一种时域近红外漫反射曲线精确拟合方法及系统与流程

本发明属于时域近红外信号处理、曲线拟合与光学参数估计，尤其涉及一种针对光子飞行时间分布曲线（dtof）进行时间对齐、可信度筛窗、参数初始化及分段拟合的处理方法及系统。

背景技术：

1、现有时域近红外系统对漫反射曲线的处理，多采用全局非线性拟合方法，通过不断调整吸收系数、约化散射系数以及时间延迟等参数，使理论曲线与实测 dtof 曲线相匹配。该类方法在精度方面具有一定优势，但通常需要在整条曲线上进行反复迭代，计算量较大，对初值选择和噪声扰动较为敏感，难以满足实时或准实时处理需求。

2、另一类方法通过矩、峰值位置、半高全宽等简单特征量直接估计参数，虽然计算速度较快，但由于未充分利用曲线不同时间区域所包含的结构信息，估计精度通常受限，且难以有效补偿峰位漂移和时间轴错位。

3、现有技术的主要不足在于：计算时间较长，初值选择困难，对时间漂移和局部异常时间窗的鲁棒性不足。

技术实现思路

1、本发明针对现有时域近红外漫反射曲线拟合方法计算量大、对初值选择敏感、易受时间漂移及局部异常时间窗干扰的技术问题，提供一种时域近红外漫反射曲线精确拟合方法及系统，该方法通过峰值与上升沿双阶段对齐、基于相似性与信噪比的可信度评价以及查找表结合时序预测的参数初始化作为预处理手段，减少后续迭代拟合的计算负担，再以分段拟合与全局精修相结合的策略进行参数求解，从而达到降低拟合过程对初值的依赖性、抑制噪声与时间漂移干扰、提高拟合速度与鲁棒性的目的。

2、根据本发明说明书的一方面，提供一种时域近红外漫反射曲线精确拟合方法，包括：对实测光子飞行时间分布曲线与参考仪器响应函数曲线进行峰值对齐和上升沿对齐，得到时间零点校正后的实测曲线；对所述时间零点校正后的实测曲线进行可信度评价，以确定不同时间窗的权重或筛选有效时间窗；根据所述时间零点校正后的实测曲线的峰值位置和半高全宽，通过查找表获取光学参数的粗略初值，并对所述粗略初值进行修正以形成拟合初值；基于所述拟合初值，在所述有效时间窗上采用分段拟合策略进行光学参数求解，得到分段拟合结果；在所述有效时间窗上，以所述分段拟合结果为初值进行全局优化精修，输出最终的光学参数。

3、作为进一步的技术方案，所述对实测光子飞行时间分布曲线与参考仪器响应函数曲线进行峰值对齐和上升沿对齐，包括：根据所述参考仪器响应函数曲线的峰值位置与所述实测光子飞行时间分布曲线的峰值位置计算初始时间偏移量，并根据所述初始时间偏移量对所述实测光子飞行时间分布曲线进行第一次平移；在所述参考仪器响应函数曲线的上升沿区域内，通过最小二乘法求取上升沿修正偏移量，并根据所述上升沿修正偏移量对第一次平移后的所述实测光子飞行时间分布曲线进行第二次平移。

4、作为进一步的技术方案，所述对所述时间零点校正后的实测曲线进行可信度评价，包括：将所述时间零点校正后的实测曲线划分为上升沿区、峰值区、过渡区和尾部区；计算每个所述时间窗的局部信噪比和局部模型一致性；根据所述局部信噪比和所述局部模型一致性计算每个所述时间窗的综合可信度权重；根据所述综合可信度权重确定所述有效时间窗，或，在全局优化精修中，将所述综合可信度权重作为加权因子使用。

5、作为进一步的技术方案，所述上升沿区被配置为优先用于约化散射系数的拟合，所述尾部区被配置为优先用于吸收系数的拟合。

6、作为进一步的技术方案，所述对所述粗略初值进行修正以形成拟合初值，包括：对于连续采集场景，根据前一时刻已收敛的光学参数结果对当前时刻的所述粗略初值进行时序预测修正，以形成当前时刻的拟合初值。

7、作为进一步的技术方案，所述分段拟合策略包括：在所述上升沿区的有效时间窗上，固定吸收系数为初始值，优先更新约化散射系数，得到第一阶段约化散射系数；在所述尾部区的有效时间窗上，固定所述第一阶段约化散射系数，更新吸收系数，得到第二阶段吸收系数；将所述第一阶段约化散射系数和所述第二阶段吸收系数作为所述分段拟合结果。

8、作为进一步的技术方案，所述全局优化精修包括：以所述分段拟合结果为初值，在全部有效时间窗上构建加权目标函数进行少量迭代更新，所述加权目标函数中的权重由所述综合可信度权重确定。

9、根据本发明说明书的一方面，提供一种时域近红外漫反射曲线精确拟合系统，包括：预对齐模块，用于对实测光子飞行时间分布曲线与参考仪器响应函数曲线进行峰值对齐和上升沿对齐，得到时间零点校正后的实测曲线；可信度评价模块，用于对所述时间零点校正后的实测曲线进行可信度评价，以确定不同时间窗的权重或筛选有效时间窗；初始化模块，用于根据所述时间零点校正后的实测曲线的峰值位置和半高全宽，通过查找表获取光学参数的粗略初值，并对所述粗略初值进行修正以形成拟合初值；分段拟合模块，用于基于所述拟合初值，在所述有效时间窗上采用分段拟合策略进行光学参数求解，得到分段拟合结果；全局精修模块，用于在所述有效时间窗上，以所述分段拟合结果为初值进行全局优化精修，输出最终的光学参数。

10、作为进一步的技术方案，所述预对齐模块包括：峰值对齐单元，用于根据所述参考仪器响应函数曲线的峰值位置与所述实测光子飞行时间分布曲线的峰值位置计算初始时间偏移量，并根据所述初始时间偏移量对所述实测光子飞行时间分布曲线进行第一次平移；上升沿对齐单元，用于在所述参考仪器响应函数曲线的上升沿区域内，通过最小二乘法求取上升沿修正偏移量，并根据所述上升沿修正偏移量对第一次平移后的所述实测光子飞行时间分布曲线进行第二次平移。

11、作为进一步的技术方案，所述分段拟合模块被配置为：在上升沿区的有效时间窗上，固定吸收系数为初始值，优先更新约化散射系数，得到第一阶段约化散射系数；在尾部区的有效时间窗上，固定所述第一阶段约化散射系数，更新吸收系数，得到第二阶段吸收系数；将所述第一阶段约化散射系数和所述第二阶段吸收系数作为所述分段拟合结果输出至所述全局精修模块。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

13、第一，本发明通过峰值对齐和上升沿对齐，可在拟合前对时间零点误差进行预补偿，从而减小时间漂移对后续拟合结果的影响。

14、第二，本发明通过基于相似性和局部信噪比的可信度评价，可自动筛除尾部高噪声时间窗和局部失真时间窗，提高拟合过程对局部异常和噪声扰动的鲁棒性。

15、第三，本发明采用查找表初始化并结合前一时刻结果预测，可减少对人工经验的依赖，降低全局非线性拟合对初值的敏感性。

16、第四，本发明通过“上升沿优先拟合散射—尾部优先拟合吸收—全局精修”的分段拟合策略，可减少全局迭代次数，提高拟合速度和收敛稳定性。

17、第五，本发明将预对齐、可信度评价、参数初始化和分段快速拟合组织成完整的处理流程，有利于提升时域近红外漫反射曲线参数估计的实时性与工程适用性。

1.一种时域近红外漫反射曲线精确拟合方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的时域近红外漫反射曲线精确拟合方法，其特征在于，所述对实测光子飞行时间分布曲线与参考仪器响应函数曲线进行峰值对齐和上升沿对齐，包括：

3.根据权利要求1所述的时域近红外漫反射曲线精确拟合方法，其特征在于，所述对所述时间零点校正后的实测曲线进行可信度评价，包括：

4.根据权利要求3所述的时域近红外漫反射曲线精确拟合方法，其特征在于，所述上升沿区被配置为优先用于约化散射系数的拟合，所述尾部区被配置为优先用于吸收系数的拟合。

5.根据权利要求1所述的时域近红外漫反射曲线精确拟合方法，其特征在于，所述对所述粗略初值进行修正以形成拟合初值，包括：对于连续采集场景，根据前一时刻已收敛的光学参数结果对当前时刻的所述粗略初值进行时序预测修正，以形成当前时刻的拟合初值。

6.根据权利要求1所述的时域近红外漫反射曲线精确拟合方法，其特征在于，所述分段拟合策略包括：

7.根据权利要求6所述的时域近红外漫反射曲线精确拟合方法，其特征在于，所述全局优化精修包括：以所述分段拟合结果为初值，在全部有效时间窗上构建加权目标函数进行少量迭代更新，所述加权目标函数中的权重由所述综合可信度权重确定。

8.一种时域近红外漫反射曲线精确拟合系统，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的时域近红外漫反射曲线精确拟合系统，其特征在于，所述预对齐模块包括：

10.根据权利要求8所述的时域近红外漫反射曲线精确拟合系统，其特征在于，所述分段拟合模块被配置为：