[發明專利]一種基于馬爾科夫鏈的高光學介質場重建方法

有效

• 申請號: 202010953104.X
• 申請日: 2020-09-11
• 公開（公告）號: CN112182944B
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發明（設計）人: 李雪松;許敏;王上寧;楊尚澤;肖迪;袁志遠;徐宏昌;王森
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F30/25
• 分類號: G06F30/25;G01N21/47
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

本發明公開了一種基于馬爾科夫鏈的高光學介質場重建算法，涉及高光學深度渾濁場物理性質重建算法領域，所述算法包括以下步驟：步驟A、實驗預處理；步驟B、離散化，包括介質離散化和角度離散化；步驟C、結合所有可能性列舉出所有可能的性質分布，并根據時間方法簡化可能性數目；步驟D、構建狀態轉移矩陣；步驟E、基于馬爾科夫鏈算法模擬各個可能性下的出射光角度分布結果；步驟F、通過全局優化算法將步驟E所述出射角度分布與步驟A所述出射角度的理論分布進行擬合選擇；步驟G、通過步驟F所述擬合結果得到最相符的場重建結果；步驟H、結束。本發明極大的節約時間成本，求解方法貼近實際情況，能夠為場重建過程提供解析解。

技術領域

本發明涉及高光學深度渾濁場物理性質重建算法領域，尤其涉及一種基于馬爾科夫鏈的高光學介質場重建算法。

背景技術

經過復雜介質散射后出射光的角度分布包含了介質內顆粒粒徑、濃度等信息，因此對于平板介質出射光散射角度分布的測量與預測意義重大。由于多重散射(光子在介質內部發生碰撞的次數多于一次)現象的存在，散射光角度分布的預測是十分復雜的，同時由于這一現象的存在，針對光學深度較高的介質的光學測量往往會受到精度影響。在實際的工程或科學問題中，時常需要面對未知介質內部性質測量的相關問題，如生物組織病變探測、大氣變化監測、發動機近場稠密噴霧粒徑測量等，研究人員往往使用光學手段進行測試，通過出射光的分布反推內部性質，即進行光學介質場重建。對于光學介質場的重建過程而言，多重散射的存在會增大計算的復雜性，特別是對光學深度介于2-10的介質時(光子在介質內部發生散射的平均次數位于2-10次之間)，這一部分介質內部會發生多重散射，但散射程度尚未達到可以使用相關理論近似計算的程度。對于這類問題，一種較為成熟的解決方法為求解輻射輸運方程(RTE方程)，通過求解析解的方法，能夠獲得介質場的準確物性信息，但求解RTE方程過程十分復雜，計算成本極高，實際應用中需要進行較多假設以確保方程可解(A.J.Welch and M.J.C.V.Gemert,Optical-Thermal Response of Laser-Irradiated Tissue，2011)，這會使得結果包含系統誤差；另一種廣泛使用的方法是蒙特卡洛模擬算法，其實現方法較為簡單，且較符合實際情況，其最顯著的缺點是時間成本極高，由于其計算基于概率，為得出理想結果，通常需要重復散射過程高達數十億次，即使使用高性能計算機，其計算的時間成本也是難以接受的，同時，受限于算法本身性質，蒙特卡洛模擬雖然能在已知場物性條件下模擬散射光分布，但無法在逆過程(場重建過程)中提供解析解。

因此，本領域的技術人員致力于開發一種高光學深度渾濁場物理性質重建算法，減少計算所需成本和假設條件，為場重建過程提供解析解。

發明內容

有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是將計算時間縮減為傳統方法的約10％；盡量減少假設條件，貼近實際情況，得到與實際相符的結果；同時可以進行正反運算，能夠為場重建過程提供解析解。

為實現上述目的，本發明提供了一種基于馬爾科夫鏈的高光學介質場重建算法，其特征在于，所述算法包括以下步驟：

步驟A、預處理，通過光學實驗，得到出射角度的理論分布結果；

步驟B、離散化，包括介質離散化和角度離散化，其中所述介質離散化即為將未知介質等分為若干層，所述角度離散化即為將散射角度分為若干層；

步驟C、結合所有可能性列舉出所有可能的性質分布，并根據時間方法簡化可能性數目；

步驟D、構建狀態轉移矩陣；

步驟E、基于馬爾科夫鏈算法模擬各個可能性下的出射光角度分布結果；

步驟F、通過全局優化算法將步驟E所述出射角度分布與步驟A所述出射角度的理論分布進行擬合選擇；

步驟G、通過步驟F所述擬合結果得到最相符的場重建結果；

步驟H、結束。