高精度光声光谱定量成像系统的设计与应用

冠状动脉内斑块的破损是引起急性心血管事件的主要原因。而对于斑块易损性的诊断,不仅需要掌握其形态特性,斑块的组成成分（尤其是脂质）、及其浓度的空间分布也是非常关键的信息。针对该需求,研发一套高精度的光声光谱成像系统,可以用于斑块成分的识别、分离、浓度定量分析,并在空间成像。与以往的研究相比,该系统通过透射式光声共焦的设计,大幅提高了系统信噪比,保证了光声光谱数据的精度;并且通过先光谱扫描,再移动样品的成像方式,保证了光声光谱与其空间来源对应关系的一致性;而结合多元曲线分辨的光谱解析算法,实现了样本中各成分的光谱分离和定量解析。对仿体和动物模型的试验,验证了本系统可以对脂质浓度的空间分布进行高效和高精度的成像。该系统的研发和试验,展示了光声成像技术应用于临床的极大潜力。     

光声光谱气体探测器的新发展

首先回顾了光声光谱仪的历史。接着介绍了光声光谱气体探测器的工作原理,讨论了近十年来出现的新颖的光源、微音器及光声池这三个光声系统中的主要器件,详尽介绍了其优缺点及适用范围。最后探讨了气体光声光谱探测系统的发展趋势。     

光声光谱信号的检测与处理

针对微型光声光谱气体检测实验中背景噪声严重,微音器信号无法被准确提取的问题,借助计算机及其声卡设计了PAS传感器信号检测系统.首先,分析实验中锁相放大技术的基本原理,提出利用虚拟仪器技术实现光声信号检测的方法;通过分析实验中可虚拟化的仪器原理,最终利用LabVIEW开发出自动检测系统,实现了硬件仪器软件化,有效减少实验中硬件噪声源的存在,采样频率192 kHz,采样位数24 Bit,存储深度极大.结果与结论:结果表明它能从5 mV的噪声中提取0.1 mV的光声信号,误差为0.9%,能够很好的应用于光声试验中,满足稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等实验要求.     

用于光合作用研究的光声光谱仪数据采集系统的改进

对本室研制的用于光合作用研究的光声光谱仪的数据采集系统作了改进.采用计算机采样,提高了采样频率和锁相放大器的时间常数.实验应用了基于最小二乘法的数字滤波技术、多通道采样技术、变频率采样技术.列举的实例证明,改进了数据采集系统的光声光谱仪,在性能上有了很大的提高.     

基于半导体激光器的乙炔气体光声光谱检测及其定量分析

油中溶解乙炔是变压器等油浸式电气设备早期放电性故障的重要特征气体。基于半导体激光器的光声光谱传感技术具有灵敏度高,选择性好等优点,能很好地应用于微弱气体检测中。论文构建了基于分布反馈半导体激光器光声光谱检测装置,并分析了光声池的特性参数;实验研究了光声信号与激光功率、乙炔气体浓度之间的关系;并借助激光器的波长调制特性,研究了乙炔分子在近红外区第一泛音带1.5μm附近的光声光谱;提出了一种基于最小二乘回归的光声光谱定量分析方法。理论和实验结果为乙炔的光声光谱在线检测及高灵敏度可调谐光声光谱仪的设计提供了参考。     

基于LabVIEW的血管内光声成像系统的设计与实验

冠状动脉中易损斑块的破裂是导致心血管疾病死亡的重要原因。掌握易损斑块形态特性、组成成分(主要是脂质)与空间分布信息,有利实现易损斑块的早期预测和干预治疗,则可以极大降低心血管病带来的危害。介绍了一种基于LabVIEW实现数据采集功能的血管内光声成像系统,并利用其实现对血管斑块脂质的成像与定量分析。实验结果表明,血管内光声成像技术应用于临床血管内介入具有巨大潜力。     

MTEC100型光声池在FTIR—PAS中的应用

ＭＴＥＣ－１００型光声池是一新型高灵敏度固体光声池。本文介绍了该光声池的设计特点，使用方法和提高检测灵敏敏度的技术。将该光声池与Ｐｅｒｋｉｎ－Ｅｌｍｅｒ１８００型傅里叶变换红外光谱仪联用，作了高聚合物结构分析，表面深度分析和吸附物研究。     

Hyperspectral photoacoustic spectroscopy of highly-absorbing samples for diagnostic ocular imaging applications

Photoacoustic spectroscopy has been used to measure optical absorption coefficient and the application of tens of wavelength bands in photoacoustic spectroscopy was reported. Using optical methods, absorption-related information is, generally, derived from reflectance or transmittance values. Hence measurement accuracy is limited for highly absorbing samples where the reflectance or transmittance is too low to give reasonable signal-to-noise ratio. In this context, this paper proposes and illustrates a hyperspectral photoacoustic spectroscopy system to measure the absorption-related properties of highly absorbing samples directly. The normalized optical absorption coefficient spectrum of the highly absorbing iris is acquired using an optical absorption coefficient standard. The proposed concepts and the feasibility of the developed diagnostic medical imaging system are demonstrated using fluorescent microsphere suspensions and porcine eyes as test samples.     

湿度和SF_6在石英增强光声光谱中对CO分子弛豫率的影响

为了研究六氟化硫(SF_6)气体分子和水汽(H_2O)对一氧化碳(CO)气体分子的弛豫率的影响,建立了一个基于石英增强光声光谱(QEPAS)技术的痕量气体传感器系统。采用1.57μm的近红外分布式反馈二极管激光器作为激励光源,并对不同SF_6和H_2O气体浓度下的CO的光声信号进行对比研究。首先用CO传感器系统探测CO与N_2的气体混合物中CO的光声信号,然后在CO与N_2气体混合物中加入不同浓度的SF_6气体,分别探测不同浓度SF_6气体下的CO光声信号强度。最后在CO与N_2的气体混合物中加入不同浓度H_2O,探测加入H_2O后的CO的光声信号强度。实验结果表明随着CO和N_2气体混合物中SF_6气体浓度的增加,CO的光声信号幅值几乎没有变化,而在混合物中加入2.5%的H_2O后,发现CO的光声信号提高了约5倍。因此,SF_6对CO气体的弛豫率没有明显的影响,然而H_2O的添加能够有效缩短CO气体的弛豫时间。     

基于差分吸收光谱法的在线连续污染物监测系统

针对在固定污染源烟气排放检测中无法连续精确测量污染气体的现状,设计了一个基于差分吸收光谱法(DOAS)的在线连续监测系统。该系统采用ARM和DSP为核心,以Linux为操作系统,以MiniGUI为交互界面环境,它分为光谱数据采集模块、主控模块两部分;光谱采集模块控制光谱数据的采集过程,主控模块负责气体浓度计算和显示。研究结果表明,使用该系统,可以连续精确采集SO2与NO等气体,气体采集的稳定性和精度较高,但在高温环境测试和高浓度气体测试时误差均过高,有待进一步改进。     

扫描式氙灯太阳模拟器十维扫描系统

为了模拟卫星在轨全年的太阳辐照情况,检验、优化整星的杂散光抑制能力,分析了光学载荷的在轨成像条件,设计了一种基于7维扫描镜+2维折反镜+1维被测样件共计10维运动机构的扫描式氙灯太阳模拟器,并建立了它们关于照明姿态和位置的控制方程,完成了被测样件的空间环境模拟照明。实验表明,对1 700mm×2 700mm的被测样件可实现方位角为-90°~+90°、俯仰角为-29°~+42.5°的模拟照明,角精度分别可达0.2°和0.1°,位置精度优于10mm。该扫描式太阳模拟器可较精确地为部分卫星提供全年太阳照明空间环境模拟实验。     

气象用太阳模拟器光学系统仿真

气象用太阳模拟器主要应用于总辐射表检测,对辐照均匀性有较高的要求,光学系统设计难度较大。本文介绍了如何用lighttools软件进行光学系统建模,分析辐照均匀性,为光学系统设计及装调提供有效的指导,其中,短弧氙灯是整个建模的关键,根据短弧氙灯的发光机理及其亮度曲线,用嵌套的圆柱和球体光源来仿真氙灯的发光,通过蒙特卡洛光线追迹,仿真出来的配光曲线和实际的很接近,符合建模要求。最后,分别用一维、二维、三维分析图表示辐照度分布。通过数据分析,整个口径范围内辐照不均匀度为±4.2%,有效口径φ100m范围内,辐照不均匀度为±2.0%。     

小型高灵敏度水下拉曼光谱系统

为了使水下拉曼光谱系统更加易于搭载和布放,并进一步提高其探测能力,研制了一套探头式的小型高灵敏度水下拉曼光谱系统并对其探测能力进行了评估。通过优化结构设计和严格的器件选型,系统的体积和重量得到了有效的控制,其主体舱尺寸为Φ260mm×L795mm,重量为548N,仅为国际上报道的首台深海拉曼光谱系统(DORISS)质量的三分之一。将激光器从主体舱移至探头舱,有效避免了传统光学探头中激发光耦合进入光纤时产生的耦合损失以及激光在传输过程中引起的杂散光干扰。系统采用了300mW能量可调激光器配合高衍射效率的体相位全息光栅和半导体制冷CCD,有效提高了探测灵敏度。实验结果表明,系统对于硫酸根的检测限在0.4mmol·L-1以下,是DORISS探测能力的4倍,同时能够实现对水下矿石种类的原位鉴定。该深海拉曼光谱系统在海洋原位探测方面展现出了良好的应用前景。     

Scanning tunneling microscope spectroscopy of polymers

This paper presents theoretical results on the relationship between density of states (DOS) and scanning tunneling microscope current-voltage curves in polymers. We considered samples of linear hydrocarbons electrically grounded at one of their extremes. The other extreme is electrically connected to the microscope tip via electron tunneling through vacuum. When a voltage, V, is applied to the tip, electric current, I, flows in the tip-sample circuit. This current varies as the voltage varies and depends on the DOS to the extent that no current would flow if no electron states exist at a certain energy (or voltage). The detailed relationship between DOS and the current-voltage (I-V) curve is not known a priori. We solve the corresponding quantum problem in the context of tight binding and find that I-V reproduces accurately the resonant energy peaks of the DOS. We apply the results to 100 atom-long alkane and alkene chains and found that there is a significant voltage shift in the corresponding curves as to discriminate one structure from the other.     

功能性近红外脑成像系统综述

功能性近红外脑成像(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)技术能够有效测量大脑血红蛋白的浓度变化,是一种新型的、无损的检测技术。研发出一种高性能的可穿戴fNIRS系统对于临床诊断和日常生活监测具有重要意义。对比了不同fNIRS系统中的各个组成部分,首先分析比较了系统中光源和光电探测器的选择以及排布方式,其次比较了数据采集、数据预处理和数据分析的方法,最后讨论了提高系统时间分辨率、空间分辨率以及便携性的改进方法。本文可为读者设计一种高性能的fNIRS系统提供指导。