CN115931758A - 一种双角度多光谱模型及确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双角度多光谱模型及确定方法，涉及光谱分析领域，该模型中所述双角度样品池中第一侧面和第二侧面为正方形；双角度样品池的第三侧面和第四侧面为第一预设形状；双角度样品池的顶面为第二预设形状；双角度样品池的底面为第三预设形状；第一侧面与第三侧面相对，第二侧面与第四侧面相对；配备有旋转装置的支架设置在双角度样品池的底面上；配备有旋转装置的支架用于改变底面的形状；双角度样品池用于放置复杂溶液；光源设置在第三侧面上；探测器设置在扫描平台上，并通过扫描平台的带动，在第一侧面处进行移动；探测器用于采集第一侧面上每一位置出射光斑的光谱信息。本发明可提高复杂溶液的检测效率和检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及光谱分析领域，特别是涉及一种双角度多光谱模型及确定方法。
背景技术
由于浑浊介质成分复杂，其同时具有吸收特性和散射特性对浑浊介质组分进行定性或定量分析的难度较大。传统的化学检测方法涉及的操作流程多且复杂，耗费时间较长。光谱分析法有快速、高效、便捷、无损、无接触的优点，通过采集被测物的光谱信息即可加以分析。
当前在对浑浊介质进行光谱分析时存在以下问题：
浑浊介质中存在大量的散射物质，所以在利用光谱分析技术对其进行分析时，浑浊介质组分含量的检测精度难以提高。浑浊介质中存在大量的散射物质，使得光子传播不符合朗伯比尔定律，传统模型如平面形、圆形、椭圆形已经不适用于复杂溶液的分析。现有的测量方法及技术只能采集有限的光谱信息，不能充分反映复杂溶液的空间及成分信息。
复杂溶液同时具有较强的吸收和散射特性，设计目的是有效增加波长维度、光程维度和检测位置维度等信息量，有效利用复杂溶液的吸收和散射信息。
当前技术只能利用简单模型得到一维的光谱图像利用复杂溶液有限的光谱信息，进而造成复杂溶液的检测效率和检测精度较低。因此，如何提高复杂溶液的检测效率和检测精度是现在亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种双角度多光谱模型及确定方法，可提高复杂溶液的检测效率和检测精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种双角度多光谱模型，包括：双角度样品池、配备有旋转装置的支架、扫描平台、光源以及探测器；
所述双角度样品池中第一侧面和第二侧面为正方形；所述双角度样品池的第三侧面和第四侧面为第一预设形状；所述双角度样品池的顶面为第二预设形状；所述双角度样品池的底面为第三预设形状；所述第一侧面与所述第三侧面相对，所述第二侧面与所述第四侧面相对；所述配备有旋转装置的支架设置在所述双角度样品池的底面上；所述配备有旋转装置的支架用于改变底面的形状；
所述双角度样品池用于放置复杂溶液；
所述光源设置在所述第三侧面上；所述探测器设置在所述扫描平台上，并通过所述扫描平台的带动，在第一侧面处进行移动；所述探测器用于采集所述第一侧面上每一位置出射光斑的光谱信息。
可选地，所述第二侧面上设置进液口；所述第四侧面上设置出液口。
可选地，所述第一侧面为透射光学面；
所述第二侧面、第三侧面、第四侧面、底面以及顶面均为非光学平面。
可选地，所述配备有旋转装置的支架包括：旋钮、主轴以及齿轮；
所述旋钮旋转带动所述齿轮转动，所述齿轮带动所述主轴改变倾斜程度。
一种双角度多光谱模型的确定方法，用于实现所述一种双角度多光谱模型，包括：
在目标空间中建立三维双角度几何体；
将三维双角度几何体的内部填充上均匀大小的体素，并在所述三维双角度几何体内部的体素设定复杂溶液对应的光学参数；
在三维双角度几何体的第一侧面设置虚拟探测器，以探测第一侧面的光谱信息；所述光谱信息用于检测复杂溶液成分；
通过虚拟入射光源给定预设数目的光子，确定光源入射至所述三维双角度几何体的初始参数和模拟参数；所述初始参数包括：初始位置、入射方向及光子的初始重量包；所述模拟参数包括：模拟开始时间及模拟结束时间；
当光子在三维双角度几何体中运动时确定当前体素，根据当前体素确定下一临界体素的状态；若下一临界体素的状态为空气状态，则停止；若当前体素的下一临界体素的状态为相邻状态，则光子发生散射；光子的权重通过当前体素的吸收系数减小，直到光子的状态为空气状态或光子权重小于设定阈值停止，得到虚拟双角度样品池；
利用虚拟探测器探测虚拟双角度样品池的第一侧面的光子密度数据；
根据光子密度数据进行正确性验证；并当验证通过后，根据虚拟双角度样品池构建双角度样品池。
可选地，所述在目标空间中建立三维双角度几何体，具体包括：
在所述目标空间中建立一个边长为预设长度的立方体；
在所述立方体内部插入一个平面，将立方体分为第一部分和第二部分；所述第一部分为三维双角度几何体；设置所述第二部分的吸收系数；
设置所述第一部分中复杂溶液的光学参数；所述光学参数包括：吸收系数、散射系数、各向异性因子以及折射率。
可选地，所述若当前体素的下一临界体素的状态为相邻状态，则光子发生散射；光子的权重通过当前体素的吸收系数减小，直到光子的状态为空气状态或光子权重小于设定阈值停止，得到虚拟双角度样品池，具体包括：
当前体素的下一临界体素的状态为相邻状态时，光子发生散射；
根据公式计算光子的散射长度；其中，θ为[0，1]之间的随机数，μs为当前体素的散射系数，ds为散射长度；
根据所述散射长度，所述光子前进至所述下一临界体素；
利用公式计算所述光子从所述当前体素至所述下一临界体素的权重减少量；其中，μa为吸收系数，为光子初始权重，为权重减少量；
当所述光子剩余的散射长度小于一个体素长度时，停止传播；
当所述光子满足预设条件时，结束模拟，得到虚拟双角度样品池；所述预设条件包括：光子到达空气体素、光子到达结束时间及光子初始权重与权重减少量的差值小于目标阈值。
可选地，所述根据光子密度数据进行正确性验证；并当验证通过后，根据虚拟双角度样品池构建双角度样品池，具体包括：
通过所述光子密度数据进行图像特征可视化，得到光强分布图；
利用所述光强分布图，基于偏最小二乘回归算法对光学参数进行回归，得到回归参数；
基于所述回归参数进行正确性验证，验证通过后根据所述虚拟双角度样品池构建所述双角度样品池。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种双角度多光谱模型及确定方法，将复杂溶液放置在双角度样品池中，通过光源发射出的入射光从双角度样品池侧面进行照射，进而通过扫面平台带动探测器进行移动，使探测器能够完整的采集到双角度样品池的第一侧面的光谱，进而获取到光谱信息。本发明能够充分的获取到复杂溶液的光谱信息，大大提高复杂溶液的检测效率和检测精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种双角度多光谱模型结构示意图；
图2为本发明所提供的一种双角度多光谱模型的正面图；
图3为本发明所提供的一种双角度多光谱模型的反面图；
图4为本发明所提供的一种双角度多光谱模型的第一侧面图；
图5为本发明所提供的一种双角度多光谱模型的第三侧面图；
图6为采集得到的透射光学面光谱图像示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种双角度多光谱模型及确定方法，可提高复杂溶液的检测效率和检测精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图5所示，本发明所提供的一种双角度多光谱模型，包括：双角度样品池1、配备有旋转装置的支架2、扫描平台3、光源4以及探测器5。
所述双角度样品池1中第一侧面和第二侧面为正方形；所述双角度样品池1的第三侧面和第四侧面为第一预设形状；所述双角度样品池1的顶面为第二预设形状；所述双角度样品池1的底面为第三预设形状；所述第一侧面与所述第三侧面相对，所述第二侧面与所述第四侧面相对；所述配备有旋转装置的支架2设置在所述双角度样品池1的底面上；所述配备有旋转装置的支架2用于改变底面的形状。
所述双角度样品池1用于放置复杂溶液。
所述光源4设置在所述第三侧面上；所述探测器5设置在所述扫描平台3上，并通过所述扫描平台3的带动，在第一侧面处进行移动；所述探测器5用于采集所述第一侧面上每一位置出射光斑的光谱信息，并如图6所示。光源4可移动以改变光源4入射位置；探测器5顶部可移动以调整探测器5角度。
所述第二侧面上设置进液口；所述第四侧面上设置出液口。
所述第一侧面为透射光学面。
所述第二侧面、第三侧面、第四侧面、底面以及顶面均为非光学平面。
所述配备有旋转装置的支架2包括：旋钮、主轴以及齿轮。
所述旋钮旋转带动所述齿轮转动，所述齿轮带动所述主轴改变倾斜程度。通过旋钮旋转带动齿轮转动，进而齿轮带动支架主轴改变双角度样品池1侧面形状，来辅助得到更佳的入射光斑。
其中，第一预设形状包括但不限于矩形、三角形、正方形、不规则四边形等，第二预设形状包括但不限于矩形、三角形、正方形、不规则四边形等，第三预设形状包括但不限于矩形、三角形、正方形、不规则四边形等。
具体的，所述探测器5为超光谱成像装置或多光谱成像装置，该探测器5响应的波段包括可见、红外中若干种目标波段的组合，所述探测器5通过线阵或面阵CCD直接采集出射光斑。通过不同种波段组合的射出光斑，来保证能够充分利用复杂溶液中的散射信息。
采用所述双角度样品池1进行检测，通过改变光源4入射位、探测器5的探测位置以及所述双角度样品池1侧面形状来改变出射光斑的位置、大小、形状。
利用扫描平台3带动所述探测器5移动从而使探测器5逐一获取所述双角度样品池1侧面每一位置的光谱信息，从而实现对所述双角度样品池1整个透射光学面光谱图像的采集。
通过改变光源4入射位、探测器5的探测位置及双角度样品池1侧面形状来改变射出光斑的位置、大小和形状，得到符合需求的光斑，之后通过扫描平台3来带动所述探测器5移动，使探测器5逐一获取双角度样品池1侧面的二维非对称光谱信息，充分的利用复杂溶液的光谱信息，提高复杂溶液的检测效率和检测精度。
本发明中通过将双角度样品池1另外两个侧面为第一预设形状，顶面为第二预设形状，底面为第三预设形状并可通过支架进行改变，来获取对复杂溶液检测效果最佳的模型，将复杂溶液放置在双角度样品池1中，通过光源4发射出的入射光从双角度样品池1侧面进行照射，进而通过扫面平台带动探测器5进行移动，使探测器5能够完整的采集到双角度样品池1侧面的光谱，进而获取到光谱信息，该双角度多光谱模型能够充分的获取到复杂溶液的光谱信息，大大提高复杂溶液的检测效率和检测精度。
作为一个具体的实施例，本发明还提供一种双角度多光谱模型的确定方法，用于实现所述一种双角度多光谱模型，基于光在复杂溶液中的传输特性运用蒙特卡罗模拟，确定双角度多光谱模型中的双角度样品池1。所述确定方法包括：
S101，在目标空间中建立三维双角度几何体；即通过建立三维双角度几何体及对其进行参数得模拟设计，为生成虚拟双角度样品池1提供较好的基础。
S101具体包括：
在所述目标空间中建立一个边长为预设长度的立方体。
在所述立方体内部插入一个平面，将立方体分为第一部分和第二部分；所述第一部分为三维双角度几何体；设置所述第二部分的吸收系数；吸收系数为无限大。平面的方程为：c=ay+bz，其中a、b为预设值，c为所述平面，y为三维笛卡尔坐标中的y轴，z为三维笛卡尔坐标中的z轴。
设置所述第一部分中复杂溶液的光学参数；所述光学参数包括：吸收系数、散射系数、各向异性因子以及折射率。
S102，将三维双角度几何体的内部填充上均匀大小的体素，并在所述三维双角度几何体内部的体素设定复杂溶液对应的光学参数；其中，体素指的是均匀大小的立方体，当前体素的状态指的是，当前体素的光学参数，临界体素指的是与当前体素相邻的体素；相邻状态指的是与当前体素所述的光学参数相同。
S103，在三维双角度几何体的第一侧面设置虚拟探测器5，以探测第一侧面的光谱信息；所述光谱信息用于检测复杂溶液成分。
S104，通过虚拟入射光源4给定预设数目的光子，确定光源4入射至所述三维双角度几何体的初始参数和模拟参数；所述初始参数包括：初始位置、入射方向及光子的初始重量包；所述模拟参数包括：模拟开始时间及模拟结束时间。
S105，当光子在三维双角度几何体中运动时确定当前体素，根据当前体素确定下一临界体素的状态；若下一临界体素的状态为空气状态，则停止；若当前体素的下一临界体素的状态为相邻状态，则光子发生散射；光子的权重通过当前体素的吸收系数减小，直到光子的状态为空气状态或光子权重小于设定阈值停止，得到虚拟双角度样品池1。
S105具体包括：
当前体素的下一临界体素的状态为相邻状态时，光子发生散射。
根据公式计算光子的散射长度；其中，θ为[0，1]之间的随机数，μs为当前体素的散射系数，ds为散射长度。
根据所述散射长度，所述光子前进至所述下一临界体素。
利用公式计算所述光子从所述当前体素至所述下一临界体素的权重减少量；其中，μa为吸收系数，为光子初始权重，为权重减少量。
当所述光子剩余的散射长度小于一个体素长度时，停止传播。
当所述光子满足预设条件时，结束模拟，得到虚拟双角度样品池1；所述预设条件包括：光子到达空气体素、光子到达结束时间及光子初始权重与权重减少量的差值小于目标阈值。
模拟结束后，假设当前体素表面存在反射，则三维双角度几何体内部及表面的通量的计算公式如下：
。
其中，其中D为扩散常数，π为常数，ρ为到源的径向距离，z为光子垂直于边界的距离，zo为光源4处的位置，μeff为光子在边界处的漫反射系数，zb为光子到边界的距离，为三维双角度几何体内部及表面的通量。
S106，利用虚拟探测器5探测虚拟双角度样品池1的第一侧面的光子密度数据。
S107，根据光子密度数据进行正确性验证；并当验证通过后，根据虚拟双角度样品池1构建双角度样品池1。其中，正确性验证是指将本虚拟双角度样品池1侧面的光子密度数据与现有样品池模型进行对比，若优于现有模型，则认为正确性验证通过，进而根据虚拟双角度样品池1来制作构建双角度样品池1。
S107具体包括：
通过所述光子密度数据进行图像特征可视化，得到光强分布图；
利用所述光强分布图，基于偏最小二乘回归算法对光学参数进行回归，得到回归参数；
基于所述回归参数进行正确性验证，验证通过后根据所述虚拟双角度样品池1构建所述双角度样品池1。
通过对光子密度进行图像特征可视化，得到反应光谱信息的光强分布图，并对其求取回归参数，通过该回归参数与现有的光谱模型进行对比，若对比效果优于现有的光谱模型则完成正确性验证，以此来保证本发明的模型优于现有模型。
所述双角度样品池1的材料是高透光材料。高透光材料能够避免光在传播过程中的非必要损失。
首先在目标空间建立一个虚拟的三维双角度几何体，然后在其内部填充光学参数，并设置虚拟探测器5，来探测几何体的侧面光谱信息，以此来模拟真实场景中的探测操作，之后通过虚拟入射光源4打入预设数目的光子，并确定光源4入射至所述三维双角度几何体的初始位置以及入射方向，及光子的初始重量包，确定模拟开始时间和结束时间，以帮助计算时间消耗的长短，之后根据光子在几何体内的运动来模拟真实场景下光子的运动情况，到设定条件时停止，以得到满足要求得虚拟双角度样品池1，并探测光子密度数据来进行正确性验证，来保证模型的效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种双角度多光谱模型，其特征在于，包括：双角度样品池、配备有旋转装置的支架、扫描平台、光源以及探测器；
所述双角度样品池中第一侧面和第二侧面为正方形；所述双角度样品池的第三侧面和第四侧面为第一预设形状；所述双角度样品池的顶面为第二预设形状；所述双角度样品池的底面为第三预设形状；所述第一侧面与所述第三侧面相对，所述第二侧面与所述第四侧面相对；所述配备有旋转装置的支架设置在所述双角度样品池的底面上；所述配备有旋转装置的支架用于改变底面的形状；
所述双角度样品池用于放置复杂溶液；
所述光源设置在所述第三侧面上；所述探测器设置在所述扫描平台上，并通过所述扫描平台的带动，在第一侧面处进行移动；所述探测器用于采集所述第一侧面上每一位置出射光斑的光谱信息。
2.根据权利要求1所述的一种双角度多光谱模型，其特征在于，所述第二侧面上设置进液口；所述第四侧面上设置出液口。
3.根据权利要求1所述的一种双角度多光谱模型，其特征在于，所述第一侧面为透射光学面；
所述第二侧面、第三侧面、第四侧面、底面以及顶面均为非光学平面。
4.根据权利要求1所述的一种双角度多光谱模型，其特征在于，所述配备有旋转装置的支架包括：旋钮、主轴以及齿轮；
所述旋钮旋转带动所述齿轮转动，所述齿轮带动所述主轴改变倾斜程度。
5.一种双角度多光谱模型的确定方法，用于实现权利要求1-4任意一项所述一种双角度多光谱模型，其特征在于，包括：
在目标空间中建立三维双角度几何体；
将三维双角度几何体的内部填充上均匀大小的体素，并在所述三维双角度几何体内部的体素设定复杂溶液对应的光学参数；
在三维双角度几何体的第一侧面设置虚拟探测器，以探测第一侧面的光谱信息；所述光谱信息用于检测复杂溶液成分；
通过虚拟入射光源给定预设数目的光子，确定光源入射至所述三维双角度几何体的初始参数和模拟参数；所述初始参数包括：初始位置、入射方向及光子的初始重量包；所述模拟参数包括：模拟开始时间及模拟结束时间；
当光子在三维双角度几何体中运动时确定当前体素，根据当前体素确定下一临界体素的状态；若下一临界体素的状态为空气状态，则停止；若当前体素的下一临界体素的状态为相邻状态，则光子发生散射；光子的权重通过当前体素的吸收系数减小，直到光子的状态为空气状态或光子权重小于设定阈值停止，得到虚拟双角度样品池；
利用虚拟探测器探测虚拟双角度样品池的第一侧面的光子密度数据；
根据光子密度数据进行正确性验证；并当验证通过后，根据虚拟双角度样品池构建双角度样品池。
6.根据权利要求5所述的一种双角度多光谱模型的确定方法，其特征在于，所述在目标空间中建立三维双角度几何体，具体包括：
在所述目标空间中建立一个边长为预设长度的立方体；
在所述立方体内部插入一个平面，将立方体分为第一部分和第二部分；所述第一部分为三维双角度几何体；设置所述第二部分的吸收系数；
设置所述第一部分中复杂溶液的光学参数；所述光学参数包括：吸收系数、散射系数、各向异性因子以及折射率。
7.根据权利要求5所述的一种双角度多光谱模型的确定方法，其特征在于，所述若当前体素的下一临界体素的状态为相邻状态，则光子发生散射；光子的权重通过当前体素的吸收系数减小，直到光子的状态为空气状态或光子权重小于设定阈值停止，得到虚拟双角度样品池，具体包括：
当前体素的下一临界体素的状态为相邻状态时，光子发生散射；
根据公式计算光子的散射长度；其中，θ为[0，1]之间的随机数，μs为当前体素的散射系数，ds为散射长度；
根据所述散射长度，所述光子前进至所述下一临界体素；
利用公式计算所述光子从所述当前体素至所述下一临界体素的权重减少量；其中，μa为吸收系数，为光子初始权重，为权重减少量；
当所述光子剩余的散射长度小于一个体素长度时，停止传播；
当所述光子满足预设条件时，结束模拟，得到虚拟双角度样品池；所述预设条件包括：光子到达空气体素、光子到达结束时间及光子初始权重与权重减少量的差值小于目标阈值。
8.根据权利要求5所述的一种双角度多光谱模型的确定方法，其特征在于，所述根据光子密度数据进行正确性验证；并当验证通过后，根据虚拟双角度样品池构建双角度样品池，具体包括：
通过所述光子密度数据进行图像特征可视化，得到光强分布图；
利用所述光强分布图，基于偏最小二乘回归算法对光学参数进行回归，得到回归参数；
基于所述回归参数进行正确性验证，验证通过后根据所述虚拟双角度样品池构建所述双角度样品池。
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