光学 精密工程
2022, 30(18): 2232
液晶分子被限定在柱状腔内，基于Gruhn-Hess两体势，通过Monte Carlo模拟方法，研究了径向边界条件及温度对柱状腔内向列相液晶PAA的指向矢结构的影响。文中计算了系统平衡后的二阶序参数、轴向序参数、径向序参数、角向序参数和指向矢快照图。在自由表面条件下，液晶分子在与柱轴垂直的面内呈均匀一致排列，而径向锚定作用下，指向矢结构为平面极性结构; 在径向锚定作用下，随着锚定强度的增加，液晶分子在与柱状腔轴垂直的面内径向排列有序度增加; 温度的变化会改变液晶分子的有序度，但不改变其指向矢结构。
柱状腔 向列相 Monte Carlo模拟 序参数 cylindrical cavity nematic Monte Carlo simulation order parameter
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
温度变化是影响近红外无创血糖测量精度的主要因素之一。 为降低温度变化对近红外漫反射光谱的影响, 提出了一种基于温度不敏感源-探测器距离的测量方法, 即在漫反射光强对人体组织温度变化不敏感的源-探测器距离处进行光谱测量。 利用Monte Carlo方法模拟了温度为30～40 ℃、 葡萄糖浓度为0～300 mmol·L-1的皮肤组织在多个源-探测器距离处的漫反射光强。 根据模拟结果, 分析了人体皮肤组织模型中温度不敏感源-探测器距离的存在性及其受葡萄糖浓度变化的影响; 比较了1 000 nm处温度恒定和温度变动时, 不同源-探测器距离处漫反射光强与葡萄糖浓度的相关性; 进一步地, 利用六个波长(1 000, 1 050, 1 100, 1 150, 1 350和1 410 nm)下的温度不敏感源-探测器距离及其他距离处的漫反射光强, 建立了葡萄糖的偏最小二乘(PLS)模型, 并比较了这些模型在温度恒定和温度变动时的预测精度。 结果表明, 在1 000～1 440 nm范围内, 人体存在温度不敏感源-探测器距离, 且葡萄糖浓度变化对该距离的影响可以忽略不计; 当组织温度变化时, 温度不敏感源-探测器距离处的漫反射光强与葡萄糖浓度的相关性及建模效果均明显优于其他源-探测器距离, 基本接近样品温度恒定时的情况。 研究表明, 基于温度不敏感源-探测器距离的测量方法能有效降低温度变化对漫反射光强的影响, 有望提高近红外漫反射无创血糖测量的精度。
近红外漫反射光强 无创血糖测量 Monte Carlo模拟 温度不敏感源-探测器距离 Near-infrared diffuse reflectance Non-invasive blood glucose sensing Monte Carlo simulation Temperature insensitive source-detector separation 光谱学与光谱分析
2018, 38(10): 3163
天津大学理学院光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072
采用Monte Carlo模拟研究了单光纤反射探针的漫反射率, 发现小孔径探测器收集到的亚扩散光对散射相函数是敏感的, 而散射相函数与生物组织的微观结构有关。研究了一个适用于小孔径测量的半经验漫反射模型, 分析了与生物组织微观结构有关的二阶和三阶光学参量对该模型的影响。结果表明, 两个高阶光学参量对漫反射的影响具有相反的效果, 并且对于光学各向异性的生物组织, 这两种影响是不可忽略的。给出了一个简化的半经验模型及其适用条件, 这为生物组织散射特性及相关微观结构的在体测量提供了新的技术支持。
医用光学 漫反射模型 Monte Carlo模拟 高阶光学参量 亚扩散散射 单光纤反射探针
1 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
2 天津大学天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室, 天津 300072
3 天津中医药大学中医药工程学院, 天津 300193
乳腺等类型生物组织的透射Monte Carlo模拟(简称MC模拟)耗时很长, 这主要是由于被模拟的组织较厚和Monte Carlo模拟自身统计特性引起的所需光子数量多造成的。 针对光源与接收面在同一直线上, 采用光纤接收透射光的模型进行分析, 通过考虑生物组织自身的光学特性, 进行了边界约束和有效后向散射次数的限制来缩短仿真时间, 经过多次实验验证, 以两次散射所到位置为分界, 并充分利用组织光学参数计算约束边界, 计算相对比较简单, 同时考虑到入射与出射的实际情况进行微扩, 从而得到的约束边界。 对光学参数相同但厚度不同的组织进行仿真, 分析进入同一位置光纤的光子数所发生后向散射次数, 发现后向散射次数随着组织厚度与散射系数的增大而增大, 随着吸收系数与各向异性因子的增大而减小, 通过限定后向散射次数来节省时间。 仿真结果表明, 在传统计算机上, 该方法能够显著缩短MC模拟的运算时间50%左右, 尤其适用于较厚且边界较为复杂的高散射物质的MC模拟。 该提速方法主要应用于光源与接收面处于同一直线, 且生物组织较厚, 散射系数较大的情况, 能够有效节约仿真所需时间, 有利于分析组织透射成像。
大空间生物组织 透射 Monte Carlo模拟 加速 Large space biological tissue Transmission Monte Carlo simulation Acceleration 光谱学与光谱分析
2016, 36(11): 3476
1 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
2 天津大学天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室, 天津 300072
3 天津中医药大学中医药工程学院, 天津 300193
由于人体组织结构的复杂性和个体差异性, 采用光谱分析技术实现组织内部信息的检测方法中, 仍存在着检测位置不明确的问题。 采用多位置空间分辨漫反射光谱法对脂肪肌肉组织中内部信息的最佳探测位置进行了研究。 由于目标组织为肌肉组织, 为了消除由于不同人体皮下脂肪层厚度的差异以及目标层中多次后向散射光对测量结果引起的较大误差, 并根据光在复杂生物组织中的传输模型, 通过增加约束条件——两条理想的“香蕉型”路径—来定义有效光子比SNR, 并以SNR作为评价最佳探测位置SDSbest的标准, 对优化后的Monte Carlo仿真结果进行统计分析, 分别研究了脂肪层厚度hf、 脂肪层吸收系数μaf和肌肉层吸收系数μam与光源探测器间距SDS之间的关系, 并以hf为自变量与SDSbest建立线性回归模型。 研究表明, (1)当0
脂肪肌肉组织 内部组织信息 最佳检测位置 空间漫反射光谱 Monte Carlo模拟 Fat-muscle tissue Inner information of tissue Best Source-detector Distance Spatially diffuse reflectance spectra Monte Carlo simulation 光谱学与光谱分析
2016, 36(10): 3434
天津大学 理学院 光电信息技术科学教育部重点实验室，天津 300072
采用Monte Carlo法研究散射相函数对光源附近微区内的漫反射光的影响,分析一个半经验的漫反射解析模型与相函数相关的光学参量之间的关系.研究表明,来自光源附近微区的散射光对散射相函数的变化非常敏感,敏感程度随收集孔径φ的增大而逐渐减弱.当φ>1.8 mm时,散射相函数对漫反射率的影响不明显,反射率的相对变化小于1%;当φ<1.8 mm时,散射相函数对漫反射率的影响高达15.2%.用各向异性因子g和二阶光学参量γ表征单粒子散射特性时,散射特性的差异反应在三阶参量δ上.漫反射率随δ的增加而减小,并且δ对漫反射率的影响达到9%.
组织光学 光传输理论 散射相函数 高阶光学参量 Monte Carlo模拟 Tissue optics Optical transport theory Scattering phase function High-order optical parameter Monte Carlo simulation
波门是激光制导中广泛采用的一种抗干扰措施，其对干扰信号录取概率的大小对干扰成功与否非常关键。依据制导信号与干扰信号在波门内既相互联系又相互独立的特点，提出可用干扰信号与制导信号的联合概率密度函数描述干扰条件下波门对激光信号的录取，同时需要考虑干扰信号对实时波门的牵引作用。运用Matlab软件仿真了不同宽度的实时波门录取干扰信号的概率与超前同步时间的关系，表明对宽度一定的实时波门存在一个最佳的超前同步时间；超前同步时间为零时，波门录取干扰信号的概率接近于0.5，而不是接近于1；波门越宽、干扰设备的时间精度越高，干扰信号就越容易被波门录取；波门受到牵引后其对干扰信号的录取概率增加，而波门宽度的影响不大。在此基础上，用Monte-Carlo法对一次制导过程中波门对制导信号与干扰信号的录取以及多次制导中导引头跟踪真假目标的结果作了模拟，这可为建立对激光半主动制导**干扰效能评估系统打下基础。
联合概率密度分布函数 角度欺骗干扰 波门 录取概率 Monte-Carlo模拟 joint probability density function angle deception jamming range gate extraction probability Monte-Carlo simulation 红外与激光工程
2016, 45(1): 0106003
1 中国航天科工集团第九总体设计部，湖北 武汉 430040
2 哈尔滨工业大学光电子技术研究所，黑龙江 哈尔滨 150001
3 中国航天科工集团第四研究院，湖北 武汉 430040
：基于Mie散射理论利用偏振相关的Monte Carlo仿真方法对圆偏振光在水平大气中传输进行建模仿真。仿真结果表明：在大气能见度为5 km、传输距离为11.16 km条件下，接收光斑中心处保偏性能很好,且优于接收光斑边缘处保偏性能。进行了11.16 km水平大气链路左旋圆偏振光退偏实验，实验结果表明：在大气能见度为5~10 km，大气折射率结构常数Cn2=1.825×10-13 m-2/3条件下，左旋圆偏振光经过长距离水平大气信道传输后偏振旋向不发生改变；接收光斑中心处保偏性能良好，优于接收光斑边缘处，和仿真结果趋势一致。
Mie 散射 Monte Carlo模拟 水平大气退偏实验 Mie scattering Monte Carlo simulation horizontal atmospheric depolarization experiment
