基于光場相機與調(diào)頻激光的彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建探測裝置及重建方法
【專利摘要】基于光場相機與調(diào)頻激光的彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建探測裝置及重建方法，涉及彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建探測裝置和光學參數(shù)分布的重建方法。為了解決傳統(tǒng)接觸式測量的光學系數(shù)重建過程中存在的裝置復雜和無法區(qū)分各個方向的輻射強度信號的問題。彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建探測裝置包括激光控制器、激光頭、至少一個光場相機和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；本發(fā)明利用光場相機獲取調(diào)頻激光作用下彌散介質(zhì)邊界各個方向上的輻射強度信息，通過模擬彌散介質(zhì)內(nèi)的紅外輻射傳輸過程，并結(jié)合最優(yōu)化方法，重建得到介質(zhì)內(nèi)部的吸收、散射系數(shù)分布圖像，從而探測得到彌散介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本發(fā)明適用于彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建領(lǐng)域。
【專利說明】
基于光場相機與調(diào)頻激光的彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建探 測裝置及重建方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建探測裝置和光學參數(shù)分布的重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 彌散介質(zhì)內(nèi)部光學參數(shù)分布的重建是通過分析介質(zhì)邊界的測量信號來反演內(nèi)部 光學參數(shù)場，由于介質(zhì)內(nèi)部的吸收、散射系數(shù)分布與介質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)相關(guān)，所以彌散介質(zhì)內(nèi) 部吸收、散射系數(shù)的重建技術(shù)有助于探測介質(zhì)內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)。作為一種有效的探測技術(shù)，彌 散介質(zhì)光學參數(shù)場重建廣泛應用于無損探測、光學成像、紅外遙感、信息處理和故障診斷等 領(lǐng)域。
[0003] 近紅外激光作用于彌散介質(zhì)，會得到與介質(zhì)內(nèi)部吸收、散射系數(shù)分布相關(guān)的輻射 信號，所以重建介質(zhì)內(nèi)部吸收、散射系數(shù)首先需要建立模擬激光在介質(zhì)內(nèi)的傳輸模型，以計 算介質(zhì)邊界的出射輻射信號。根據(jù)采用激光光源的不同，輻射傳輸模型可以分為穩(wěn)態(tài)(連續(xù) 激光）、時域(脈沖激光)和頻域(調(diào)頻激光)模型，在這三種模型中，采用調(diào)頻激光的頻域輻 射傳輸模型可以避免時域模型的技術(shù)限制，同時能夠提供比穩(wěn)態(tài)模型更多的測量信息，成 為在輻射反問題中最具發(fā)展前景的計算模型。
[0004] 傳統(tǒng)彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建過程中，輻射信號的測量主要以接觸式的光纖 測量為主，種接觸式測量方法需要多光纖通道和光開關(guān)來實現(xiàn)多點信號測量，裝置復雜;接 觸式的光纖測量過程中，進行每次測量時都需要設(shè)置多光纖通道，導致該方法的測量效率 較低，并且利用該方法進行光學系數(shù)重建時，在測量次數(shù)較少的情況下，存在病態(tài)特性和吸 收、散射系數(shù)之間的串擾問題，所以需要進行多次測量克服這種問題，使得利用光纖進行彌 散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建方法的測量效率較低；同時，利用光纖進行彌散介質(zhì)光學參數(shù) 分布的重建方法所得的信號為輻射熱流密度，無法區(qū)分各個方向的輻射強度信號。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)接觸式測量的光學系數(shù)重建過程中存在的裝置復雜和無法 區(qū)分各個方向的輻射強度信號的問題。進而提出一種基于光場相機與調(diào)頻激光的彌散介質(zhì) 光學參數(shù)分布的重建探測裝置和基于光場相機與調(diào)頻激光的彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重 建方法。
[0006] 1、基于光場相機與調(diào)頻激光的彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建探測裝置，包括:激 光控制器、激光頭、至少一個光場相機和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；
[0007]激光控制器的一端(激光控制信號輸出端)連接激光頭的激光控制信號輸出端，激 光控制器的另一端連接數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng);激光頭正對彌散介質(zhì);光場相機分布在彌散介 質(zhì)的周圍，光場相機的信號輸出端連接數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的輸入端;數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)對 獲得的輻射場信號進行處理，并計算得到得到彌散介質(zhì)的光學參數(shù)場的分布。
[0008] 2、利用所述的基于光場相機與調(diào)頻激光的彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建探測裝 置進行彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建方法，所述方法包括以下步驟：
[0009] 步驟一:開啟激光控制器，使激光頭發(fā)射出的調(diào)頻激光入射到彌散介質(zhì)上，然后將 彌散介質(zhì)旋轉(zhuǎn)η次，并利用激光照射彌散介質(zhì)，n>0;
[0010] 激光頭每發(fā)射一次激光則利用光場相機采集一次彌散介質(zhì)透射或反射出的輻射 場信號，然后將獲得的所有輻射場信號發(fā)送至數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)分 別對其獲得的輻射場信號進行處理，獲得彌散介質(zhì)邊界的出射光譜輻射強度值/=作為測 量信號，S代表光源照射序號，d代表探測點位置序號；
[0011]步驟二:假設(shè)彌散介質(zhì)的光學參數(shù)場為μ13，將μ13帶入頻域輻射傳輸方程，計算得到 介質(zhì)邊界的透反射輻射強度信號與步驟一中的測量信號<1/構(gòu)成目標函數(shù)F(J);
[0012] 步驟三:根據(jù)共輒梯度法更新彌散介質(zhì)光學參數(shù)場的分布值:yk=yk4+Ay，
[0013] k = l,2,···;
[0014] 步驟四：根據(jù)第k步迭代得到的光學參數(shù)分布μ15，通過頻域輻射傳輸方程計算介質(zhì) 邊界的輻射強度信號計算目標函數(shù)F(y k)，如果目標函數(shù)值小于極少值ε，執(zhí)行步驟六； 否則，執(zhí)行步驟五；
[0015] 步驟五:如果迭代次數(shù)k達到最大迭代次數(shù)Κ，使當前的光學參數(shù)場分布作為初值， 重新開始迭代，即令Jiyk，即將值賦予μ* 3,執(zhí)行步驟二;否則，執(zhí)行步驟三；
[0016] 步驟六:將當前迭代得到的光學參數(shù)場作為重建結(jié)果，結(jié)束反演過程。
[0017]本發(fā)明具有以下效果：
[0018] 在目前的彌散介質(zhì)吸收、散射系數(shù)分布同時重建研究中，輻射信號的測量主要以 接觸式的光纖測量為主，通過光場相機測量光場信號的技術(shù)尚未得到應用。本發(fā)明利用光 場成像技術(shù)進行彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布重建，與傳統(tǒng)成像技術(shù)相比，獲取的信息多出了兩 個自由度，因而在信息重建中能獲得更加豐富的信息，而且具有系統(tǒng)簡單、硬件設(shè)備成本 低、結(jié)構(gòu)緊湊，成像效果好，數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點。
[0019] 本發(fā)明所述的基于光場相機與調(diào)頻激光的彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建方法能 夠分辨出不同方向的輻射強度。
[0020] 本發(fā)明的方法無需每次測量時都設(shè)置過多的光纖，且測量過程簡單；與傳統(tǒng)接觸 式測量相比，本發(fā)明的測量效率能夠成倍提升。而且本發(fā)明在測量較少的情況下也能夠有 效的克服光學系數(shù)重建中的病態(tài)特性和吸收、散射系數(shù)之間的串擾問題。
【附圖說明】
[0021 ]圖1本發(fā)明重建探測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖2為基于光場相機與調(diào)頻激光的彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建方法的流程圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0023] 一:結(jié)合圖1說明本實施方式，
[0024] 基于光場相機與調(diào)頻激光的彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建探測裝置，包括:激光 控制器1、激光頭2、至少一個光場相機4和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)5;
[0025] 激光控制器1的一端(激光控制信號輸出端)連接激光頭2的激光控制信號輸出端， 激光控制器1的另一端連接數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)5;激光頭2正對彌散介質(zhì)3;光場相機4分布在 彌散介質(zhì)3的周圍，光場相機4的信號輸出端連接數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)5的輸入端;數(shù)據(jù)采集處 理系統(tǒng)5對獲得的輻射場信號進行處理，并計算得到得到彌散介質(zhì)的光學參數(shù)場的分布。
【具體實施方式】 [0026] 二:結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，
[0027] 利用基于光場相機與調(diào)頻激光的彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建探測裝置進行彌 散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建方法，包括以下步驟：
[0028]步驟一:開啟激光控制器1，使激光頭2發(fā)射出的調(diào)頻激光入射到彌散介質(zhì)3上，然 后將彌散介質(zhì)3旋轉(zhuǎn)η次，并利用激光照射彌散介質(zhì)3，n>0;
[0029] 激光頭2每發(fā)射一次激光則利用光場相機4采集一次彌散介質(zhì)透射或反射出的輻 射場信號，然后將獲得的所有輻射場信號發(fā)送至數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)5中，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng) 5分別對其獲得的輻射場信號進行處理，獲得彌散介質(zhì)邊界的出射光譜輻射強度值作為 測量信號，s代表光源照射序號，d代表探測點位置序號；
[0030] 步驟二:假設(shè)彌散介質(zhì)的光學參數(shù)場為J，將J帶入頻域輻射傳輸方程，計算得到 介質(zhì)邊界的透反射輻射強度信號/&，與步驟一中的測量信號構(gòu)成目標函數(shù)Fb，；
[0031] 步驟三:根據(jù)共輒梯度法更新彌散介質(zhì)光學參數(shù)場的分布值: 2,…；
[0032] 步驟四：根據(jù)第k步迭代得到的光學參數(shù)分布μ15，通過頻域輻射傳輸方程計算介質(zhì) 邊界的輻射強度信號/&，計算目標函數(shù)F(y k)，如果目標函數(shù)值小于極少值ε，執(zhí)行步驟六； 否則，執(zhí)行步驟五；
[0033]步驟五:如果迭代次數(shù)k達到最大迭代次數(shù)Κ，使當前的光學參數(shù)場分布作為初值， 重新開始迭代，即令'ιμ15，即將值賦予μ*3,執(zhí)行步驟二;否則，執(zhí)行步驟三；
[0034]步驟六:將當前迭代得到的光學參數(shù)場作為重建結(jié)果，結(jié)束反演過程。
[0035]【具體實施方式】三：
[0036] 本實施方式所述的光學參數(shù)場μ包括彌散介質(zhì)的吸收系數(shù)ya和散射系數(shù)ys，彌散介 質(zhì)的吸收系數(shù)和散射系數(shù)y s的分布圖像是同時重建的。
[0037] 其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】二相同。
[0038]【具體實施方式】四：
[0039] 本實施方式所述步驟二和步驟四中所述的頻域輻射傳輸方程通過離散坐標法求 解，
[0040] 頻域輻射傳輸方程的表達式如下：
[0042]其中，i表示虛數(shù)單位，ω為調(diào)制頻率，c為彌散介質(zhì)中的光速，Ω為輻射傳輸方向， ▽表示梯度;ya、ys分別為ya、ys中的元素;r為空間位置，I(r, Ω，ω )為在t時亥I」、位置為r、調(diào) 頻為ω的輻射強度，Ω 7為輻射入射方向，Ω 7表示立體角；Φ ( Ω、Ω )為彌散介質(zhì)3的散射 相函數(shù);(1Ω'表示微分。
[0043]其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】二或三相同。
【具體實施方式】 [0044] 五：
[0045]本實施方式所述步驟四中目標函數(shù)方程的表達式如下：
[0047] 其中，！Κμ)為正則化項，由廣義馬克爾夫隨機場模型構(gòu)建得到，用以克服反問題的 病態(tài)特性。
[0048] 其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】二至四之一相同。
【具體實施方式】 [0049] 六：
[0050]本實施方式所述步驟三采用的共輒梯度法具體描述如下：
[0051]
[0052] 其中，ak為第k次迭代的步長，可由一維搜索得到;dk為第k次迭代的下降方向，由當 前目標函數(shù)梯度和上一次迭代的下降方向決定：
[0053] dk =-VF + ^ld!iA
[0054] 其中，VP為目標函數(shù)關(guān)于待重建參數(shù)的梯度，妒為第k次迭代的共輒系數(shù)。
[0055] 其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】二至五之一相同。
【主權(quán)項】
1. 基于光場相機與調(diào)頻激光的彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建探測裝置，其特征在于所 述裝置包括:激光控制器(1)、激光頭(2)、至少一個光場相機(4)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(5); 激光控制器（1)的一端連接激光頭（2)的激光控制信號輸出端，激光控制器（1)的另一 端連接數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(5);激光頭(2)正對彌散介質(zhì)（3);光場相機(4)分布在彌散介質(zhì) (3)的周圍，光場相機(4)的信號輸出端連接數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(5)的輸入端;數(shù)據(jù)采集處理 系統(tǒng)(5)對獲得的輻射場信號進行處理，并計算得到得到彌散介質(zhì)的光學參數(shù)場的分布。2. 利用權(quán)利要求1所述的裝置進行彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建方法，其特征在于所 述方法包括以下步驟： 步驟一:開啟激光控制器（1)，使激光頭（2)發(fā)射出的調(diào)頻激光入射到彌散介質(zhì)（3)上， 然后將彌散介質(zhì)(3)旋轉(zhuǎn)η次，并利用激光照射彌散介質(zhì)(3)，n>0; 激光頭（2)每發(fā)射一次激光則利用光場相機(4)采集一次彌散介質(zhì)透射或反射出的輻 射場信號，然后將獲得的所有輻射場信號發(fā)送至數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(5)中，數(shù)據(jù)采集處理系 統(tǒng)(5)分別對其獲得的輻射場信號進行處理，獲得彌散介質(zhì)邊界的出射光譜輻射強度值/? 作為測量信號，s代表光源照射序號，d代表探測點位置序號； 步驟二:假設(shè)彌散介質(zhì)的光學參數(shù)場為J，將J帶入頻域輻射傳輸方程，計算得到介質(zhì) 邊界的透反射輻射強度信號/&，與步驟一中的測量信號構(gòu)成目標函數(shù)F(J); 步驟三:根據(jù)共輒梯度法更新彌散介質(zhì)光學參數(shù)場的分布值:Pk = Pk+1+ ΑμΛ=1，2,…； 步驟四：根據(jù)第k步迭代得到的光學參數(shù)分布yk，通過頻域輻射傳輸方程計算介質(zhì)邊界 的輻射強度信號 ，計算目標函數(shù)F(yk)，如果目標函數(shù)值小于極少值ε，執(zhí)行步驟六;否則， 執(zhí)行步驟五； 步驟五:如果迭代次數(shù)k達到最大迭代次數(shù)K，使當前的光學參數(shù)場分布作為初值，重新 開始迭代，即令J=Pk，即將以喻值賦予Λ執(zhí)行步驟二;否則，執(zhí)行步驟三； 步驟六:將當前迭代得到的光學參數(shù)場作為重建結(jié)果，結(jié)束反演過程。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建方法，其特征在于所述的光學 參數(shù)場μ包括彌散介質(zhì)的吸收系數(shù)和散射系數(shù)y s，彌散介質(zhì)的吸收系數(shù)和散射系數(shù)以5的 分布圖像是同時重建的。4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建方法，其特征在于步驟二和 步驟四中所述的頻域輻射傳輸方程通過離散坐標法求解， 頻域輻射傳輸方程的表達式如下：其中，i表示虛數(shù)單位，ω為調(diào)制頻率，C為彌散介質(zhì)中的光速，Ω為輻射傳輸方向，▽表 示梯度;ya、ys分別為ya、ys中的元素;r為空間位置，I(r, Ω，ω )為在t時亥I」、位置為r、調(diào)頻為 ω的福射強度，Ω '為福射入射方向，Ω '表不立體角；φ ( Ω '，Ω )為彌散介質(zhì)（3)的散射相 函數(shù);(1Ω '表不微分。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建方法，其特征在于步驟四中目 標函數(shù)方程的表達式如下：其中，Φ(μ)為正則化項，由廣義馬克爾夫隨機場模型構(gòu)建得到。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建方法，其特征在于步驟三采用 的共軛梯度法具體描沭如下：其中，ak為第k次迭代的步長;dk為第k次迭代的下降方向，由當前目標函數(shù)梯度和上一 次迭代的下降方向決定：其中，VF為目標函數(shù)關(guān)于待重建參數(shù)的梯度，櫨為第k次迭代的共輒系數(shù)。7. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建方法，其特征在于步驟四中 目標函數(shù)方程的表達式如下：其中，s和d分別代表光源和探測點的數(shù)量，Φ(μ)為正則化項，由廣義馬克爾夫隨機場模 型構(gòu)建得到。8. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建方法，其特征在于步驟三采 用的共輒梯度法具體描述如下：其中，ak為第k次迭代的步長;dk為第k次迭代的下降方向，由當前目標函數(shù)梯度和上一 次佚代的下隆方向決宙：其中，VF為目標函數(shù)關(guān)于待重建參數(shù)的梯度，櫨為第k次迭代的共輒系數(shù)。9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的彌散介質(zhì)光學參數(shù)分布的重建方法，其特征在于步驟三采用 的共輒梯度法具體描述如下：其中，ak為第k次迭代的步長;dk為第k次迭代的下降方向，由當前目標函數(shù)梯度和上一 次迭代的下降方向決定：其中，VF為目標函數(shù)關(guān)于待重建參數(shù)的梯度，櫨為第k次迭代的共輒系數(shù)。
【文檔編號】G01N21/17GK106018286SQ201610330924
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】齊宏, 喬要賓, 阮世庭, 阮立明, 談和平, 周鶩, 蔡小舒
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學