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。     

基于稳态辐射传输方程的小动物尺寸组织体扩散光学层析法

在Newton-Raphson逆模型框架下,发展了基于稳态辐射传输方程光子输运正模型和代数重建技术的扩散光学层析图像重建算法,并针对小尺寸组织体内部吸收和散射系数同时重建情况下的标准代数重建技术算法进行了改进,数值结果表明改进后的代数重建技术算法重建图像效果优于标准代数重建技术算法.     

基于稳态辐射传输方程的小动物尺寸组织体扩散光学层析法

在Newton-Raphson逆模型框架下,发展了基于稳态辐射传输方程光子输运正模型和代数重建技术的扩散光学层析图像重建算法,并针对小尺寸组织体内部吸收和散射系数同时重建情况下的标准代数重建技术算法进行了改进,数值结果表明改进后的代数重建技术算法重建图像效果优于标准代数重建技术算法.     

微藻光生物反应器内辐射传输特性研究

基于有限体积法和米氏方程,本文研究了一维和二维平板气升式反应器内,入射光分别为平行光和漫射光时,反应器内藻类密度以及气泡体积率对反应器内投射辐射力分布和制氢率的影响。研究发现,当反应器内只有藻类且吸收占优时,平行光入射时投射辐射力近似按Beer定律衰减,衰减率小于漫射光。当有气泡存在时,平行光入射条件下投射辐射力衰减不能简单按Beer定律考虑,尤其是当反照率较大时。同时,在平行光入射反应器的情况下,反应器内藻类制氢率大且有效光合作用区大,更有利于藻类制氢。     

基于图像处理的频域有限差分法用于实际光子晶体光纤的研究

提出了一种基于图像处理算法和频域有限差分法相结合研究实际光子晶体光纤的数值分析方法.该方法针对实际光子晶体光纤由于结构不规则难以进行数值分析的缺点.采取首先对光子品体光纤的电镜扫描图像使用阈值分割和维纳滤波等图像处理算法获得光纤截面的几何网像.然后使用图像插值及构造均值移动窗口滤波等方法实现了网格划分和介电系数平均等步骤,最后结合频域有限差分法对光纤特性进行分析计算.结果表明,该方法能够精确分析实际光子晶体光纤的色散特性.模拟得到的实际光子晶体光纤的模场分布与实验结果吻合很好.     

中红外大气辐射传输解析模型及遥感成像模拟

为了建立完整的星载高分辨率中红外成像模拟系统,并为航天器载荷设计等相关工作提供有力参考,需要对大气辐射传输这一环节进行重点考虑,设计出切实可行,精度较高的大气辐射传输数值成像模拟方法。针对中红外大气辐射传输具有大气散射和自身发射的特性,将整个大气辐射传输过程进行了合理分解,并利用MODTRAN4对各辐射分量进行求解,以查找表方式实现了大气辐射传输成像模拟。此外,针对大气散射导致的邻近效应进行了分析,将原有PSF模型扩展至中红外波段,并与大气辐射传输解析模型相互耦合共同完成模拟成像。最后对模型进行了初步验证和成像模拟,结果表明：模型具有较好的模拟精度,通过给定观测几何和大气条件,并根据地表输入的温度和发射率等,实现逐像元的大气辐射传输计算。     

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。     

二维稳态辐射传输方程的有限差分求解法

针对扩散光学层析在小动物成像中的应用问题并基于混浊介质空间光子三维散射的实际物理效应,提出的二维稳态辐射传输方程的有限差分数值求解新方法.在此基础上,研究了不同的空间剖分网格和角度离散密度对求解准确度的影响,并通过将所提方法与蒙特卡洛模拟进行比对,验证方法的正确性.研究表明:在均匀组织体内,当离散角度达到一定数量时,由辐射传输方程的有限差分解获得的透射面和侧面的光子密度对空间网格大小并不敏感,而在反射面上光子密度计算则需要较密的空间网格才能够达到一定准确度.本研究为发展基于辐射传输方程的扩散光学层析理论奠定了基础.     

基于观察矩阵的频域光学相干层析成像图像重构算法

频域光学相干层析成像技术是一种新型的医学成像技术,其传统的图像重构算法主要是基于傅里叶变换。但这种重构算法的主要缺陷在于其纵向分辨率随着深度位置的变化而明显下降。为了使频域光学相干层析成像系统的纵向分辨率在整个成像深度内基本保持不变,提出了一种基于观察矩阵的图像重构法,并用该法重构了平面镜以及皮肤信号。结果表明,这种图像重构法能够使频域光学相干层析成像系统保持纵向分辨率不变。与文献报道相比,这种方法在保持系统简单性的同时,还保持了高的纵向分辨率,并在成像深度范围内使得纵向分辨率基本保持不变。     

基于通用模型的光学载荷成像建模与分析方法

在时敏目标精确打击、导弹预警、光学遥感和测绘等应用过程中,光学载荷成像定位精度是最为重要的性能指标之一。光学载荷成像变换过程可以等效为目标点到像点的坐标变换过程。提出了一种基于成像链路分解与有限差分的光学载荷成像定位建模和分析方法。分析了典型光学载荷成像链路的组成,定义了成像变换坐标系统,分析了坐标系之间的变换关系;基于光学载荷成像模式,建立了光学载荷通用成像定位模型;提出了基于有限差分的光学载荷成像定位系统模型参数灵敏度和成像定位误差计算方法;采用摄影测量解析计算模型对所提出的模型方法进行了验证。结果表明,该方法可以得到高精度的计算结果,由于考虑了成像链路的更多细节,所以可实现更加复杂的系统建模和分析。     

复谱频域OCT成像的研究

采用频域技术的OCT系统，深度扫描信息由背向散射光谱的傅立叶反变换获得，简化了轴向扫描过程，从而使快速OCT成像成为可能．为了实现复杂生物组织的OCT快速成像，消除谱频域OCT的“混叠”现象、重建样品的真实层析结构，本文引入了相移干涉技术，构建了一套满量程复谱频域OCT实验系统，并为系统设计了特殊的分束镜和移相器，为最终实现复杂生物组织的OCT快速成像提供了条件．     

椭圆柱形光学黑洞红外辐射特性分析

本文主要采用时域有限差分(FDTD)方法计算了二维椭圆柱形光学黑洞的红外辐射特性。并且采用几何光学近似(GOA)对椭圆柱形的光学黑洞的光线入射轨迹进行分析和比较。研究结果表明,FDTD计算的光学黑洞内的能流分布结果与GOA计算的光学黑洞内的光线入射轨迹结果相吻合,椭圆柱形光学黑洞的红外辐射特性主要受折射率梯度和入射波长的影响。     

深度学习与辐射传输模型协同的气溶胶反演

传统气溶胶反演方法通常先基于模型假设确定地表反射率,但反演结果会受到假设的影响;而深度学习方法基于数据驱动,能在气溶胶定量反演中得到更加准确、高效的结果,但模型训练需要充足的优质样本数据支持。为此,使用大气辐射传输模型构建模拟样本,支持深度学习方法实现气溶胶定量反演,旨在解决当前训练数据代表性不足、数据获取困难的问题。利用辐射传输模型模拟不同参数条件下传感器获得的辐射信息,考虑概率组合及筛选标准限制进行模拟数据构建,并使用深度置信网络（DBN）对模拟样本进行训练,获得气溶胶反演模型。将模型应用于Landsat-8数据,在中国北京地区开展气溶胶反演实验。最后使用AERONET地面站点的实测数据对反演结果进行精度验证。验证结果表明,模型估算的气溶胶与站点测量值吻合良好,相关系数为0.8989,均方根误差为0.1029,约74.05%的估算值在误差标准内。本文提供了一种基于辐射传输方程构建样本数据集的思路,可减少样本质量与数量导致的局限性,实现深度学习方法对气溶胶光学厚度的高精度反演。     

基于光学厚度的云红外辐射计算

 为了研究不同物理厚度和不同波段下云的红外辐射特性,提出了基于光学厚度的云红外辐射计算方法。综合考虑云的红外辐射的各个因素,建立了较为完善的云的红外辐射模型,引入光学厚度经验计算公式,并根据光学厚度针对中波和长波红外分别计算了云的发射率、反射率和透过率,进而得到云的红外辐射亮度分布。利用该计算方法,计算了中波和长波红外云的辐射亮度数值,计算结果表明：随着光学厚度增大,云的发射率和反射率增大,探测器接收到的云红外辐射增强。比较发现,该计算结果与实测数据有较好的一致性,该计算模型可以为云背景的红外特性分析、探测及仿真提供参考数据。     

辐射温差大气传递的简化模型

通过对辐射能量在大气中传输的分析，提出了辐射温差传递的概念及其数学模型，从而可以简化热成像系统的探测识别的计算。     

全光纤频域光学相干层析成像系统优化研究

针对频域光学相干层析(SD-OCT)系统特有硬件(线阵CCD及分光光栅)参数对成像质量造成的影响,展开了对基于光纤的频域OCT系统中硬件参量的模拟和优化工作,分析了分光计中CCD线列阵像素数及数字化深度、CCD安装偏差等因素对OCT成像质量的影响,并对光谱像素图定位进行了修正.研究表明:纵向分辨率不受CCD线列阵像素数的影响,CCD线列阵像素数的增多将线性地增大最大测量深度;CCD数字化深度小于6 bit将直接导致系统纵向分辨率的锐减;线阵CCD偏离聚焦透镜焦面将导致点扩展函数的强度减弱、系统分辨率降低;在较小角度内转动CCD,将使纵向分辨率得到提高;采用氖灯光谱进行像素图定位校正之后,可以相应地提高系统分辨率.部分模拟结论得到实验验证.采用此模拟优化结果,可根据OCT成像的具体要求对系统硬件参量进行优化选择.     

基于成像自适应光学的水下成像系统研究

水中湍流是影响水下光学系统性能的重要的潜在因素。用波前检测的方法对水中湍流对激光束传输的影响进行实验研究,测量了实验条件下水中湍流产生的波前畸变的大小,对波前畸变进行了Zernike分析,还对波前补偿自适应系统在水下成像的应用进行了探索。结果表明:水中湍流引起的激光束波前的起伏降低了图像的分辨率,自适应光学系统在其校正范围内能有效地校正畸变,提高图像质量。     

二维稳态辐射传输方程的有限差分求解法

针对扩散光学层析在小动物成像中的应用问题并基于混浊介质空间光子三维散射的实际物理效应,提出的二维稳态辐射传输方程的有限差分数值求解新方法.在此基础上,研究了不同的空间剖分网格和角度离散密度对求解准确度的影响,并通过将所提方法与蒙特卡洛模拟进行比对,验证方法的正确性.研究表明：在均匀组织体内,当离散角度达到一定数量时,由辐射传输方程的有限差分解获得的透射面和侧面的光子密度对空间网格大小并不敏感,而在反射面上光子密度计算则需要较密的空间网格才能够达到一定准确度.本研究为发展基于辐射传输方程的扩散光学层析理论奠定了基础.