浑浊介质多参数光谱测量方法及测量系统技术方案

浑浊介质多参数光谱测量方法及测量系统，包括有产生入射样品的入射光束的依次设置在光路上的光源单元、对入射光束的强度进行调制和分光的光调制与分光单元、获得设定光束面积和功率分布的入射光强探测装置和光路反射镜，光路反射镜的反射光构成入射光束，以及分别接收来自于样品、透过样品皿的漫反射光、漫投射光和前向散射光的第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器，入射光强探测装置、第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器的信号输出端分别连接对接收的信号进行放大、滤波和模数转换的信号处理单元，信号处理单元的输出端连接用于系统控制、数据处理的控制计算单元的信号输入端，控制计算单元分别连接光源单元和光调制与分光单元的控制端。

【技术实现步骤摘要】
浑浊介质多参数光谱测量方法及测量系统
本专利技术涉及一种浑浊介质多参数光谱测量。特别是涉及一种无需积分球装置和无需测量衰减系数、只需制备一个样品即可准确测量由吸收系数、散射系数和各向异性系数组成的浑浊介质多参数光谱测量方法及测量系统。
技术介绍
浑浊介质材料具有较强的光散射特性，涵盖包括生物组织在内的许多材料，如牛奶、葡萄酒、合成材料、细胞样品、血液、皮肤、环境污水和污染气体等，浑浊介质特征参数光谱的测量研究在材料研究、食品检验、环境监测与临床诊断等领域内具有广泛的应用，为光学领域内的重大基本科学问题之一。浑浊介质材料内部存在微粒或折射率非均匀结构(微米尺度量级)，显现较强的光散射特性，而其材料分子结构的差异(纳米尺度量级)造成光谱区域内较大的吸收特性差异，因而其光谱含有丰富的材料特征信息。准确测量可描述浑浊介质材料光学特性的多个参数(以下简称为多参数)及其光谱数据为一隐式光散射逆问题，其求解需要建立于对浑浊介质材料内光散射机理与能量传输过程的准确描述基础之上。目前认为可准确描述光与尺度远大于波长的浑浊介质样品相互作用的模型为辐射传输理论。根据该理论，光能量在浑浊介质材料中的传播可由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种浑浊介质多参数光谱测量方法，其特征在于，是测量吸收系数μa、散射系数μs和各向异性参数g的光谱数据，包括如下步骤：1)制备样品，获取系统测量参数，并输入至基于辐射传输理论的信号计算子程序；2)获得设定的测量波长中心值λ的入射光束，测量入射光束的光强信号，将入射光束入射至样品；3)在相对于样品皿的多个角度上测量自样品和样品皿出射的散射光强信号，获得测量波长中心值λ处的散射光信号测量值，包括漫反射率测量值Rd、漫透射率测量值Td和前向透射率测量值Tf；4)设定样品光学参数初始预设值为：材料吸收系数μa0、材料散射系数μs0和材料各向异性系数g0，求解基于辐射传输方程的边界值问题，获得散射光...

【技术特征摘要】
2018.06.06 CN 20181057614011.一种浑浊介质多参数光谱测量方法，其特征在于，是测量吸收系数μa、散射系数μs和各向异性参数g的光谱数据，包括如下步骤：1)制备样品，获取系统测量参数，并输入至基于辐射传输理论的信号计算子程序；2)获得设定的测量波长中心值λ的入射光束，测量入射光束的光强信号，将入射光束入射至样品；3)在相对于样品皿的多个角度上测量自样品和样品皿出射的散射光强信号，获得测量波长中心值λ处的散射光信号测量值，包括漫反射率测量值Rd、漫透射率测量值Td和前向透射率测量值Tf；4)设定样品光学参数初始预设值为：材料吸收系数μa0、材料散射系数μs0和材料各向异性系数g0，求解基于辐射传输方程的边界值问题，获得散射光信号计算值Rdc、Tdc与Tfc：5)将散射光信号测量值与散射光信号计算值带入差值目标函数δ的公式；6)在逆计算子程序内，如差值目标函数δ值大于差值目标函数阈值δmin，则进入步骤7)，重新获得散射光信号计算值，如差值目标函数δ值等于或小于差值目标函数阈值δmin，即满足逆计算收敛条件，则进入步骤8)；7)根据逆计算算法，在逆计算子程序内更新样品光学参数预设值为材料吸收系数μa’、材料散射系数μs’和材料各向异性系数g’；输入至信号计算子程序，求解基于辐射传输方程的边界值问题，获得新的散射光信号计算值，返回步骤5)；8)将获得散射光信号计算值所使用的样品光学参数预设值μa’、μs’和g’作为浑浊介质材料在测量波长λ值处的样品光学参数值μa、μs和g储存，完成测量波长中心值为λ的逆问题求解；9)返回步骤2)，直至完成测量波长范围内的所有波长中心值的样品光学参数μa、μs和g的光谱数据。2.根据权利要求1所述的一种浑浊介质多参数光谱测量方法，其特征在于，步骤1)所述的系统测量参数包括：样品和样品皿的形状、尺寸和折射率，探测器的形状、尺寸、位置和相对于样品皿的取向。3.根据权利要求1所述的一种浑浊介质多参数光谱测量方法，其特征在于，步骤2)所述的符合测量要求的入射光束是指入射光束的形状、面积、功率分布、入射角度、测量波长中心值和带宽符合测量要求，其中的光束形状、面积、功率分布、入射角度均输入至基于辐射传输理论的信号计算子程序。4.根据权利要求1所述的一种浑浊介质多参数光谱测量方法，其特征在于，步骤3)包括：在测量波长中心值为λ值时，使用光电探测器在相对于样品皿的多个角度上读取自样品不同角度出射的漫反射光强IRd、漫透射光强ITd和前向散射光强ITf；然后将入射光强I0和散射光强信号进行放大、滤波处理，获得四个光强数字信号，采用如下公式，计算获得所述的散射光信号测量值：其中Rd为漫反射率测量值，Td为漫透射率测量值，Tf为前向透射率测量值。5.根据权利要求1所述的一种浑浊介质多参数光谱测量方法，其特征在于，步骤4)包括：在逆计算子程序内设定样品光学参数初始预设值为μa0、μs0和g0；通过信号计算子程序，获得散射光信号计算值，所述散射光信号计算值包括反射率计算值Rdc，漫透射率计算值Tdc，前向透射率计算值Tfc。6.根据权利要求1所述的一种浑浊介质多参数光谱测量方法，其特征在于，步骤5)包括通过逆计算子程序，计算散射光信号测量值与散射光信号计算值的差值目标函数δ，所述的差值目标函数δ定义为散射光信号测量值与散射光信号计算值相对差值的平方和：或者，所述的差值目标函数δ定义为散射光信号测量值与散射光信号计算值的其他差值，所述的其他差值是指每类散射光信号测量值与计算值差别的均方根值，或是指每类散射光信号测量值与计算值差别的绝对值的和。7.根据权利要求1所述的一种浑浊介质多参数光谱测量方法，其特征在于，所述的基于辐射传输理论的信号计算子程序，是采用蒙特卡罗计算方法进行计算，对代表入射光束的N0个入射光子逐个进行跟踪计算，直至每个被跟踪的入射光子都被样品吸收或溢出样品皿后被探测器接受或逃逸为止，包括：(1)对第N个入射光子根据由样品的材料吸收系数初始预设值μa0或更新后的预设值μa’以及随机数计算该...

【专利技术属性】
技术研发人员：田芃，胡新华，金佳鸿，卢军青，
申请(专利权)人：湖南理工学院，
类型：发明
国别省市：湖南,43