准确获取飞秒激光成丝横截面图像及其沉积能量空间分布信息，对于成丝动力机制研究和促进诸多基于光丝的实际大气应用发展具有重要意义。本文基于热传导方程和波动方程构成的光声信号前向仿真模型，理论模拟了利用环阵式光声层析系统接收飞秒激光在空气介质中成丝诱导产生超声脉冲信号的过程；然后，利用延迟叠加算法对飞秒激光大气传输成丝沉积能量横向分布图像进行了反向重建，并分析了测量系统中关键器件超声换能器的中心频率、带宽、表面尺寸和探测表面灵敏度等性能参数对光丝沉积能量分布图像重建结果的影响。结果表明，单丝诱导产生的声压脉冲信号频谱为单峰结构，而多丝声压脉冲信号频谱为多峰结构；相比于单丝图像重建，多丝图像重建受“孔径效应”影响更显著；换能器的性能参数对光丝图像的重建效果有显著的影响，换能器的带宽越大、表面直径越小，以及表面灵敏度系数越大，越有利于光丝沉积能量分布图像重建效果的提升。该研究结果可为真实大气条件下飞秒激光传输成丝沉积能量空间分布的实验测量提供一定的理论支撑。

光声信号的传统检测方法是基于超声技术，这样接触式的信号探测方式增加了交叉感染的风险，不利于临床应用。采用纯光学技术的光声成像可提升检测精度和临床舒适度，具有较强的临床应用价值。设计了采用调Q Nd∶YAG脉冲激光器作为激励源的光声信号激发系统，选用双频He-Ne激光器作为探测源采集光声信号，搭建的外差干涉系统产生携带光声信号特征的拍频信号，利用I/Q正交法解调出光声信号。首先通过超声换能器模拟振动信号验证系统性能，实验结果表明光声信号探测系统能较好地还原出超声振动信号，且与水浸探头相比，振动频率的相对测量误差只有0.04%，绝对差值为0.2 kHz。然后以碳棒和离体生物组织作为样品，利用短脉冲光激励诱导光声信号，采用本系统和超声探头进行信号探测，对比分析结果显示所搭建的外差系统在检测带宽内可以实现光声表面振动波的非接触、高精度探测。

针对特定场合对光声光谱气体检测系统中光声池特征频率的设计需求，利用有限元分析法，以一阶圆柱形共振光声池为研究对象进行声学模态仿真，获得了前8阶声学模态；仿真分析谐振腔、缓冲室的半径和长度对光声池特征频率和光声信号强度的影响。仿真结果表明：当谐振腔半径为3 mm时，谐振腔长度为120 mm，缓冲室的半径、长度分别为14.7 mm、60 mm是光声池特征频率在1 400 Hz附近的最佳尺寸。

为了克服时域信号易受环境干扰影响的缺陷, 提高液体浓度光声测量的稳定性, 在已有的光声信号时域峰峰值特性研究的基础上, 对光声信号的频域特性展开研究。分别讨论了葡萄糖溶液光声信号的功率谱特性和最大熵谱特性, 并分别采用峰值检测、对数拟合等方法对光声信号的频谱特性进行分析。对比了葡萄糖光声信号时域峰峰值与功率谱、最大熵谱的非线性误差和重复性误差。实验结果表明: 对最大熵谱曲线进行对数拟合之后采用截距表征光声信号的方法, 其非线性误差和重复性误差相比于传统的时域峰峰值检测方法分别减小了28%和71%。由此可以得出: 频域分析方法可以显著减小葡萄糖浓度检测的非线性误差和重复性误差, 提高无创血糖浓度检测的精度与稳定性。

光声层析成像是依据探测到的光声信号来重建组织内光能量吸收分布图像的一种技术。近年来, 该研究领域得到了巨大的发展, 其应用范围广泛, 包括了解剖学、功能学和分子影像学。然而, 其中一个巨大挑战是由于光声效应的光到声的转换效率非常低, 导致光声信号的信噪比很小, 得到的重建光声图像质量也不高。传统的提高光声信号信噪比的方法是数据平均法, 但严重限制了成像速度。在不牺牲信号保真度和成像速度的情况下, 首先, 利用经验模态分解(Empirical mode decomposition, EMD)实现光声信号的自适应分解, 然后, 以条件互信息为准则确定需要降噪的本征模函数(Intrinsic mode function, IMF), 对选定的本征模函数进行降噪处理得到降噪后的光声信号, 最后利用重构算法得到降噪后的光声图像。仿真和实验结果表明, 提出的这种利用经验模式分解和条件互信息结合的降噪算法对比传统的降噪算法更好地实现了光声信号信噪比的提高和重建图像对比度的提高。证明了该降噪算法的有效性, 同时该方法为低功率激光源和低功率放大信号信噪比的实时低成本PA成像系统的研制提供了可能。

基于血管弹性成像原理,利用光声成像技术测量不同压力作用下血管内径的变化情况,通过建立光声信号的时域特征模型,计算用于分析血压-管径特征关系的信息,再结合希尔伯特变换等数字信号处理方法进行分析,由此获得了组织中弹性力学性质的空间分布情况。实验结果表明:压力、血管管径与光声信号峰峰值的时间间隔呈单调递增的关系,该技术可用于快速、实时地检测血管直径的变化,为光声成像技术实现非侵入式动态血压测量提供了理论依据。

介绍了光声光谱技术的基本原理,采用英国凯尔曼(Kelman)有限公司研发的便 携式变压器油中故障气体 及微水检测装置Transport-X对SF6 分解产物中的CO和SO2 进行了检测,由于Kelman公司的检测装置是检测油中 故障气体的,装置中没有SO2 滤光片,因此根据HITRAN2004数据库重新选取了SO2 气体的滤光片, 并用新选择的SO2 滤光片替换原来Kelman检测装置中的一个滤光片,来实现对SO2 气体的检测。对 不同浓度的CO和SO2 气体进行了标定,结果表明光声信号与待测气体浓度之间具有良好的线性关 系, CO和SO2 气体的最低检测限分别达到了4.063 ppm和9.540 ppm。

由于光声效应产生光声压分布图像，所以当强散射介质中的模拟吸光组织在受到短脉冲激光照射时，该声压分布会经声透镜成像在像平面上。在像平面上利用线性超声探测器阵列获取光声信号并传递给高速数据采集卡进行数据采集，可由程序重构出光声图像。设计的光声层析成像系统可以采集记录一定深度的数据，成像时只要在所采集到的数据中选取不同列数即可同时获得强散射介质多层样品不同层面的光声图像。实验成功地获得了强散射介质内多层样品不同层面的光声层析图像。该成像方法无需进行复杂的算法重建，且可以同时实现多层样品不同切面的光声成像。

阐述了光声成像的基本原理，综述了现有的几种光声成像方法、原理及成果。介绍了国内外多个研究小组在光声成像领域所取得的一些成果，主要包括：用超声探测器记录光声信号的滤波反投影算法光声成像；超声探测器结合声透镜的傅里叶方法；用探测光做载波调制光声信号，将光声信号转化为光信号，经光学系统解调，将样品像显示在CCD摄像机上的实时光声成像等。对比了几种光声成像方法，并提出了一些光声成像的新思路。