提高浑浊介质中成分检测精度的测量方法的研究

由于光谱技术能实现对化学成分的快速、无污染、在线检测，目前被广泛应用于多个领域，但其在浑浊介质中化学成分的检测方面，由于散射粒子引入的非线性，一直没能得到有效突破。因此，寻找有效的消除散射影响的方法和建立更合理的检测模型是推动浑浊介质中化学成分实现高精度测量的关键，具有非常重要的科学研究意义。同时也对光谱技术应用于其它复杂物质成分体系提供了借鉴意义。在本课题中，将主要围绕被测成分与浑浊介质光学参数之间的内在关系以及所引起的光强的分布特性，建立一种提取与其浓度变化线性相关的新响应量替代原来同时携带吸收和散射信息的变量的测量方法，即基于响应量转换的测量方法。基于此，本课题重点针对三个关键问题进行系统研究：（1）理论分析响应量转换的物理基础；（2）建立一种基于响应量转换的测量方法并验证其可行性；（3）研究响应量转换测量方法的最佳测量条件和适用范围，实现对浑浊介质中成分的高精度检测。

由于光谱技术能实现对化学成分的快速、无污染、在线检测，目前被广泛应用于多个领域，但其在浑浊介质中化学成分的检测方面，由于散射粒子引入的非线性，一直没能得到有效突破。该课题对光谱技术应用于复杂体系中成分的高精度测量具有重要意义。本课题主要根据被测化学成分与浑浊介质光学特性参数之间的内在关系以及所引起的光强的分布特性，提出了一种基于响应量转换的浑浊介质成分浓度检测方法，并考察了浑浊介质成分测量中的最佳测量条件、光学参数测量系统误差和温度影响的消除等。具体来说，主要以intralipid和牛奶为例，分析了吸收和散射成分对牛奶和intralipid的光学特性的影响规律以及光在其中传播时在深度和径向方向上的分布规律，提出了一种基于与其浓度变化线性相关的吸收、散射系数建立线性模型的测量方法，即响应量转换法，并基于蒙特卡罗模拟和双积分球系统结合IAD算法的实验验证了该方法的可行性。最后分析了吸收为主和散射为主的成分在漫反射和漫透射两种测量方式下的最佳测量条件，实验验证了牛奶中的脂肪和蛋白质在漫反射测量时的最佳径向检测距离和漫透射测量时的最佳样品厚度；同时采用二维相关光谱分析了牛奶中的微量尿素成分的特征吸收波长，基于该最佳波长可以实现对尿素的精确检测；针对双积分球测量系统中的误差提出了改进的光学参数反构算法，能将散射系数的反构误差降低到3%以下；应用波长的浮动基准点消除温度变化引起的误差，对单个样本在不同温度下的预测相对误差在6%以下，从而最终实现对浑浊介质中成分的高精度检测。