混濁介質(zhì)多參數(shù)光譜測量方法的建立及其應(yīng)用研究.pdf

1、光與材料的相互作用主要可分為吸收與散射兩類，如介質(zhì)材料具有相對于光吸收較強的光散射能力，則稱為光學(xué)混濁介質(zhì)?；鞚峤橘|(zhì)材料與人們的現(xiàn)實生活緊密聯(lián)系，如血液、軟組織、藥品、油品、陶瓷、塑料等，對其成分分析一直都是光譜學(xué)研究的熱點和難點問題。
　　混濁介質(zhì)的光學(xué)特征參數(shù)包括吸收系數(shù)光譜μa（λ）、散射系數(shù)光譜μs（λ）和散射各向異性因子光譜g（λ)，其中吸收系數(shù)光譜μa（λ）通常由混濁介質(zhì)材料的分子結(jié)構(gòu)決定，而散射系數(shù)光譜μs（λ）和散

2、射各向異性因子光譜g（λ）則由其顆粒結(jié)構(gòu)決定，因此混濁介質(zhì)光學(xué)特征參數(shù)光譜的準(zhǔn)確測量將極大地提高光譜學(xué)方法對于混濁介質(zhì)材料的分析能力。
　　目前研究報道中所見的均勻混濁介質(zhì)多光學(xué)參數(shù)測量方法，一般采用基于積分球裝置實現(xiàn)多點光信號采集，再通過不同模型進行仿真計算。上述方法存在測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，模型計算時間超長、且建模時引入理想條件等問題，均導(dǎo)致現(xiàn)有研究方法難以達(dá)到儀器化應(yīng)用水平，阻礙了光譜學(xué)方法在混濁介質(zhì)成分分析中的實際應(yīng)用

3、。
　　本文擬建立一種針對混濁介質(zhì)的多參數(shù)光譜學(xué)分析新方法，可同時測量并快速計算輸出被測混濁介質(zhì)樣品的吸收系數(shù)光譜、散射系數(shù)光譜和散射各向異性因子光譜，與現(xiàn)有單參數(shù)和多參數(shù)光譜分析方法比較，具有測量光學(xué)參數(shù)多、測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、無需樣品預(yù)處理、操作使用方便等優(yōu)勢。該方法采用數(shù)字鎖相技術(shù)和獨立光電傳感器相結(jié)合采集混濁介質(zhì)樣品的空間分布光強信號，獲得由漫反射率、漫透射率和準(zhǔn)直透射率組成的混濁介質(zhì)空間特征光信號測量值，并用其作為輸入?yún)?shù)

4、，通過基于蒙特卡洛仿真模型和微擾算法的逆計算，獲得被測混濁介質(zhì)樣品的吸收系數(shù)、散射系數(shù)和散射各向異性因子光譜數(shù)據(jù)，為混濁介質(zhì)材料的定性和定量分析提供一種無需樣品制備、快速準(zhǔn)確，并可實現(xiàn)儀器化應(yīng)用的光譜學(xué)分析新方法。
　　本文研究內(nèi)容具體包括如下幾個方面:
　　1、構(gòu)建了基于空間特征光信號、無需積分球裝置測量并逆計算輸出混濁介質(zhì)多參數(shù)光譜新方法。定義被測混濁介質(zhì)樣品的漫反射率、漫透射率和準(zhǔn)直透射率為混濁介質(zhì)樣品的空間特征光信號

5、，其由被測混濁介質(zhì)樣品外確定空間點測得的漫透射光強度、漫反射光強度和準(zhǔn)直透射光強度分別與樣品入射光強的比值所決定。在獲得上述結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過Beer-Lambert定律，由準(zhǔn)直透射率計算獲得被測混濁介質(zhì)樣品的衰減系數(shù)μt;通過基于輻射傳輸理論和菲涅爾公式建立的Monte Carlo仿真模型，由漫反射率和漫透射率測量結(jié)果逆計算獲得被測混濁介質(zhì)樣品的吸收系數(shù)μa，散射系數(shù)μs和散射各向異性因子g，并進而獲得寬光譜范圍內(nèi)的混濁介質(zhì)樣品多參數(shù)

6、光譜數(shù)據(jù)。
　　2、設(shè)計并實現(xiàn)了本文定義的混濁介質(zhì)樣品空間特征光信號所需測量系統(tǒng)，包括光學(xué)子系統(tǒng)、微弱光信號采集和放大處理硬件電路、基于傅里葉變換的空間特征光信號提取算法等。光學(xué)子系統(tǒng)包括廣譜光源、單色儀、光調(diào)制器，以及樣品系統(tǒng)等。光學(xué)子系統(tǒng)將廣譜光源發(fā)出的復(fù)合光經(jīng)單色儀色散為單色光，并經(jīng)強度調(diào)制后，入射至被測混濁介質(zhì)樣品;多個獨立光電探測器接收被測混濁介質(zhì)樣品外確定位置點的漫透射光信號、漫反射光信號和準(zhǔn)直透射光信號，以及樣品入射

7、光校準(zhǔn)光分量，并轉(zhuǎn)換為電流信號。微弱電流信號放大處理硬件電路包括前置放大電路、主放大電路、帶通濾波電路和50Hz陷波電路等。其中，前置放大電路首先將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號并進行初級放大;為提高測量信號的線性放大范圍，并提高測量信噪比，采用帶通濾波電路和50Hz陷波電路使噪聲信號得到明顯抑制;再經(jīng)主放大電路對弱電壓信號進一步完成線性放大。微弱電流信號放大電路的總跨阻放大倍數(shù)最高達(dá)到108-109(Ω)數(shù)量級，滿足空間特征光信號采集要求。基于傅

8、里葉變換的空間特征光信號提取算法包括:多通道模擬電壓信號高速采集并送A/D轉(zhuǎn)換、離散數(shù)據(jù)的FFT變換，以及在頻譜圖中實時調(diào)制頻率點的諧波分量值的準(zhǔn)確提取等。最終通過測量和計算獲得被測混濁介質(zhì)樣品的漫透射率、漫反射率和準(zhǔn)直透射率空間特征光信號結(jié)果。
　　3、將空間特征光信號測量值與基于輻射傳輸理論和菲涅爾公式，并采用微擾快速算法的Monte Carlo逆計算模型相結(jié)合，將空間特征光信號測量值、漫反射光和漫透射光探測器相對于樣品池中心

9、點的空間坐標(biāo)、光電探測器感光面積、樣品入射光截面積，以及樣品池折射率等作為輸入?yún)?shù)一并送入Monte Carlo逆計算模型，最終通過逆計算模型輸出被測樣品在一個波長點的吸收系數(shù)、散射系數(shù)和散射各向異性因子數(shù)據(jù)。通過在寬波長入射光范圍內(nèi)對空間特征光信號的測量和Monte Carlo逆計算，最終獲得所需波長范圍內(nèi)被測混濁介質(zhì)樣品的多參數(shù)光譜數(shù)據(jù)。
　　4、以Intralipid懸浮液為對象，對上述測量方法獲得結(jié)果的準(zhǔn)確性進行了實驗驗證

10、:將30％體積濃度的Intralipid懸浮液用蒸餾水分別配制成3％和6％體積濃度的Intralipid溶液，在400-780nm波長范圍內(nèi)測量兩種不同濃度Intralipid溶液的多參數(shù)光譜，并討論了漫反射率和漫透射率變化對多參數(shù)光譜輸出結(jié)果的影響。
　　5、開展了聚苯乙烯微球懸浮液的多參數(shù)光譜測量研究。選擇不同濃度下，粒徑分別為700nm和3500nm聚苯乙烯微球溶液進行測量，獲得了不同粒徑、不同濃度聚苯乙烯微球溶液的的多參數(shù)

11、光譜數(shù)據(jù)。
　　本文研究工作完成的混濁介質(zhì)多參數(shù)光譜測量方法與現(xiàn)有研究方法比較，具有如下創(chuàng)新:(1)、建立了一種基于散射光空間分布信號、無需積分球裝置、快速測定均勻混濁介質(zhì)樣品3個光學(xué)參數(shù)，即吸收系數(shù)、散射系數(shù)和各向異性因子及其光譜數(shù)據(jù)的新方法;(2)、該方法采用數(shù)字鎖相技術(shù)和獨立光電傳感器相結(jié)合采集混濁介質(zhì)樣品的空間分布光強信號，獲得由漫反射率、漫透射率和準(zhǔn)直透射率組成的特征信號測量值，并將其作為基于Monte Carlo模型的

12、逆計算方法輸入測量參數(shù);(3)、采用創(chuàng)新的微擾算法，利用參考樣品與微擾樣品之間3個光學(xué)參數(shù)的關(guān)聯(lián)，直接計算微擾樣品的特征信號，極大地減少了逆計算反復(fù)迭代過程中需要進行Monte Carlo仿真計算的次數(shù)，實現(xiàn)了基于Monte Carlo模型的快速逆運算。
　　存在的問題主要包括:(1)、光學(xué)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸過大，難以滿足儀器化現(xiàn)場檢測的應(yīng)用要求;(2)、由于氙燈光源低波長段光強較弱，造成低波長段空間特征光信號測量信噪比相對較低;(3