脉栅相干层析方法技术

本发明专利技术公开一种脉栅相干层析方法。该方法是将低相干脉冲光分为至少两束光，其中一束光进入被层析物质，其分布反射光为信号光；另一束光被循环重复的分光或分光并光放大而产生脉栅；脉栅与信号光产生干涉并形成信号光脉冲串；该信号光脉冲串包含了被层析物质反射光的分布，可表征其层析信息。该方法层析范围大，灵敏度高，层析信息的重构简单快速。该方法适于连续散射物质的层析成像，及生物、化学、物理等参量的分布传感。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于图像层析及光学分布传感
，具体涉及一种及层 析装置。
技术介绍
地质地震、大型结构和建筑(如油井、高压电力网、矿井、隧道、桥梁、水利工程、 飞行器)等需要分布式监测应力/应变、形变等以确定其健康状况，也需要分布监测温度 以防火灾。生化物理、医学及诊断、大气或云层、海洋、国防军事等需要层析成像以获取 生物、化学物理、组织细胞及其病变、大气层、海洋或海床、军事目标等的多维分布情况 或层析(断层)图像信息。这些层析图像、大范围场分布信息的获取都需要高可靠性、高 灵敏及高精度的分布式传感或层析成像技术，以获取全方位信息，实现有效的监测。光学 传感有非接触式高灵敏地获取大范围空间图像或场量(如温度、应力/应变、振动、大气层 的云场和风场,及生物化学物质或其它物理场等)分布信息和定位的能力，可解决分布传感 的难题，是目前真正意义上分布式传感的有效方法。因此，用光学方法实现图像层析或分 布传感有很重要的作用和广阔的应用前景。目前，层析成像方法主要有高能射线(x、 射线等)计算层析成像(CT， Computed Tomography)、核磁共振层析成像(隨R， Nuclear-Magnetic Reso翻ce)、正电子发射计 算层析成像(PECT， Positron Emission Computed Tomography)、时间分辨层析术、太赫 兹层析成像、光学相干层析成像(OCT, Optical Coherence Tomography)等。其中，应 用较多的是CT和醒R， CT既可用于生物体也可用于非生物体的层析成像，而NMR、 OCT、 PECT和时间分辨层析术等主要用于生物体的层析成像。CT层析方法是用高能射线如x光、射线、射线等穿过被层析体，扫描获取被层 析体多个层面和多个方位的透射强度，再根据透射强度用去巻积反投影等算法重建被层析 体的三维图像。该层析术主要用于医疗和工业诊断；其不足是设备复杂，体积大，重建算 法复杂，计算量大而费时，价格高，空间分辨率较低(为毫米量级)，对人体和环境有危 害，适合中小空间范围的层析成像。NMR核磁共振层析方法是不同结构的分子有不同的原子核自旋进动频率，共振吸收不同频率的外加射频场能量；用氢原子共振射频脉冲对准某位置，该位置的质子吸收旋转或旋进所需的能量并按特定方向旋转；同时，梯度磁体的迅速开关可在某确定点附近改变 主磁场(选定区域)；当射频脉冲停止后，氢原子的质子缓慢恢复其自然排列，并释放所 吸收的部分能量即信号；获取该信号并由计算机变换(如傅立叶变换)形成层析图像。其 不足是外加射频场对生物体有影响，噪音大，成像时间较长，计算量大，设备复杂体积大， 价格昂贵，适于中小空间范围的层析成像。PECT层析方法是CT技术和核素成像技术的结合，是用生物体基本物质运载超短半衰 期的正电子核素到需要显像的位置；正电子核素在衰变过程中释放正电子，正电子与周围 环境中的负电子结合发生质量湮灭，产生两个能量相同、方向相反的射线光子；方向相 反的两射线光子被两探测器接收，两探测器的输出通过阈值鉴别器确定正电子释放量， 通过由与门构成的时间符合检测电路确定正电子释放或负电子质量湮灭的位置，由此再扫 描移动探测器的相对位置并通过计算机可获取核素分布浓度的层析像或断面像。其优点是 灵敏度高，定位精确，可进行严格的衰减校正。其缺点是使用复杂，设备价格过高，对生 物体有一定程度的不良影响，适于中小空间范围的层析成像。时间分辨层析方法是分布式散射体散射不同路径的光，不同路径光传播的路径长度 不同，经历的时间也不同(弹道光时间最短，蛇行光次之，漫射光时间最长)；用超短激 光脉冲和延时过滤时间门(如条纹相机、克尔门、全息门及各种电子门等)区分开并滤除 掉漫射光，选通出弹道光和蛇行光而得到分布式散射体的层析图像。该方法定位准确，可 用于生物组织中隐埋物的探测和成像；其不足是存在多次散射，层析图像不够清晰，层析 范围较小(与散射体性质有关)，对选通时间控制的要求较高，所需要的超短脉冲激光设 备昂贵，数据处理较复杂。太赫兹层析成像与时间分辨层析方法相似，它是根据被层析体 对太赫兹电磁波脉冲的反射信号的时间分辨采样而得到层析图像的。在现有层析方法中，与本专利技术相近的是光学相干层析方法。该方法是低相干连续光 源光被分为两束光，分别传输到反射镜和被层析的生物体；反射镜反射的光和生物体背向 散射的光汇合而产生干涉信号并被探测器探测；在生物体内，只有与反射镜光程差为0的 散射点附近的光才参与干涉，则干涉信号代表了生物体内确定位置的散射强度；沿光线方 向扫描移动反射镜的位置，可得到生物体内不同位置的散射强度即层析图像(在频域法中， 对干涉信号光的光谱进行付利叶变换可得到一维层析图像)。该方法适于强散射物质的层 析。其优点是空间分辨率高(微米量级，称为分子雷达)；相对CT和NMR层析而言，系统 简单体积小，成本较低，重构算法简单。该方法的不足是层析范围小，需要高精度纵向扫描机构(无纵向扫描的频域法层析成像区间极小)，扫描速度慢，主要适于生物组织的小 范围层析成像。上述层析方法主要用于生物体和机械结构体的层析成像；其共同不足是难以用于大范 围(如数十公里)的层析成像，也难以用于如大气层云体、液体等稀薄物质的层析成像。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于针对现有技术存在的一些上述不足，提供一种灵敏度高、重构简 单、层析空间范围大、无需纵向扫描机构的脉栅相干层析(PGCT， Pulse-grating Coherence Tomography)方法。该方法可用于大范围场量的高灵敏层析成像，及温度、应变和振动等 大范围高灵敏分布传感。为实现本专利技术目的，采用了以下技术方案首先定义术语"脉栅(Pulse-grating， PG)"。所述脉栅是指不同脉冲的载波之间有 相同初相位或有确定相位差的低相干性脉冲串或序列；所述低相干性是指脉冲的载波频率 成分是宽频谱的，或是指脉冲的持续时间与脉冲载波的周期是接近的。这样定义的脉栅可 用于空间分布信号的相干采样，具有空间选通性即空间信号釆样特性，也具有空间标尺特 性。本专利技术所述的，其特征在于包括以下步骤(1)将低相干脉冲光分 为至少两束光；其中一束光传输到被层析物质，其反射光为信号光；另一束光经循环重复 分光后形成为脉冲光串(该脉冲光串定义为脉栅)；(2)该脉冲光串与所述信号光产生干 涉，形成为信号光串；(3)该信号光串经处理后表征被层析物质的层析信息。本专利技术所述的，其特征在于所述低相干脉冲光是短脉冲光或宽光 谱脉冲光；所述低相干脉冲光的脉宽小于所述脉冲光串的时间间隔或周期；所述宽光谱脉 冲光的光谱宽大于5pra。本专利技术所述的，其特征在于所述短脉冲光是飞秒激光脉冲光或超 短脉冲光；所述短脉冲光的脉宽时间小于0. lns。本专利技术所述的，其特征在于所述宽光谱脉冲光是由宽带光源经脉 冲调制后形成的脉冲光，或是由光源输出的有宽光谱的脉冲光。本专利技术所述的，其特征在于所述循环重复分光是指光束经分光器 的振幅分光后，其中一束光返回到同一分光器再经振幅分光，再振幅分光后的一束光再返 回到同一分光器再次经振幅分光，如此循环重复。本专利技术所述的，其特征在于所述循环重复分光是指光束经分光器 的振幅本文档来自技高网...

【技术保护点】
脉栅相干层析方法，其特征在于包括以下步骤：（１）将低相干脉冲光分为至少两束光；其中一束光传输到被层析物质，其反射光为信号光；另一束光经循环重复分光后形成为脉冲光串；（２）该脉冲光串与所述信号光产生干涉，形成为信号光串；（３）该信号光串经处理后表征被层析物质的层析信息。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾祥楷，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]