基于频域辐射传输的红外光学成像研究

摘要

自从1960年6月世界第一台激光器问世以来,激光就受到了研究者的广泛关注,并得到了不断地发展。到目前为止,激光技术已经被广泛应用于国防科技、大气遥感、生物医学、激光通信、工业加工、探伤诊断、光学层析成像、光动力疗法等领域。在激光器家族中,20世纪70年代出现了极具潜力的超短脉冲激光器,脉冲激光束的时间非常短,开和关的间隔仅为1飞秒(千万分之一秒)。超导脉冲激光的特性导致它具有广泛的用途和巨大的市场。本文主要考察超短脉冲激光在医疗科学领域的应用:生物医学光子成像技术,并对其进行理论研究。这项技术利用了近红外激光对生物组织较好的穿透性和无损伤特性,根据激光透过生物组织后的信号来模拟生物组织内物性参数分布,从而达到对人体病变进行早期检测的效果。光学成像的理论方法大致可以分为三种:连续波技术、时域方法和频域方法。时域和频域方法都可以重构吸收和散射光学参数。而频域测量手段较之时域方法在成像方面有着更大的优势,在近些年来得到了广泛的应用。
　　论文以超短脉冲激光照射参与性介质后的参数重构为研究方向,分析辐射在介质内的传输过程和依靠探测信息推导介质内部光学参数的逆问题求解方法。主要研究内容可以归纳为以下几个方面:
　　在瞬态辐射传输方程的基础上,利用傅里叶变换推导频域辐射传输方程。采用有限体积法求解频域方程,模拟超短脉冲激光在参与性介质内传输的过程,得到介质边缘的透射辐射信号,完成正问题研究。
　　分析反问题求解方法。介绍不同的反问题算法,选取共轭梯度法作为反演算法,推导反向-伴随差分法,并将其改进后应用于频域下的光学成像过程。
　　建立二维非均匀介质模型,比较分析得出适当的脉冲激光辐照方式,加入正则化信息优化成像结果,对含有不同大小、不同位置、不同形状内含物的非均匀介质进行光学参数成像,并分析得到成像的最小尺寸。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1 脉冲激光在介质内的光辐射传输

1.2.2 求解频域辐射传输的研究现状

1.2.3 激光辐照半透明体反问题研究进展

1.3 本文的主要研究内容

第2章 短脉冲激光入射半透明体的频域信号模拟

2.1 频域辐射传输理论模型

2.1.1 频域辐射传输方程

2.1.2 有限体积法离散

2.2 基于频域技术的光辐射信号模拟

2.2.1 二维均匀介质模拟

2.2.2 无关性验证与正确性验证

2.3 频域信号影响因素分析

2.3.1 激光参数对频域信号的影响

2.3.2 介质物性参数对频域信号的影响

2.4 本章小结

第3章 基于频域技术的辐射反问题模型

3.1 辐射传输反问题研究简介

3.2 频域下辐射反问题模型

3.2.1 扰动法

3.2.2 反向-伴随差分法

3.3 频域下的辐射反问题正则化理论

3.4 本章小结

第4章 基于频域技术的光学成像

4.1 不同辐照模型下的光学成像

4.1.1 不同激光入射方式下的光学成像

4.1.2 正则化下的光学成像

4.1.3 不同初始参数下的光学成像

4.1.4 不同探测频率下的光学成像

4.1.5 不同脉冲宽度下的光学成像

4.1.6 不同内含物尺寸的光学成像

4.2 多内含物介质光学成像

4.2.1 方形内含物光学成像

4.2.2 圆形内含物光学成像

4.3 扰动法比较与实用化分析

4.3.1 扰动法与伴随差分法的比较

4.3.2 生物组织散射相函数

4.3.3 实用化分析

4.3.4 内含物成像最小尺寸分析

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

声明

致谢