延期时间的优选对于矿山爆破振动的控制以及爆破技术经济效果的保障都至关重要。改进的线性叠加法可用于研究爆破振动质点峰值振速(PPV)与不同延期时间的关系。首先, 利用傅里叶级数来表示实测单孔爆破振动波形; 其次, 在傅立叶级数展开式的系数和相位中加入随机变量生成指定数量的单孔爆破振动波形; 再次, 利用蒙特卡洛模拟计算0 ms到250 ms之间每个延期时间对应的PPV均值, 得到PPV随延期时间变化曲线。实例分析结果表明: 若以距离爆源531 m处的民房为保护目标, 以0.45 cm/s为峰值质点振速控制标准, 7 ms以上的延期时间均可选择, 并且当延期时间增大, PPV呈减小趋势。结合矿山岩石破碎效果试验, 大块量随米延期时间增大呈先减小后增大的抛物线变化规律, 其最小值出现在米延期为7 ms/m处。若以爆破振动监测所在矿山的6 m孔距算, 其岩石破碎最优延期时间约为40 ms。综合爆破振动蒙特卡洛模拟结果和矿山岩石破碎效果试验结果, 得到该矿山爆破最优延期时间可选择为40 ms。

在基于近红外光谱法的无创血糖测量领域, 受人体皮肤状态波动的影响, 血糖预测模型无法长时间使用, 极大地限制了该方法在临床上的应用。 皮肤血流灌注是与人体生理状态密切相关的参数, 直接影响着皮肤中水分的流动, 它还难以像温度、 压力那样借助外部手段进行控制。 在皮肤光谱的测量中, 血流灌注会通过水分的迁移间接影响真皮层的厚度, 并使得光谱产生较大变化。 借助蒙特卡洛模拟方法仿真了在1 000~1 700 nm波段真皮层厚度变化±30 μm时三层皮肤的漫反射光强、 光子穿透深度与平均光程, 研究了真皮层厚度变化后的光谱变化规律。 对两个光源-探测器距离下的衰减度进行差分, 用于消除真皮层厚度变化的影响, 对1 000~1 700 nm的波长均给出了适宜的差分测量距离。 发现1 200 nm波长附近, 当真皮层厚度变化时, 漫反射衰减度在每个测量距离下的变化都非常小, 因此是较适宜的测量波长。 而对于水的吸收峰1 450 nm附近的波长而言, 漫反射衰减度随着光源-探测器距离的增加而变大, 且在一定范围内急剧变化; 因此, 应避免选择这些光源-探测器距离。 对于常用的血糖测量波长1 200、 1 300及1 600 nm波长而言, 光源-探测器距离可选在小于0.1 cm或大于0.4 cm的范围, 此处漫反射衰减度变化随着光源-探测器距离变化较缓慢, 采用差分处理可较好地消除真皮层厚度变化对光谱的影响。 考虑到不同光源-探测器距离下对应的真皮层光子百分比不同, 可选择主要对应于真皮层的光源-探测器距离, 该工作采取80 %真皮光子百分比为界限。 综上, 综合现有仪器能达到的测量精度水平, 对于1 200、 1 300和1 600 nm波长, 可选择0.03~0.1 cm范围内的两个光源-探测器距离进行差分测量, 可以较好地抑制真皮层厚度变化的影响, 从而有效减小皮肤血流灌注变动的影响。

面向医学检测领域对单色X射线的应用需求, 提出了一种X射线荧光单色仪的多阳极二次靶台结构优化设计方案。计算了不同能段X射线光子在人体皮肤、骨骼、脂肪中的穿透深度, 通过蒙特卡洛软件MCNP计算了原级X射线的最佳靶角、光子产生效率和辐射特性, 优选了阳极靶材料。在此基础上, 通过建立多能量点X射线荧光单色仪的二次靶台结构模型, 计算了不同阳极高压、靶角下二次铜靶的单色X射线转换效率, 量化了其Kα特征谱的占比。研究的相关工作为评估X射线荧光单色仪的辐射特性提供了一定依据。

近红外人体血糖浓度无创检测所面临的主要问题之一是人体温度变化干扰测量光谱。 为此, 提出使用基于外部参数正交化(EPO)的光谱预处理方法, 对测量部位体温改变时的光谱进行温度校正。 该方法仅需预先采集人体体温变化时的漫射光谱, 即可获得消除温度干扰的滤波矩阵, 利用该矩阵可以将不同体温下的光谱校正至基准温度水平。 预先对外部干扰变量单独建立模型, 与血糖浓度预测模型的建立分离。 EPO原理提出组成光谱空间的干扰信号空间与有用信号空间正交, 即温度光谱响应与葡萄糖浓度光谱响应之间彼此正交, 而在实际测量中, 仪器系统漂移, 人体出汗等共模干扰常导致有用信号和干扰信号存在偶然相关, 影响了消除温度干扰的效果。 因此在进行温度校正之前, 首先对原始光谱进行位置差分处理, 经验证位置差分方法能够消除仪器系统漂移带来的共模干扰, 获得的吸光度光谱中温度响应部分和浓度响应部分彼此正交。 使用蒙特卡洛模拟人体三层皮肤模型获得血糖光谱数据, 模拟样品参数均根据实际人体实验中的参数水平设置。 对受温度干扰的光谱进行位置差分处理后使用EPO进行温度校正, 然后利用校正后的光谱数据建立偏最小二乘回归(PLSR)模型。 与校正前光谱建模结果比较, 校正后的模型均方根误差(RMSEC和RMSECV)明显降低, 相关系数得到一定的提高, 同时主成分数减少, 验证了该温度校正方法的有效性。

近红外漫反射光谱法可用于物质成分定性、 定量分析, 具有快速、 无损检测等优点, 在食品、 制药、 环境监测、 生命科学等领域有广泛应用。 采用近红外漫反射光谱对浑浊散射介质进行成分定量分析时, 由于光散射作用, 介质吸光度随测量距离不再呈线性变化, 不同测量距离下测量模型也很难转换。 从扩散方程出发, 提出了从漫射光谱中提取线性吸光度的方法, 获得了与测量距离无关的介质光学参数——有效衰减系数的光谱, 该光谱可反映介质吸收变化, 并用于物质成分测量。 具体采用了双位置差分法, 可在线性吸光度的范围内任意选取两个光源-探测器距离测量, 通过差分获得与测量位置无关的有效衰减系数光谱, 其中测量距离可依据波段灵活地进行选择。 另外, 经理论推导可知, 差分运算的同时还大大削减了光子扩散对测量的影响, 有利于不同散射特性的介质间光谱模型的相互借鉴。 经理论计算、 蒙特卡洛模拟和实验验证, 在1 000~1 360 nm波段, 该方法适用于强散射的浑浊水溶液。 对散射系数处于较大范围(28.53～87.47 cm-1)的intralipid水溶液进行了测试, 获得了线性吸光度的光源-探测器距离范围。 进一步以葡萄糖为被测成分为例, 获得了葡萄糖在intralipid水溶液中的有效衰减系数光谱。 采用测量距离连续可调的漫反射光谱测量系统进行了实验, 测量范围位于0～0.3 cm, 测试了3种典型的介质(3%, 5%, 10%Intralipid水溶液)。 结果可知, 3种介质中葡萄糖光谱呈现一致性, 它们之间的测量模型可以方便地进行线性转换。 研究对象intralipid水溶液常作为生物组织的仿体, 其光学参数也覆盖了常见的牛奶、 果汁等被测浑浊溶液, 因此测量结果具有广泛的适应性。 综上, 该研究实现了对浑浊水溶液中物质成分线性吸光度的提取, 该方法不仅使得测量位置的选择更加灵活方便, 还有利于实现不同散射介质间模型的线性转换, 特别适用于介质成分复杂多变的场合下的测量应用, 如对人体组织、 牛奶或食品中的成分测量等。

传统光聚集器热效应明显、结构复杂、成本昂贵。作为替代，荧光太阳集光器具有许多显著优势并能够有效降低太阳能电池的发电成本，因此受到广泛关注。本文通过传统热注入法合成了全无机钙钛矿CsPbBr3量子点，并在此基础上设计了基于CsPbBr3量子点的荧光太阳集光原型器件。通过TEM测试和必要的光学表征，证实本文合成的CsPbBr3量子点具有典型的立方体结构、76.8%的荧光量子产率、512 nm的发光中心波长和22 nm的中心波长半高宽。此外，结合蒙特卡洛智能优化算法，建立了基于CsPbBr3量子点的荧光太阳集光器的理论计算模型，确定了全无机钙钛矿量子点最优掺杂浓度和最佳平均波长集光效率。仿真结果表明，在量子点掺杂浓度为2.1×10-5 mol/L时，最优的集光效率达到5.4%。本文提出的蒙特卡洛光子追踪模拟过程将为未来荧光太阳集光器参数设计提供科学的计算方法。