苹果组织中光传输的蒙特卡洛分析方法研究与实现

摘要

本文将组织光学的研究方法引入苹果内部品质检测中，对光与苹果组织的相互作用机理及苹果组织中光场分布的特性进行了重点研究。相对于目前通常采用的近红外光谱法，组织光学的方法是从苹果组织“内部”看问题，对组织内部光传输及光场分布分析具有重要意义。采用理论分析、数值模拟与实验研究相结合的方法，完成了包括光与苹果组织的相互作用理论研究、单积分球系统测量不同糖含量苹果组织液的光学特性参数、苹果组织中糖含量与光学特性参数的关系、光场分布与光学特性参数的关系、苹果组织中后向散射光场的光强分布特点等工作。具体内容包括:
　　1、研究光与组织的相互作用理论，介绍Boltzmann传输方程，重点研究漫射近似理论及其在无限和半无限介质中的解。
　　2、设计单积分球光学参数测量系统。对苹果组织进行榨汁、离心处理，利用单积分球测量系统测量得到不同糖分含量下苹果组织液的光学特性参数，建立苹果内部糖分含量与光学特性参数的定量关系，为研究光在苹果中的分布及苹果成分浓度测量提供了数据资料和基础。
　　3、基于测得的苹果组织光学参数与糖分含量的关系，利用蒙特卡洛方法模拟得到不同参量的仿真数据，分析光学参数改变时，漫反射、漫透射、吸收比、光能利率等物理量的变化。
　　4、建立组织的单层和双层光学模型，用蒙特卡洛进行仿真，得到仿真数据，用Matlab构建二维图像，形象地描述光子在苹果组织中的运动轨迹，讨论光学特性参数对光场分布的影响。
　　对单层组织，分析准直光束在苹果组织中的光强分布随纵向深度的变化规律;光学特性参数对能量分布的影响。对双层组织，分析吸收能量密度和光能流率在径向和纵向上的变化规律，并简单分析高斯光束与平面圆光束模拟光在双层组织中的传输，得到了具有实际意义的结果。
　　5、研究蒙特卡洛仿真得到的苹果组织内部散射光场的光强分布特点，并通过实验的方法利用CCD采集苹果竖切面形成的侧向散射光强分布图，从光学这一新的角度来研究侧向散射光场光强分布特性，来验证蒙特卡洛方法的准确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 苹果品质检测技术的意义及发展概况

1．1．1 水果外部品质检测技术

1．1．2 水果内部品质检测技术

1．1．3 国内外研究状况

1．2 组织光学的发展概况及在苹果内部品质检测中的应用

1．2．1 组织光学的发展概况

1．2．2 组织光学在苹果内部品质检测中的应用

1．3 课题来源

1．4 本文主要工作

第二章 光与混沌介质的相互作用

2．1 苹果组织的光学特性参数

2．1．1 吸收系数

2．1．2 散射系数

2．1．3 相位函数

2．1．4 折射率

2．1．5 几个导出量

2．2 光子与组织相互作用的方式

2．3 光在组织中的传输

2．3．1 传输理论

2．3．2 漫射近似理论

2．3．3 漫射近似方程求解

2．4 本章小结

第三章 苹果组织光学参数与糖分含量的关系研究

3．1 透射法测量光学参数

3．1．1 实验装置

3．1．2 实验原理

3．2 漫反射法测量光学参数

3．2．1 实验装置

3．2．2 实验原理

3．3 积分球法测量光学参数

3．3．1 实验装置

3．3．2 实验原理

3．4 制备不同糖分含量的苹果组织液

3．5 苹果组织光学参数与糖分含量的关系

3．5．1 吸收系数与糖分含量的关系

3．5．2 散射系数与糖分含量的关系

3．6 小结

第四章 苹果组织中光传输的蒙特卡洛模拟

4．1 MC方法介绍

4．2 单层组织中MC的传输过程

4．2．1 光子的发射

4．2．2 光子的步长

4．2．3 光子的传输

4．2．4 光子的吸收

4．2．5 光子的散射

4．2．6 边界的反射和透射

4．2．7 交界面上的反射和透射

4．2．8 光子的终止

4．3 MC程序介绍

4．3．1 MC程序界面介绍

4．3．2 MC仿真模型建立

4．3．3 MC仿真步骤

4．4 单层组织光学模型的MC仿真结果分析

4．4．1 光学参数对单层组织光场分布的影响

4．4．2 光强随纵向深度的变化规律

4．5 双层组织光学模型的MC仿真结果分析

4．5．1 双层组织模拟结果分析

4．5．2 光学参数对各物理量的影响

4．6 高斯光束与平面圆光束比较

4．6．1 高斯光束

4．6．2 平面圆光束

4．7 本章小结

第五章 苹果组织散射光场的MC仿真与实验验证

5．1 苹果组织散射光场的MC仿真结果分析

5．2 苹果组织散射光场的实验结果分析

5．2．1 实验装置

5．2．2 实验步骤

5．2．3 数据处理

5．2．4 实验结果分析

5．2．5 MC与实验结果对比分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文的主要工作与结论

6．2 本文的创新点

6．3 工作展望

参考文献

发表论文和参与科研项目情况说明

致谢