（测试计量技术及仪器专业论文）牛奶成分近红外测量的光学基础理论与实验研究.pdf

中文摘要 本文将组织光学的方法引入牛奶成分浓度测量，对光与牛奶成分相互作用的 机理及牛奶的光学特性进行了深入研究。相对于单一采用“黑匣子”方法的近红 外光谱法，组织光学方法的应用是开始从“内部”看问题，为牛奶成分测量提供 了新的研究方法和手段。 本文以组织光学的研究为核心，以牛奶等浑浊介质为研究对象，深入探讨了 组织光学在牛奶中成分检测的理论和应用，采取理论分析、计算机模拟与实验研 究相结合的方法。完成了包括光与浑浊介质相互作用理论研究、实验方法分析与 比较、数据处理方法的优化选择、牛奶中成分的光学参数与浓度的关系研究、牛 奶成分浓度变化与光分布变化关系研究、牛奶成分反射和透射测量方式下的不同 解决方案及对比等工作。具体内容包括： 1 研究了光与浑浊介质的相互作用相关理论。介绍了b o l t z m a n n 传输方程及其 近似理论，对稳态漫射方程的成立条件和漫射近似解的成立条件进行了分析。 同时，详细介绍了应用于求解组织光学逆问题的倍增法，系统描述了其基本 概念和相关理论。 2 研究了h e n y e y g r e e n s t e i n 和m i e 散射相位函数对浑浊介质光学特性参数测 量的影响。蒙特卡罗模拟发现，两种相位函数在单次散射角分布上有较大差 异，但经过多次散射后，这种差异会大大减弱，影确减小， 3 完成了实验系统准备，设计了相关实验装置，进行了实验方法比较及数据处 理方法的比较。设计了实验系统，给出了详细误差分析。利用不同实验方法 测得组织模拟液光学参数，以之进行蒙特卡罗模拟，并与浸反射测量结果进 行比较，得到：积分球测量方法更准确、方便，并选择作为实验的主要方法。 对用于积分球测量数据处理的逆倍增法( i a d ) 和逆蒙特卡罗( i m c ) 处理方法 进行了模拟比较，提出了l a d 与i m c 相结合的数据处理方法，同时保证了 数据处理的速度和准确性。 4 首次给出了牛奶不同成分的吸收吸收、散射系数等光学参数与浓度的定量关 系，为研究光在牛奶中的分布以及牛奶成分浓度测量提供了一手的数据资料 和基础。 5 研究了牛奶成分浓度与光分布的关系。基于测得的牛奶成分的光学参数与浓 度的关系，利用蒙特卡罗模拟，得到牛奶各种成分单独改变时对漫反射或漫 透射能量分布的影响，根据最大能量变化，得到葡萄糖、蛋白质和脂肪的漫 反射和漫透射最佳光程长。 6 针对利用漫反射光或透射光测量浑浊介质中物质的浓度技术的共通问题，为 了得到更高的测量精度，在前人工作的基础上，发展提出了反射测量方式下 吸收较强物质和散射较强物质的最佳探测距离评价函数： = 嚣 芸 ，= 妻；透射测量方式下吸收较强物质和散射 较强物质的最佳探测距离评价函数：= 。c 署) l 署) s mz = 若。 7 根据最佳探测距离评价函数的定义，对牛奶中葡萄糖、脂肪、蛋白质浓度的 漫反射和透射测量方式下的最佳光程长分别进行了蒙特卡罗模拟，得到了牛 奶不同成分不同测量方式下的优化测量方案。通过建模预测实验，对比得到 了不同成分的最终测量方案。 关键词：漫射近似倍增法蒙特卡罗方法积分球方法浑浊介质光学 参数最佳探测距离 a b s t r a c t t i s s u eo p t i c si si n t r o d u c e di n t ot h em e a s u r e m e n to fm i l kc o m p o s i t i o n s t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h el i g h ta n dm i l kc o n s t i t u e n t sa n do p t i c a lp r o p e r t i e so fm i l ka r e s t u d i e d c o m p a r e dw i t hn e a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( n i r s ) ，w h i c ha p p l y “b l a c kb o x ” m e t h o d ，t h ea p p l i c a t i o no ft i s s u eo p t i c sb e g i n st ol o o kf r o mt h e “i n n e rs i d e ”，w h i c h p r o v i d e san e wt o o la n dr e s e a r c hm e t h o df o rm e a s u r e m e n to fm i l kc o m p o n e n t s c e n t e r i n go np r o p a g a t i o na n dd i s t r i b u t i o no fl i g h ti nt u r b i dm e d i a , t h et h e o r ya n d a p p l i c a t i o no ft i s s u eo p t i c st om e a s u r e m e n to fm i l kc o m p o s i t i o n sa r ei n v e s t i g a t e d w i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s t h ep h y s i c a lm o d e l o fp h o t o n s p r o p a g a t i o n i n m i l k ，c o m p a r i s o n o f e x p e r i m e n t a l m e t h o d sa n d d a t a p r o c e s sm e t h o d s ，a n dm e a s u r e m e n to ft h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fm i l ka r es t u d i e d n er e l a t i o no fo p t i c a lp r o p e r t i e st oc o n c e n t r a t i o no fm i l kc o m p o s i t i o n si sm e a s u r e d ； t h ee f f e c to ft h ec o n c e n t r a t i o no fm i l kc o m p o n e n t so nl i g h td i s t r i b u t i o ni ss i m u l a t e d ； a n dt h es o l u t i o n st om e a s u r e m e n to fm i i kc o m p o n e n t si nr e f l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n w a y a r eg i v e na n dc o m p a r e d 。 t h em a i nc o n t e n to f t h ed i s s e r t a t i o nj n v o l v e s ： 1 t h ep r o p a g a t i o na n dd i s t r i b u t i o no f l i g h t i nt u r b i dm e d i ai ss t u d i e d ，t h e b o l t z m a n nt r a n s p o r te q u a t i o na n di t sd i f f u s ea p p r o x i m a t i o na r ei n t r o d u c e d ，a n d t h em a t c h i n gc o n d i t i o n sf o rs t e a d y s t a t ed i f f u s ee q u a t i o na n di t s a p p r o x i m a t i o n s o l u t i o n sa r ed i s c u s s e d t h ea d d i n gd o u b l i n gm e t h o d ，w h i c hi sa d o p t e dt og e tt h e o p t i c a lp r o p e r t i e so f t u r b i dm e d i a ，i ss u m m a r i z e da n dd e p i c t e ds y s t e m a t i c a l l y 2 t h ee f f e c to fh e n y e y g r e e n s t a i na n dm i es c a u e r i n gp h a s ef u n c t i o n so nt h e a c c u r a c yo fm e a s u r i n gt h eo p t i c a lp a r a m e t e r si ss t u d i e d i t sf o u n db ym o n t e c a r l os i m u l a t i o nt h a tal a r g ed i s c r i m i n a t i o ni n a n g u l a rs i n g l e s c a t t e r i n g d i s t r i b u t i o nf o rb o t hp h a s ef u n c t i o n se x i s t s ，b u tr e d u c e ss h a r p l yw h e nm u l t i p l e s c a t t e r i n g so c c u r 3 d e s i g no fe x p e r i m e n t a ld e v i c e s ，c o m p a r i s o na n ds e l e c t i o no fe x p e r i m e n t a l m e t h o d sa n dd a t a - p r o c e s s i n gm e t h o d sa r ep e r f o r m e d t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e s a r ed e s i g n e d ，a n dt h ee r r o ri sa n a l y z e di nd e t a i l t h eo p t i c a lp a r a m e t e r so ft u r b i d m e d i aa r em e a s u r e dw i t hd i f f e r e n td e v i c e s b ym o n t ec a r l os i m u l a t i o na n d c o m p a r i s o n w i t h e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ， i t s o b t a i n e dt h a tt h ed o u b l e i n t e g r a t i n g s p h e r e i s ) d e v i c ei sm o r ea c c u r a t ea n dc o n v e n i e n t c o m p a r i s o no f l a d ( i n v e r s ea d d i n gd o u b l i n g ) w i t hi m c ( i n v e r s em o n t ec a r l o ) i sm a d e a h y b r i dm e t h o do fc o m b i n i n gi a da n di m ci sp r e s e n t e dt oe n s u r et h ee f f i c i e n c y a n da c c u r a c yo f d a t ap r o c e s s 4 t h er e l a t i o n s h i po fa b s o r p t i o na n ds c a t t e r i n gc o e f f i c i e n tt oc o n c e n t r a t i o no fm i l k c o m p o n e n t si sq u a n t i t a t i v e l ys t u d i e d ，w h i c hp r o v i d et h ef i r s t - h a n dd a t af o rs t u d y o f l i g h td i s t r i b u t i o ni nm i l ka n dm e a s u r e m e n to f m i l kc o m p o s i t i o n s 5 t h er e l a t i o n s h i po fl i g h td i s t r i b u t i o nt ot h ec o n c e n t r a t i o no fm i l kc o m p o n e n t si s s t u d i e d b a s e do nt h em e a s u r e do p t i c a lp r o p e r t i e so fm i l kc o m p o s i t i o n s ，t h ee f f e c t o ft h ec o n c e n t r a t i o no f m i l kc o m p o n e n t so nd i f f u s er e f l e c t a n c ea n dt r a n s m i t t a n c e i ss i m u l a t e dw i t hm o n t ec a r l o t h eo p t i m a lp a t h l e n g t ho fg l u c o s e ，p r o t e i na n df a t i nm i l ka r eo b t a i n e d 6 a s s e s s m e n tf u n c t i o n sf u ro p t i r e a ld e s i g no fd e t e c t o ra r ep r e s e n t e dt om e a s u r et h e c o n c e n t r a t i o no fm i l kc o m p o s i t i o n s 、新t hr e f l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o ns p e c t r o s c o p y f o r a b s o r b i n gm a t t e r , t h e e v a l u a t i o nf u n c t i o ni s p r e s e n t e d 蝎。= ( 芒) ( 鲁) a n 蛾：= 瓦o r m s c a n e 啦p 枷c l e s , t h ef u n c t i 。n i s p r e s e n t e d a s = ( 署 ( 署) a n a ：= 署。p t i m a lp 舭n 曲i s d e f i n e da st h es o l u t i o nt ot h ea b o v e - m e n t i o n e de q u a t i o nw h i l e s “1a n d 2i s m a x i m a l 7 t h eo p t i m a lp a t h l e n g t hf o rm e a s u r e m e n to ft h ec o n c e n t r a t i o n so ft h eg l u c o s e ，f a t ， a n dp r o t e i ni nm i l ka r eo b t a i n e db ym o n t ec a r l os i m u l a t i o ni nd i f f u s er e f l e c t i o n a n dt r a n s m i s s i o nw a y , a n dt h e nv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t s ，r e s p e c t i v e l yt h ef i n a l s o l u t i o n st om e a s u r e m e n to fd i f f e r e n tc o m p o s i t i o n si nm i u ( a r ep r e s e n t e d k e y w o r d s ：d i f f u s e a p p r o x i m a t i o n ，a d d i n gd o u b l i n g ，m o n t ec a r l o ， i n t e g r a t i n g s p h e r ee x p e r i m e n t ，t u r b i d m e d i a ，o p t i c a l p a r a m e t e r s ，o p t i m a lp a t h l e n g t h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盔生盘芏或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：隽年毒。老和签字日期： 嗒年弓月孑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鎏盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝储虢辫永珲 签字日期：乃二年g 月孑日 导师签名 貉6 l 签字日期：细r 年弓月髟日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 牛奶成分测量的意义与研究现状 牛奶是一种重要的农副产品，随着健康意识提高，人们日常生活对牛奶的需 求量越来越大。按照国家有关标准规定，各乳制品生产企业必须提供乳制品中蛋 白质、脂肪、乳糖等的信息。同时，牛奶成分的测量对于有效地利用奶牛，奶牛 饲养和牛奶业也至关重要，它正成为奶牛厂管理决策的重要来源。牛奶中脂肪的 减少可能意味着饲料中比例的不平衡。牛奶中乳糖含量通常比较稳定，它的变化 意味着乳腺炎的症状。蛋白含量对每头奶牛是独立的参数，它随着哺乳期并在哺 乳期中变化。牛奶中的蛋白质含量可以显示每头牛的能量供给，低蛋白意味着能 量缺乏。因此，目前急需一种快捷、高效、廉价的牛奶分析的仪器。 目前在牛奶成分分析领域，存在多种测量方法，其中化学法、中红外光谱法 和超声波分析法都已经比较成熟。化学法是国标方法的基准，一切其它方法的测 量结果，最终都要向标准的化学方法结果靠拢；中红外光谱法和超声波分析法都 已经有相应的商业仪器面世；而近红外光谱分析方法，其理论研究已较为成熟， 但是应用技术都还停留在实验室阶段。 ( 1 ) 化学分析法1 1 j 在国标中，对生鲜牛乳、巴氏杀菌乳、灭菌乳等乳制品的各项指标及检测 均有严格的规定。脂肪采用罗兹一哥特里法，报告质量分数结果精确至0 0 1 ， 两次平行测定结果之差，对1 0 0 9 鲜牛乳不得超过0 0 3 9 。蛋白质采用半微量凯氏 定氮法，两次平行测定结果之差不得超过两次测定平均值的1 5 。乳糖采用高 压液相色谱法和莱因一埃农氏法，两次平行测定结果之差不超过平均值的5 。 目前，就世界范围的乳品成分检验而言，化学分析方法仍占主导地位。作为 常规检验方法，化学分析法技术成熟，精度也较高，但是往往涉及专用仪器、分 析设备和分析方法，存在以下几方面问题：( 1 ) 有的分析方法比较费时，例如凯 氏定氮测定蛋白质约2 4 小时；( 2 ) 大多数分析需要对样品进行精确称量和复 杂的前处理，称量或处理不当会直接影响到检测结果的准确性；( 3 ) 设备和分析 及维护费用很高：( 4 ) 无法满足在线快速分析、测量的需要。 ( 2 ) 中红外光谱分析法 第一章绪 论 基于中红外光谱分析法，目前已经有较为成熟的仪器面世。丹麦的f o s s 公 司出产的傅立叶变换( f o u r i e rt r a n s f o r m ，f t ) 型m i l k s c a n 系列牛奶成分快速分 析仪就是其中的典型代表，具有测量速度快、精度高等优点。但是由于其产品价 格比较昂贵，对测量环境的要求苛刻，仪器体积较大，不适宜进行现场操作，使 其使用范围受到了一定的限制。 ( 3 ) 超声波分析法 超声波探测技术是利用高频声波与物质之间的相互作用以获取被测物质内 部的物理化学性质【2 0 】。目前已有多种超声波牛奶成分分析仪面世，如保加利亚 m i l k o t r o n i c 乳制品和设备公司研制的超声乳制品分析仪，可用于脂肪、非 脂乳固体、蛋白质、乳糖、冰点、含水量等多种成分分析，基本满足牛奶在线分 析的需要。由于其利用单波长，优点是速度快，缺点是精度较低。 ( 4 ) 近红外光谱法 近红外光谱分析技术作为“绿色检测技术”的代表，具有显著提高分析效率， 降低人工和生产成本的潜能，近年来在分析测试领域，特别是在在线分析和工业 控制领域发挥着越来越重要的作用。在农业、食品工业、石油工业、制药工业和 临床医学等领域，近红外光谱技术都有着成功的应用，对此有大量的相关文献报 道【4 羽。目前，在牛奶成分分析领域，大多数研究成果都还停留在实验室阶段7 。 但由于其特殊优势，因此我们的研究采用了近红外光谱法。经过大量的理论和实 验研究，已经取得了较好的结果。 在以往文献报道及我们的研究中，为了提高测量和建模的精度，近红外牛奶 成分测量工作主要集中于以下几个方面： 1 ) 测量条件的改善：样品均质【1 0 】，温度的控制1 ”，仪器信噪比的提高等； 2 ) 对测量数据进行各种预处理 2 , 1 2 - 1 7 ，消除各种干扰因素； 3 ) 对牛奶中不同成分的吸收进行了大量化学分析，从中优选所需要的波长 1 8 - 1 9 】： 4 ) 采用黑匣子技术，利用多元回归方法【2 0 1 ，或采用改进建模的方法，对 于样品光谱建模，并用于预测牛奶成分的浓度。 5 ) 测量方法上大多采用透射方法【2 ”，只有很少文献1 采用透射和反射方法 测量，并对透射和反射测量方法进行了简单的比较，未作进一步的研究。 以上的这些工作主要是从物理因素方面消除各种误差，对提高测量精度具有 重要作用，是牛奶测量研究中必须考虑的因素。但是，这些方法的缺点是对测量 结果不能进行很好的物理解释，一旦测量结果误差较大时很难分析出引起误差的 深层次原因并加以解决，限制了测量精度的进一步提高。 第一章绪论 经查阅大量文献，并对问题进行分析，发现大家一直对以下几个方面未加以 深入研究： 1 ) 牛奶中不同成分与光的相互作用是怎样的，光在牛奶中是如何传播与分 布的： 2 ) 牛奶中既含有以吸收为主的成分，如葡萄糖和蛋白质；又含有以散射为 主的成分，如脂肪。以往主要集中于各种成分吸收带的研究，对散射未置于重要 的地位，显然是不合理的。那么这些成分的吸收、散射特性是怎样的，能否定量 描述，它们与成分浓度之间是怎样的关系； 3 ) 牛奶成分测量采用什么方案，不同成分是否应当采用透射和反射不同的 测量方式和不同的测量距离或厚度。 以上这几个方面，都直接关系到如何获取更好的、包含更多牛奶不同成分信 息的信号。从根本上对牛奶和光的相互作用加以研究，提出测量方案，为牛奶成 分、钡4 量精度的提高提供理论依据，是我们研究的目的。 基于此，我们将组织光学引入牛奶的成分测量，以弥补近红外光谱“黑匣子” 测量方法的不足。相对于单一采用“黑匣子”方法的近红外光谱法，组织光学方 法的应用是开始从“内部”看问题，为牛奶成分测量提供了新的研究途径和方向。 12 组织光学的发展概况及在牛奶成分测量中的应用 牛奶是一种浑浊介质，其中包含乳糖、脂肪、蛋白质等成分，这些成分分别 具有不同的吸收和散射特性。要分析牛奶中各成分的浓度，必须对其中吸收、散 射物质对光在牛奶中分布的影响加以研究。而组织光学的基本内容是研究光在浑 浊介质中的传播规律，确定一定条件下光辐射能量在浑浊介质内的分布。因此， 我们可以将组织光学的相关理论和研究方法应用于牛奶成分测量，研究光与牛奶 的相互作用，从而为牛奶成分浓度测量提供理论依据。 1 2 1 组织光学的发展概况 组织光学是一个从光学学科中衍生出来的新兴学科，是光学与生命科学相互 交叉、相互渗透的一个边缘学科，是研究生物组织光学性质并进行医学诊断和治 疗的理论基础。 组织光学的基本任务和内容是研究光与组织的相互作用，及光在组织中的传 播与分布。其基本研究方法是基于组织的光学特性参数，如吸收系数、散射系数 和各项异性系数等，根据一定的物理模型，利用解析理论如光传输理论和数值理 第一章绪论 论如蒙特卡罗方法( m o n t ec a r l o ) 和倍增法( a d d i n gd o u b l i n g ) ，计算或模拟得到 光在组织中的分布，为组织的光学诊断和治疗提供依据。 组织光学的发展与光在医学上 的应用是一种同时存在、相互促进共 同发展的关系。首先，它通过检测光 在组织中传播的特性求出组织内的 光空间分布，并借此确定组织的光生 理特性。其次，根据组织的漫反射光 或者透射光信号来检测组织成分和 结构的变化，如血液中血糖、血氧浓 度的变化等，为临床提供方便可靠的 生理参数指标。图1 2 - 1 表示了组织 光学的基本研究思路以及相关的医 学应用。 图1 2 1 组织光学研究思路与应用 目前国际上组织光学领域的研 究处在发展时期，其中部分代表人物有：爿，g e l c h ( u n i v o f t e x a s a u s t i n ， 组织光学与光谱学) ，盆c h a n c e 和a 岔场砌( u n i v o fp e n n s y l v a n i a ，光 学成像与光谱学) ；sl j - a c q u e s ( o r e g o nm e d i c a ll a s e rc t r ，光诊断与光治 疗的基础和应用) ；l i t l o n gw a n g ( t e x a sa mu n i v ，蒙特卡罗模拟研究和声光 成像) ； mt u c h i n ( s a r a t o vs t a t eu n i v ，组织光学) ：u n i v c o l l e g eo f l o n d o n ( 组织光学) 等。 国内在这一领域的发展起步较晚。国内从事生物光学方面研究的单位有福建 师范大学谢树森 2 4 1 d x 组、浙江大学孙威【2 5 j 4 , 组、西安交通大学张镇西【2 6 l 小组、 华中科技大学骆清铭 2 2 8 】，j 、组等。在长时间的研究下，各小组均取得了较大的进 展，缩短了和国际间的差距。 1 2 1 组织光学在牛奶成分测量中的应用 在研究组织光学的过程中，众多文献中采用i n t r a l i p i d 2 9 - s 2 1 、聚苯乙烯【”】、牛 奶 3 4 - 3 6 】等浑浊介质作为研究对象，因为它们的吸收、散射性质比较稳定，与组织 在光学特性上有很大的相似之处。因此，对浑浊介质的研究理论与结果同样适用 于牛奶成分测量。由于我们的研究中也分别采用了这些浑浊介质加以研究，因此 这里对更具广泛意义的组织光学在浑浊介质成分测量中的应用加以介绍。 光与浑浊介质相互作用后，会发生相干性、频率或偏振态改变、热效应、声 光效应等现象 3 7 】。因此分别利用这些因素的变化对浑浊介质加以研究，就存在 4 霄翌亍 一 箩 r 万一 i 蠹? _ ； 鼬 第一章绪 论 论如蒙特卡罗方法( m o n t ec a r l o ) 和倍增法( a d d i n gd o u b l i n g ) ，计算或模拟得到 光在组织中的分布，为组织的光学诊断和治疗提供依据。 组织光学的发展与光在医学上 的应用是一种同时存在、相互促进共 同发展的关系。首先，它通过检测光 在组织中传播的特性求出组织内的 光空间分布，并借此确定组织的光生 理特性。其次，根据组织的漫反射光 或者透射光信号来检测组织成分和 结构的变化，如血液中血糖、血氧浓 度的变化等，为临床提供方便可靠的 生理参数指标。图1 2 - 1 表示了组织 光学的基本研究思路以及相关的医 学应用。 尸1 拦”_ _ 二 i n h * * l = j 女蔫 $ & j l “# ；” = 。t m 一“”m ，r d * 仁= = = = = ) 一玉z 一一 r ；篇：? ；：i = 剖 娑嚣 h * ) l 一一j 圈12 - 1 组织光学研究思路与应用 目前国际上组织光学领域的研 究处在发展时期，其中部分代表人物有：g e d c h ( u n i v o ft e x a s a u s t i n ， 组织光学与光谱学) ，口c h a n c e 和a 岔y o d h ( u n i v o fp e n n s y l v a n i a ，光 学成像与光谱学) ：工矗c q u e a ( o r e g o nm e d i c a ll a s e rc t r ，光诊断与光治 疗的基础和应用) ；l j h o n gw a n g ( t e x a sa mu n i v ，蒙特卡罗模拟研究和声光 成像) ：mj 7t u c h i n ( s a r ag n vs t a t eu mv ，组织光学) ； u n i v c o l l e g eo f l o n d o n ( 组织光学) 等。 国内在这领域的发展起步较晚。国内从事生物光学方面研究的单位有福建 师范大学谢树森 2 4 1 d , 组、浙江大学孙威b “小组、西安交通大学张镇西 2 6 小组、 华中科技大学骆清铭 2 7 - 2 8 组等。在长时间的研究下，各小组均取得了较大的进 展，缩短了和国际间的差距。 1 2 1 组织光学在牛奶成分测量中的应用 在研究组织光学的过程中，众多文献中采用i n t r a l i p i d 陟竭、聚苯乙烯m 1 、牛 奶 3 4 _ 3 6 1 等浑浊介质作为研究对象，因为它们的吸收、散射性质比较稳定，与组织 在光学特性上有很大的相似之处。因此，对浑浊介质的研究理论与结果同样适用 于牛奶成分测量。由于我们的研究中也分别采用了这些浑浊介质加以研究，因此 这里对更具广泛意义的组织光学存浑浊介质成分测量中的应用加i 三i 介绍。 光与浑浊介质相互作用后，会发生相干性、频率或偏振态改变、热效应、声 光效应等现象p ”。因此分别利用这些因素的变化对浑浊介质加以研究，就存在 光效应等现象 3 7 o 因此分别利用这些因素的变化对浑浊介质加以研究，就存在 第一章绪论 相应不同的方法。我们对牛奶等浑浊介质 加以研究时主要利用其能量的变化这一特 性。 利用漫反射光对浑浊介质中成分浓度 变化进行测量的物理模型可以用图1 2 2 表示。本质上，浑浊介质中成分浓度的近 红外检测是在高散射、高吸收的介质背景 下，通过检测由于浑浊介质中成分浓度的 变化而引起的浑浊介质内光分布或其他特 性参数的改变，依据被检测到的光信号中 含有浑浊介质中成分浓度变化的信息，借 图1 2 - 2 浑浊介质成分浓度测量示意图 助于相应的信号提取方法和数学建模方法，得到光能量信号变化与浑浊介质中成 分浓度变化之间的相关性，进而量化浑浊介质中成分浓度值。 影响浑浊介质中成分检测技术的因素很多，本文主要针对组织光学理论方面 的基础问题加以讨论，主要包括浑浊介质的光学物理模型的介绍、组织光学特性 参数的获取、浑浊介质中成分浓度的改变对光学参数及光分布变化的影响、实验 室条件下的模拟实验设计、光接收装置结构设计等。论文通过对组织光学的研究 将最终帮助我们解决影响浑浊介质中成分浓度检测精度的许多基础性问题，并最 终对解决方法作出具有较高可信度的物理解释。 此外，对牛奶的光学特性及光与牛奶成分相互作用的机理进行了深入研究， 对测量方式以及测量传感器对测量精度的影响加以分析比较，并最终为牛奶成分 测量提出合理的方案。 本文中将组织光学的理论和研究方法应用于牛奶成分测量，首要任务是发展 浑浊介质的光学特性的测量方法，测量得到牛奶不同成分的光学参数与浓度的关 系，其次是确定光辐射能量在牛奶中的分布，及光能量分布随牛奶成分浓度的变 化，最终给出牛奶中不同成分浓度的最佳测量方案。 1 3 本论文的主要工作 本文根据组织光学的基本研究方法，结合牛奶成分浓度检测所要解决的相关 的问题，重点介绍了与实际测量条件相结合的组织光学模型，以为光在牛奶中的 分布模拟及牛奶成分浓度测量的方案优化设计提供理论依据。在研究过程中采取 理论分析、计算机仿真和实验研究相结合的方法，分别得到牛奶成分不同的测量 方案，并进行了比对分析和交互验证，通过理论和实验相结合的方法逐步得到我 第一章绪 论 们所要解决问题的最终方案。 本论文主要内容包括以下几部分：i ) 光与浑浊介质的相互作用理论研究。 包括光在浑浊介质中的传输理论、求解浑浊介质的光学特性参数的倍增法等；2 ) 牛奶成分光学参数与浓度的关系研究。根据相关理论分析，设计了实验系统，测 量得到了牛奶成分光学参数与浓度的关系；3 ) 牛奶不同成分的浓度测量方案的 确定。在f ； 人工作的基础上发展了最佳光程长的定义，提出了牛奶不同成分反射 和透射测量方式下的评判标准，采用理论计算和模拟方法得到了牛奶不同成分透 射、反射测量方式下的优化检测方案，并采用实验方法进行了验证，通过对比最 终确定了牛奶不同成分的测量方案。具体内容包括： 1 第二章研究了光与浑浊介质的相互作用理论。介绍了b o l t z m a n n 传输方 程及其近似理论，对稳态漫射方程的成立条件和漫射近似解的成立条件进行了分 析。同时，详细介绍了应用于求解组织光学逆问题的倍增法，系统描述了其基本 概念和相关理论。 在求解浑浊介质光学参数的逆蒙特卡罗和逆倍增法中都采用了适用于组织 的h e n y e y g r e e n s t a i n 散射相位函数。对于研究中用到的多种浑浊介质，从理论 上来说采用m i e 散射相位函数会更好。基于这种分析，对两种相位函数在求解浑 浊介质光学特性参数的影响进行了蒙特卡罗模拟比较。 2 第三章为研究牛奶成分的光学参数与浓度的关系，设计了实验系统，对 实验方法与数据处理方法进行了比较，测量得到了牛奶中脂肪、蛋白、乳糖的光 学参数与浓度的关系。这些实验主要包括：单波长准直光透射测量消光系数实验， 双光纤连续移动测量后向漫散射光空间分布实验，积分球测量浑浊介质光学特性 参数实验。本章详细介绍了实验系统，进行了误差分析。对不同实验方法进行了 实验比较。对用于积分球测量数据处理的i a d ( i n v e r s ea d d i n gd o u b l i n g ) 和 i m c ( i n v e r s em o n t ec a r l o ) 处理方法进行了模拟比较，为进一步实验研究中选 择合理的数据处理方法提供了依据。 测量得到了牛奶中脂肪、蛋白、乳糖的光学特性参数与浓度的关系。对牛奶 中的不同成分，利用积分球技术测量得到其反射和透射光谱，利用i a d 算法计算 得到不同浓度下不同成分的吸收系数，散射系数和各项异性因子等光学参数，得 到了牛奶不同成分的光学参数与浓度的定量关系。实验验证了葡萄糖对水溶液的 折射率的影响，进而采用m i e 理论计算得到对牛奶溶液光学参数的影响，阐明了 葡萄糖对光学参数影响的机理，为计算机模拟得到牛奶中葡萄糖浓度测量方案提 供理论依据。 3 第四章提出了牛奶成分的漫反射测量方案。基于牛奶中不同成分的光学 参数与浓度的关系，利用蒙特卡罗模拟，研究了光在牛奶中的分布，根据漫反射 第一章绪论 能量变化，得到不同成分浓度改变对漫反射能量的影响，模拟得到牛奶不同成分 浓度漫反射测量的最佳光程长。 讨论了漫反射光对吸收系数和散射系数的变化灵敏度，在前人工作的基础 上，分别给出了对吸收较强物质和散射较强物质的漫反射测量最佳探测距离的评 价函数，并基于漫射理论进行了理论计算，得到牛奶不同成分浓度漫反射测量的 理论最佳光程长。 基于最佳探测距离的评价函数，根据测得的牛奶成分的光学参数与浓度的关 系，利用蒙特卡罗模拟，得到牛奶各种成分单独改变时对漫反射能量分布的影响， 得到不同成分的漫反射测量最佳光程长。 最后进行了建模预测实验，验证了由理论计算和蒙特卡罗模拟得到的牛奶成 分漫反射测量最佳光程长，确定了牛奶成分的漫反射测量方案，为测量方案的最 终确定提供了基础。 4 第五章提出了牛奶成分的漫透射测量方案，并与漫反射测量方案进行比 较，得到最终牛奶成分测量解决方案。根据光在牛奶中的分布，基于牛奶成分浓 度改变时的漫透射能量变化，利用测得的牛奶成分光学参数，采用蒙特卡罗模拟 不同成分浓度改变对漫透射能量的影响，得到不同成分的透射测量最佳光程长。 在前人的基础上扩展了漫反射测量最佳光程长的概念，提出了透射测量方式 下吸收较强物质的最佳光程长和散射较强物质的最佳探测距离评价函数。为进一 步牛奶成分透射检测的蒙特卡罗模拟分析奠定了基础。 基于最佳探测距离的评价函数，根据测得的牛奶成分的光学参数与浓度的关 系，利用蒙特卡罗模拟，得到牛奶各种成分单独改变时对漫透射能量分布的影响， 根据透射最佳探测距离的评价函数，得到不同成分的漫透射测量最佳光程长。 进行了建模预测实验，验证了由理论计算和蒙特卡罗模拟得到的牛奶成分漫 透射测量最佳光程长，确定了牛奶成分的透射测量方案，为测量方案的最终确定 提供了基础。 最后对牛奶成分的漫透射测量方案和漫反射测量方案进行比较，根据牛奶成 分的漫透射测量最佳光程长处的建模结果与漫反射测量最佳光程长处的建模结 果，对比得出牛奶不同成分的测量方式，以及不同成分在不同测量方式下的最佳 探测径向距离和厚度，得到牛奶成分浓度测量的最终解决方案。 第二章光与浑浊介质的相互作用理论基础 第二章光与浑浊介质的相互作用理论基础 研究光与牛奶成分的相互作用，及光在牛奶中的分布，是我们整个研究工作 和本文的基础。而组织光学中的基本问题是研究光在浑浊介质中的传播规律，确 定一定条件下光辐射能量在浑浊介质内的分布。因此，光与牛奶的相互作用，可 以由组织光学的基本理论和研究方法很好地解决【3 8 4 1 】。 在我们的研究中采用了多种浑浊介质，包括i n t r a l i p i d 2 9 。3 2 1 、聚苯乙烯3 3 1 、牛 奶1 3 4 。36 j 等浑浊介质作为研究对象，其中i n t r a l i p i d 作为不同实验装置比较时的实 验模拟液，聚苯乙烯作为光学参数测量结果的实验验证模拟液。它们在光学特性 上有很大的相似之处。对浑浊介质的研究理论与结果同样完全适用于牛奶成分测 量。因此这里对更具广泛意义的光与浑浊介质的相互作用理论加以介绍。 本章在描述浑浊介质光学特性和组织光学模型的基本参数，介绍了光在浑浊 介质中的传输模型：b o l t z m a n n 方程( 或称辐射传输方程，r a d i a t i v et r a n s f e r e q u a t i o n ) 及其漫射近似，描述了方程相关项的物理含义，给出了无限介质和半 无限介质模型中的解。对稳态漫射方程的成立条件和漫射近似解的成立条件进行 了分析，为研究光子在组织中的传输与分布问题以及设计合理的实验提供了理论 基础。 光在浑浊介质中的传输模型不但可以用来描述光在浑浊介质的传播与分布， 而且可以利用其逆方法反过来求解光学参数1 4 2 粥】。这在下章结合实验有具体描 述。 光在浑浊介质中的传输与分布模型是基于浑浊介质的光学参数“。、“；、g ， 而文献】和我们的实验结果都表明，介质中成分的光学参数与成分的浓度关系 是线性的，这样光学参数在浑浊介质成分浓度与光学传播模型之间建立起了桥 梁。故，只要得到了光学参数，就能得到浑浊介质成分的浓度。此外，实际测量 浑浊介质中成分的浓度时，通常采用漫反射或透射方式利用光能量的变化利用近 红外建模的方法测量，此时可以根据预先测得的浑浊介质的光学参数，计算得到 优化的探测距离或厚度，使得在此处测量得到的谱图能最大程度的反映成分的信 息。因此，牛奶光学参数的测量占有重要地位。这里对求解浑浊介质光学特性参 数的主要理论一倍增法( a d d i n gd o u b l i n g ，a d ) 进行介绍。 倍增法是当前公认的求解光学特性参数较好的方法。本章简单介绍了倍增法 的基本思想，其详细的概念和理论在附录中有清楚的阐述。 第二章光与浑浊介质的相互作用理论基础 在求解光传输逆问题的模拟程序逆蒙特卡罗法( i m c ) 和逆倍增( i a d ) 中都采 用了公认的适用于组织的h e n y e y g r e e n s t e i n 散射相位函数。对于研究中用到的 包括聚苯乙烯、i n t r a l i p i d 、牛奶在内的多种浑浊介质，其中的散射粒子与光的 作用从理论上来说采用米氏( m