生物组织中强度调制的连续激光激发的光声信号影响因素研究

分析了强度调制的连续激光激发的光声信号形成过程以及调制脉宽对光声信号强度的影响,发现随着调制方波脉宽的增加,生物组织吸收的光功率增加,光声信号幅值增加。研究了调制脉宽对光声成像技术轴向分辨率的影响,发现随着调制方波脉宽宽度的增加,光声信号的脉宽增加,其轴向分辨率变差。在理论研究的基础上进行了实验验证,通过方波调制的激光二极管的出射激光激发生物组织获取声信号。在激光二极管出射光功率提高受限的条件下,通过增加作用在生物组织上的光功率密度获取高分辨率、高信噪比的光声图像。对强度调制连续激光激发的光声成像技术的研究能够为光声成像技术提供一种低成本、便携式的设备,为进一步研究提供参考。     

频率域光声成像系统的研究

频率域光声成像是指使用连续波激光器输出激光光源,利用该调制后的激光信号辐射组织,在频率域对激励的光声信号进行处理并成像的方式。首先阐述光声成像和频率域光声成像的原理、发展以及研究现状,然后介绍频率域光声成像的具体实验方法和基本重建算法。为了弥补时域光声成像成本高、伤害性大、便携性差等缺点,提出了频率域光声成像的两种成像方式,给出了完整的实验系统结构图,展示其相对于传统时域光声成像不同的研究特点与方向。最后对频率域光声成像进行展望,为光声成像在国内的研究和发展提供一定的借鉴和引导。     

基于光环形器的光传送网通信偏振模色散抑制

为了降低光传送网传输过程中产生的偏振模色散对传输信号质量的影响,采用将光环形器置于光传送网光放大器前端的方法,对光传送网通信传输中的偏振模色散效果进行了仿真。经过偏振模色散抑制后,传输眼图具有更加明显的张开状态,系统的传输性能有一定的提高,在一定程度上抑制了光传送网中存在的偏振模色散,有效改善了信号的质量。结果表明,从添加光环形器前后补偿偏振模色散的误比特率计算结果发现,误比特率的效率提高了约1倍,光环形器对光传送网通信的偏振模色散现象具有显著的抑制效果。该方案对不同传输速度的偏振态光信号延迟进行等效补偿,最终实现补偿偏振模色散的效果。     

水的光学特性对水下光学成像质量影响的分析

水的光学特性对光学成像质量有着重要的影响,水对光的吸收、散射作用可造成光在水介质传播中的衰减,本文就水的光学特性及其对水下光学成像质量的影响进行了分析,以为成像系统在水下的应用提供基础的理论依据。     

声折射对光声成像的影响

研究了光声信号声速失配时所起的声折射对光声成像的影响,提出了利用与组织声速匹配的耦合液进行光声成像,并配置了几种适合于组织声速的超声耦合液.实验结果表明,进行声速匹配后重建出的图像对比度有明显地提高,背景伪迹减少,分辨率由0.50 mm提高到0.15 mm,重建图像与实物十分吻合.     

基于非线性啁啾光栅和波长扫描的ROF系统

为了降低光信号在不同传输距离产生的色散对光载射频(ROF)(光载无线电)传输系统的信号质量的影响,提出了一种基于静态非线性啁啾光纤光栅(NLCFBG)和动态波长扫描相结合的可调谐色散补偿ROF传输系统方案。在对所提出系统方案进行理论分析的基础上制作了NLCFBG,并对ROF传输中的可调谐色散效果进行半实物仿真,分析和比较了有无光栅色散补偿时系统的传输性能;验证了此方案对不同传输距离、不同激光频率以及不同射频载波频率的光纤传输系统色散补偿性能。     

生物组织的光声成像技术及其在生物医学中的应用

简要介绍了光声成像技术的基本原理,采集系统和成像算法.重点阐述了光声成像技术在肿瘤的早期检测和疗效监测,脑成像和脑功能监测以及临床血管监测等生物医学领域的应用.对光声成像技术应用前景进行了展望.     

超声调制光信号的调制深度与组织光学特性关系

超声调制光学成像技术融合了光学成像和超声成像的优点,已实现对浑浊介质内隐藏异体的成像,是一种很有前景的医学成像技术。通过实验探究超声调制光信号与组织光学特性的关系、超声焦区内外组织的光学特性对调制信号的影响,发现超声对光信号的调制深度与超声焦区组织的光学性质呈简单的线性关系,调制深度随样品散射系数的增大而减小,随样品吸收系数的增大而增大。超声区信号调制深度基本不受超声调制区域外复杂组织的光学特性的影响。这为超声调制光学成像提供必要的图像重构依据。     

关联成像应用及其最新进展

关联成像又称鬼成像，是一种新型的成像方式。它对探测得到的携带有物体光强信息的信号光与参考光路的测量矩阵进行符合运算，利用两个光路之间的二阶强度关联特性来获得物体的图像信息。不同于传统的成像方式，关联成像具有抗噪声能力强、成像方式多样等优势，可以减小散射介质对光信号的扰动和衰减所带来的影响。自1995年第一个鬼成像实验实现以来，鬼成像一直是经典物理和量子物理领域最热门的研究课题之一。主要概述鬼成像的发展历程和理论原理，讨论最近国内外科研人员在鬼成像应用方面的探索与实践。     

散射体和吸收体的超声调制光学成像

具有超声定位的高空间分辨率特点和光学检测的高灵敏度特点的超声调制光学成像(UOT)既可以对光吸收介质进行成像也可以对光散射介质进行成像。在介质和光电倍增管(PMT)之间放置两个小孔,通过控制PMT的探测位置提高了系统的信噪比和成像对比度,同时获得了浑浊介质中隐含散射体和吸收体的一维成像。实验结果表明在不同的探测位置处,超声调制光信号的调制深度M与介质的吸收系数和散射系数的关系不同。选择合适的PMT探测位置,超声调制光学成像信号不仅可以体现吸收体和散射体的大小和强弱,还可以分辨出吸收体和散射体的不同。     

后向散射对激光水下成像的影响研究

为研究后向散射对水下成像的影响,采用辐射传输理论建立了激光水下成像后向散射理论模型,提出了表征后向散射对目标识别影响程度的水下成像后向散射影响系数,给出了距离选通成像后向散射功率及后向散射影响系数的解析表达式。利用Matlab进行了数值模拟分析,得出了水下成像后向散射随探测水深及水衰减系数的变化规律,证明了考虑后向散射对成像质量的影响时,水衰减系数远大于探测水深的影响,说明了非对称因子的取值对成像质量具有较大的影响。     

距离选通水下激光成像系统设计及实验

针对浅水目标探测这一难题,设计了一种基于距离选通技术的水下成像系统。系统围绕532nm Nd…YAG脉冲激光器和选通式增强型电荷耦合器件(ICCD)摄像机搭建而成,并且采用激光脉冲作为系统同步控制的触发信号。采用基于现场可编程门阵列(FPGA)技术设计的同步控制电路,进行了距离选通水下激光成像实验。实验结果表明,采用激光脉冲触发同步控制电路的方法,可有效抑制激光脉冲抖动对系统同步控制精度的影响,从而克服水体表面反射和后向散射对成像的影响,提高了成像质量。在有效衰减系数为0.52m-1的湖泊中,系统的成像深度可达到水下7m,对于浅水目标的探测、识别非常有效。     

小径管内壁缺陷的涡流热成像定量检测

管道内壁腐蚀对化工企业的安全生产造成重大隐患,因此对于内壁腐蚀缺陷深度的预估极其重要。本文采用涡流热成像技术对内壁不同深度的腐蚀缺陷进行检测与评估。利用COMSOL建立不同深度缺陷的3维有限元模型,提取不同深度缺陷在冷却阶段温度信号,并进行数据归一化处理,分析缺陷深度对于热传导影响。同时,通过实验对数值模拟分析结果进行验证,并提出以瞬态温度衰减信号的积分值为特征量预估腐蚀缺陷的深度。结果表明:缺陷深度越深,冷却阶段温度衰减速率越快,瞬态温度衰减信号的积分值越小。对于壁厚4 mm的小径管,可以从原始热图像中可识别直径6 mm,最小深度为1.5 mm腐蚀缺陷。     

轴向运动目标鬼成像点扩散函数质量评价方法

研究了鬼成像系统的点扩散函数(PSF),以轴向运动目标的鬼成像系统为例理论推导出其点扩散函数,并进行了数值模拟和计算机仿真实验.结果表明:目标在信号光路轴向的运动会导致成像质量的下降,速度越大成像质量越差,应用点扩散函数方法分析鬼成像系统的成像质量可以在不成像的情况下预先判断成像效果,相对于传统的质量评价方式有很大优势.     

一种新型水下激光成像系统

提出了一种新型水下激光成像系统的模型 ,计算了该系统的成像距离和成像质量与光束发散角、接收视场角、快门开启时间等主要参数的关系 ,降低背景光的影响与提高光脉冲质量能有效地提高成像距离和成像质量。在一般海水介质中 ,这种水下激光成像系统的成像距离理论值可达2 5倍衰减长度 ,约是同步扫描和距离选通水下激光成像系统的 4～ 5倍。     

傅里叶望远镜对实际有纵深目标成像的研究

为了实现傅里叶望远镜对有纵深的真实目标高分辨率成像,利用成像基本公式,采用先直观定性分析后计算机定量仿真的方式开展研究。原理分析得出米级纵深目标的回波最大延迟时间差为6.7 ns。定性分析指出信号周期远大于6.7 ns时,傅里叶望远镜可以对米级纵深目标成像;信号周期约为6.7 ns或则更小时,成像质量将严重下降。定量分析先给出回波最大延迟与信号周期比从0至1/8范围内的重构图像结果和Strehl值的比较,得出延迟与周期之比小于1/32时还能获得可识别目标重构图像的结论。然后再比较分块数分别为2、4和8时重构图像结果及Strehl值,得出在满足信号周期远大于最大延迟条件下,目标纵深变化对成像无影响的结论。通过对纵深在10 m以内目标的仿真研究,得出外差频率低于466 k Hz的信号可重构出可识别的目标图像的结论。     

低慢小目标面阵推进式激光成像探测方法研究

为了解决空中低慢小目标探测存在“发现难、识别难、跟踪难”的问题,提出了一种面阵推进式激光成像探测方法。采用面阵探测器对场景选通成像,通过车载成像系统的行进来实现多帧不同场景图像的获取,并运用一种特定的距离映射关系来实现对观测场景的3维重构。以低空小型飞行物为目标,设计了成像探测系统的基本参量,并从激光二极管阵列单元、脉冲宽度与重复频率、大气衰减、信噪比和脉冲峰值功率等方面分析了成像探测系统的基本性能。结果表明,在低空范围内,面阵推进式激光成像探测方法可有效对大面积空域进行快速3维成像,缩短图像生成时间,为下一步的系统工程实现提供了理论和技术指导。     

THz主动焦平面成像系统的MRC匹配滤波器模型

太赫兹焦平面成像技术具有成像分辨率高、时间周期短、系统简单,体积小等诸多优点,在安检和工业检测等领域具有广泛的应用前景。由于目前太赫兹焦平面器件灵敏度尚低,大多只能采用主动成像模式,且目前尚没有较公认可测试的THz主动成像系统性性能评价参数及其模型,难以为其系统设计提供理论基础和方法指导。本文结合太赫兹射源及焦平面探测器特性,同时考虑目标-背景特性、大气衰减及器件衰减等影响,研究建立了太赫兹主动成像系统的最小可分辨对比度匹配滤波器模型。并结合文献示例以及实际太赫兹焦平面主动成像系统的测试结果,验证了最小可分辨对比度模型。结果表明：实验测量值和计算值基本一致,误差在合理范围之内,从而表明了本文模型的有效性。     

Thermoresponsive Semiconducting Polymer Nanoparticles for Contrast‐Enhanced Photoacoustic Imaging

Photoacoustic (PA) agents with biomarker‐activated signals are developed to enhance the signal‐to‐background ratios (SBRs) for in vivo imaging; however, their SBRs still heavily rely on the concentration difference of biomarkers between diseased and normal tissues. By contrast, external stimuli can provide a remote way to noninvasively control the signal generation from the PA agents and in turn enhance SBR, which are less exploited. This study reports the development of thermoresponsive semiconducting polymer brush with poly(N,N‐dimethylacrylamide)‐r‐(hydroxypropyl acrylate) (PDMA‐r‐HPA) grafts for contrast‐enhanced in vivo imaging. Such a polymer is amphiphilic and can self‐assemble into the nanoparticle (termed as SPNph1) in an aqueous medium, and has lower critical solution temperatures (LCSTs) at 48 °C. Thus, SPNph1 not only has higher photothermal conversion efficiency than the control polymer without PDMA‐r‐HPA grafts, but also can undergo phase separation to form large nanoparticles, leading to enhanced PA signals above LCST. The thermoresponsive PA property of SPNph1 enables in situ remote manipulation of PA signals by photoirradiation to further enhance the tumor SBR. Thus, this study introduces a new generation of organic PA agents with thermoresponsive signal for high‐contrast in vivo imaging.     

被动综合孔径成像中的光学处理技术

综合孔径技术已被广泛应用于被动式毫米波成像.由于成像系统的电路需要对天线收到的电信号进行长时间的处理以得到足够多的数据来重建图像,因此成像速度慢是这种方法的主要限制.通过电光幅度调制技术把毫米波调制到激光载波上,带有图像信息的光信号通过光纤传输后再经过透镜可以直接成像.本文从原理上比较了新的电光成像系统和原系统的异同,对于提出的新系统,采用10GHz的微波调制信号,载波波长为1550nm的激光进行一维点源成像仿真.成像结果说明了新的电光系统可以得到含有源辐射强度和方向信息的图像,但由于光纤间距远大于光波长,图像的角度范围大大缩小.仿真结果说明新的成像系统可以快速成像,并且通过增加孔径个数可以提高图像的分辨率.