本發(fā)明涉及一種獲得渾濁介質(zhì)光學參數(shù)光譜數(shù)據(jù)的方法。特別是涉及一種用于實時獲得渾濁介質(zhì)多光學參數(shù)光譜數(shù)據(jù)的逆計算方法。

背景技術(shù)：

1、渾濁介質(zhì)材料具有較強的光散射特性，涵蓋包括生物組織在內(nèi)的許多材料，如牛奶、葡萄酒、合成材料、細胞樣品、血液、皮膚、環(huán)境污水和污染氣體等，渾濁介質(zhì)特征參數(shù)光譜的測量研究在材料研究、食品檢驗、環(huán)境監(jiān)測與臨床診斷等領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用，為光學領(lǐng)域內(nèi)的重大基本科學問題之一。渾濁介質(zhì)材料內(nèi)部存在微?；蛘凵渎史蔷鶆蚪Y(jié)構(gòu)(微米尺度量級)，顯現(xiàn)較強的光散射特性，而其材料分子結(jié)構(gòu)的差異(納米尺度量級)造成光譜區(qū)域內(nèi)較大的吸收特性差異，因而其光譜含有豐富的材料特征信息。

2、準確測量可描述渾濁介質(zhì)材料光學特性的多個參數(shù)(以下簡稱為多參數(shù))及其光譜數(shù)據(jù)為一隱式光散射逆問題，其求解需要建立于對渾濁介質(zhì)材料內(nèi)光散射機理與能量傳輸過程的準確描述基礎(chǔ)之上。目前認為可準確描述光與尺度遠大于波長的渾濁介質(zhì)樣品相互作用的模型為輻射傳輸理論。根據(jù)該理論，光能量在渾濁介質(zhì)材料中的傳播可由下述穩(wěn)態(tài)、單一能量、無源的輻射傳輸方程描述：

3、

4、其中l(wèi)(r,s)為在位置r、沿單位向量s方向傳播的光輻射度，μa為材料吸收系數(shù)，μs為材料散射系數(shù)，p(s,s’)為材料散射相函數(shù)，dω’為單位向量s’方向的立體角積分微元。上述渾濁介質(zhì)材料的多個光學參數(shù)μa、μs和p(s,s’)均為波長λ的函數(shù)。與其他近似理論模型如kubelka-munk近似和光擴散模型相比，輻射傳輸理論描述光在渾濁介質(zhì)材料中傳輸過程和能量分布的準確性較高，本發(fā)明根據(jù)輻射傳輸理論對渾濁介質(zhì)材料內(nèi)的光傳輸過程和能量分布進行仿真計算。

5、上述公式(1)中的散射相函數(shù)p(s,s’)描述光能量由s’方向散射至s方向的分布，其準確測量需要在多個散射角度上測量散射光強，一般需要特殊的儀器和較長的時間，因而很難在較大的波長λ范圍內(nèi)實現(xiàn)。henyey和greenstein于1941年定義了hg函數(shù)，即漢尼－格林斯坦散射相函數(shù)phg(cosθ)，可近似代替許多種不同的渾濁介質(zhì)材料的實際散射相函數(shù)p(s,s’)，即設(shè)p(s,s’)約等于phg(cosθ)，其中θ為散射光方向s’與入射光方向s之間的極角。hg函數(shù)形式完全由參數(shù)g決定，而g的定義恰為基于光散射過程所計算的cosθ的平均值，通常定義為各向異性系數(shù)。由于hg函數(shù)形式簡單、便于分析，可近似代替渾濁介質(zhì)材料的實際散射相函數(shù)，在許多研究中得到廣泛采用，并被證明可近似代表許多不同種類渾濁介質(zhì)材料散射相函數(shù)的角度區(qū)域平均分布。本發(fā)明使用hg函數(shù)替代渾濁介質(zhì)樣品材料的散射相函數(shù)p(s,s’)，采用基于輻射傳輸理論的仿真模型描述渾濁介質(zhì)材料內(nèi)的光傳輸過程和計算散射光信號，假設(shè)已知菲涅爾公式所定義的折射率n，則所測量的渾濁介質(zhì)材料光學參數(shù)為μa、μs和g。需要指出的是，一般材料的μa、μs和g均為波長λ的函數(shù)，因此μa、μs和g的光譜數(shù)據(jù)可完全描述在輻射傳輸理論架構(gòu)下的渾濁介質(zhì)材料光學特性。

6、獲取渾濁介質(zhì)樣品的3個光學參數(shù)即μa、μs和g的光譜數(shù)據(jù)一般需要在多個波長分別迭代求解基于方程(1)的光散射逆問題，最終使得在每個波長根據(jù)方程(1)和假設(shè)的μa、μs和g值所得到的散射光計算值與相應(yīng)的測量值在實驗誤差范圍內(nèi)相符。

7、除極少數(shù)樣品邊界和光源-測量傳感器幾何呈簡單形狀(如長方體或球形)的邊界值問題之外，一般情況下基于輻射傳輸方程(1)的邊界值問題均無法獲得解析解和閉合解，需采用數(shù)值或統(tǒng)計求解方法，如有限元方法、adding-doubling方法和discrete?ordinate方法等。但這些數(shù)值求解算法和編程較為復(fù)雜，任何樣品邊界或光源-測量傳感器幾何形狀的變化都需要修改程序，工作量較大。鑒于這些問題，許多研究人員轉(zhuǎn)向發(fā)展算法相對簡單的統(tǒng)計求解方法，其中最具代表的是蒙特卡羅(monte?carlo)求解輻射傳輸理論邊界值問題的方法。

8、已見于文獻報道的渾濁介質(zhì)材料多參數(shù)以及光譜數(shù)據(jù)的測量方法均需分多步求解光散射逆問題，包括使用積分球測量散射光信號的方法(參見例如c.chen,j.q.lu,h.ding,k.m.jacobs,y.du,and?x.h.hu,"a?primary?method?for?determination?ofoptical?parameters?of?turbid?samples?and?application?to?intralipid?between550?and?1630nm",optics?express,vol.14,pp.7420-7435(2006)以及文章內(nèi)所引的其他參考文獻)和不需使用積分球測量散射光信號的方法(參見例如x.liang,m.li,j.q.lu,c.huang,y.feng,y.sa,j.ding,x.h.hu"spectrophotometric?determination?of?turbidoptical?parameters?without?using?an?integrating?sphere",applied?optics,vol.55,pp.2079-2085(2016)以及文章內(nèi)所引的其他參考文獻)。這些方法一般需要制備厚度d值較小的樣品；否則所測量的樣品準直透射率tc值會因為信噪比過小而產(chǎn)生較大的誤差，根據(jù)準確測量的tc與d值，可快速計算獲得材料的衰減系數(shù)μt＝μa+μs；然后再根據(jù)其他散射光信號的測量值，如漫反射率rd和滿透射率td，通過基于物理關(guān)系的逆計算方法，求解其他光學參數(shù)如散射反射率(scattering?albedo)a＝μs/μt和g，從而獲得3個光學參數(shù)值μa、μs和g。由于上述方法需要測量的tc值隨樣品的衰減系數(shù)μt和厚度d指數(shù)下降，因此所制備樣品的厚度d必須足夠小，才能獲得可滿足信噪比要求的tc值的測量值。當d值很小時，如小于0.5毫米，則樣品制備難度增大、d值測量誤差上升，導致所獲得的光學參數(shù)誤差上升。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可準確測量厚度為現(xiàn)有方法所允許厚度的2倍或更多倍數(shù)的渾濁介質(zhì)樣品的光譜數(shù)據(jù)的用于實時獲得渾濁介質(zhì)多光學參數(shù)光譜數(shù)據(jù)的逆計算方法。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種用于實時獲得渾濁介質(zhì)多光學參數(shù)光譜數(shù)據(jù)的逆計算方法，包括如下步驟：

3、1)獲取渾濁介質(zhì)樣品，并獲取用于測量渾濁介質(zhì)多參數(shù)光譜測量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)的物理參數(shù)，所述的物理參數(shù)包括：樣品和樣品皿的形狀、尺寸和折射率，探測器的形狀、尺寸、相對于根據(jù)樣品皿表面參考點和參考方向所定義的坐標原點與坐標軸的距離和取向；

4、2)獲取入射光束的形狀、面積、功率分布、入射角度、測量波長中心值λ和帶寬的測量值，以及入射光束的光強測量值，將入射光束入射至樣品；

5、3)在相對于樣品皿的多個角度上測量自樣品和樣品皿出射的散射光信號，獲得測量波長中心值λ處的散射光信號測量值，包括漫反射率測量值rd、漫透射率測量值td和前向透射率測量值tf；

6、4)對不同的波長下渾濁介質(zhì)樣品的三個光學參數(shù)即吸收系數(shù)μa、散射系數(shù)μs和各向異性系數(shù)g用光學參數(shù)矢量點p來表示，記為p(λ)＝(μa,μs,g)，其中(μa,μs,g)所定義的參數(shù)空間稱為樣品光學參數(shù)空間；設(shè)定樣品光學參數(shù)矢量初始預(yù)設(shè)值為p0(λ)＝(μa0,μs0,g0)，其中，μa0為樣品初始吸收系數(shù)、μs0為樣品2初始散射系數(shù)、g0為樣品初始各向異性系數(shù)，并求出p(λ)在樣品光學參數(shù)空間內(nèi)的共記mp-1個相鄰的點，取mp＝7，則有六個相鄰的光學參數(shù)矢量點p，分別為(μa0±sa,μs0,g0)，(μa0,μs0±ss,g0)，(μa0,μs0,g0±sg)，其中sa、ss和sg分別為相鄰點參數(shù)距離，取值為sa＝0.01μa0、ss＝0.01μs0和sg＝0.01g0，或mp取5到27之間的值，sa、ss和sg分別取所對應(yīng)值的1倍到10倍之間的值；將包括光學參數(shù)矢量初始預(yù)設(shè)值p(λ)在內(nèi)的mp個不同的光學參數(shù)矢量點分別帶入基于輻射傳輸理論的蒙特卡洛光跡追蹤方法，獲得mp組不同的散射光信號計算值，每組散射光信號計算值都包括漫反射率計算值rdc、漫透射率計算值tdc與前向透射率計算值tfc；

7、5)根據(jù)樣品的散射光信號測量值：漫反射率測量值rd、漫透射率測量值td和前向透射率測量值tf，與樣品的散射光信號計算值：漫反射率計算值rdc、漫透射率計算值tdc和前向透射率計算值tfc，求出光學參數(shù)矢量點p點處的第一優(yōu)化目標函數(shù)ρδ(p)和第二優(yōu)化目標函數(shù)ρ1/δ(p)；

8、6)判斷是否第一優(yōu)化目標函數(shù)ρδ(p)值大于設(shè)定的目標函數(shù)閾值ρth，或者第二優(yōu)化目標函數(shù)ρ1/δ(p)值小于設(shè)定的目標函數(shù)閾值ρth，是則進入步驟7)；否則進入步驟8)；

9、7)搜索更新樣品光學參數(shù)矢量點p，然后返回步驟4)；

10、8)保存當前所有粒子的最佳位置pg，pg即作為渾濁介質(zhì)樣品在波長中心值為λ處的光學參數(shù)矢量的解：吸收系數(shù)μa、散射系數(shù)μs和各向異性系數(shù)g，完成測量波長中心值為λ的逆散射問題求解；

11、9)選擇新的測量波長中心值λ，返回步驟2)，直至完成測量波長范圍內(nèi)的所有波長中心值的渾濁介質(zhì)樣品吸收系數(shù)μa、散射系數(shù)μs和各向異性系數(shù)g的逆計算求解，即獲得渾濁介質(zhì)多光學參數(shù)光譜數(shù)據(jù)。

12、本發(fā)明的用于實時獲得渾濁介質(zhì)多光學參數(shù)光譜數(shù)據(jù)的逆計算方法，所需的多個散射光信號測量值可采用無需積分求和無需測量衰減系數(shù)的裝置，因此可準確測量厚度為現(xiàn)有方法所允許厚度的2倍或更多倍數(shù)的渾濁介質(zhì)樣品的吸收系數(shù)μa、散射系數(shù)μs和各向異性系數(shù)g的光譜數(shù)據(jù)，進而顯著降低樣品制備難度與時間和提高信號測量的信噪比，可實時獲得渾濁介質(zhì)多參數(shù)光譜數(shù)據(jù)。采用本發(fā)明的逆計算方法，可顯著簡化樣品信號測量系統(tǒng)與樣品制備步驟，在準確快速測量散射光信號光譜數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上、準確實時獲得由吸收系數(shù)μa、散射系數(shù)μs和各向異性系數(shù)g組成的渾濁介質(zhì)多光學參數(shù)光譜數(shù)據(jù)。