基于多角度测量的弥散介质光学参数场探测装置及方法与流程

本发明属于频域近红外光学成像技术领域，具体为基于多角度测量的弥散介质光学参数场探测装置及方法。

背景技术：

弥散介质为包含颗粒的参与性介质，弥散介质的内部结构探测在很多领域的研究中都具有重要的作用，如生物医学成像、无损探测、红外遥感、火焰测温等领域。多数情况下，弥散介质内部的光学参数场分布不能通过测量直接得到，但利用激光入射弥散介质时，介质边界的边界探测信号出射辐射强度是可以直接测量的，结合重建优化算法分析边界测量信号中的光学信息，可以重建得到介质内部的光学参数场，协助介质内部结构的诊断及探测研究。

利用近红外光激光作用于弥散介质时，根据选用激光光源的不同，可分为稳态模型利用连续激光入射，频域模型利用调频激光入射，时域模型利用脉冲激光入射。三种辐射传输模型中，频域模型求解比较简单，计算效率较高，信号探测技术较为简单；可以避免时域模型的技术限制，同时能够提供比稳态模型更多的探测信息，成为辐射反问题研究中最具发展前景的计算模型。

然而，由于频域模型提供的测量数据较少，测量信号包含介质内部光学信息不够丰富，运用重建算法得到的光学参数场重建精度较低。现有的光学参数场重建多是仅利用一次的调频激光入射得到的探测信号进行重建，得到的结果病态问题及串扰问题较为严重，不能很好地反映弥散介质内部的真实参数分布。亟待开展基于多角度测量的弥散介质光学参数场测量技术。

技术实现要素：

本发明的目的是：针对现有技术中光学参数场重建时仅用一次调频激光入射得到探测信号进行重建，其所得的结果存在病态及串扰严重的问题。

本发明采用如下技术方案实现：基于多角度测量的弥散介质光学参数场探测装置，包括：激光控制器1、激光头2、ccd相机4和数据采集处理系统5；

所述激光控制器1的输出端同时与激光头2的激光控制信号输入端和数据采集处理系统5的信号输入端连接，所述数据采集处理系统5的信号输入端与ccd相机4的信号输出端连接。

进一步的，基于多角度测量的弥散介质光学参数场探测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：开启激光控制器1，使激光头2发射出的调频激光射入到弥散介质3中，然后将弥散介质3以几何中心为旋转中心顺时针旋转z°，旋转n次，且每次旋转都利用调频激光入射弥散介质3，90>z>0，n＞0；

所述激光头2每发射一次调频激光，所述ccd相机4都会采集一次弥散介质边界的出射辐射强度信号，然后将获得的所有出射辐射强度信号发送至数据采集处理系统5中；

所述数据采集处理系统5分别对其获得的出射辐射强度信号进行处理，获得弥散介质3各边界射出的光谱辐射强度值作为调频激光入射时的测量信号，m表示选取入射激光频域序号，s表示光源照射的边界序号，d表示探测点位置序号；

步骤二：假设弥散介质的多宗量光学参数场初值为μ⁰，将μ⁰带入频域辐射传输方程，计算得到不同频率下介质边界的透反射辐射强度信号与步骤一中的测量信号构成目标函数f(μ⁰)；

步骤三：判断是否出现出现maratos现象，如果出现maratos现象，则执行步骤四；如果未出现则执行步骤五；

步骤四：利用二阶修正技术更新弥散介质光学参数场的分布值：μ^k＝μ^k-1+δμ，k＝1,2,…；δμ表示利用二阶修正技术更新后的光学参数场的改变量，执行步骤六；

步骤五：利用序列二次规划算法更新弥散介质光学参数场的分布值：μ^k＝μ^k-1+δμ'，k＝1,2,…；δμ'表示利用序列二次规划算法更新后的光学参数场的改变量，执行步骤六；

步骤六：根据第k步迭代得到的光学参数分布μ^k，运用频域辐射传输方程进行计算，得到介质边界的出射辐射强度计算目标函数f(μ^k)，如果目标函数值小于阈值，执行步骤八；否则，执行步骤七；

步骤七：令迭代次数k＝k+1，更新序列二次规划子问题中的参数矩阵：β^k+1＝β^k+δb，执行步骤三，其中，β为拉格朗日方程中的海塞矩阵的近似，β^k为第k次迭代的参数值，β^k+1为第k+1次迭代的参数值；

步骤八：将当前迭代得到的光学参数场作为重建结果，结束反演过程。

进一步的，所述步骤一中所述激光头2发射的激光射入弥散介质3时，发射的激光沿穿过弥散介质几何中心的直线射入弥散介质3。

进一步的，当所述弥散介质3进行旋转时，激光头2发射的激光仍沿弥散介质3未旋转时的方向入射，即激光头2的绝对入射方向保持不变。

进一步的，所述步骤二中弥散介质的多宗量场μ包括吸收系数μa和散射系数μs光学参数场，且两部分参数场同时进行重建。

进一步的，所述步骤二中的频域辐射传输方程的表达式如下：

其中，i表示虚数单位，ω为调制频率，c为弥散介质中的光速，ω为辐射传输方向；表示梯度；μa、μs分别为吸收系数和散射系数；r为空间位置，i为辐射强度，ω′表示立体角；φ(ω′,ω)为弥散介质3的散射相函数，dω′表示ω′的微分。

进一步的，所述激光入射介质后，其辐射强度可以分为平行光ic和扩散光id：i＝ic+id，平行光的传输服从贝尔定律：

频域辐射传输方程为：

式中，sc(r,ω,ω)是由平行光引起的辐射源项。

进一步的，所述步骤二中目标函数f(μ⁰)的表达式为：

其中，ψ(μ)为正则化项，由吉洪诺夫正则化模型构建得到：

其中，n表示邻点参数的集合，xs和xr表示两个相邻的参数，bs-r为正则化参数。

进一步的，所述步骤四中光学参数分布的改变量δμ为：

其中，a^k为第k次迭代的步长，可由一维搜索得到；d^k为第k次求解序列二次规划子问题所得到的解；为应用二阶修正技术时，求解修正后的二阶规划子问题所得到的解。

进一步的，所述步骤五中表示此时光学参数场的改变量为：

δμ'＝a^kd^k。

本发明采用上述技术方案，具有如下有益效果：本发明运用多角度入射弥散介质的调频激光，对弥散介质边界的出射辐射强度进行多角度测量，通过增大激光经过弥散介质内部的光学厚度，获得的出射光子携带更为丰富的弥散介质内部结构的光学信息，并且通过多次测量得到了更多的边界探测信号数据，运用重建算法处理得到的重建结果具有较高的鲁棒性，可以更好地改善频域重建问题中的病态问题及串扰问题，更加高效、准确的解决弥散介质的光学参数重建问题。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明的重建流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合说明书附图1具体说明本实施方式，在本实施方式中，基于多角度测量的弥散介质光学参数场探测装置，包括：激光控制器1、激光头2、ccd相机4和数据采集处理系统5；

所述激光控制器1的输出端同时与激光头2的激光控制信号输入端和数据采集处理系统5的信号输入端连接，所述数据采集处理系统5的信号输入端与ccd相机4的信号输出端连接。

其中，激光头2分布在弥散介质3的上侧，ccd相机4与激光头2处于同一平面。

这样连接可以让数据采集处理系统5知道激光是什么时候射入介质的，对测得的输出信号可以进行同步处理。

本装置运用多角度入射弥散介质的调频激光，对弥散介质边界的出射辐射强度进行多角度测量，通过增大激光经过弥散介质内部的光学厚度，获得的出射光子携带更为丰富的弥散介质内部结构的光学信息，并且通过多次测量得到了更多的边界探测信号数据，运用重建算法处理得到的重建结果具有较高的鲁棒性，可以更好地改善频域重建问题中的病态问题及串扰问题，更加高效、准确的解决弥散介质的光学参数重建问题。

具体实施方式二：下面结合说明书附图2具体说明本实施方式，在本实施方式中，基于多角度测量的弥散介质光学参数场探测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：开启激光控制器1，使激光头2发射出的调频激光射入到弥散介质3中，然后将弥散介质3以几何中心为旋转中心顺时针旋转z°，旋转n次，且每次旋转都利用调频激光入射弥散介质3，90>z>0，n＞0；

只要沿顺时针旋转z°，哪怕只是旋转了这一次，改变了激光入射介质的光学厚度，就可以得到更为丰富的探测信号了，重建结果就会更精确。

所述激光头2每发射一次调频激光，所述ccd相机4都会采集一次弥散介质边界的出射辐射强度信号，然后将获得的所有出射辐射强度信号发送至数据采集处理系统5中；

所述数据采集处理系统5分别对其获得的出射辐射强度信号进行处理，获得弥散介质3各边界射出的光谱辐射强度值作为调频激光入射时的测量信号，m表示选取入射激光频域序号，s表示光源照射的边界序号，d表示探测点位置序号；

步骤二：假设弥散介质的多宗量光学参数场初值为μ⁰，将μ⁰带入频域辐射传输方程，计算得到不同频率下介质边界的透反射辐射强度信号与步骤一中的测量信号构成目标函数f(μ⁰)；

步骤三：判断是否出现出现maratos现象，如果出现maratos现象，则执行步骤四；如果未出现则执行步骤五；

步骤四：利用二阶修正技术更新弥散介质光学参数场的分布值：μ^k＝μ^k-1+δμ，k＝1,2,…；δμ表示利用二阶修正技术更新后的光学参数场的改变量，执行步骤六；

求解序列二次规划子问题，可以根据求解结果判断按哪种形式更新参数场分布值，然后可以更新参数场得到新的目标函数，与第二步的联系相当于在μ⁰的基础上，去利用序列二次规划算法迭代更新参数值。

步骤五：利用序列二次规划算法更新弥散介质光学参数场的分布值：μ^k＝μ^k-1+δμ'，k＝1,2,…；δμ'表示利用序列二次规划算法更新后的光学参数场的改变量，执行步骤六；

步骤六：根据第k步迭代得到的光学参数分布μ^k，运用频域辐射传输方程进行计算，得到介质边界的出射辐射强度计算目标函数f(μ^k)，如果目标函数值小于阈值，执行步骤八；否则，执行步骤七；

步骤七：令迭代次数k＝k+1，更新序列二次规划子问题中的参数矩阵：β^k+1＝β^k+δb，执行步骤三，其中，β为拉格朗日方程中的海塞矩阵的近似，β^k为第k次迭代的参数值，β^k+1为第k+1次迭代的参数值；β^k+1＝β^k+δb的实质含义为迭代次数增加时，序列二次规划子问题中某个参数β^k也对应更新；δb由下式求得：

其中，s^k为第k+1次迭代与第k次迭代得到的参数场变化量，即：s^k＝x^k+1-x^k，y^k与拉格朗日乘子有关，θ为与参数矩阵β^k有关的特征参数。

步骤八：将当前迭代得到的光学参数场作为重建结果，结束反演过程。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二的进一步说明，本实施方式与具体实施方式二的区别是所述步骤一中所述激光头2发射的激光射入弥散介质3时，发射的激光沿穿过弥散介质几何中心的直线射入弥散介质3。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式二的进一步说明，本实施方式与具体实施方式二的区别是当所述弥散介质3进行旋转时，激光头2发射的激光仍沿弥散介质3未旋转时的方向入射，即激光头2的绝对入射方向保持不变。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式二的进一步说明，本实施方式与具体实施方式二的区别是所述步骤二中弥散介质的多宗量场μ包括吸收系数μa和散射系数μs光学参数场，且两部分参数场同时进行重建。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式二的进一步说明，本实施方式与具体实施方式二的区别是所述步骤二中的频域辐射传输方程的表达式如下：

其中，i表示虚数单位，ω为调制频率，c为弥散介质中的光速，ω为辐射传输方向；表示梯度；μa、μs分别为吸收系数和散射系数；r为空间位置，i为辐射强度，ω′表示立体角；φ(ω′,ω)为弥散介质3的散射相函数，dω′表示ω′的微分。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六的进一步说明，本实施方式与具体实施方式六的区别是所述激光入射介质后，其辐射强度可以分为平行光ic和扩散光id：i＝ic+id，平行光的传输服从贝尔定律：

频域辐射传输方程为：

式中，sc(r,ω,ω)是由平行光引起的辐射源项。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式二的进一步说明，本实施方式与具体实施方式二的区别是所述步骤二中目标函数f(μ⁰)的表达式为：

其中，ψ(μ)为正则化项，由吉洪诺夫正则化模型构建得到：

其中，n表示邻点参数的集合，xs和xr表示两个相邻的参数，bs-r为正则化参数。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式八的进一步说明，本实施方式与具体实施方式八的区别是所述步骤四中光学参数分布的改变量δμ为：

其中，a^k为第k次迭代的步长，可由一维搜索得到；d^k为第k次求解序列二次规划子问题所得到的解；为应用二阶修正技术时，求解修正后的二阶规划子问题所得到的解。

具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式二的进一步说明，本实施方式与具体实施方式二的区别是所述步骤五中表示此时光学参数场的改变量为：

δμ'＝a^kd^k。

需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。