中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
激光在海水传输过程中，接收视场逐渐增大、多次散射逐渐增强，导致叶绿素剖面反演误差较大。针对该问题，以反向传播（BP）神经网络为基础，建立了一个激光雷达回波信号反演叶绿素a浓度剖面的模型。数据集中包含标签-叶绿素a浓度与特征-激光雷达回波信号剖面。获得激光雷达回波剖面后，为了增强输入特征，使用随机抽样一致（RANSAC）算法剔除噪声，完成数据集搭建，进而以不同层网络的均方误差确定模型结构。反演结果显示：相比于传统的利用后向散射系数反演叶绿素浓度的方法，基于激光雷达回波的BP神经网络叶绿素剖面反演算法在验证集上的相对误差、均方根误差、平均误差分别降低了34%、0.363 mg/m3和0.213 mg/m3，相关系数提高了0.18。传统方法在50 m深度水体的叶绿素浓度相对误差为39%~93%，基于神经网络的剖面反演算法对应的相对误差为17%~36%，反演精度具有较大提升。对于实测数据，LIMC-BPNN反演结果的相对误差为13%。结果表明，相比于传统叶绿素反演方法，基于深度学习的叶绿素剖面反演算法能够有效提取激光雷达回波特征，得到更好的反演结果。
海洋光学 反向传播神经网络 垂直剖面 水体光学参数 叶绿素a 光学学报
2023, 43(24): 2401007
1 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
4 生态环境部卫星环境应用中心，北京 100094
5 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
6 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
7 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
8 崂山实验室，山东 青岛 266237
为实现对全球气溶胶光学参数剖面的高精度测量，采用基于碘分子滤波器的高光谱分辨率探测技术。结合欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的大气再分析数据集（ERA5）的温度和压强数据，选取在轨期间途经撒哈拉沙漠和加拿大山火区域的星载高光谱分辨率激光雷达（HSRL）的观测数据，对沙尘类气溶胶和烟尘类气溶胶的光学特性进行分析，包括气溶胶的后向散射系数、消光系数、退偏振比和雷达比。结果表明：撒哈拉沙漠地区近地面5 km以内的气溶胶分布主要以沙尘类气溶胶为主，其退偏振比集中在0.2~0.4，雷达比数值集中在40~60 sr；加拿大山火地区的气溶胶主要以烟尘类气溶胶为主，其退偏振比集中在0.02~0.15，雷达比在50~70 sr范围。激光雷达特有的高光谱探测技术，在气溶胶和云的精细化探测和分类方面具有重要应用，将在环境监测中发挥重要作用。
大气气溶胶 云 气溶胶光学参数 星载激光雷达 高光谱分辨率探测技术 光学学报
2023, 43(18): 1899901
江雪雷 1,2李恩恩 3,4,5,6许颖 1,2,*王天武 3,4,5,6,**谢雯羽 1,2
1 哈尔滨工业大学（深圳）深圳市土木工程智能结构系统重点实验室，广东 深圳 518055
2 哈尔滨工业大学（深圳）深圳市城市与土木工程防灾减灾重点实验室，广东 深圳 518055
3 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094
4 中国科学院电磁辐射与探测技术重点实验室，北京 100190
5 中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049
6 广东大湾区空天信息研究院，广东 广州 510700
锈蚀对钢材料（如钢筋，钢板等）的强度和耐久性具有较大的影响。研究发现在钢材锈蚀过程中产生的一些铁的氧化物能够与太赫兹（THz）电磁波表现出吸收共振。为了探究钢材锈蚀产物的光学参数并实现其特征识别，首先通过太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统测定了不同种类的锈蚀产物样品以及样品中的主要组分Fe3O4，Fe2O3，α-FeOOH的THz透射信号。在有效测定频率0~1.2 THz范围内，不同锈蚀产物混合物样品的折射率分布在2.7~3.4之间，组分晶体Fe3O4、Fe2O3、α-FeOOH的折射率分别为4.0、2.7、2.2。锈蚀产物混合物中Fe3O4的含量对光学参数，如吸收系数、折射率等的影响较大。然后，搭建了基于双色场的超宽带THz-TDS系统，进一步扩大THz的有效测定范围至0~10 THz，从而实现了对锈蚀产物的特征识别。在0~10 THz范围内，Fe3O4不存在特征吸收峰，Fe2O3的特征吸收峰位置为3.4、4.2、4.85、5.8 THz，α-FeOOH的特征吸收峰位置为3.6、4.05、5、5.45 THz。同时，对不同锈蚀产物样品的宽频THz吸收谱进行分析，能够实现Fe2O3和α-FeOOH的特征识别。研究结果表明，Fe2O3和α-FeOOH的特征吸收峰可以作为是否发生锈蚀的依据，该结果为THz技术在钢材锈蚀无损检测方面的应用奠定了基础。
太赫兹光谱 锈蚀 光学参数 特征吸收峰 光学学报
2023, 43(11): 1112003
福建师范大学光电与信息工程学院，医学光电科学与技术教育部重点实验室，福建省光子技术重点实验室，福建 福州 350007
采用COMSOL Multiphysics软件对不同结构组织中的声光作用过程进行仿真，讨论轴向和径向的光分布特点以及单层和多层组织光学参数对声光信号的影响。仿真结果表明：入射光束的大小对轴向和径向光的衰减速度以及轴向能流率峰值出现位置均产生影响；声光信号的峰峰值、平均值以及调制深度均随单层组织光学特性的改变而规律性变化；对于多层结构，声光信号的调制深度仅取决于靶组织的光学特性，与非靶组织的光学特性无关。
生物光学 声光作用机制 光学参数 多层组织 调制深度 光学学报
2023, 43(10): 1017001
温州医科大学眼视光学院(生物医学工程学院)，浙江 温州 325035
针对目前临床上尚缺乏有效可行的烧伤程度精准诊断的难题，本课题组研究了基于空间频域成像的烧伤程度无创定量评估方法。本课题组通过基于单次快照多频解调方法的空间频域成像技术，实时、大面积、高分辨地反演出了与烧伤组织结构、生理特性紧密相关的光学参数(吸收系数与约化散射系数)，并结合系统聚类方法与多参数降维分析，提高了烧伤程度分类的准确性，缩短了分类时间。鼠烧伤模型的实验结果表明：动态监测光学参数的变化趋势可以显著区分出三种不同的烧伤程度，系统聚类分析缩短了分类时间，基于主因子的多参数降维分析表现出了更强的抗干扰性。本文方法为临床烧伤的早期诊断提供了一种极具潜力的实现途径。
医用光学 医学生物成像 空间频域成像 烧伤程度评估 组织光学参数 中国激光
2022, 49(24): 2407205
北京科技大学自动化学院仪器科学与技术系, 北京 100083
很多物质在太赫兹波段内的光谱参数具有指纹特征, 这是太赫兹技术在安检等众多领域有所应用的基础。 但是, 目前常用的太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术提取物质光学参数的Duvillaret算法, 要求样品上下表面平行且充分光滑。 然而在很多有潜力的实际应用场合中, 尤其是对于固体样品, 表面粗糙度不可避免, 并且不能使用模具压片等实验室制样手段来保证其表面的平行光滑特性, 由此需要一种不受样品表面粗糙度影响且更具有普适性的光学参数提取算法来增加太赫兹时域光谱技术在实际场合下的应用能力。 分析了太赫兹波透射表面粗糙样品的光程, 建立了包含有样品粗糙度、 折射率和消光系数的表面粗糙样品太赫兹透射模型, 在已知粗糙度及平均厚度的条件下, 提取出在太赫兹波段有特征吸收的表面粗糙样品的折射率和吸收系数, 验证了此透射模型的适用性。 首先, 选择在太赫兹波段有特征吸收的α-乳糖和L-组氨酸作为实验材料, 制作了质量分数和密度相同的表面粗糙样品和光滑样品, 并在太赫兹时域光谱系统中获取它们的太赫兹透射实验数据; 然后, 利用建立的透射模型从实验数据中提取出了表面粗糙α-乳糖和L-组氨酸样品的折射率和吸收系数; 最后, 为衡量透射模型提取结果的优劣性, 把Duvillaret算法作为另一种光学参数提取的参照方法, 将本模型算法、 Duvillaret算法对表面粗糙样品的提取结果分别与从平行光滑样品中提取的标准结果进行比较, 计算两种提取方式与标准值之间的均方根误差(RMSE)。 比较结果表明, 相比于Duvillaret算法, 本透射模型方法所提取出的表面粗糙样品的折射率和吸收系数与标准值之间偏差更小, 在一定程度上减少了粗糙度对提取结果的影响, 具有更高的精确度。 因此, 在已知表面粗糙样品的粗糙度以及平均厚度的条件下, 利用此模型可较为精确地在太赫兹时域光谱系统中提取出物质的光学参数。 此研究结果将有力推进太赫兹波光学参数提取技术的实际应用。
太赫兹时域波谱技术 透射模型 粗糙度 光学参数 Terahertz time-domain spectroscopy Transmission model Roughness Optical parameters
上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海 200240
生物组织的吸收系数和散射系数与组织的生理状态相关，是检测人体健康状态的重要指标。当前双层生物组织模型的光学参数反演方案中，吸收系数和散射系数的预测精度受到上层组织厚度等参数的影响较大，限制了模型的实际应用范围。为此，提出一种对上层组织厚度等参数不敏感的吸收和散射系数反演方法。通过采集漫反射光信号的空间和时间分布信息，并利用卷积神经网络来反演双层生物组织的吸收系数和散射系数，在随机的上层组织厚度和折射率等参量下实现较高的吸收系数和散射系数反演精度。在仿真实验中，基于改进的蒙特卡罗模拟获得双层皮肤模型在不同空间探测位置处、不同时刻的漫反射光强信息，然后利用卷积神经网络实现对两层皮肤组织吸收系数和散射系数的预测。结果表明：在固定的上层组织厚度和折射率参数下，吸收系数和散射系数反演的平均相对误差均小于4%；而当上层组织厚度和折射率存在随机变化时，吸收系数和散射系数的平均相对误差仍小于8%。相较其他方法，所提的测量方案和反演算法进一步提升了反演精度和扩展了实际应用场景，为生物组织光学参数的无创测量提供了新思路。
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617018
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室, 天津 300072
3 新疆医科大学第一附属医院, 新疆 乌鲁木齐830054
黏膜组织病变多起源于浅层上皮组织,因此研究亚扩散域的空间分辨漫反射光谱分布特性对于黏膜组织早期病变识别具有重要意义。在亚扩散区域,除了吸收系数μa与约化散射系数μ's外,二阶散射定向因子γ对组织漫反射率也有较大影响。为实现三个光学参数的同时定量反构,面向实际应用基于光纤几何和Gegenbauer-kernel (GK)相函数的蒙特卡罗模拟建立正向数值模型,采用3D查表(3D-LUT)法和反向传播神经网络 (BPNN)反构光学参数,然后进行数值模拟和仿体实验验证。数值模拟结果表明,3D-LUT和BPNN两种方法反构的光学参数均具有较小的误差,但相比于3D-LUT方法,BPNN方法的反构准确性更高、计算速度快且具有更好的抗噪声能力。仿体实验表明,在实验系统噪声影响以及仿体测量校正存在误差等情况下,两种方法仍可有效地反构三个光学参数,从而证明了本研究所提方法的可行性和有效性。
医用光学 亚扩散光谱 蒙特卡罗模拟 光学参数 散射相函数 查表法 反向传播神经网络 光学学报
2021, 41(24): 2417001
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室, 天津 300072
3 新疆医科大学第一附属医院, 新疆 乌鲁木齐 830054
黏膜组织病变的早期发现及治疗对于预防黏膜癌变尤为重要。为实现黏膜组织光学参数的准确测量,设计了一套具有无创测量、方便快捷等特点的亚扩散域空间分辨漫反射测量系统。该系统通过采集多波长、多源-探距离下的空间分辨漫反射光,实现了亚扩散域漫射光谱的检测,并结合数字锁相检测技术,提高了抗噪声和抗串扰的能力。系统性能评估实验验证了系统具有良好的稳定性、线性度、抗频率间串扰能力以及很强的环境光抑制能力。为进一步验证所设计的系统,采用可模拟黏膜组织的仿体进行了实验,通过基于蒙特卡罗模拟建立的正向数值模型,结合查表法实现了三个光学参数(吸收系数、约化散射系数和二阶散射定向因子)的同时定量反构,进一步验证了系统的可行性和有效性。
医用光学 亚扩散光谱 空间分辨测量 数字锁相检测 光学参数 中国激光
2021, 48(20): 2007001
1 长春理工大学光电工程学院光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学光电工程学院光电工程国家级实验教学示范中心, 吉林 长春 130022
利用时域有限差分法和太赫兹时域光谱技术对玻纤复合材料分层缺陷进行研究。首先,基于透射式太赫兹时域光谱系统获得玻纤复合材料在太赫兹波段的光学参数,并用时域有限差分法对缺陷进行数值仿真;其次,利用太赫兹时域光谱系统对提前预制的缺陷样件进行实际检测;最后,对比理论和实际检测获得的时域波形数据,对缺陷进行成像分析,发现两种方法均实现了在距离材料上表面3 mm和5 mm处对0.3 mm厚度分层缺陷的检测。结果表明:时域有限差分法可为利用太赫兹时域光谱系统检测复合材料缺陷提供理论支撑,减小对标准件的依赖性;太赫兹时域光谱系统可有效检测材料内部缺陷,可通过检测结果判断材料整体性能。
测量 无损检测 时域有限差分 太赫兹 光学参数提取 复合材料 光学学报
2021, 41(17): 1712003
