒径大小的聚苯乙烯悬浮液进行研究。将测量得到的背散射光光场强度谱的线宽与相应的理论计算结果相比较发现,在短光程区域,考虑容器壁附近拖曳效应的影响后,对于不同粒径的颗粒,光程为约5倍粒子平均自由程的区域可看成为单散射区域;对于光程大于225 m的区域可看成为扩散光波区域。实验结果表明低相干动态光散射法可实现高散射媒质从单散射区域到低次散射再到扩散区域的全光程的可分割的光场强度谱测量。     

基于色散偏振度的乳化油光谱检测系统研究

以色散偏振光谱检测技术为背景,着重研究了乳化油颗粒的偏振光学特性及米散射物理模型,构建了色散偏振度光谱检测系统。在400～700 nm波长范围内,分别对四种样品进行了301个波段的光谱反射率采集。结合贝塞尔函数和汉克尔函数,推导出了入射光波长与散射光偏振振幅矢量的关系,提取了一个新的特征参数：色散偏振度（DODP）。在暗室条件下,对乳化油样品ND18和ND75进行测量,利用色散偏振公式计算出了样品在各测量波长处的偏振度值,验证了基于DODP值检测乳化油的可行性。研究发现,虽然米散射的解是由单个球体的衍射推导而来,但是只要它们的直径和组成相同,且彼此之间的距离比波长大,也同样可以用于任意数量的球的衍射。在这种情况下,被不同球体散射的光之间没有相干的相位关系,总散射能量等于被一个球体散射的能量乘以它们的整数。当观测平面与入射波电矢量振动方向之间的夹角Φ=0或者Φ=π／2时,散射光分量E(s)_θ或者E(s)_Φ消失。由于ND18的粒径比ND75的粒径小,所以ND18的前向散射波瓣较大,前向散射与后向散射的比值较小。在相同光照条件下,ND75的多次散射现象要比ND18严重。根据路径相关矩阵的理论,多次散射容易引起退偏振,二次辐射波会在角域内扩散和分布。因此,被测乳化油表面产生的散射次数与入射光能的阻尼能力成正比。由于乳化油表面入射光的能量耗散存在差异,因此能量耗散率与入射波矢量方向的前向散射振幅的分量成正比,且乳化油的偏振散射程度不同于入射光的偏振散射程度。实验结果表明,DODP可以反映出乳化油由多次色散引起的去偏振能力。由于模拟光源是自然光,所以计算散射光的偏振参数非常方便,可以大大缩短数据处理时间,减小实验误差。DODP不仅能够识别海水中的乳化油,而且能够区分不同浓度的污染物,准确识别出乳化油的边缘扩散。