脉冲响应函数在Monte Carlo模拟中的应用研究

MonteCarlo方法是研究复杂面光源入射条件下光在生物组织分布规律的唯一有效手段,但直接的MonteCarlo模拟存在计算量大、收敛速度慢的问题。通过引入生物组织脉冲响应函数的概念,利用卷积方法计算光在穿过组织一定深度后的分布规律,编制了相应的程序并进行了大量计算机模拟,在此基础上,提出了一种对模拟结果进行评价的方法,利用该方法分析了光源离散量与脉冲响应函数模拟量对光场分布计算结果的影响,证明基于脉冲响应函数的MonteCarlo模拟可以极大地提高计算效率和收敛速度。     

柱弥散光源内部辐照组织的Monte-Carlo模拟和实验研究

为无损获取组织中光剂量分布信息,本文构建 了弥散光源内部辐照柱状组织的光学模型,利用Monte-Carlo模拟方法实现了 组织内光分布信息的无损预测, 有关模拟结果与实验测量结果基本一致。提出的模型模拟方法对于由弥散光源在组织内部实 施光辐照的临床医用中光剂量的无损确定和治疗方案的优化设计有实际价值。     

线形宽带超声相控阵换能器的声场分析

讨论了一种计算矩形活塞阵元声场脉冲响应函数的简便算法,通过对不同延时量的矩形活塞阵元声场脉冲响应函数进行叠加,得到线形换能器阵列的脉冲响应函数;再施以宽带脉冲激励函数,得到线形换能器阵列的声场分布。比较了3种不同换能器的脉冲响应及声场分布,该法对工业无损检测领域超声成像用换能器参数优化具有重要意义。     

光源面分布对激光针灸经穴组织的漫反射影响

为了研究光源面分布对激光针灸经穴组织的漫反射传输影响,利用激光针炙在穴位组织中虚拟点源的镜像点源分布函数、并引入格林响应函数,外推边界条件求解得到点光源的漫射方程解,由人体穴位4层介质组织的一系列虚拟点源的响应得到不同空间分布光源下人体穴位的激光针炙漫反射模型;采用蒙特卡罗方法模拟了圆平面、光纤及高斯分布的面光源激光针灸。结果表明,无光斑时3种光源的径向光能主要集中在近激光针灸点区域,径向距离大于0.135cm,3种光源卷积曲线重合,圆平面和高斯光源的轴向光能呈负指数衰减,光纤光源呈直线下降;存在光斑时面光源的漫反射与光斑面积成反比,等光斑面积下圆屏光斑比圆环光斑的组织漫反射大,光斑垂直投影处漫反射曲线存在明显畸变,投影外畸变与距离成反比,达到0.5个光斑半径距离时畸变基本消除。该结果可为穴位针灸的光源选取与针灸定位提供有益参考。     

混浊介质中光子的迁移程长研究

从时间分辨漫射方程出发推导了混浊介质中光子的程长概率分布函数，研究了平均程长、最可几程长与组织光学特性参数以及光源检测器之间的距离的关系。结果显示，约化散射系数对程长分布的影响要大于吸收系数的影响；平均程长在整个范同内与光源检测器之间的距离呈现良好的线性关系；而最可几程长在光源检测器之间的距离较大时与其呈线性关系。蒙特卡罗模拟结果显示与理论计算结果吻合。     

水平大气传输中部分相干光的光强分布及 相干特性

利用光束的交叉谱密度函数得到了部分相干光的光强分布和相干长度的表达式, 并基于该表达式就光源不同 相干参数、不同湍流强度对部分相干光在水平大气传输中的光强分布和相干长度的影响效应进行了数值模拟, 且与 完全相干光进行了比较分析。研究结果表明: 在自由空间传输过程中光强分布主要受衍射引起的展宽影响, 光源相干 参数越大光束的相干长度值越大。在湍流大气中, 光源相干参数越大光强分布和相干长度受湍流大气强度变化影响 越小。随着湍流强度和传输距离的增加, 光束展宽效应增加, 同时由于湍流叠加效应导致光束的相干长度下降。     

面光源在皮肤组织中传输的蒙特卡罗模拟计算

光在生物组织中的传输可用蒙特卡罗模拟来计算,但多数局限于对线光源垂直入射的模拟。在实际的使用中,入射光源的形状、大小、光强分布和会聚情况对生物组织内的光传输均有影响。本文以最简单的强度均匀分布的圆形面光源（平圆光源）和实际使用中最具代表性的强度成高斯分布的面光源（高斯光源）为例,讨论光束的大小,强度分布和聚焦情况对生物组织内光能量分布的影响。     

移动无线信道脉冲响应的计算机模拟

根据移动通信多径传播的一般化模型,模拟产生了移动无线信道的复值脉冲响应函数,模拟结果自然地反映了信道的衰落相关性,通过调整四个参数,可描述瑞利、Rice或其它形式的衰落信道,利用模拟结果分折数字通信中由于多径衰落引起的突发误码分布已取得成效。     

光源附近组织的空间分辨漫反射研究

P3 近似理论可以描述光源附近约1个输运平均自由程(MFP)内组织的漫反射光分布,这个区域的光分布与组织的散射相函数有关。利用P3 近似理论研究了组合相函数的结构因子α对光源附近组织的漫反射光分布的影响。研究表明:在输运平均自由程不变条件下,各向异性因子的变化不引起漫射近似适用区域光分布的改变,但对光源附近约1个输运平均自由程附近的光分布有很大影响;α对漫反射率的影响远大于相函数的高阶矩对漫反射率的影响。研究结果对于使用内窥方式或对表层组织进行活体检测的空间分辨漫反射测量技术具有实际意义。     

1.064 μm脉冲激光在雾中传输的蒙特卡洛模拟

在大气无线光通信中,大气中的雾滴会导致激光信号严重衰减,从而使得脉冲信号的时间展宽和能量衰减。应用蒙特卡洛多次散射模型对1.064μm激光脉冲在雾中的传输特性进行了数值模拟。在模拟中,基于米氏散射理论,计算出了光在不同雾能见度下的散射相函数值,并通过随机抽样方法得到了随机数与散射角的对应关系。与采用H-G相函数近似表示粒子对光的米氏散射特性的方法相比,这种方法更精确。在此基础上,模拟了不同雾环境和接收视场角下激光信号的脉冲响应特性。     

钛合金粗糙表面的偏振光及变温BRDF特性

基于红外光谱椭偏仪测得钛合金TC4在298~773 K范围的光学常数,结合Monte Carlo射线跟踪法对钛合金随机粗糙表面的双向反射分布函数(BRDF)进行了研究.分析了不同表面粗糙度、入射光偏振态及温度对钛合金表面BRDF分布的影响.结果表明:偏振光入射下钛合金的BRDF分布随入射角度及表面粗糙度的变化趋势与非偏振光相同;入射平面内粗糙钛合金表面的BRDF随光源偏振态变化与光滑平板具有相同趋势;TE波入射时的BRDF反射峰值大于TM波入射;钛合金粗糙表面的BRDF镜反射峰值随温度升高有下降趋势;在所研究的温度范围内(298~773 K),峰值变化在10.2%以内,温度变化对TM波下钛合金BRDF分布特性的影响大于TE波,且在入射角度增大时影响增大.     

Monte Carlo modeling of light propagation in highly scattering tissues. II. Comparison with measurements in phantoms

Measurements of the fluence-depth distributions and of the diffuse reflectance of 633 nm light have been made in liquid media with optical properties similar to soft tissues. The results are compared with predictions of Monte Carlo computer calculations in order to test the adequacy of Monte Carlo modeling of light transport in tissue. Except at extremely high albedo, the experimental data and the Monte Carlo results agree well for the depth dependence of the fluence as a function of incident light beam diameter and optical absorption and scattering, and for the dependence of the diffuse reflectance on the albedo. The absolute experimental values for the fluence must be renormalized by a factor which varies with the albedo in order to match the model values, and the possible sources of this discrepancy are discussed.     

基于蒙特卡罗方法的烟幕透过率计算与分析

烟幕透过率是表征烟幕干扰性能的重要参数。以等效粒径为0.1μm的石墨为例,就不同形状的石墨粒子组成的烟幕,基于蒙特卡罗方法对烟幕透过率进行了数值计算。利用Mie散射理论和离散偶极子近似(DDA)方法分别计算了球形粒子、椭球形粒子和圆柱形粒子对1.06μm波长的入射光单次散射的消光参量。对于入射光在烟幕中的传输,建立了蒙特卡罗模拟计算模型,利用MATLAB语言编制了相应的计算程序,给出了不同纵横比的椭球形粒子和圆柱形粒子相应的烟幕透过率计算结果,并和等体积球粒子相应的烟幕透过率进行了比较分析。结果表明:透过率与烟幕中粒子形状、粒子数密度、入射光的入射角度及烟幕厚度有关,粒子形状越偏离球形,对应透过率越小。     

无公共散射体的紫外光通信传输特性分析

采用基于蒙特卡罗的多次散射模型,研究无 公共散射体传输模型下紫外光(UV)传输特性,对该模型下 UV在大气中传输的平均散射次数随距离的变化情况、路径损耗随传输距离的变化情况 、脉冲响应时间 延迟随传输距离的变化情况以及脉冲响应曲线随能见度的变化情况进行仿真分析。结果显示 ,无公共散射体 传输模型下的UV至少需要两次的大气散射才能够到达接收端,相同传输距离无公共散 射体传输模型的 路径损耗和脉冲响应时间延迟也远高于有公共散射体传输模型的路径损耗和脉冲响应时间 延迟。通过归 一化得到的随能见度变化的脉冲响应曲线发现,无公共散射体传输模型在大气中传输的 脉冲响应时间 延迟不随能见度的变化而变化,但脉冲响应峰值高度随能见度的增大而增高。     

红外光源辐射特性的蒙特卡洛模拟

为满足红外跟踪仿真的高精度、高稳定性设计要求,本文基于蒙特卡洛算法针对红外光源的辐射特性进行了模拟仿真研究。首先,介绍了系统结构和工作原理。接着,以蒙特卡洛方法为基础,对钨丝灯圆柱体光源进行建模,给出光阑处的辐照度精确分布,为建立光阑通光口径的非线性控制函数提供依据。然后,分析了不同条件下蒙特卡洛算法的准确度,并研究了装配位置对系统光能利用率的影响。仿真结果表明:在旋转抛物面反射镜的焦点外存在一个最佳的光源装配位置;在装配过程中,允许的轴向偏移为0.1 mm,垂轴偏移为0.1 mm,角度偏移为2°。该系统满足了红外跟踪仿真的稳定可靠、高精度要求。同时,本文所采用的分析方法对其他红外光源的优化设计也有借鉴作用。     

Modeling of non-line-of-sight ultraviolet scattering channels for communication

A stochastic non-line-of-sight (NLOS) ultraviolet (UV) communication channel model is developed using a Monte Carlo simulation method based on photon tracing. The expected channel impulse response is obtained by computing photon arrival probabilities and associated propagation delay at the receiver. This method captures the multiple scattering effects of UV signal propagation in the atmosphere, and relaxes the assumptions of single scattering theory. The proposed model has a clear advantage in reliable prediction of NLOS path loss, as validated by outdoor experiments at small to medium elevation angles. A Gamma function is shown to agree well with the predicted impulse response, and this provides a simple means to determine the channel bandwidth. The developed model is employed to study the characteristics of NLOS UV scattering channels, including path loss and channel bandwidth, for a variety of scattering conditions, source wavelength, transmitter and receiver optical pointing geometries, and range.     

非均匀混浊介质多光谱反射成像的仿真与实验研究

提出了一种采集高动态范围多光谱反射率的实验方 法,并通过测量5个非均匀混浊介 质样品在全视场照射条件下和500~940nm波长范围内的反射图像数据 证明了本方法的可行性。同时 采用在辐射传输理论框架下建立的并行iMC蒙特卡罗仿真模型,通过使用漫反射标准板准确 记录入射光 束能量分布,输入至iMC仿真程序,获得可与反射率测量数据相比较的反射率仿真图像数据 。本文工 作为求解根据反射率确定非均匀混浊介质样品的光学特征与几何参数的逆问题提供了实验与 理论工具。     

基于二维粗糙面模型的大地土壤表面散射特性研究

建立二维粗糙面模型研究了大地土壤表面对高频超视距雷达电磁波的散射特性.采用半经验公式计算了HF频段给定频率下土壤媒质在不同温度、湿度时的有效相对介电常数,并与微波频段下情形进行对比.采用Monte Carlo法结合高斯谱函数生成二维粗糙面模拟真实大地土壤表面,建立了土壤表面积分方程,采用锥形波入射消除人为截断粗糙面带来的边缘衍射,采用基于物理意义的双网格法(Physics Based Two Grid,PBTG)结合稀疏网格迭代法(Sparse Matrix Canonical Grid,SMCG)求解土壤表面的双站散射系数.研究了不同温度和湿度条件下,大地土壤表面对高频超视距雷达电磁波的散射特性.研究结果为高频超视距雷达遥感探测提供了理论参考.