CN106018286B - 基于光场相机与调频激光的弥散介质光学参数分布的重建探测装置及重建方法 - Google Patents

Abstract

基于光场相机与调频激光的弥散介质光学参数分布的重建探测装置及重建方法，涉及弥散介质光学参数分布的重建探测装置和光学参数分布的重建方法。为了解决传统接触式测量的光学系数重建过程中存在的装置复杂和无法区分各个方向的辐射强度信号的问题。弥散介质光学参数分布的重建探测装置包括激光控制器、激光头、至少一个光场相机和数据采集处理系统；本发明利用光场相机获取调频激光作用下弥散介质边界各个方向上的辐射强度信息，通过模拟弥散介质内的红外辐射传输过程，并结合最优化方法，重建得到介质内部的吸收、散射系数分布图像，从而探测得到弥散介质的内部结构。本发明适用于弥散介质光学参数分布的重建领域。

Description

基于光场相机与调频激光的弥散介质光学参数分布的重建探 测装置及重建方法

技术领域

本发明涉及弥散介质光学参数分布的重建探测装置和光学参数分布的重建方法。

背景技术

弥散介质内部光学参数分布的重建是通过分析介质边界的测量信号来反演内部光学参数场，由于介质内部的吸收、散射系数分布与介质内部的结构相关，所以弥散介质内部吸收、散射系数的重建技术有助于探测介质内部几何结构。作为一种有效的探测技术，弥散介质光学参数场重建广泛应用于无损探测、光学成像、红外遥感、信息处理和故障诊断等领域。

近红外激光作用于弥散介质，会得到与介质内部吸收、散射系数分布相关的辐射信号，所以重建介质内部吸收、散射系数首先需要建立模拟激光在介质内的传输模型，以计算介质边界的出射辐射信号。根据采用激光光源的不同，辐射传输模型可以分为稳态(连续激光)、时域(脉冲激光)和频域(调频激光)模型，在这三种模型中，采用调频激光的频域辐射传输模型可以避免时域模型的技术限制，同时能够提供比稳态模型更多的测量信息，成为在辐射反问题中最具发展前景的计算模型。

传统弥散介质光学参数分布的重建过程中，辐射信号的测量主要以接触式的光纤测量为主，种接触式测量方法需要多光纤通道和光开关来实现多点信号测量，装置复杂；接触式的光纤测量过程中，进行每次测量时都需要设置多光纤通道，导致该方法的测量效率较低，并且利用该方法进行光学系数重建时，在测量次数较少的情况下，存在病态特性和吸收、散射系数之间的串扰问题，所以需要进行多次测量克服这种问题，使得利用光纤进行弥散介质光学参数分布的重建方法的测量效率较低；同时，利用光纤进行弥散介质光学参数分布的重建方法所得的信号为辐射热流密度，无法区分各个方向的辐射强度信号。

发明内容

本发明为了解决传统接触式测量的光学系数重建过程中存在的装置复杂和无法区分各个方向的辐射强度信号的问题。进而提出一种基于光场相机与调频激光的弥散介质光学参数分布的重建探测装置和基于光场相机与调频激光的弥散介质光学参数分布的重建方法。

1、基于光场相机与调频激光的弥散介质光学参数分布的重建探测装置，包括：激光控制器、激光头、至少一个光场相机和数据采集处理系统；

激光控制器的一端(激光控制信号输出端)连接激光头的激光控制信号输出端，激光控制器的另一端连接数据采集处理系统；激光头正对弥散介质；光场相机分布在弥散介质的周围，光场相机的信号输出端连接数据采集处理系统的输入端；数据采集处理系统对获得的辐射场信号进行处理，并计算得到弥散介质的光学参数场的分布。

2、利用所述的基于光场相机与调频激光的弥散介质光学参数分布的重建探测装置进行弥散介质光学参数分布的重建方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：开启激光控制器，使激光头发射出的调频激光入射到弥散介质上，然后将弥散介质旋转n次，并利用激光照射弥散介质，n≥0；

激光头每发射一次激光则利用光场相机采集一次弥散介质透射或反射出的辐射场信号，然后将获得的所有辐射场信号发送至数据采集处理系统中，数据采集处理系统分别对其获得的辐射场信号进行处理，获得弥散介质边界的出射光谱辐射强度值作为测量信号，s代表光源照射序号，d代表探测点位置序号；

步骤二：假设弥散介质的光学参数场为μ⁰，将μ⁰带入频域辐射传输方程，计算得到介质边界的透反射辐射强度信号与步骤一中的测量信号构成目标函数F(μ⁰)；

步骤三：根据共轭梯度法更新弥散介质光学参数场的分布值：μ^k＝μ^k-1+Δμ，k＝1,2,…；

步骤四：根据第k步迭代得到的光学参数分布μ^k，通过频域辐射传输方程计算介质边界的辐射强度信号计算目标函数F(μ^k)，如果目标函数值小于极少值ε，执行步骤六；否则，执行步骤五；

步骤五：如果迭代次数k达到最大迭代次数K，使当前的光学参数场分布作为初值，重新开始迭代，即令μ⁰＝μ^k，即将μ^k的值赋予μ⁰，执行步骤二；否则，执行步骤三；

步骤六：将当前迭代得到的光学参数场作为重建结果，结束反演过程。

本发明具有以下效果：

在目前的弥散介质吸收、散射系数分布同时重建研究中，辐射信号的测量主要以接触式的光纤测量为主，通过光场相机测量光场信号的技术尚未得到应用。本发明利用光场成像技术进行弥散介质光学参数分布重建，与传统成像技术相比，获取的信息多出了两个自由度，因而在信息重建中能获得更加丰富的信息，而且具有系统简单、硬件设备成本低、结构紧凑，成像效果好，数据处理方便等优点。

本发明所述的基于光场相机与调频激光的弥散介质光学参数分布的重建方法能够分辨出不同方向的辐射强度。

本发明的方法无需每次测量时都设置过多的光纤，且测量过程简单；与传统接触式测量相比，本发明的测量效率能够成倍提升。而且本发明在测量较少的情况下也能够有效的克服光学系数重建中的病态特性和吸收、散射系数之间的串扰问题。

附图说明

图1本发明重建探测装置的结构示意图；

图2为基于光场相机与调频激光的弥散介质光学参数分布的重建方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，

基于光场相机与调频激光的弥散介质光学参数分布的重建探测装置，包括：激光控制器1、激光头2、至少一个光场相机4和数据采集处理系统5；

激光控制器1的一端(激光控制信号输出端)连接激光头2的激光控制信号输出端，激光控制器1的另一端连接数据采集处理系统5；激光头2正对弥散介质3；光场相机4分布在弥散介质3的周围，光场相机4的信号输出端连接数据采集处理系统5的输入端；数据采集处理系统5对获得的辐射场信号进行处理，并计算得到弥散介质的光学参数场的分布。

具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，

利用基于光场相机与调频激光的弥散介质光学参数分布的重建探测装置进行弥散介质光学参数分布的重建方法，包括以下步骤：

步骤一：开启激光控制器1，使激光头2发射出的调频激光入射到弥散介质3上，然后将弥散介质3旋转n次，并利用激光照射弥散介质3，n≥0；

激光头2每发射一次激光则利用光场相机4采集一次弥散介质透射或反射出的辐射场信号，然后将获得的所有辐射场信号发送至数据采集处理系统5中，数据采集处理系统5分别对其获得的辐射场信号进行处理，获得弥散介质边界的出射光谱辐射强度值作为测量信号，s代表光源照射序号，d代表探测点位置序号；

步骤二：假设弥散介质的光学参数场为μ⁰，将μ⁰带入频域辐射传输方程，计算得到介质边界的透反射辐射强度信号与步骤一中的测量信号构成目标函数F(μ⁰)；

步骤三：根据共轭梯度法更新弥散介质光学参数场的分布值：μ^k＝μ^k-1+Δμ，k＝1,2,…；

步骤四：根据第k步迭代得到的光学参数分布μ^k，通过频域辐射传输方程计算介质边界的辐射强度信号计算目标函数F(μ^k)，如果目标函数值小于极少值ε，执行步骤六；否则，执行步骤五；

步骤五：如果迭代次数k达到最大迭代次数K，使当前的光学参数场分布作为初值，重新开始迭代，即令μ⁰＝μ^k，即将μ^k的值赋予μ⁰，执行步骤二；否则，执行步骤三；

步骤六：将当前迭代得到的光学参数场作为重建结果，结束反演过程。

具体实施方式三：

本实施方式所述的光学参数场μ包括弥散介质的吸收系数μ_a和散射系数μ_s，弥散介质的吸收系数μ_a和散射系数μ_s的分布图像是同时重建的。

其它步骤及参数与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：

本实施方式所述步骤二和步骤四中所述的频域辐射传输方程通过离散坐标法求解，

频域辐射传输方程的表达式如下：

其中，i表示虚数单位，ω为调制频率，c为弥散介质中的光速，Ω为辐射传输方向，表示梯度；μ_a、μ_s分别为μ_a、μ_s中的元素；r为空间位置，I(r,Ω,ω)为在t时刻、位置为r、调频为ω的辐射强度，Ω′为辐射入射方向，Ω′表示立体角；Φ(Ω′,Ω)为弥散介质3的散射相函数；dΩ′表示微分。

其它步骤及参数与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式五：

本实施方式所述步骤四中目标函数方程的表达式如下：

其中，ψ(μ)为正则化项，由广义马克尔夫随机场模型构建得到，用以克服反问题的病态特性。

其它步骤及参数与具体实施方式二至四之一相同。

具体实施方式六：

本实施方式所述步骤三采用的共轭梯度法具体描述如下：

μ^k＝μ^k-1+a^kd^k

其中，a^k为第k次迭代的步长，可由一维搜索得到；d^k为第k次迭代的下降方向，由当前目标函数梯度和上一次迭代的下降方向决定：

其中，为目标函数关于待重建参数的梯度，β^k为第k次迭代的共轭系数。

其它步骤及参数与具体实施方式二至五之一相同。

Claims (9)

1.基于光场相机与调频激光的弥散介质光学参数分布的重建探测装置，其特征在于所述装置包括：激光控制器(1)、激光头(2)、至少一个光场相机(4)和数据采集处理系统(5)；

激光控制器(1)的一端连接激光头(2)的激光控制信号输出端，激光控制器(1)的另一端连接数据采集处理系统(5)；激光头(2)正对弥散介质(3)；光场相机(4)分布在弥散介质(3)的周围，光场相机(4)的信号输出端连接数据采集处理系统(5)的输入端；数据采集处理系统(5)对获得的辐射场信号进行处理，并计算得到弥散介质的光学参数场的分布。

2.利用权利要求1所述的装置进行弥散介质光学参数分布的重建方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

步骤一：开启激光控制器(1)，使激光头(2)发射出的调频激光入射到弥散介质(3)上，然后将弥散介质(3)旋转n次，并利用激光照射弥散介质(3)，n≥0；

激光头(2)每发射一次激光则利用光场相机(4)采集一次弥散介质透射或反射出的辐射场信号，然后将获得的所有辐射场信号发送至数据采集处理系统(5)中，数据采集处理系统(5)分别对其获得的辐射场信号进行处理，获得弥散介质边界的出射光谱辐射强度值作为测量信号，s代表光源照射序号，d代表探测点位置序号；

步骤二：假设弥散介质的光学参数场为μ⁰，将μ⁰带入频域辐射传输方程，计算得到介质边界的透反射辐射强度信号与步骤一中的测量信号构成目标函数F(μ⁰)；

步骤三：根据共轭梯度法更新弥散介质光学参数场的分布值：μ^k＝μ^k-1+Δμ，k＝1,2,…；

步骤四：根据第k步迭代得到的光学参数分布μ^k，通过频域辐射传输方程计算介质边界的辐射强度信号计算目标函数F(μ^k)，如果目标函数值小于极少值ε，执行步骤六；否则，执行步骤五；

步骤五：如果迭代次数k达到最大迭代次数K，使当前的光学参数场分布作为初值，重新开始迭代，即令μ⁰＝μ^k，即将μ^k的值赋予μ⁰，执行步骤二；否则，执行步骤三；

步骤六：将当前迭代得到的光学参数场作为重建结果，结束反演过程。

3.根据权利要求2所述的弥散介质光学参数分布的重建方法，其特征在于所述的光学参数场μ包括弥散介质的吸收系数μ_a和散射系数μ_s，弥散介质的吸收系数μ_a和散射系数μ_s的分布图像是同时重建的。

4.根据权利要求2或3所述的弥散介质光学参数分布的重建方法，其特征在于步骤二和步骤四中所述的频域辐射传输方程通过离散坐标法求解，

频域辐射传输方程的表达式如下：

其中，i表示虚数单位，ω为调制频率，c为弥散介质中的光速，Ω为辐射传输方向，▽表示梯度；μ_a、μ_s分别为μ_a、μ_s中的元素；r为空间位置，I(r,Ω,ω)为在t时刻、位置为r、调频为ω的辐射强度，Ω′为辐射入射方向；Φ(Ω′,Ω)为弥散介质(3)的散射相函数；dΩ′表示微分。

5.根据权利要求4所述的弥散介质光学参数分布的重建方法，其特征在于步骤四中目标函数方程的表达式如下：

其中，ψ(μ)为正则化项，由广义马克尔夫随机场模型构建得到。

6.根据权利要求5所述的弥散介质光学参数分布的重建方法，其特征在于步骤三采用的共轭梯度法具体描述如下：

μ^k＝μ^k-1+a^kd^k

其中，a^k为第k次迭代的步长；d^k为第k次迭代的下降方向，由当前目标函数梯度和上一次迭代的下降方向决定：

d^k＝-▽F+β^kd^k-1

其中，▽F为目标函数关于待重建参数的梯度，β^k为第k次迭代的共轭系数。

7.根据权利要求2或3所述的弥散介质光学参数分布的重建方法，其特征在于步骤四中目标函数方程的表达式如下：

其中，s和d分别代表光源和探测点的数量，ψ(μ)为正则化项，由广义马克尔夫随机场模型构建得到。

8.根据权利要求2或3所述的弥散介质光学参数分布的重建方法，其特征在于步骤三采用的共轭梯度法具体描述如下：

μ^k＝μ^k-1+a^kd^k

其中，a^k为第k次迭代的步长；d^k为第k次迭代的下降方向，由当前目标函数梯度和上一次迭代的下降方向决定：

d^k＝-▽F+β^kd^k-1

其中，▽F为目标函数关于待重建参数的梯度，β^k为第k次迭代的共轭系数。

9.根据权利要求4所述的弥散介质光学参数分布的重建方法，其特征在于步骤三采用的共轭梯度法具体描述如下：

μ^k＝μ^k-1+a^kd^k

其中，a^k为第k次迭代的步长；d^k为第k次迭代的下降方向，由当前目标函数梯度和上一次迭代的下降方向决定：

d^k＝-▽F+β^kd^k-1

其中，▽F为目标函数关于待重建参数的梯度，β^k为第k次迭代的共轭系数。