專利名稱：一種兩次歸一化數(shù)據(jù)匹配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多光纖光學成像系統(tǒng)中儀器測量數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)之間匹配的技術(shù) 領(lǐng)域，特別是一種兩次歸一化的數(shù)據(jù)匹配方法。
背景技術(shù)：
多光纖光學成像系統(tǒng)的基本原理是在被測模型表面分布M根光纖(M為自然數(shù))， 其中一根光纖與光源相連；另外M-l根光纖檢測出射光，每一根光纖對應一個通道。 分析光源與檢測的數(shù)據(jù)，獲得被測模型的內(nèi)部光學參數(shù)的空間分布信息，從而獲得模型 內(nèi)部的圖像。
目前國內(nèi)外學者提出了大量的多光纖光學成像系統(tǒng)的重建方法，其中比較成功的是 基于擾動理論的多參數(shù)非線性優(yōu)化方法，該方法的核心思想是通過優(yōu)化策略，尋找優(yōu)化 參數(shù)使得多光纖儀器測量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)之間的適應度函數(shù)值(方差)最小。然而在實 際測試系統(tǒng)中，儀器測量數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)之間存在著誤差，主要是由于干擾、物理 單位不匹配等原因造成的。因此，儀器測量獲得的被測模型邊界處的光強不能直接作為 輸入?yún)?shù)代入理論模型進行求解，必須經(jīng)過數(shù)據(jù)匹配后，再利用理論算法進行計算。目 前采取的解決方法是使用相對光強或光強的自然對數(shù)，該方法都是進行一次數(shù)據(jù)的歸一 化，沒有充分考慮各個測量光纖通道之間的相互關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種兩次歸一化數(shù)據(jù)匹 配方法，最大的特點是進行了兩次數(shù)據(jù)歸一化過程，不光考慮到一次測量中各個通道之 間的關(guān)系，還充分考慮到多次測量中各個測量光纖通道之間的相互關(guān)系。
技術(shù)方案本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案
一種兩次歸一化數(shù)據(jù)匹配方法，包括以下步驟，
3步驟l，按照己知參數(shù)配制N個被測模型；每個被測模型分別有M個通道；
步驟2，通過多通道光纖光譜儀測量獲得所有N個被測模型的M個通道的儀器測量
數(shù)據(jù)，同時通過擴散方程理論計算獲得所有N個被測模型的M個通道的理論計算數(shù)據(jù)； 步驟3，進行第一次歸一化過程選取在步驟2中獲得的任意一個被測模型的M個
通道儀器測量數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)，分別取相同的一個通道作為模板數(shù)據(jù)，對該被測模
型的M個通道的儀器測量數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)分別進行歸一化，得到歸一化后的該模型
的M個通道的儀器測量數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)；
步驟4，進行第二次歸一化過程將步驟3獲得的該被測模型的M個通道歸一化后 的儀器測量數(shù)據(jù)分別除以各自對應通道的歸一化后的理論計算數(shù)據(jù)，獲得第一次歸一化 后儀器測量數(shù)據(jù)到理論計算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的系數(shù)矩陣；
步驟5，對于其他任意N-1個被測模型的儀器測量數(shù)據(jù)，按照步驟3歸一化過程后， 再乘以步驟4獲得的系數(shù)矩陣，完成原始儀器測量數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)的匹配工作；
所述的M和N為自然數(shù)。
本發(fā)明的兩次歸一化數(shù)據(jù)匹配方法在步驟3中第一次歸一化過程各個模型一般以 其中數(shù)值最大的通道作為模板數(shù)據(jù)，進行各個通道數(shù)據(jù)的歸一化。
本發(fā)明的兩次歸一化數(shù)據(jù)匹配方法在步驟5中亦可以選取N個被測模型之外的新的 模型，按照步驟3歸一化過程后，再乘以步驟4獲得的系數(shù)矩陣，完成原始儀器測量數(shù) 據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)的匹配工作。
本發(fā)明共有兩次歸一化過程
第一次歸一化，每一組數(shù)據(jù)與同一個通道的數(shù)據(jù)進行歸一化；
第二次歸一化，獲得任意一組標準化后的理論計算數(shù)據(jù)與儀器測量數(shù)據(jù)的各個通道 的系數(shù)矩陣。
第一次歸一化過程，主要考慮數(shù)據(jù)數(shù)值之間的關(guān)系。第二次歸一化化，則是重點考 慮了多通道中各個通道所獲得數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系，對相互關(guān)系進行的歸一化。
有益效果
本發(fā)明的兩次歸一化的數(shù)據(jù)匹配方法，在各個通道數(shù)值匹配的基礎(chǔ)上，重點進行了 各個通道關(guān)系的匹配，可以有效的實現(xiàn)多通道光纖光學成像系統(tǒng)中儀器測量數(shù)據(jù)到理論 計算數(shù)據(jù)的匹配工作。


圖1是本發(fā)明的兩次歸一化過程的示意圖； 圖2是多光纖光學成像系統(tǒng)重建方法流程圖； 圖3是模擬膠膠體模型；
圖4(a)是模擬膠膠體實施例中7個通道的儀器測量數(shù)據(jù)；
圖4(b)是模擬膠膠體實施例中7個通道的理論計算數(shù)據(jù)；
圖5(a)是模擬膠膠體實施例中儀器測量數(shù)據(jù)的第一次歸一化數(shù)據(jù)；
圖5(b)是模擬膠膠體實施例中理論計算數(shù)據(jù)的第一次歸一化數(shù)據(jù)；
圖6(a)是模擬膠膠體實施例中獲得的系數(shù)矩陣；
圖6(b)是模擬膠膠體實施例中儀器測量數(shù)據(jù)兩次歸一化后的數(shù)據(jù)。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步詳細的舉例說明。 如圖1所示，本發(fā)明的兩次歸一化過程的示意圖，首先通過多通道光纖光譜儀測量 獲得其中任意一個被測模型的M個通道的儀器測量數(shù)據(jù)，同時通過擴散方程理論計算
獲得該被測模型的M個通道的理論計算數(shù)據(jù)；然后選擇對應相同的一個通道作為模板 數(shù)據(jù)，完成第一次歸一化過程；第三，將第一次歸一化后的儀器測量數(shù)據(jù)分別除以各自 對應通道的歸一化后的理論計算數(shù)據(jù)，獲得第一次歸一化后儀器測量數(shù)據(jù)到理論計算數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換的系數(shù)矩陣，完成第二次歸一化過程。 本發(fā)明完整的步驟為
步驟l，按照已知參數(shù)配制N個被測模型；每個被測模型分別有M個通道，M、 N 為自然數(shù)；
步驟2，通過多通道光纖光譜儀測量獲得所有N個被測模型的M個通道的儀器測量 數(shù)據(jù)，同時通過擴散方程理論計算獲得所有N個被測模型的M個通道的理論計算數(shù)據(jù)；
步驟3，進行第一次歸一化過程選取在步驟2中獲得的任意一個被測模型的M個 通道儀器測量數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)，分別取相同的一個通道作為模板數(shù)據(jù)(取其中數(shù)值 最大的通道)，對該被測模型的M個通道的儀器測量數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)分別進行歸一
化，得到歸一化后的該模型的M個通道的儀器測量數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)；
步驟4，進行第二次歸一化過程將步驟3獲得的該被測模型的M個通道歸一化后的儀器測量數(shù)據(jù)分別除以各自對應通道的歸一化后的理論計算數(shù)據(jù)，獲得第一次歸一化 后儀器測量數(shù)據(jù)到理論計算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的系數(shù)矩陣；
步驟5，對于其他任意N-l個被測模型的儀器測量數(shù)據(jù)，按照步驟3歸一化過程后， 再乘以步驟4獲得的系數(shù)矩陣，完成原始儀器測量數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)的匹配工作。
如圖2所示，多光纖光學成像系統(tǒng)的重建方法是一個多參數(shù)非線性優(yōu)化問題，算法 流程如下對于實際被測模型，獲得儀器測量數(shù)據(jù)，利用本發(fā)明所提出的數(shù)據(jù)匹配方法， 將儀器測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應的理論計算數(shù)據(jù)；根據(jù)假設(shè)的被測模型的參數(shù)，通過擴散方 程理論計算獲得相應的理論計算數(shù)據(jù)；將理論計算數(shù)據(jù)與儀器測量轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)，進行 多參數(shù)優(yōu)化計算，從而完成多光纖光學成像系統(tǒng)的重建。
本發(fā)明解決了其中儀器測量數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)的匹配問題。下面以模擬膠膠體模 型為被測模型，以8通道測量系統(tǒng)為例，詳細介紹本發(fā)明方法的具體實施方式
。
1.模擬膠模型的制備
如圖3所示，為牛奶加凝膠配制的模擬膠模型。模擬膠模型由不同濃度的牛奶添加 凝膠(Gelatin)配制成溶液，然后將其放置在冰箱中進行降溫，最后形成膠狀模型。采用 ISS雙通道Oximeter儀器完成對模擬膠樣品光學參數(shù)的定標測量，采用的波長為 690nm，光學參數(shù)見表l:模擬膠膠體模型光學參數(shù)(690nm) (Oximeter測試結(jié)果)
模型 吸收系數(shù)/qcm-1) 散射系數(shù)/Ucm-1)
1 0.023 3.24
2 0.034 18.06
3 0.053 27.43
4 0扁 29.09
5 0.035 44.16
表l
2. 待匹配數(shù)據(jù)的獲取
如圖4所示，這里測試系統(tǒng)采用8個通道，其中1個通道連接光源，其它7個通道 連接檢測器?？梢垣@得7個通道的儀器測量數(shù)據(jù)(圖4 (a))和理論計算數(shù)據(jù)(圖4 (b))。
3. 第一次歸一化過程
如圖5所示，以每個模型的通道1和7的最大數(shù)據(jù)為模板，其它通道的數(shù)據(jù)除以該 模板，獲得第一次標準化后的數(shù)據(jù)。4. 第二次歸一化過程
如圖5 (a)所示，以第一個模型的所有通道的儀器測量數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)為模 板，用理論計算數(shù)據(jù)除以儀器測量數(shù)據(jù)，以獲得儀器測量數(shù)據(jù)到理論計算數(shù)據(jù)各個通道 的系數(shù)矩陣。
5. 匹配后數(shù)據(jù)的獲取
如圖5(b)所示，將除了模型1以外的其它模型所有通道的儀器測量數(shù)據(jù)乘以系數(shù)矩 陣，獲得與理論計算數(shù)據(jù)相匹配的數(shù)據(jù)。
如圖6所示，圖6 (a)為通過模型1獲得的第一次歸一化后儀器測量數(shù)據(jù)到理論 計算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的系數(shù)矩陣(對應于7個通道)；圖6 (b)對于其他任意被測模型的儀器 測量數(shù)據(jù)，按照步驟3歸一化過程后，再乘以步驟4獲得的系數(shù)矩陣，從而后的匹配后 的數(shù)據(jù)。 方法的有效性
數(shù)據(jù)匹配結(jié)果在理論上要求相應模型的儀器測量歸一化數(shù)據(jù)(圖4(b))與理論仿真 的歸一化數(shù)據(jù)(圖5(b))適應度函數(shù)值(這里定義為各個通道差值絕對值)為0，在實 際應用中只要保證這個值相對最小即可。表2給出了各個通道差值絕對值的和。表2 中對角線數(shù)值最小，相應模型之間匹配關(guān)系最好。
表2儀器測量數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)的適應度函數(shù)值(方差)
模型2模型3模型4模型5
模型20.300.600.730.91
模型30.450.350.380.49
模型40.460.350.340.44
模型50.750.470.300.28
表2
由此可以看出，本發(fā)明的進行兩次歸一化的數(shù)據(jù)匹配方法，在各個通道數(shù)值匹配的 基礎(chǔ)上，重點進行了各個通道關(guān)系的匹配，該方法可以完成多光纖光學成像系統(tǒng)中儀器 測量數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)的匹配工作。
權(quán)利要求
1、一種兩次歸一化數(shù)據(jù)匹配方法，其特征在于包括如下步驟，步驟1，按照已知參數(shù)配制N個被測模型，每個被測模型分別有M個通道；步驟2，通過多通道光纖光譜儀測量獲得所有N個被測模型的M個通道的儀器測量數(shù)據(jù)，同時通過擴散方程理論計算獲得所有N個被測模型的M個通道的理論計算數(shù)據(jù)；步驟3，進行第一次歸一化過程選取在步驟2中獲得的任意一個被測模型的M個通道儀器測量數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)，分別取相同的一個通道作為模板數(shù)據(jù)，對該被測模型的M個通道的儀器測量數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)分別進行歸一化，得到歸一化后的該模型的M個通道的儀器測量數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)；步驟4，進行第二次歸一化過程將步驟3獲得的該被測模型的M個通道歸一化后的儀器測量數(shù)據(jù)分別除以各自對應通道的歸一化后的理論計算數(shù)據(jù)，獲得第一次歸一化后儀器測量數(shù)據(jù)到理論計算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的系數(shù)矩陣；步驟5，對于其他任意N-1個被測模型的儀器測量數(shù)據(jù)，按照步驟3歸一化過程后，再乘以步驟4獲得的系數(shù)矩陣，完成原始儀器測量數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)的匹配工作；所述的M和N為自然數(shù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩次歸一化數(shù)據(jù)匹配方法，其特征在于步驟3中第一 次歸一化過程各個模型以其中數(shù)值最大的通道作為模板數(shù)據(jù)，進行各個通道數(shù)據(jù)的歸一 化。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩次歸一化數(shù)據(jù)匹配方法，其特征在于在步驟5中選 取N個被測模型之外的新的模型，按照步驟3歸一化過程后，再乘以步驟4獲得的系數(shù) 矩陣，完成原始儀器測量數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)的匹配工作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種兩次歸一化數(shù)據(jù)匹配方法，主要包括了兩次數(shù)據(jù)歸一化過程，第一次歸一化，將多通道測量系統(tǒng)每次測量獲得的各通道儀器測量數(shù)據(jù)、理論計算獲得的各通道理論計算數(shù)據(jù)分別與該次測量和理論計算中指定通道的數(shù)據(jù)進行歸一化，得到每次測量中各個通道之間的關(guān)系；第二次歸一化，將第一次歸一化獲得的理論計算數(shù)據(jù)除以儀器測量獲得的對應通道數(shù)據(jù)，獲得每一次測量各個通道儀器測量數(shù)據(jù)到理論計算數(shù)據(jù)匹配的系數(shù)矩陣，得到多次測量對應通道之間的關(guān)系。本發(fā)明的兩次歸一化的數(shù)據(jù)匹配方法，在各個通道數(shù)值匹配的基礎(chǔ)上，重點進行了各個通道關(guān)系的匹配，可以有效的實現(xiàn)多通道光纖光學成像系統(tǒng)中儀器測量數(shù)據(jù)到理論計算數(shù)據(jù)的匹配工作。
文檔編號G01N21/31GK101614658SQ20091018381
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月31日
發(fā)明者李韙韜, 錢志余 申請人:南京航空航天大學