繆竟鴻，何鑫偉,2，王慧泉,2△，陳洪麗,2，趙喆,2，王金海,2

(1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387; 2.天津市光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

1 引 言

為對待測物體進(jìn)行快捷、方便、易攜帶的測量，需制作與組織光學(xué)參數(shù)相近的組織仿體。近紅外光檢測最常用的光學(xué)仿體包括：脂肪乳等液體仿體、半固態(tài)仿體和固態(tài)仿體[13-14]。脂肪乳溶液為高散射低吸收的物質(zhì)，光學(xué)特性穩(wěn)定，大多用在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中，但是不能長時(shí)間保存。為了能夠長期保存并在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中反復(fù)使用，選用固態(tài)的硬質(zhì)仿體最為合適。

制作硬質(zhì)仿體的材料分為三部分：散射介質(zhì)、吸收介質(zhì)以及基質(zhì)[15]。散射介質(zhì)影響仿體的散射系數(shù)μs與各向異性因子g，常用的是TiO2與氧化鋁等。吸收介質(zhì)影響仿體的衰減系數(shù)，常用的物質(zhì)是印度墨水與血液等。常用的基質(zhì)是硅膠及樹脂等[16]。

2 基于DPDW的光學(xué)參數(shù)檢測算法

在生物組織中，DPDW傳輸規(guī)律遵循時(shí)間分辨光子擴(kuò)散方程[17-18]，見式(1)。

(1)

在遵循擴(kuò)散方程的近似條件時(shí)，能夠建立信號幅值(A)與相位(θ)和待測物體的μa和μs之間的關(guān)系。最常用的方法是：在單一頻率調(diào)制下，多波長進(jìn)行檢測。本研究采用的是多頻調(diào)制下的單波長檢測A與θ，通過建立A與θ在多頻調(diào)制下與μa和μs的關(guān)系，最終得到待測物體的光學(xué)參數(shù)。通常情況下，經(jīng)過待測物體后，信號的頻率不會(huì)發(fā)生改變，但是會(huì)造成A的減小，θ會(huì)有延遲。外界光線對直流信號的影響比較大，所以測量時(shí)只測量交流信號的A與θ。

光子的漫射方程可以寫成Helmholtz 方程，見式(2)：

(2)

(3)

(4)

(5)

3 DPDW采集系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)搭建

3.1 儀器及材料

DPDW光學(xué)參數(shù)檢測系統(tǒng)使用的關(guān)鍵器件包括：安捷倫網(wǎng)絡(luò)分析儀(E5070B)、THORLABS激光器(L785P090)、T型偏置器(Mini-Circuits ZFBT-4R2G+)和光電檢測器(DET025AFC)。光纖采用的是單模光纖，調(diào)制頻率的范圍為300 KHz～1 MHz。系統(tǒng)搭建圖見圖1。其中， E5070B是二端口網(wǎng)絡(luò)，可以同時(shí)發(fā)射和接收信號，并能夠獲取在設(shè)置的頻率范圍內(nèi)不同頻率處的幅值和相位。由于E5070B不能直接加直流信號，因此，需要T型偏置器。ZFBT-4R2G+是一個(gè)三端口器件，可以分別輸入直流信號DC和交流信號AC，輸出信號是DC&AC形式。DET025AFC能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)變成電信號，對700～800 nm的光信號響應(yīng)度最高，因此，選用波長是785 nm的L785P090，功率為90 mW。激光器通過耦合光纖垂直照射到待測物體的表面，光電檢測器通過垂直并緊挨待測物體的光纖探測到漫射光子。

圖1 DPDW系統(tǒng)框圖

(6)

3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

網(wǎng)絡(luò)分析儀的port1發(fā)射出300 KHz～1 MHz的信號，直流電流源發(fā)出直流信號，通過T型偏置器的耦合，能夠驅(qū)動(dòng)785 nm的激光器，包含著掃頻信息的激光信號通過垂直并緊挨待測物體的光纖傳遞到待測物體上，經(jīng)過光子與物體內(nèi)的小顆粒的碰撞后，探測光纖獲得漫射光的信息后傳遞到光電檢測器，能夠把光信號轉(zhuǎn)變成電信號，傳送到網(wǎng)絡(luò)分析儀的port2。實(shí)際搭建的系統(tǒng)見圖2。

圖2 DPDW測量系統(tǒng)圖

圖2(a)是系統(tǒng)的整體圖，其中，1是網(wǎng)絡(luò)分析儀，是交流信號的發(fā)射和接收設(shè)備，2是直流電流源，3是激光器驅(qū)動(dòng)器，4是光電探測器，5是T型偏置器，6是待測仿體，7是檢測手柄，目的是固定出射光纖與入射光纖的擺放位置，8是光纖耦合部分。圖2(b)是檢測手柄與待測仿體的安裝位置的側(cè)視示意圖以及模擬內(nèi)部光路的傳輸示意圖。

3.3 檢測過程及數(shù)據(jù)處理

打開網(wǎng)絡(luò)分析儀，直流電流源和激光器控制器底座開關(guān)，固定仿體與檢測手柄的位置，保證光纖垂直并緊挨仿體的表面；在經(jīng)過15 min的預(yù)熱后，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)出的信號的掃描頻率范圍是300 KHz～1 MHz。將直流電流源設(shè)置為2.1 V，此時(shí)，激光器正常發(fā)光。在一個(gè)掃頻周期內(nèi)，保存測量到的幅值和相位延遲的信息。其中，系統(tǒng)在每次測量時(shí)均能夠得到101個(gè)頻率點(diǎn)處幅值和相位信息。為了消除系統(tǒng)中的器件本身的損耗，首先需對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。網(wǎng)絡(luò)分析儀port1發(fā)出的信號作為系統(tǒng)的參考信號，port2接收到的信號作為系統(tǒng)的測量信號，兩者幅值的比值為標(biāo)準(zhǔn)化后信號的幅值，兩者相位的差值為標(biāo)準(zhǔn)化后信號的相位，從此得到了消除系統(tǒng)誤差后的測量信號。由測量信號的

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

按照上述原理及步驟對3個(gè)仿體分別進(jìn)行了測量，得到了在單波長光源多頻率調(diào)制下幅度和相位的數(shù)據(jù)。通過擬合算法的處理，得到的擬合波形見圖3。其中，圖3(a)為仿體1的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)及擬合曲線圖，圖3(b)為仿體2的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)及擬合曲線圖，圖3(c)為仿體3的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)及擬合曲線圖。圖中的散點(diǎn)分別代表了測量的幅值和相位數(shù)據(jù)，擬合曲線參數(shù)可直接計(jì)算仿體的吸收和散射系數(shù)。

圖3幅值和相位的采集散點(diǎn)圖和擬合曲線

Fig3Amplitudeandphaseacquisitionscatterplotandfittingcurve

表1μa測量值與真實(shí)值的關(guān)系

Table1Therelationshipbetweenthemeasuredvalueandthetruevalueofμa

仿體序號μa真實(shí)值(cm-1)μa測量值(cm-1)μa絕對誤差(cm-1)μa相對誤差(%)仿體10.12600.14520.019215.2仿體20.27000.31110.041115.2仿體30.97501.25680.281828.9

仿體序號μ's真實(shí)值(cm-1)μ's測量值(cm-1)μ's絕對誤差(cm-1)μ's相對誤差(%)仿體10.01000.01290.002929.0仿體20.01000.01210.002121.0仿體30.01000.01210.002121.0

通過將3個(gè)仿體的真實(shí)吸收系數(shù)與擬合吸收系數(shù)做線性分析，見圖4。得到兩者之間的相關(guān)系數(shù)為0.999。

圖4 真實(shí)μa與擬合μa的線性關(guān)系圖

5 小結(jié)