基于光声波前整形的光透过无序介质光聚焦及成像的研究

论文摘要

激光入射到诸如生物组织、纸张、大气等无序介质内部时,会产生光吸收与光散射现象。光散射导致了激光无法透过无序介质进行聚焦与成像,而光吸收可以产生光声效应。波前整形技术的出现使得在无序介质内部进行光聚焦及成像变成可能,然而传统的波前整形技术由于需要CCD相机作为反馈,无法实现非侵入性的在无序介质内部聚焦与成像。由于声波在生物组织内部的散射比光的散射弱两到三个数量级,利用光吸收产生的光声效应,可以实现非侵入性的在生物组织内部进行波前整形,从而对活体生物组织进行无损检测与成像。因此研究基于光声效应在无序介质中实现光聚焦及成像的研究具有重要意义。本文研究了将光声效应应用于激光波前整形领域,并实现透过无序介质的光聚焦及对目标进行成像。由于活体生物组织的损伤阈值限制,入射到生物组织中的脉冲激光能量通常较低。本文采用表面所能承受能量较低的二进制振幅调制的数字微镜器件(DMD)对入射光的波前进行调制。使用超声换能器收集散射体之后的吸收体产生的光声波作为遗传算法的反馈信号来实现聚焦。由于入射激光能量的限制,产生的光声信号非常微弱。且由于实验设备中的静电与放大器噪声的影响,光声信号的初始信噪比很低。本文提出了一种小波去噪与相关检测算法相结合的光声信号提取方案。不仅将光声信号的信噪比由3.76提高到25.4,且有效的排除了杂波对光声信号的影响。利用本文提出的光声信号提取方案,我们在脉冲激光重复频率较低的情况下实现了较快速度的聚焦。在聚焦完成之后,我们对吸收体进行了扫描成像,与未聚焦之前相比,光声图像的对比度由1.51提高到5.30。之后我们将小波去噪与相关检测算法相结合的光声信号提取方案应用于聚焦完成之后的扫描成像之中。并提出了一种改进的自适应时间窗口相关检测的光声信号提取方案,进一步将光声图像的对比度提高到9.57。

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ABSTRACT

第1章绪论

1.1 无序介质内的光散射

1.1.1 光与物质相互作用

1.1.2 生物组织中的光吸收和散射

1.2 生物组织中的成像方法

1.2.1 基于弹道光的成像方法

1.2.2 基于散射光的成像方法

1.3 透过无序介质后聚焦光线

1.3.1 迭代优化法

1.3.2 传输矩阵法

1.3.3 相位共轭法

1.4 光声成像

1.5 研究利用光声效应进行光聚焦及成像的意义

1.6 本论文的主要内容

第2章光声效应

2.1 光声理论基础

2.2 光声波检测

2.3 图像重建

2.4 本章小结

第3章小波去噪及相关检测算法

3.1 光声信号的小波去噪

3.2 小波基及小波分解层数的选择

3.3 信噪比的改善

3.4 相关检测算法

3.5 基于小波去燥及相关检测算法的光声信号提取方案

3.6 本章小结

第4章遗传算法

4.1 遗传算法原理

4.2 基于光声反馈的波前整形遗传算法

4.3 本章小结

第5章高信噪比的光声波前整形聚焦实验

5.1 实验装置

5.2 单点聚焦实验

5.3 双点聚焦实验

5.4 结果分析

5.5 本章小结

第6章高对比度的光声成像实验

6.1 实验装置

6.2 二维移动平台的控制

6.3 波前整形优化前后光声成像

6.4 自适应时间窗口光声成像

6.5 结果分析

6.6 本章小结

第7章总结与展望

7.1 内容总结

7.2 难点分析

7.3 改进展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文

导师和作者简介

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 孙佳林

导师: 丁迎春

关键词: 光声效应,波前整形,光声成像,小波去噪,相关检测

来源: 北京化工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,计算机软件及计算机应用

单位: 北京化工大学

分类号: TN24;TP391.41

DOI: 10.26939/d.cnki.gbhgu.2019.000672

总页数: 78

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