CN103389272B - 基于脉冲激光的半透明介质衰减系数和散射反照率的快速测量方法 - Google Patents

Abstract

基于脉冲激光的半透明介质衰减系数和散射反照率的快速测量方法，属于半透明介质辐射物性测量技术领域。本发明解决了基于逆问题求解的半透明介质辐射测量方法测量速度缓慢的问题，本发明向半透明待测试件的一侧表面涂覆上黑度涂层，利用高斯脉冲激光光束垂直入射到试件无涂层的一侧表面，采用单光子计数器测量半透明介质时域半球反射信号；设定待测介质的衰减系数β和待测介质的散射反照率ω的值，时域半球反射信号的估计值与用单光子计数器测量半透明介质的时域半球反射信号做最小二乘差值；判断该差值是否小于阈值，若是将设定的待测介质的衰减系数β和待测介质的散射反照率ω作为结果。本发明适用于半透明介质辐射物性测量。

Description

基于脉冲激光的半透明介质衰减系数和散射反照率的快速测量方法

技术领域

本发明属于半透明介质辐射物性测量技术领域。

背景技术

半透明介质热辐射物性参数是衡量材料能否适应具体热过程工作环境需要的基本依据，是对特定热过程进行基础研究、分析计算和工程设计的关键参数，它还是认识、了解和评价物质的最基本的物理性质之一。因此世界各国对材料热辐射物性学的研究给以了极大的重视，进行材料的热辐射物性参数测量研究工作对航天、国防、民用工业具有重要意义，对相关学科的建立和发展及材料性能的研究也起着重要的推动作用。

衰减系数和散射反照率是表征半透明介质辐射物性的一个重要参数，在很多的领域发挥着重要的作用。在国防领域中，是对导弹预警、制导、隐身的关键，在激光通信、海洋探测、大气遥感、目标特性研究中有重要的应用价值。再如在炉膛火焰温度在线监控、生物医学光学成像、激光无损探伤等领域中也具有重要的应用价值。

基于逆问题求解的半透明介质辐射测量方法能够比较准确的测量出介质的衰减系数和散射反照率，但是由于逆问题求解算法本身的特点，需要进行大量的计算，它的测量速度比较缓慢。

发明内容

本发明为了解决基于逆问题求解的半透明介质辐射测量方法测量速度缓慢的问题，提出了基于脉冲激光的半透明介质衰减系数和散射反照率的快速测量方法。

本发明所述基于脉冲激光的半透明介质衰减系数和散射反照率的快速测量方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、向半透明待测试件的一侧表面涂覆上黑度为0.95-1的涂层，利用高斯脉冲激光器产生高斯脉冲激光，高斯脉冲激光光束垂直入射到试件无涂层的一侧表面，采用单光子计数器测量半透明介质无涂层侧的时域半球反射信号，获得试件的时域反射信号曲线及该曲线的峰值R_max；

步骤二、利用得到的时域反射信号曲线的峰值R_max，根据试件的几何厚度L和长度量纲的激光脉冲宽度ct_p的大小关系，获得待测介质的衰减系数β和待测介质的散射反照率ω的关系；

步骤三、利用步骤二中获得的待测介质的衰减系数β和待测介质的散射反照率ω的关系，对逆问题算法进行初始化；

步骤四、利用逆问题算法，设定待测介质的衰减系数β和待测介质的散射反照率ω的值，根据辐射传递方程，获得计算域内的辐射场强度；

步骤五、利用步骤四获得的计算域内的辐射场强度，根据公式：

$R\left(t\right)=2\mathrm{\π}{\∫}_{\mathrm{\π}/2}^{\mathrm{\π}}\frac{I(0,\mathrm{\θ},t)}{I_0}\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θd\θ}---\left(1\right)$

获得时域半球反射信号的估计值R(t)；式中I₀是高斯脉冲激光的辐射强度峰值；I(0,θ,t)为t时刻θ方向x=0处的的辐射强度，x=0处为待测试件无涂层的一侧表面，θ为辐射方向；

步骤六、利用步骤五获得的时域半球反射信号的估计值R(t)与步骤一中采用单光子计数器测量半透明介质无涂层侧的时域半球反射信号做最小二乘差值；

步骤七、判断步骤六的最小二乘差值是否小于阈值ε，若是，将步骤四中设定待测介质的衰减系数β和待测介质的散射反照率ω的值作为测量结果，完成基于脉冲激光的半透明介质衰减系数和散射反照率的快速测量，否则返回步骤四。

本发明通过建立辐射物性测量，借助反射信号峰值与介质的衰减系数和散射反照率之间的内在关系，实现快速测量半透明介质衰减系数和散射反照率。并且测量速度与随机初始化逆问题初始信息的测量方法相比平均提高了近30%。

附图说明

图1为具体实施方式一所述半透明介质受到一个高斯脉冲激光垂直照射的辐射传输示意图；图中实箭头方向为高斯脉冲激光平行入射方向，空箭头方向为半球时域反射信号方向；

图2为高斯脉冲激光的波形示意图；

图3为半透明介质边界上的时域半球反射信号强度与时间曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一、本实施方式所述基于脉冲激光的半透明介质衰减系数和散射反照率的快速测量方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、向半透明待测试件的一侧表面涂覆上黑度为0.95-1的涂层，利用高斯脉冲激光器产生高斯脉冲激光，高斯脉冲激光光束垂直入射到试件无涂层的一侧表面，采用单光子计数器测量半透明介质无涂层侧的时域半球反射信号，获得试件的时域反射信号曲线及该曲线的峰值R_max；

步骤二、利用得到的时域反射信号曲线的峰值R_max，根据试件的几何厚度L和长度量纲的激光脉冲宽度ct_p的大小关系，获得待测介质的衰减系数β和待测介质的散射反照率ω的关系；

步骤三、利用步骤二中获得的待测介质的衰减系数β和待测介质的散射反照率ω的关系，对逆问题算法进行初始化；

步骤四、利用逆问题算法，设定待测介质的衰减系数β和待测介质的散射反照率ω的值，根据辐射传递方程，获得计算域内的辐射场强度；

步骤五、利用步骤四获得的计算域内的辐射场强度，根据公式：

$R\left(t\right)=2\mathrm{\π}{\∫}_{\mathrm{\π}/2}^{\mathrm{\π}}\frac{I(0,\mathrm{\θ},t)}{I_0}\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θd\θ}---\left(1\right)$

获得时域半球反射信号的估计值R(t)；式中I₀是高斯脉冲激光的辐射强度峰值；I(0,θ,t)为t时刻θ方向x=0处的的辐射强度，x=0处为待测试件无涂层的一侧表面，θ为辐射方向；

步骤六、利用步骤五获得的时域半球反射信号的估计值R(t)与步骤一中采用单光子计数器测量半透明介质无涂层侧的时域半球反射信号做最小二乘差值；

步骤七、判断步骤六的最小二乘差值是否小于阈值ε，若是，将步骤四中设定待测介质的衰减系数β和待测介质的散射反照率ω的值作为测量结果，完成基于脉冲激光的半透明介质衰减系数和散射反照率的快速测量，否则返回步骤四。

本实施方式首先设计半透明介质瞬态辐射传输的物理模型，然后建立相应的数学模型和求解方法，引入半透明介质辐射特征的辅助信息，将其作为逆问题的初始条件，通过逆问题求解的方法快速准确的测量出半透明介质的衰减系数和散射反照率。脉冲激光的脉冲宽度非常短，远远小于介质内温度变化的响应时间，因此被测介质的反射信号测量过程可以被考虑成一个一维瞬态纯辐射问题。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于脉冲激光的半透明介质衰减系数和散射反照率的快速测量方法的进一步说明，步骤二所述的获得待测介质的衰减系数β和待测介质的散射反照率ω的关系通过公式：

$\left\{\begin{array}{cc}{R}_{\max }\≈0.05{\mathrm{\β\ωct}}_p\ln \left(\mathrm{\βL}\right)+(0.375-0.8{\mathrm{\βct}}_p){\mathrm{\β\ωct}}_p,& L\≤{\mathrm{ct}}_p\\ R_{\max }\≈0.156{\mathrm{\β\ωct}}_p,& L>{\mathrm{ct}}_p\end{array}\right.---\left(2\right)$

实现。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于脉冲激光的半透明介质衰减系数和散射反照率的快速测量方法的进一步说明，步骤三和步骤四中所述的逆问题算法采用蚁群算法实现。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于脉冲激光的半透明介质衰减系数和散射反照率的快速测量方法的进一步说明，步骤四中根据辐射传递方程，获得计算域内的辐射场强度通过公式：

$\frac{\∂I(x,\mathrm{\θ},t)}{c\∂t}+\frac{\∂I(x,\mathrm{\θ},t)}{\∂x}=-\mathrm{\βI}(x,\mathrm{\θ},t)+\frac{\mathrm{\β\ω}}{2}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}I(L,\mathrm{\θ},t)\mathrm{\Φ}({\mathrm{\θ}}^{\′},\mathrm{\θ})\sin {\mathrm{\θ}}^{\′}d{\mathrm{\θ}}^{\′}---\left(3\right)$

$I(0,\mathrm{\&theta;},t)={\left(\frac{n}{n_0}\right)}^2(1-{\mathrm{\&rho;}}_0)I_c\left(t\right)+{2\mathrm{\&rho;}}_1{\&Integral;}_{\mathrm{\&pi;}/2}^{\mathrm{\&pi;}}I(0,{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;},t)\cos {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}\sin {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}d{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;},0\&le;\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&pi;}/2---\left(4\right)$

I(L,θ,t)=0,π/2≤θ<π   (5)

利用有限体积法对其进行求解实现；式中I(x,θ,t)为在t时刻，θ方向x处的辐射强度，x为待求辐射场中位置，θ为待求辐射方向，t为待求时刻，β为介质的衰减系数，ω为介质的散射反照率；I(x,θ′,t)为t时刻，θ′方向x处的辐射强度；θ′入射方向，Φ(θ′,θ)是从θ′方向入射并从θ方向散射出去的散射相函数，I(L,θ,t)为t时刻，θ方向x=L处的辐射强度，x=L处为待测试件有涂层的一侧表面；

c是介质中的光速；

n是介质折射率；

n₀是环境的折射率；

ρ₀是由环境进入介质时的反射率；

ρ₁为由介质进入环境时的反射率；

I_c(t)是t时刻垂直入射的高斯脉冲激光的辐射强度。

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式四所述的基于脉冲激光的半透明介质衰减系数和散射反照率的快速测量方法的进一步说明，t时刻垂直入射的高斯脉冲激光的辐射强度I_c(t)通过公式：

$I_c\left(t\right)=I_0\exp [-4\ln 2{(\frac{t}{t_P}-3)}^2][H\left(t\right)-H(t-{6t}_p)]---\left(6\right)$

实现，式中I₀为高斯脉冲激光峰值强度，t_p为高斯激光的脉冲宽度，H(t)为海森赛德函数，当t>0时H(t)=1，当t<0时H(t)=0。

本发明的优点在于：通过逆问题求解的方法能够较为准确地测量出半透明介质的衰减系数和散射反照率，通过由峰值大小与衰减系数和散射反照率之间的近似关系得到的衰减系数和散射反照率之间的联系，能够大大提高逆问题求解的速度。这一发明为半透明介质辐射物性测量提供了一种快速准确的方法，对航天、国防和民用工业具有十分重要的意义。

Claims (5)

1.基于脉冲激光的半透明介质衰减系数和散射反照率的快速测量方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

步骤一、向半透明待测试件的一侧表面涂覆上黑度为0.95-1的涂层，利用高斯脉冲激光器产生高斯脉冲激光，高斯脉冲激光光束垂直入射到试件无涂层的一侧表面，采用单光子计数器测量半透明介质无涂层侧的时域半球反射信号，获得试件的时域反射信号曲线及该曲线的峰值R_max；

步骤二、利用得到的时域反射信号曲线的峰值R_max，根据试件的几何厚度L和长度量纲的激光脉冲宽度ct_p的大小关系，获得待测介质的衰减系数β和待测介质的散射反照率ω的关系；

步骤三、利用步骤二中获得的待测介质的衰减系数β和待测介质的散射反照率ω的关系，对逆问题算法进行初始化；

步骤四、利用逆问题算法，设定待测介质的衰减系数β和待测介质的散射反照率ω的值，根据辐射传递方程，获得计算域内的辐射场强度；

步骤五、利用步骤四获得的计算域内的辐射场强度，根据公式：

$R\left(t\right)=2\mathrm{\&pi;}{\&Integral;}_{\mathrm{\&pi;}/2}^{\mathrm{\&pi;}}\frac{I(0,\mathrm{\&theta;},t)}{I_0}\cos \mathrm{\&theta;}\sin \mathrm{\&theta;d\&theta;}---\left(1\right)$

获得时域半球反射信号的估计值R(t)；式中I₀是高斯脉冲激光的辐射强度峰值；I(0,θ,t)为t时刻θ方向x=0处的的辐射强度，x=0处为待测试件无涂层的一侧表面，θ为辐射方向；

步骤六、利用步骤五获得的时域半球反射信号的估计值R(t)与步骤一中采用单光子计数器测量半透明介质无涂层侧的时域半球反射信号作最小二乘差值；

步骤七、判断步骤六的最小二乘差值是否小于阈值ε，若是，将步骤四中设定待测介质的衰减系数β和待测介质的散射反照率ω的值作为测量结果，完成基于脉冲激光的半透明介质衰减系数和散射反照率的快速测量，否则返回步骤四。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲激光的半透明介质衰减系数和散射反照率的快速测量方法，其特征在于，步骤二所述的获得待测介质的衰减系数β和待测介质的散射反照率ω的关系通过公式：

$\left\{\begin{array}{cc}{R}_{\max }\&ap;0.05\mathrm{\&beta;\&omega;}{\mathrm{ct}}_p\ln \left(\mathrm{\&beta;L}\right)+(0.375-0.8\mathrm{\&beta;}{\mathrm{ct}}_p)\mathrm{\&beta;\&omega;}{\mathrm{ct}}_p,& L\&le;{\mathrm{ct}}_p\\ R_{\max }\&ap;0.156\mathrm{\&beta;\&omega;}{\mathrm{ct}}_p,& L>{\mathrm{ct}}_p\end{array}\right.---\left(2\right)$

实现。

3.根据权利要求1所述的基于脉冲激光的半透明介质衰减系数和散射反照率的快速测量方法，其特征在于，步骤三和步骤四中所述的逆问题算法采用蚁群算法实现。

4.根据权利要求1所述的基于脉冲激光的半透明介质衰减系数和散射反照率的快速测量方法，其特征在于，步骤四中根据辐射传递方程，获得计算域内的辐射场强度通过公式：

$\frac{\&PartialD;I(x,\mathrm{\&theta;},t)}{c\&PartialD;t}+\frac{\&PartialD;I(x,\mathrm{\&theta;},t)}{\&PartialD;x}=-\mathrm{\&beta;I}(x,\mathrm{\&theta;},t)+\frac{\mathrm{\&beta;\&omega;}}{2}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&pi;}}I(L,\mathrm{\&theta;},t)\mathrm{\&Phi;}({\mathrm{\&theta;}}^{\text{'}},\mathrm{\&theta;})\sin {\mathrm{\&theta;}}^{\text{'}}d{\mathrm{\&theta;}}^{\text{'}}---\left(3\right)$

$I(0,\mathrm{\&theta;},t)={\left(\frac{n}{n_0}\right)}^2(1-{\mathrm{\&rho;}}_0)I_c\left(t\right)+2{\mathrm{\&rho;}}_1{\&Integral;}_{\mathrm{\&pi;}/2}^{\mathrm{\&pi;}}I(0,{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;},t)\cos {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}\sin {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}d{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;},0\&le;\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&pi;}/2---\left(4\right)$

I(L,θ,t)=0,π/2≤θ<π   (5)

利用有限体积法对其进行求解实现；式中I(x,θ,t)为在t时刻，θ方向x处的辐射强度，x为待求辐射场中位置，θ为待求辐射方向，t为待求时刻，β为介质的衰减系数，ω为介质的散射反照率；I(x,θ′,t)为t时刻，θ′方向x处的辐射强度；θ′入射方向，Φ(θ′,θ)是从θ′方向入射并从θ方向散射出去的散射相函数，I(L,θ,t)为t时刻，θ方向x=L处的辐射强度，x=L处为待测试件有涂层的一侧表面；

c是介质中的光速；

n是介质折射率；

n₀是环境的折射率；

ρ₀是由环境进入介质时的反射率；

ρ₁为由介质进入环境时的反射率；

I_c(t)是t时刻垂直入射的高斯脉冲激光的辐射强度。

5.根据权利要求4所述的基于脉冲激光的半透明介质衰减系数和散射反照率的快速测量方法，其特征在于，t时刻垂直入射的高斯脉冲激光的辐射强度I_c(t)通过公式：

$I_c\left(t\right)=I_0\exp [-4\ln 2{(\frac{t}{t_P}-3)}^2][H\left(t\right)-H(t-{6t}_p)]---\left(6\right)$

实现，式中I₀为高斯脉冲激光峰值强度，t_p为高斯激光的脉冲宽度，H(t)为海森赛德函数，当t>0时H(t)=1，当t<0时H(t)=0。