CN103472036B - 基于脉冲激光辐照的半透明介质辐射特性测量方法 - Google Patents

Abstract

基于脉冲激光辐照的半透明介质辐射特性测量方法，本发明涉及基于脉冲激光辐照的半透明介质辐射特性测量方法。它为了解决现有的基于透射、反射辐射信号测量的半透明介质辐射参数测量方法中测量方法复杂、速度慢、准确性差的问题。本发明通过将激光光源照射在待测半透明介质制的一侧表面，待测半透明介质制两侧均匀涂敷黑体涂层，均涂敷有黑体涂层的半透明介质的一侧表面，采用热电偶测温仪测量并记录介质两表面温度随时间的变化。根据两表面随时间变化的温度，通过逆问题算法获得待测半透明介质的吸收系数和散射系数。本发明适用于航空航天、军事、能源、化工、生物医疗及大气科学等多个领域。

Description

基于脉冲激光辐照的半透明介质辐射特性测量方法

技术领域

本发明涉及半透明介质光学参数测量技术领域。

背景技术

一种介质，若在某个或若干个波段范围内，其光谱光学厚度几为有限值，则称其为半透明介质。半透明介质在航空航天、军事、能源、化工、生物医疗及大气科学等多个领域有着广泛的应用，其典型应用包括：航空器和汽车发动机的陶瓷零件制造、涡轮发动机的陶瓷隔热防护层、空间光学系统的绝热、光学纤维和光学组件的制造和半透明塑料的点燃等。

吸收系数和散射系数是表征半透明介质辐射传输特性的重要参数。对半透明介质吸收系数和散射系数实验测量方法的研究可为半透明介质辐射导热耦合作用下的热性能的仿真提供重要的辐射特性参数数据，并且对于各种半透明介质吸收系数和散射系数数据的掌握对于上述半透明介质应用领域的研究具有重要的意义。

发明内容

本发明为了解决现有的基于透射、反射辐射信号测量的半透明介质辐射参数测量方法中测量方法复杂、速度慢、准确性差的问题，从而提出了基于脉冲激光辐照的半透明介质辐射特性测量方法。

基于脉冲激光辐照的半透明介质辐射特性测量方法包括下述步骤：

步骤一、将待测半透明介质制作成厚度为L的扁平试件，并在试件厚度方向的两侧均匀涂敷黑体涂层，将脉冲激光光源对准试件的左侧中心，所述的激光光源方向垂直于试件的表面，将两只热电偶探头分别固定于试件左右两侧，所述的两只热电偶探头均连接热电偶测温仪；

步骤二、打开激光器，使脉冲激光光源对试件左侧表面进行一个脉冲的照射，然后关闭激光器；同时，采用热电偶测温仪同步测量试件左右两侧随时间变化的温度，测量左侧激光入射表面随时间变化的温度函数为T_w1(t)，右侧表面随时间变化的温度函数为T_w2(t)，测量时间间隔为dt，总测量时间为N倍激光脉冲宽度；

步骤三、根据逆问题算法设待测半透明介质的吸收系数为κ_a，待测半透明介质的散射系数为κ_s，通过对稳态辐射传输方程和瞬态导热微分方程的耦合求解，得到在待测半透明介质的吸收系数为κ_a和待测半透明介质的散射系数为κ_s条件下的待测半透明介质的两侧面边界温度随时间分布估计值T′_w1(t)和T′_w2(t)；

步骤四、将步骤二得到的左右两侧的测量温度函数T_w1(t)、T_w2(t)和步骤三得到的左右两侧的测量温度函数T′_w1(t)、T′_w2(t)代入如下目标函数计算公式，计算得到目标函数值F_obj：

$F_{\mathrm{obj}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\{{\left[\frac{T_{w1}^{\′}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,t_i)-T_{w1}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,t_i)}{T_{w1}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,t_i)}\right]}^2+{\left[\frac{T_{w2}^{\′}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,t_i)-T_{w2}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,t_i)}{T_{w2}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,t_i)}\right]}^2\},$

其中，i表示时间步数，t_i表示第i步时间，

步骤五、判断步骤四中的目标函数值F_obj是否小于设定阈值ξ，若是，则步骤三中所设定的待测半透明介质的吸收系数为κ_a和待测半透明介质的散射系数为κ_s，即为该待测半透明介质的真实吸收系数和散射系数，将该待测半透明介质的真实吸收系数和散射系数作为测量结果，完成基于脉冲激光辐照的半透明介质辐射特性的测量；若否，则返回执行步骤三。

步骤三中所述的逆问题算法采用单纯形—骨干微粒群混合算法实现。

本发明根据待测半透明介质左右两侧表面随时间变化的温度，通过逆问题求解算法获得半透明介质的吸收系数和散射系数。在已知介质其他物性参数的基础上，采用逆问题求解算法达到了简单设置参数少、速度提高30%左右，精度提高1%-5%的目的，且该测量方法成低。

附图说明

图1为本发明所述的基于脉冲激光辐照的半透明介质辐射特性测量过程的示意图，图中1表示待测半透明介质；2表示热电偶探头；3表示热电偶测温仪，L表示扁平试件的厚度，图中t_p为脉冲宽度。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于脉冲激光辐照的半透明介质辐射特性测量方法包括下述步骤：

步骤一、将待测半透明介质制作成厚度为L的扁平试件，并在试件厚度方向的两侧均匀涂敷黑体涂层，将脉冲激光光源对准试件的左侧中心，所述的激光光源方向垂直于试件的表面，将两只热电偶探头2分别固定于试件左右两侧，所述的两只热电偶探头2均连接热电偶测温仪3；

步骤二、打开激光器，使脉冲激光光源对试件左侧表面进行一个脉冲的照射，然后关闭激光器；同时，采用热电偶测温仪3同步测量试件左右两侧随时间变化的温度，测量左侧激光入射表面随时间变化的温度函数为T_w1(t)，右侧表面随时间变化的温度函数为T_w2(t)，测量时间间隔为dt，总测量时间为N倍激光脉冲宽度；t表示时间，

步骤三、根据逆问题算法设待测半透明介质的吸收系数为κ_a，待测半透明介质的散射系数为κ_s，通过对稳态辐射传输方程和瞬态导热微分方程的耦合求解，得到在待测半透明介质的吸收系数为κ_a和待测半透明介质的散射系数为κ_s条件下的待测半透明介质的两侧面边界温度随时间分布估计值T′_w1(t)和T′_w2(t)；

稳态辐射传输方程：

${\mathrm{\ρc}}_p\frac{\∂T}{\∂t}=\mathrm{\λ}\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}-\frac{{\∂q}_r}{\∂x}---\left(1\right)$

其中，T为温度，ρ为半透明介质密度，c_p为半透明介质比定压热容，λ为半透明介质的导热系数，q_r为辐射项热流，x为待测半透明介质厚度方向横坐标；

瞬态导热微分方程：

$\frac{\∂I(x,\mathrm{\Ω})}{\∂x}=-\mathrm{\βI}(x,\mathrm{\Ω})+{\mathrm{\κ}}_a{I}_b\left(x\right)+\frac{{\mathrm{\κ}}_s}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{4\mathrm{\π}}I(x,{\mathrm{\Ω}}^{\′})\mathrm{\Φ}({\mathrm{\Ω}}^{\′},\mathrm{\Ω})d{\mathrm{\Ω}}^{\′}---\left(2\right)$

其中，I为待测半透明介质的辐射强度；；Ω为待测半透明介质内部的立体角；β为待测半透明介质的衰减系数；Φ(Ω′,Ω)为待测半透明介质的散射相函数；

步骤四、将步骤二得到的左右两侧的测量温度函数T_w1(t)、T_w2(t)和步骤三得到的左右两侧的测量温度函数T′_w1(t)、T′_w2(t)代入如下目标函数计算公式，计算得到目标函数值F_obj：

$F_{\mathrm{obj}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\{{\left[\frac{T_{w1}^{\′}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,t_i)-T_{w1}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,t_i)}{T_{w1}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,t_i)}\right]}^2+{\left[\frac{T_{w2}^{\′}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,t_i)-T_{w2}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,t_i)}{T_{w2}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,t_i)}\right]}^2\},$

其中，i表示时间步数，t_i表示第i步时间，

步骤五、判断步骤四中的目标函数值F_obj是否小于设定阈值ξ，若是，则步骤三中所设定的待测半透明介质的吸收系数为κ_a和待测半透明介质的散射系数为κ_s，即为该待测半透明介质的真实吸收系数和散射系数，将该待测半透明介质的真实吸收系数和散射系数作为测量结果，完成基于脉冲激光辐照的半透明介质辐射特性的测量；若否，则返回执行步骤三。

在本实施方式中，通过将待测半透明介质建立瞬态导热辐射耦合换热的物理模型，之后建立相应的数学模型和求解方法，通过测量介质两侧壁面边界温度随时间的变化，采用逆问题算法的目标函数，通过逆问题求解的方法准确的测量出半透明介质的吸收系数和散射系数。对于半透明介质，辐射弛豫时间在量级上远小于导热过程的时间尺度，因此待测半透明介质壁面的温度测量过程作为一维稳态辐射传输方程和一个瞬态导热微分方程耦合的问题。

本实施方式根据待测半透明介质左右两侧表面随时间变化的温度，通过逆问题求解算法获得半透明介质的吸收系数和散射系数。达到了简单、快速、准确的获得半透明介质吸收系数、散射系数的目的，且该测量方法成不低。

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的基于脉冲激光辐照的半透明介质辐射特性测量方法的区别在于，步骤三中所述的逆问题算法采用单纯形—骨干微粒群混合(SM-BBPSO)算法实现。

Claims (2)

1.基于脉冲激光辐照的半透明介质辐射特性测量方法，其特征在于：它包括下述步骤：

步骤一、将待测半透明介质制作成厚度为L的扁平试件，并在试件厚度方向的两侧均匀涂敷黑体涂层，将脉冲激光光源对准试件的左侧中心，所述的激光光源方向垂直于试件的表面，将两只热电偶探头(2)分别固定于试件左右两侧，所述的两只热电偶探头(2)均连接热电偶测温仪(3)；

步骤二、打开激光器，使脉冲激光光源对试件左侧表面进行一个脉冲的照射，然后关闭激光器；同时，采用热电偶测温仪(3)同步测量试件左右两侧随时间变化的温度，测量左侧激光入射表面随时间变化的温度函数为T_w1(κ_a,κ_s,t_i)，右侧表面随时间变化的温度函数为T_w2(κ_a,κ_s,t_i)，测量时间间隔为dt，总测量时间为N倍激光脉冲宽度；

步骤三、根据逆问题算法设待测半透明介质的吸收系数为κ_a，待测半透明介质的散射系数为κ_s，通过对稳态辐射传输方程和瞬态导热微分方程的耦合求解，得到在待测半透明介质的吸收系数为κ_a和待测半透明介质的散射系数为κ_s条件下的待测半透明介质的两侧面边界温度随时间分布估计值T′_w1(κ_a,κ_s,t_i)和T′_w2(κ_a,κ_s,t_i)；

步骤四、将步骤二得到的左右两侧的测量温度函数T_w1(κ_a,κ_s,t_i)、T_w2(κ_a,κ_s,t_i)和步骤三得到的左右两侧面边界温度随时间分布估计值T′_w1(κ_a,κ_s,t_i)和T′_w2(κ_a,κ_s,t_i)代入如下目标函数计算公式，计算得到目标函数值F_obj：

$F_{\mathrm{obj}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\{{\left[\frac{T_{w1}^{\′}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,t_i)-T_{w1}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,t_i)}{T_{w1}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,t_i)}\right]}^2+{\left[\frac{T_{w2}^{\′}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,t_i)-T_{w2}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,t_i)}{T_{w2}({\mathrm{\κ}}_a,{\mathrm{\κ}}_s,t_i)}\right]}^2\},$

其中，i表示时间步数，t_i表示第i步时间，

步骤五、判断步骤四中的目标函数值F_obj是否小于设定阈值ξ，若是，则步骤三中所设定的待测半透明介质的吸收系数为κ_a和待测半透明介质的散射系数为κ_s，即为该待测半透明介质的真实吸收系数和散射系数，将该待测半透明介质的真实吸收系数和散射系数作为测量结果，完成基于脉冲激光辐照的半透明介质辐射特性的测量；若否，则返回执行步骤三。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲激光辐照的半透明介质辐射特性测量方法，其特征在于，步骤三中所述的逆问题算法采用单纯形—骨干微粒群混合算法实现。