本发明涉及光谱成像，具体为多距离探测的时域宽光谱双层介质光谱参数场测量方法。
背景技术：
1、宽光谱测量技术选用多个不同波长的可见光或近红外光照射介质，通过介质边界探测信号的测量及分析获得内部的宽光谱参数和结构信息。多数情况下，介质内部的光谱参数分布不能通过测量直接得到，激光入射介质时，介质表面的边界探测信号可以直接测量，结合重建优化算法分析边界测量信号中的光谱信息，可以间接重建得到介质内部的光谱参数。宽光谱测量技术可以提供丰富的光谱信息，在无损探测、燃烧测温、红外遥感、医学成像等方面发挥重要作用。
2、根据选用激光光源的不同，宽光谱测量技术可分为稳态模型(利用连续激光入射)，频域模型(利用调频激光入射)，时域模型(利用脉冲激光入射)。三种辐射传输模型中，稳态、频域模式的求解过程比较简单，计算效率较高，但是提供的测量数据较少，光谱参数重建精度较低。时域模式的求解较为复杂，重建效率较低。但是可以提供丰富的时变探测信号，从而得到较高质量的重建结果。
3、近年来，超短脉冲激光提供的丰富时变光信号推动了宽光谱测量技术的发展。然而，考虑到时域宽光谱测量的复杂性，以及双层介质模型光谱参数重建问题的病态性，目前的时域宽光谱测量研究多是基于单点探测的均匀介质模型。然而，单点探测的均匀介质模型所能获取的信息有限，不能较好的反映介质内的真实参数分布，导致光谱参数重建精度较低。
技术实现思路
1、本发明的目的是：针对现有技术中单点探测的均匀介质模型所能获取的信息有限，不能较好的反映介质内的真实参数分布，进而导致光谱参数重建精度较低的问题，提出多距离探测的时域宽光谱双层介质光谱参数场测量方法。
2、本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：
3、多距离探测的时域宽光谱双层介质光谱参数场测量方法，所述方法基于测量装置实现：
4、所述测量装置包括：宽带皮秒脉冲连续光源1、基于棱镜的波段选择器2、可变中性密度衰减器3、光开关4、光电探测器6以及数据采集处理系统7；
5、所述方法包括以下步骤：
6、步骤一：开启宽带皮秒脉冲连续光源1，宽带皮秒脉冲连续光源1输出的光源通过基于棱镜的波段选择器2后，得到w个不同波段的脉冲激光，脉冲激光进入可变中性密度衰减器3，之后，可变中性密度衰减器3输出的光源通过光纤进入光开关4后，照射到双层介质5上，并通过切换光开关4，得到双层介质5上d个位置不同的入射光源，每次切换光开关4后，光电探测器6采集一次双层介质5的出射辐射信号，然后光电探测器6将采集的所有出射辐射信号发送至数据采集处理系统7中，所述数据采集处理系统7对出射辐射信号进行处理，得到双层介质5射出的光谱出射辐射信号其中，i＝1,2,...w，j＝1,2,...d，w≥2，d≥2；
7、步骤二：选取第i个波段的脉冲激光，设双层介质5中光谱参数场的分布值初值为之后将带入双层介质时域扩散近似方程，得到第i个波段的脉冲激光入射下，介质边界的出射辐射信号初值即出射辐射模拟信号，重复上述步骤，得到第i个波段的脉冲激光入射下，所有的介质边界的出射辐射信号初值，并利用所有的介质边界的出射辐射信号初值以及步骤一中的光谱出射辐射信号得到初始目标函数
8、步骤三：根据共轭梯度法更新双层介质5中光谱参数场的分布值，得到第k步迭代得到的光谱参数场的分布值表示为：
9、
10、其中，k表示迭代次数，δμi表示光谱参数场的改变量，表示第k次迭代得到的光谱参数场的分布值，表示k-1次迭代得到的光谱参数场的分布值；
11、步骤四：将带入双层介质时域扩散近似方程，得到第i个波段的脉冲激光入射下，更新后的介质边界的出射辐射信号重复上述步骤，得到所有更新后的介质边界的出射辐射信号，并利用所有更新后的介质边界的出射辐射信号与步骤一中的光谱出射辐射信号得到更新后的目标函数f(μi)，最后判断目标函数f(μi)是否小于设定的极少值ε，若目标函数f(μi)小于设定的极少值ε，则执行步骤六，否则，执行步骤五；
12、步骤五：判断迭代次数k是否达到最大迭代次数k，若迭代次数k达到最大迭代次数k，则使当前的光谱参数场分布值作为初值，重新执行步骤二，即令若迭代次数k未达到最大迭代次数k，则执行步骤三；
13、步骤六：根据当前迭代结果，得到第i个波段下光谱参数场的分布值；
14、步骤七：重复步骤二至步骤六，得到w个不同波段下，所有光谱参数场的分布值，并利用共轭梯度法更新光谱参数场的分布值，直到收敛，得到w个不同波段下的最终光谱参数场的分布值。
15、进一步的，所述双层介质时域扩散近似方程表示为：
16、
17、其中，di(r)表示扩散系数，表示吸收系数，表示有效散射系数，表示偏微分符号，r表示位置，c表示组织介质内的光速，t表示时间，si(r,t)表示入射激光引入的辐射源项，gi表示散射非对称因子，表示散射系数，gi(r,t)表示投射辐射力，n表示折射率。
18、进一步的，所述初始目标函数表示为：
19、
20、其中，为待侧光谱参数场，表示吸收系数，表示散射系数。
21、进一步的，所述目标函数f(μi)表示为：
22、
23、进一步的，所述共轭梯度法表示为：
24、
25、其中，表示第i个光波的第k次迭代的步长，表示第i个光波第k次迭代的下降方向。
26、进一步的，所述光谱参数场包括吸收系数μa光谱参数场和散射系数μs光谱参数场。
27、进一步的，所述宽带皮秒脉冲连续光源1为宽带皮秒脉冲nkt连续光源。
28、进一步的，所述宽带皮秒脉冲连续光源1输出的光谱范围为400—2400nm的激光。
29、进一步的，所述光电探测器6为硅光电倍增管。
30、本发明的有益效果是：
31、本申请运用宽光谱多个波段光源的选取提供充足的入射光谱信息，利用时域模型提供丰富的时变探测信号，通过不同位置光源的入射及边界出射辐射信号的探测，结合重建优化算法分析边界测量信号中的光谱信息，基于丰富的宽光谱多距离时变探测信号的获取和分析，克服双层介质模型光谱参数反问题重建的病态性，可以更加准确的解决双层介质光谱参数测量问题，避免了现有技术中单点探测的均匀介质模型所能获取的信息有限，不能很好的反映介质内的真实参数分布的问题，进而提升了光谱参数重建精度。
32、本申请可应用于介质内部的宽光谱无损探测、燃烧过程诊断、红外遥感探测、生物医学成像等方面，对光谱成像技术领域具有十分重要的意义。
1.多距离探测的时域宽光谱双层介质光谱参数场测量方法，其特征在于所述方法基于测量装置实现：
2.根据权利要求1所述的多距离探测的时域宽光谱双层介质光谱参数场测量方法，其特征在于所述双层介质时域扩散近似方程表示为：
3.根据权利要求2所述的多距离探测的时域宽光谱双层介质光谱参数场测量方法，其特征在于所述初始目标函数表示为：
4.根据权利要求3所述的多距离探测的时域宽光谱双层介质光谱参数场测量方法，其特征在于所述目标函数f(μi)表示为：
5.根据权利要求4所述的多距离探测的时域宽光谱双层介质光谱参数场测量方法，其特征在于所述共轭梯度法表示为：
6.根据权利要求1所述的多距离探测的时域宽光谱双层介质光谱参数场测量方法，其特征在于所述光谱参数场包括吸收系数μa光谱参数场和散射系数μs光谱参数场。
7.根据权利要求1所述的多距离探测的时域宽光谱双层介质光谱参数场测量方法，其特征在于所述宽带皮秒脉冲连续光源(1)为宽带皮秒脉冲nkt连续光源。
8.根据权利要求1所述的多距离探测的时域宽光谱双层介质光谱参数场测量方法，其特征在于所述宽带皮秒脉冲连续光源(1)输出的光谱范围为400—2400nm的激光。
9.根据权利要求1所述的多距离探测的时域宽光谱双层介质光谱参数场测量方法，其特征在于所述光电探测器(6)为硅光电倍增管。
