CN104181128A - 基于时间相关单光子计数技术的半透明材料辐射物性测量方法 - Google Patents

Abstract

基于时间相关单光子计数技术的半透明材料辐射物性测量方法，涉及材料物性测量技术领域。它是为了解决传统辐射物性参数的测量物件测量过程中存在信噪比低、动态范围小的问题。本发明可以同时测量多个辐射物性，稳定性同比提高了20％，可用于航空航天、生物医疗、燃烧诊断、光学探测及无损探伤等工程领域。时间相关单光子计数技术是一种具有高时间分辨率可用于极微弱光信号探测的技术，单光子计数器具有受探测器不稳定因素的影响小、信噪比高、动态范围宽、设备便宜以及可以输出数字信号便于数据处理等优点。本发明适用于材料物性测量技术领域。

Description

基于时间相关单光子计数技术的半透明材料辐射物性测量方法

技术领域

本发明涉及材料物性测量技术领域。

背景技术

半透明材料的辐射物性参数是对辐射传输过程进行分析、设计和优化的基础，对材料物性的准确测量具有很关键的意义。在很多情况下，辐射物性参数不能够直接测量，传统的直接测量方法得到的大多是测量试件的等效物性，而非材料的真实物性，实验结果的用途有限，精确的测量通常需要通过反演的方法得到，即通过测量边界上的透射或者反射信号来反演介质内部的辐射物性参数。

在利用反演的方法测量半透明介质的辐射物性的方法中，相对于稳态测量来说，非稳态测量由于能够提供较多的介质信息，具有很高的信噪比、灵敏度以及时间分辨率，在半透明介质物性测量中具有广阔的应用前景。由于强光可能会对样品产生破坏，并且考虑到实验人员的操作安全性，在很多的实验中尽可能的使用弱激光光源，很多情况下需要使用光电流强度比室温下的热噪声水平还要低的光源。

发明内容

本发明是为了解决传统辐射物性参数的测量物件测量过程中存在信噪比低、动态范围小的问题，从而提供了一种基于时间相关单光子计数技术的半透明材料辐射物性测量方法。

基于时间相关单光子计数技术的半透明材料辐射物性测量方法，该方法通过以下装置实现，所述装置包括皮秒激光触发器1、激光头2、光纤耦合器3、光路准直系统4、雪崩光电二极管5、信号反转器6、脉宽整形器7、时间相关单光子计数模块8和个人电脑9；皮秒激光触发器1的一端通过电缆与脉宽整形器7的一端连接，皮秒激光触发器1的另一端通过电缆与激光头2的一端连接，光纤耦合器3设置在激光头2的另一端上，光纤耦合器3的输出端口通过光纤与光路准直系统4的入射端连接，光路准直系统4的出射端通过光纤与雪崩光电二极管5的一端连接，雪崩光电二极管5的另一端通过电缆与信号反转器6的一端连接，信号反转器6的另一端与时间相关单光子计数模块8的START端口连接，脉宽整形器7的另一端与时间相关单光子计数模块8的SYNC端口连接，时间相关单光子计数模块8设置在个人电脑9的内部；

所述方法包括以下步骤：

步骤一、将皮秒激光触发器1、雪崩光电二极管5和时间相关单光子计数模块8通电预热半个小时以上，然后打开皮秒激光触发器1，选择一个重复频率，让激光头2输出脉冲激光；

步骤二、将试件放置在光路准直系统4的夹具上，调整皮秒激光触发器1的输出功率，当时间相关单光子计数模块8上显示的计数率在激光重复频率的1/100，记录测量得到的时间扩展曲线和相应的测点位置；

步骤三、保持激光的重复频率和输出功率不变，对接光源光纤和探测光纤，测量得到脉冲激光的系统响应函数和时间延迟，利用测量得到的时间延迟对步骤二中测量得到的时间扩展曲线进行时间校正，并对时间扩展曲线进行归一化，得到试件表面的半球透射或者反射信号，将该反射信号作为半透明材料辐射物性，完成对半透明材料辐射物性的测量。

本发明的有益效果是：本发明可以同时测量多个辐射物性，稳定性同比提高了20％，可用于航空航天、生物医疗、燃烧诊断、光学探测及无损探伤等工程领域。时间相关单光子计数技术是一种具有高时间分辨率可用于极微弱光信号探测的技术，单光子计数器具有受探测器不稳定因素的影响小、信噪比高、动态范围宽、设备便宜以及可以输出数字信号便于数据处理等优点。

附图说明

图1为基于时间相关单光子计数技术的半透明材料辐射物性测量方法的装置部分的结构示意图，其中虚线表示电缆，实线表示光纤。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于时间相关单光子计数技术的半透明材料辐射物性测量方法，该方法通过以下装置实现，所述装置包括皮秒激光触发器1、激光头2、光纤耦合器3、光路准直系统4、雪崩光电二极管5、信号反转器6、脉宽整形器7、时间相关单光子计数模块8和个人电脑9；皮秒激光触发器1的一端通过电缆与脉宽整形器7的一端连接，皮秒激光触发器1的另一端通过电缆与激光头2的一端连接，光纤耦合器3设置在激光头2的另一端上，光纤耦合器3的输出端口通过光纤与光路准直系统4的入射端连接，光路准直系统4的出射端通过光纤与雪崩光电二极管5的一端连接，雪崩光电二极管5的另一端通过电缆与信号反转器6的一端连接，信号反转器6的另一端与时间相关单光子计数模块8的START端口连接，脉宽整形器7的另一端与时间相关单光子计数模块8的SYNC端口连接，时间相关单光子计数模块8设置在个人电脑9的内部；

所述方法包括以下步骤：

步骤一、将皮秒激光触发器1、雪崩光电二极管5和时间相关单光子计数模块8通电预热半个小时以上，然后打开皮秒激光触发器1，选择一个重复频率，让激光头2输出脉冲激光；

步骤二、将试件放置在光路准直系统4的夹具上，调整皮秒激光触发器1的输出功率，当时间相关单光子计数模块8上显示的计数率在激光重复频率的1/100，记录测量得到的时间扩展曲线和相应的测点位置；

步骤三、保持激光的重复频率和输出功率不变，对接光源光纤和探测光纤，测量得到脉冲激光的系统响应函数和时间延迟，利用测量得到的时间延迟对步骤二中测量得到的时间扩展曲线进行时间校正，并对时间扩展曲线进行归一化，得到试件表面的半球透射或者反射信号，将该反射信号作为半透明材料辐射物性，完成对半透明材料辐射物性的测量。

具体实施方式二：本实施方式对具体实施方式一所述的基于时间相关单光子计数技术的半透明材料辐射物性测量方法作进一步限定，本实施方式中，根据步骤二测量得到的时间扩展曲线和相应的测点位置，按照有限体积法计算并联立半透明边界条件和三维非稳态辐射传递方程，代入试件的几何尺寸、测量位置、脉冲激光的系统响应函数、辐射物性参数即可求出测量位置上得到的半球透射信号或者反射信号的估计值；

边界条件为：

$I_w\left(\mathrm{\Ω}\right)=\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\π}}{\∫}_{2\mathrm{\π}}{I}_w\left({\mathrm{\Ω}}^{\′}\right)\·\left|{\cos \mathrm{\θ}}^{\′}\right|\·\mathrm{d\Λ}---\left(1\right)$

式中：I_w表示壁面上辐射强度；

Ω表示由环境侧指向介质侧的方向；

Ω′表示由介质侧指向环境侧的方向；

θ′表示投射方向与壁面法向的夹角；

Λ表示天顶角大小；

ρ表示边界上的反射率，它由下式近似得到：

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{2}+\frac{(3n+1)(n-1)}{6{(n+1)}^2}+\frac{n^2{(n^2-1)}^2}{{(n^2+1)}^3}\ln \left(\frac{n-1}{n+1}\right)-\frac{{2n}^3(n^2+2n-1)}{(n^2+1)(n^4-1)}+\frac{{8n}^4(n^4+1)}{(n^2+1){(n^4-1)}^2}\ln \left(n\right)---\left(2\right)$

式中：n表示介质折射率；

三维非稳态辐射传递方程为：

$\frac{n}{c_0}\frac{\∂I(r,s,t)}{\∂t}+\frac{\∂I(r,s,t)}{\∂Z}=-\mathrm{\βI}(r,s,t)+{\mathrm{\κn}}^2{I}_b(r,t)+\frac{{\mathrm{\σ}}_s}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{4\mathrm{\π}}I(r,s^{\′},t)\·\mathrm{\Φ}(s,s^{\′})\mathrm{d\Λ}---\left(3\right)$

式中：c₀表示真空中光速；

I表示辐射强度大小；

r表示介质的位置向量；

s表示辐射强度的方向；

t表示时间；

Ζ表示距离；

κ表示介质的吸收系数；

σ_s表示介质的散射系数；

β表示介质的衰减系数；

I_b表示介质的本身辐射强度；

s′表示与s不同的辐射强度方向；

Φ表示散射相函数。

具体实施方式三：本实施方式对具体实施方式二所述的基于时间相关单光子计数技术的半透明材料辐射物性测量方法作进一步限定，本实施方式中，根据得到的半球透射信号或者反射信号的估计值，和步骤三得到的试件表面的半球透射或者反射信号组成一个最小二乘形式的目标函数，当目标函数小于设定的阈值，则输出反演得到的辐射物性参数，否则按照概率密度蚁群算法模型的内部设置重新产生辐射物性参数，重新计算目标函数并与设定阈值相比较，依次类推，直至目标函数小于设定阈值为止，并最终输出反演所得的试件的辐射物性参数。

具体实施方式四：本实施方式对具体实施方式一所述的基于时间相关单光子计数技术的半透明材料辐射物性测量方法作进一步限定，本实施方式中，光路准直系统4包括能够沿x、y、z三个方向移动的入射端和出射端、试件夹具和竖直升降平台；

试件夹具用于将试件固定在竖直升降平台上；光纤耦合器3耦合后的光沿x、y、z三个方向移动的入射端出射，该出射的光经试件入射至沿x、y、z三个方向移动的出射端。

本发明可以同时测量半透明试件的吸收系数、散射系数、衰减系数、散射反照率、折射率、散射相函数中的任意几个辐射物性参数。

Claims (4)

1.基于时间相关单光子计数技术的半透明材料辐射物性测量方法，其特征在于：该方法通过以下装置实现，所述装置包括皮秒激光触发器(1)、激光头(2)、光纤耦合器(3)、光路准直系统(4)、雪崩光电二极管(5)、信号反转器(6)、脉宽整形器(7)、时间相关单光子计数模块(8)和个人电脑(9)；皮秒激光触发器(1)的一端通过电缆与脉宽整形器(7)的一端连接，皮秒激光触发器(1)的另一端通过电缆与激光头(2)的一端连接，光纤耦合器(3)设置在激光头(2)的另一端上，光纤耦合器(3)的输出端口通过光纤与光路准直系统(4)的入射端连接，光路准直系统(4)的出射端通过光纤与雪崩光电二极管(5)的一端连接，雪崩光电二极管(5)的另一端通过电缆与信号反转器(6)的一端连接，信号反转器(6)的另一端与时间相关单光子计数模块(8)的START端口连接，脉宽整形器(7)的另一端与时间相关单光子计数模块(8)的SYNC端口连接，时间相关单光子计数模块(8)设置在个人电脑(9)的内部；

所述方法包括以下步骤：

步骤一、将皮秒激光触发器(1)、雪崩光电二极管(5)和时间相关单光子计数模块(8)通电预热半个小时以上，然后打开皮秒激光触发器(1)，选择一个重复频率，让激光头(2)输出脉冲激光；

步骤二、将试件放置在光路准直系统(4)的夹具上，调整皮秒激光触发器(1)的输出功率，当时间相关单光子计数模块(8)上显示的计数率在激光重复频率的1/100，记录测量得到的时间扩展曲线和相应的测点位置；

步骤三、保持激光的重复频率和输出功率不变，对接光源光纤和探测光纤，测量得到脉冲激光的系统响应函数和时间延迟，利用测量得到的时间延迟对步骤二中测量得到的时间扩展曲线进行时间校正，并对时间扩展曲线进行归一化，得到试件表面的半球透射或者反射信号，将该反射信号作为半透明材料辐射物性，完成对半透明材料辐射物性的测量。

2.根据权利要求1所述的基于时间相关单光子计数技术的半透明材料辐射物性测量方法，其特征在于：根据步骤二测量得到的时间扩展曲线和相应的测点位置，按照有限体积法计算并联立半透明边界条件和三维非稳态辐射传递方程，代入试件的几何尺寸、测量位置、脉冲激光的系统响应函数、辐射物性参数即可求出测量位置上得到的半球透射信号或者反射信号的估计值；

边界条件为：

$I_w\left(\mathrm{\Ω}\right)=\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\π}}{\∫}_{2\mathrm{\π}}{I}_w\left({\mathrm{\Ω}}^{\′}\right)\·\left|{\cos \mathrm{\θ}}^{\′}\right|\·\mathrm{d\Λ}---\left(1\right)$

式中：I_w表示壁面上辐射强度；

Ω表示由环境侧指向介质侧的方向；

Ω′表示由介质侧指向环境侧的方向；

θ′表示投射方向与壁面法向的夹角；

Λ表示天顶角大小；

ρ表示边界上的反射率，它由下式近似得到：

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{2}+\frac{(3n+1)(n-1)}{6{(n+1)}^2}+\frac{n^2{(n^2-1)}^2}{{(n^2+1)}^3}\ln \left(\frac{n-1}{n+1}\right)-\frac{{2n}^3(n^2+2n-1)}{(n^2+1)(n^4-1)}+\frac{{8n}^4(n^4+1)}{(n^2+1){(n^4-1)}^2}\ln \left(n\right)---\left(2\right)$

式中：n表示介质折射率；

三维非稳态辐射传递方程为：

$\frac{n}{c_0}\frac{\∂I(r,s,t)}{\∂t}+\frac{\∂I(r,s,t)}{\∂Z}=-\mathrm{\βI}(r,s,t)+{\mathrm{\κn}}^2{I}_b(r,t)+\frac{{\mathrm{\σ}}_s}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{4\mathrm{\π}}I(r,s^{\′},t)\·\mathrm{\Φ}(s,s^{\′})\mathrm{d\Λ}---\left(3\right)$

式中：c₀表示真空中光速；

I表示辐射强度大小；

r表示介质的位置向量；

s表示辐射强度的方向；

t表示时间；

Ζ表示距离；

κ表示介质的吸收系数；

σ_s表示介质的散射系数；

β表示介质的衰减系数；

I_b表示介质的本身辐射强度；

s′表示与s不同的辐射强度方向；

Φ表示散射相函数。

3.根据权利要求2所述的基于时间相关单光子计数技术的半透明材料辐射物性测量方法，其特征在于：根据得到的半球透射信号或者反射信号的估计值，和步骤三得到的试件表面的半球透射或者反射信号组成一个最小二乘形式的目标函数，当目标函数小于设定的阈值，则输出反演得到的辐射物性参数，否则按照概率密度蚁群算法模型的内部设置重新产生辐射物性参数，重新计算目标函数并与设定阈值相比较，依次类推，直至目标函数小于设定阈值为止，并最终输出反演所得的试件的辐射物性参数。

4.根据权利要求1所述的基于时间相关单光子计数技术的半透明材料辐射物性测量方法，其特征在于：光路准直系统(4)包括能够沿x、y、z三个方向移动的入射端和出射端、试件夹具和竖直升降平台；

试件夹具用于将试件固定在竖直升降平台上；光纤耦合器(3)耦合后的光沿x、y、z三个方向移动的入射端出射，该出射的光经试件入射至沿x、y、z三个方向移动的出射端。