第34卷，第1期 2014年1月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol.34,No. 1.pp185-190 January，2014
基于检测光纤的漫射高光谱采集的MonteCarlo仿真
林凌，张林娜，李晓霞”，李刚，王为”，刘瑞安3 1.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072
2.河北工业大学电气工程学院电露场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津300130 3.天津师范大学电子与通信工程学院，天津300387
摘要从漫射高光谱中可以获得被测物体成分、结构及其分布等信息。采用光纤光谱仪获取漫射高光谱是一种常用的方法。MonteCarlo方法在研究光在浑浊介质的传播方面得到了广泛的应用。然而，使用 MonteCarlo方法研究漫射高光谱时，必须考虑实际的检测条件对信号采集的影响。将光纤参数引入到 MonteCarlo模型中，研究了光纤参数对被检测光学信号的影响。仿真结果表明，孔径角和半径增大，检测的漫射高光谱随之增大，而光纤与被测物质表面的距离小于1mm时对漫射高光谱的影响在一定程度上可以忽略。进一步研究发现存在固定的修正系数使不同孔径角的光纤所采集的漫射高光谱转化为孔径角为气/ 2的光纤对应的信号。同时，得到了实际光纤孔径角范围内的修正系数拟合曲线。不同半径的光纤通过面积归一化可以得到很好的一致性。研究检测光纤参数对漫射高光谱的影响对实际测量有重要的指导意义，而
且不同光纤所对应的检测结果可以通过修正系数和面积归一化进行移植。关键词MonteCarlo仿真；检测光纤；漫射高光谱；浑浊介质
文献标识码：A
中图分类号：TH744.1
引言
DOI : 10. 3964/j. issn. 1000-0593(2014)01-0185-06
理过程的统计方法。MonteCarlo模拟具有很大的灵活性，理论上可以对具有任意复杂结构的混浊介质进行分析。且实践证明，用MonteCarlo模拟确定光子在浑浊介质中的传输最
将宽带光源输出的细光束照射到具有一定大小的浑浊介质表面，由于存在吸收和散射作用，可以在介质表面的不同位置获得介质的漫反射光谱和漫透射光谱，即漫射高光谱。漫射高光谱"携带了大量被测物质内部的信息，可以通过分析得到被测物质的化学成分、组织结构及其空间分布。同时由于更有效地利用了光谱信息，可以提高各向同性的复杂混合溶液成分分析的精度5。采用光纤光谱仪获取漫射高光谱是常用的手段之一。而在漫射采集系统中，光纤参数对检测结果的影响不容忽视。许多研究学者探索了光纤探测器对漫射信号采集带来的影响：Zonios]讨论了检测光纤的数值孔径在不同光学参数下的采集效率间题，发现当吸收系数的数量级大于或等于散射系数时，光纤的采集效率会有所下降。Kanick的研究表明，改变探测光纤的半径对归一化漫反射率有很大的影响，随着光纤半径的增加，归一化漫反射率也随之增加。
MonteCarlo方法8.是一种用随机抽样模型来模拟物收稿日期：2013-04-21，修订日期：2013-06-28
为精确，与实际测量结果的吻合程度最好。因此，在浑浊介质研究中，MonteCarlo模拟不仅成为检验其他光传输模型是否精确的一种非实验标准，而且常用于理论验证的仿真实验研究中。在MonteCarlo模型中，把出射到介质表面的光子都记录到对应的栅格系统中，而未考虑出射光子的出射方向。而在实际的测量过程中，探测器通常不是理想的，无法采集固定位置出射的所有光子。因此，要使用MonteCarlo 方法研究检测到的漫射高光谱与介质内部的成分分布与组成结构关系时，MonteCarlo模型必须考虑实际的检测条件。 Palmero和HennessyI的研究也表明实际实验与Monte Carlo仿真的漫反射信号之间存在一定的差异，而且这个差异是稳定的，可以通过一个常数来修正。但是，目前未见完整表述光纤探测器对漫射采集信号影响的报道
为了研究检测光纤参数和光纤与被测物体的距离对检测光学信号的影响，本工作将光纤参数引人到MonteCarlo模型中，具体分析了不同孔径角和半径的检测光纤和光纤与被
基金项目：国家自然科学基金项目（30973964），天津市应用基础及前滑技术研筑计划（11JCZDJC17100)资助作者简介：林凌，女，1961年生，天津大学精密仪器与光电子工程学院教授
e-mail : linling@ tju .edu cn
*通讯联系人
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