有限宽光束在生物组织中传输的蒙特卡罗方法

基于光在生物组织中的传输理论,研究有限宽光束在生物组织中的传输特性.利用入射光强与格林函数进行卷积计算,推导了有限宽光束在圆柱坐标系下的光传输过程,给出了有限宽光束的光传输方程.以高斯光源和平圆光源为例,进一步给出了两种光源的有限宽光束在生物组织中的光传输方程.介绍了Monte Carlo方法原理及模拟光在多层生物组织中的传输过程.给出了典型三层生物组织的散射系数、吸收系数和折射率等光学参数.利用Monte Carlo方法模拟了有限宽光束在三层生物组织中的传输特性,对比研究了高斯光源和平圆光源有限宽光束在三层生物组织传输时光学参数漫透射率、漫反射率和光能流率的变化规律.这些参数的变化规律可为光在生物组织传输的实际应用提供理论指导.     

生物组织中激光传输规律的模拟与检验

本文研究了激光在生物组织中的传输规律,建立了适用于Monte Carlo模拟的数理模型。对不同组织中光子的传输规律进行了模拟和检验,结果表明:利用本文所建立的模型和编制的程序,可以有效地模拟激光在均匀和非均匀组织中的传输规律,并可获取组织光学特性参数与漫反射率、漫透射率和通量等物理量间的关系。     

非视线紫外光信号传输时间特性的数值模拟

在研究紫外光学非视线通信技术中,需要深入了解由于紫外大气散射效应所带来的各种信号畸变.传统的单次散射近似方法在进行较远距离、复杂天气条件下非视线光传输模拟时误差很大,采用基于Monte Carlo(MC)方法改进算法进行非视线紫外光信号传输的数值模拟,通过随机抽样的方法模拟光子在大气系统中的随机游动,在光子被大气中的粒子散射时计算其进入探测器的概率,模拟大气系统的脉冲响应函数.模拟结果表明:采用光子散射探测概率方法改进后的MC模型在模拟非视线光信号传输时计算效率显著提高;大气系统对非视线传输时的紫外光脉冲具有很强的展宽效应;随着光信号传输距离的增大,信号强度呈近似指数衰减的趋势.     

大鼠创伤性脑水肿模型中近红外光有效检测深度研究

采用近红外光谱技术实现颅脑损伤的无损监测过程中,存在着检测深度不明确的问题.利用Monte Carlo模拟光子在生物组织中的传输过程,建立有效检测深度模型,对光纤探头在大鼠创伤性脑水肿模型中的有效检测深度规律进行了研究.采用不依赖于模板的阈值分割和窄带水平集分割方法,将大鼠头部MRI图像分为头皮、头骨、脑脊液、灰质和白质五部分,建立真实的大鼠脑组织三维模型,使Monte Carlo仿真结果更加准确.改进复杂组织光场分布仿真的tMCimg软件,使其能够实时记录光子在组织中的位置和光子被检测器接收时的能量,从而计算出探头在组织中的有效检测深度.分析了不同光源和检测器的中心距、光源芯径对有效检测深度的影响,结果表明光在大鼠脑组织中的有效检测深度小于或者等于光源和检测器中心距的一半,并随光源芯径的增大逐渐增大.建立大鼠脑水肿模型,验证了仿真结果的正确性.研究结果对于无创脑水肿模型的光纤探头的设计和脑水肿区域的判定有着重要的意义.     

解二维时间相关光子扩散方程的交替方向隐式法

研究了应用交替方向隐式法求解非均匀生物组织中的二维时间相关光子扩散方程,并同解析解以及Monte Carlo模拟的结果作了比较,数值结果表明,该方法具有较好的稳定性和较高的精度.     

超声调制漫射光子自相关的Monte Carlo模拟

本文首次用Monte Carlo方法研究了超声调制生物介质中漫射光子的时间自相关性质,讨论了超声参量、运动参量和散射参量对自相关函数的影响.正常生物组织和病变生物组织的自相关函数有明显的差别,超声调制自相关函数为光学医学诊断提供一种新参考.     

光度学

光度计量与装置O432.22007021013积分球出射辐照度的Monte Carlo模拟=Si mulation ofoutput irradiance of integrating sphere with Monte Carlomethod[刊,中]/张贵彦(中科院长春光机所.吉林,长春(130033)),王成…//光电工程.-2006,33(11).-75-78应用Monte Carlo法原理,利用区间[0,1]上均匀分布的随机变量产生的均匀照度光源模型及光在积分球内表面的漫反射模型,用Matlab编程,对一积分球出口平面处及距出口100mm以内的10个平面上的辐射能量和辐照度进行了计算机模拟。模型共追迹了100000个光子,结果显示,随着传播距离的增大,辐射总能量…     

大空间生物组织透射的Monte Carlo模拟方法的加速

乳腺等类型生物组织的透射Monte Carlo模拟(简称MC模拟)耗时很长,这主要是由于被模拟的组织较厚和Monte Carlo模拟自身统计特性引起的所需光子数量多造成的。针对光源与接收面在同一直线上,采用光纤接收透射光的模型进行分析,通过考虑生物组织自身的光学特性,进行了边界约束和有效后向散射次数的限制来缩短仿真时间,经过多次实验验证,以两次散射所到位置为分界,并充分利用组织光学参数计算约束边界,计算相对比较简单,同时考虑到入射与出射的实际情况进行微扩,从而得到的约束边界。对光学参数相同但厚度不同的组织进行仿真,分析进入同一位置光纤的光子数所发生后向散射次数,发现后向散射次数随着组织厚度与散射系数的增大而增大,随着吸收系数与各向异性因子的增大而减小,通过限定后向散射次数来节省时间。仿真结果表明,在传统计算机上,该方法能够显著缩短MC模拟的运算时间50%左右,尤其适用于较厚且边界较为复杂的高散射物质的MC模拟。该提速方法主要应用于光源与接收面处于同一直线,且生物组织较厚,散射系数较大的情况,能够有效节约仿真所需时间,有利于分析组织透射成像。     

水下光场的蒙特卡罗法求解

水下光场分布对水下光电成像质量具有决定性的影响,通过水下光场分布可以得到水下图像的传输退化模型。在给定水体光学参数的前提下,建立光子水下传输概率模型,利用Monte Carlo法模拟光子在水下的运动,可以获得水下光子散射点体积密度分布,求解出水下光场;在水体体散射函数为球形对称的条件下,利用Monte Carlo法得到的水下光场分布与理论公式的计算结果具有很好的一致性,验证了该方法的有效性;最后给出了水下理想点光源形成的水下光场分布。基于此结论,可以将Monte Carlo法求解水下光场的应用范围推广至水体体散射函数为一般表达式的情形。     

基于舰船尾流激光雷达的Monte Carlo模型及方差消减方法研究

对舰船尾流激光散射机理及探测过程的数值模拟是研究舰船尾流激光探测与制导的重要基础.首先分析了Monte Carlo方法引入到尾流激光雷达数值模拟领域研究的可行性.结合自行研制的尾流激光雷达实际参数,建立了尾流激光探测的Monte Carlo数值仿真模型.通过对仿真结果进行统计,深入剖析了仿真结果方差大及光子利用率低等问题的成因.为解决该问题,基于有偏采样理论和分裂-轮盘赌基本原理提出了接收光学视场内光子强行碰撞方法和以光子自由程总长度为准则的光子分裂方法,并进行了两方法的融合.仿真与实验结果的对比分析表明,提出的模型仿真结果与实验数据符合较好,验证了模型的正确性;提出的接收光学视场内光子强行碰撞方法和光子分裂方法能有效减小方差并提高光子利用率;解决了Monte Carlo方法引入到尾流激光雷达模拟过程中的适用性问题.     

纺织纤维光散射特性的模拟与实验

纺织纤维的光散射特性在纺织材料微观结构、光学性质以及无损检测中至关重要。利用纺织纤维各向异性的结构特点改进现有的角谱展开法,得到纺织纤维对倾斜入射平面波的散射以及表征其光散射特性的Mueller矩阵。采用蒙特卡罗算法模拟了平行棉纤维束对倾斜入射偏振光的多次散射,并对其计算结果进行了实验验证。结果表明理论计算和实验测量的散射光斑在形状特征、光强分布上均一致,从而验证了蒙特卡洛方法模拟纺织纤维光散射的正确性。结果同时也表明蒙特卡罗方法在纺织材料光传播特性的理论研究中具有重要的指导意义。     

星载多波段红外光学系统的杂散辐射分析

引入反向蒙特卡罗法与双向蒙特卡罗法对红外光学系统的杂散辐射进行分析,基于光谱辐射传递因子导出了焦平面辐射能流计算式.以某星载多波段红外光学系统为例,在检验计算可靠性的基础上,模拟了各波段辐射能从地球背景和光机内壁面到焦平面的传播过程,分析了壁面吸收率与温度的影响.结果表明,采用双向蒙特卡罗法可有效地模拟辐射能从地球向星载光学系统焦平面的传播过程,采用反向蒙特卡罗法可容易地分析光机内部热辐射的影响;光机内壁面吸收率对视场外杂散辐射的传播有很大影响,温度高于250 K的光机内壁面热辐射成为主要的杂散光源.     

Simulation of polarization-sensitive optical coherence tomography images by a Monte Carlo method

We introduce a new Monte Carlo (MC) method for simulating optical coherence tomography (OCT) images of complex multilayered turbid scattering media. We demonstrate, for the first time of our knowledge, the use of a MC technique to imitate two-dimensional polarization-sensitive OCT images with nonplanar boundaries of layers in the medium like a human skin. The simulation of polarized low-coherent optical radiation is based on the vector approach generalized from the iterative procedure of the solution of Bethe-Saltpeter equation. The performances of the developed method are demonstrated both for conventional and polarization-sensitive OCT modalities.     

A method of online quantitative interpretation of diffuse reflection profiles of biological tissues

We have developed a method of combined interpretation of spectral and spatial characteristics of diffuse reflection of biological tissues, which makes it possible to determine biophysical parameters of the tissue with a high accuracy in real time under conditions of their general variability. Using the Monte Carlo method, we have modeled a statistical ensemble of profiles of diffuse reflection coefficients of skin, which corresponds to a wave variation of its biophysical parameters. On its basis, we have estimated the retrieval accuracy of biophysical parameters using the developed method and investigated the stability of the method to errors of optical measurements. We have showed that it is possible to determine online the concentrations of melanin, hemoglobin, bilirubin, oxygen saturation of blood, and structural parameters of skin from measurements of its diffuse reflection in the spectral range 450–800 nm at three distances between the radiation source and detector.     

基于蒙特卡罗方法的卫星光学波段闪电辐射观测模拟

我国下一代静止气象卫星风云四号将首次搭载光学闪电成像仪上天,对闪电和与之相联系的强对流天气进行实时、连续观测。对未来风云四号卫星闪电观测资料的特性进行预先研究,一个重要的途径就是建立光学波段的闪电辐射传输模拟算法,对闪电辐射的物理过程及卫星观测到的闪电辐射光学特征进行模拟研究。结合风云四号卫星闪电成像仪观测的几何和波长参数,在构建简化的闪电光源模型和雷暴云模型的基础上,利用蒙特卡罗随机模拟和光子追踪方法,模拟得到了风云四号卫星闪电成像仪观测到的云顶闪电信号,并对其辐射特征进行了初步研究。结果表明,基于蒙特卡罗方法的闪电辐射传输模拟,可以从理论上揭示卫星光学波段闪电辐射观测与最重要影响参数之间的联系,这将为未来星载闪电资料的应用提供非常有价值的信息。     

热辐射输运问题的隐式蒙特卡罗方法求解

热辐射与物质相互作用及辐射光子在物质中的传输是惯性约束聚变研究中的重要课题. 介绍了基于隐式蒙特卡罗方法的辐射输运方程,在该方程的积分-微分形式基础上,推导了利于蒙特卡罗方法模拟的等价的积分输运方程;基于积分方程设计数值模拟流程,编写三维蒙特卡罗数值模拟程序;针对热辐射输运典型问题及benchmark问题开展了数值实验,计算结果验证了方法的适应性及程序的正确性. 关键词： 热辐射 惯性约束聚变 输运方程 隐式蒙特卡罗     

Radiation symmetry test and uncertainty analysis of Monte Carlo method based on radiative exchange factor

Using Monte Carlo method, the paper investigates the radiative heat transfer in participating media. Based on the radiative exchange factor, an uncertainty analysis of Monte Carlo method is undertaken and the corresponding mathematical expressions are deduced to predict its accuracy. Furthermore, randomness properties of pseudorandom number generators are investigated, and a model to test radiation symmetry is adopted to validate the performance of some generators. The paper studies the effects of energy bundle numbers, discretization schemes, emission location, optical thicknesses, wall emissivity and CPU time on the numerical accuracy. In addition, the simulation results are proved to give a reference for using Monte Carlo method, which is applicable for calculation of the radiative exchange factor.     

输运问题蒙特卡罗模拟方法回顾及展望北大核心CSCD

蒙特卡罗(MC)方法具有复杂几何处理能力强,方法通用灵活,核数据完备,模拟忠实于物理过程等特点,成为中子学数值模拟的首选方法之一。在核能领域,MC方法得益于计算机的快速发展,在辐射屏蔽、反应堆堆芯临界安全分析、乏燃料后处理、放射性废物处置、核设施退役、核事故应急、放射性石油测井、核医学等领域均有广泛应用。对MC方法及软件输运计算做简要回顾,并对未来发展进行展望。     

基于微面斜率法的粗糙表面半透明介质层光谱散射特性分析

对具有一维高斯分布粗糙表面的半透明介质层光谱散射,基于微面斜率法建立了考虑遮蔽效应的粗糙表面光谱辐射传递概率模型,采用蒙特卡罗法模拟光谱辐射能束在粗糙表面、半透明介质层介质与镜反射基底之间的多次反射、折射和吸收等传递过程。通过数值模拟,分析了介质层表面粗糙度、光谱光学厚度、折射率和基底反射率对介质层双向反射分布函数(BRDF)的影响。结果表明,表面粗糙程度不同时,反射峰值随入射角度呈现不同的变化趋势;表面粗糙度增加或折射率增大都将导致漫反射份额增大;介质层光谱光学厚度和基底反射率主要影响BRDF的数值大小,而对BRDF的分布形态影响很小。     

闪光照相中X光能谱对有效吸收系数的影响

 研究闪光照相中影响材料有效吸收系数的两个主要因素，即X光的能谱效应和散射影响。用Monte-Carlo方法对闪光照相系统的客体各种组成材料的有效吸收系数进行数值模拟；求出不考虑散射而仅受能谱影响的有效吸收系数及其空间分布，发现该分布类似于医学CT数的分布规律，在高光程数对应的位置上该吸收系数较低；也得到了在20MeV闪光机情况下，客体各种组成材料的单个平均吸收系数。结果表明：钨、铝和铁的平均等效吸收系数分别近似为0.830，0.080和0.265cm ^-1。