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混浊介质光学参数多光谱测量研究

郑帅  
【摘要】:吸收和散射是光与物质相互作用的主要形式。在细胞悬浮液、生物组织、血液、食品、农作物、土壤、环境污水等混浊材料中,材料对光具有较强的光散射特性;同时材料的分子结构差异表现出较大的吸收特性差异。通过对吸收和散射的分析,获取材料特性已在分析化学、材料研究、食品医药检验、环境监测与临床诊断等领域得到广泛应用。混浊介质光学参数可以准确描述光在介质中的传播、分布及光与介质的相互作用,是辐射传输模型的基本物理量。准确测量材料的光学参数具有重要意义。本文提出一种基于辐射传输理论的混浊介质光学参数多光谱测量方法,设计并搭建了实验测量系统,并对聚苯乙烯微球的光学参数进行了测量。主要研究内容包括以下方面:第一,基于辐射传输模型,设计并编写单光子追踪蒙特卡罗方法,建立三信号光散射正问题求解模型,在给定混浊介质的吸收系数μa、散射系数μs和各向异性参数g下,仿真得到三个探测信号的计算值;第二,搭建了多光谱散射光信号测量实验系统,系统由光谱光栅光源、微弱信号测量与样品测量三部分组成,对系统进行了校准,利用此系统获取了微球悬浮液的三探测器实验值;第三,利用测量的散射信号,通过仿真模型逆计算,获取了微球光学参数,并将获得的结果与Mie理论结果进行比较,发现反演得到的μs和g与根据Mie理论计算的μsm和gm基本一致,但对于μa两者存在误差,这是由于Mie理论采用的材料折射率虚部参数所致;第四,使用不同的散射相函数对获取混浊介质的光学参数进行对比研究,进一步探究了相函数对光学参数提取的影响。此测量方法不需要积分球装置,不需要测量混浊介质的衰减函数,只需一个样品,具有测量简单特点。光学参数多光谱测量的不断完善,可为生物组织、药品、食品等混浊介质的定性和定量分析提供帮助。


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