CN111829975A - 含新型相函数的气凝胶复合材料全辐射性质同步测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了含新型相函数的气凝胶复合材料全辐射性质同步测量方法。首先提出了准确描述具有多尺度特征的纳米气凝胶复合材料散射分布特征的新型散射相函数模型。以此为基础，基于辐射传递方程的求解获得纳米气凝胶复合材料半球光谱透射及反射率以及光谱双向反射、透射分布函数数据光学性能理论预测结果，结合实验测量的光学性能数据，采用模拟退火优化方法对其中涉及的光谱消光系数、光谱散射反照率、光谱散射相函数等全辐射性质参数群进行全局优化本发明解决了现有纳米气凝胶复合材料散射相函数缺乏或者不准确导致反演测量的辐射性质实验数据误差大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及基于含新型相函数的气凝胶复合材料全辐射性质同步测量方法，属于半透明多孔材料光学及热物性测量技术领域。
背景技术
气凝胶纳米复合材料具有超低密度、超低热导率、耐高温等显著优势，广泛应用于航天器的热防护、太阳能发电、建筑、化工等相关工业领域。这种纳米复合材料属于非灰体、半透明多孔介质，其辐射传输行为具有明显的吸收、发射、各向异性散射特征，为了对该种材料的辐射传输过程提供一个完整的描述，涉及的辐射性质一般包括消光系数、散射反照率和散射相函数等参数，而且这些辐射参量具有方向依赖性及光谱依赖性，其变化规律更随所处的环境温度而变化。在常规的纳米气凝胶复合材料辐射性质的确定方法中，一般分为理论建模法及反演实验测量法。
就理论建模法而言，近年来所发展起来的蒙特卡罗法、多球T矩阵法、广义多粒子Mie理论(GMM)方案、离散偶极近似法(DDA)等都能较好地预测气凝胶复合材料的辐射性能，尽管这些理论都能较好地预测气凝胶材料的辐射性能，而针对这种多尺度、多组分气凝胶复合材料在辐射性质理论建模方面还存在一些技术问题。为了准确模拟纳米气凝胶基体中的辐射散射行为，基于单散射的Mie散射或Rayleigh散射理论还需要进一步考虑气凝胶纳米粒子中可能带来的依赖性散射及多重散射现象，特别是在短波区域。在近红外范围内，用于多组元气凝胶复合材料辐射性质理论预报的基础物性数据，如纤维、遮光剂和气凝胶颗粒的复折射指数对杂质、缺陷和晶体性质都非常敏感，使得新材料的辐射性能难以预测。
为了克服辐射特性纯理论预测方面存在的问题，最常用的半透明多孔材料辐射性质实验方法是从光学测量和辐射传递方程(RTE)或其近似的理论解中反推出感兴趣的辐射特性。以往关于气凝胶复合材料辐射特性的实验研究通常大多局限于介质的消光系数本身，或假设材料各向同性散射实验测量了气凝胶复合材料的吸收和散射系数两个参数。众所周知，介质散射相函数的分布形态对纳米气凝胶复合材料的辐射传输行为具有重要影响，目前还严重缺乏能够正确描述新型气凝胶纳米复合材料在给定波长下能量散射空间分布状态的散射相函数以及包括该散射相函数在内的新型跨尺度增强气凝胶复合材料全辐射参数群的实验测定技术。
要获取纳米气凝胶复合材料工程应用中急需的多种热性能参数，现有测试技术需要针对每一种热物性进行单独测量，每一物性的测试均需对应昂贵的测试设备、特殊的制样要求、复杂的测试原理、引入一定的测试误差和繁琐的数据处理等环节，要获得相应的材料热物性数据不仅资金、人力投入量大、耗时耗能多，且测试效率低、误差大、周期长。基础热物性的缺乏以及传统热性质表征技术的局限性极大的制约了新型纳米复合隔热材料的开发、原有纳米隔热材料的性能优化以及具有苛刻热服役要求的材料工程应用。
发明内容
本发明为解决现有纳米气凝胶复合材料散射相函数缺乏或者不准确导致反演测量的辐射性质实验数据误差大，同时散射相函数及其他辐射性质直接实验测试过程中存在的资金、人力投入量大、耗时耗能多、测试效率低、实验周期长等问题，提出了含新型相函数的气凝胶复合材料全辐射性质同步测量方法。
含新型相函数的气凝胶复合材料全辐射性质同步测量方法，所述同步测量方法包括以下步骤：
S100、取4mm见方、1-2mm厚的纳米气凝胶复合材料均匀薄试样作为光学性能实验测量样品，采用千分尺对试样的厚度进行至少五次的测量，取平均值作为试样的厚度L；
S200、采用傅里叶红外光谱仪对纳米气凝胶复合材料的试样进行半球透射率光谱
半球反射率光谱
以及N个极角为μi的双向反射分布函数光谱
及M个极角为μj的双向反射分布函数光谱
的实验测量；
S300、为了准确描述包含小光学纳米粒子的散射分布行为，提出如下纳米气凝胶复合材料新型散射相函数模型：
Φnew，λ(Θ)＝f2，λ(f1，λ+(1-f1，λ)Φ2，λ(Θ))+(1-f2，λ)Φ3，λ(Θ) (1)
其中Φ1，λ(Θ)，Φ2，λ(Θ)，和Φ3，λ(Θ)为常规光学散射相函数，各为下列相函数中的一种：
各项同性相函数：
Φλ(Θ)＝1 (2)
Henyey-Greenstein(HG)散射相函数：
瑞利散射函数：
Φλ(Θ)＝3(1+cos2Θ)/4 (4)
勒让德多项式散射相函数：
其中，f1，λ(0≤f1，λ≤1)和f2，λ(0≤f2，λ≤1)分别为各向异性散射权重因子，Θ为极角，gλ为HG相函数的各向异性散射因子，an为n阶扩展系数，pn为n阶勒让德多项式，设定待测的纳米气凝胶复合材料试样的辐射性质参数群为：光谱消光系数βλ、光谱散射反照率ωλ、新型复合相函数包含的权重因子及各相关参数；
S400、将S300设定的辐射性质及新提出的相函数模型作为输入，求解透明边界条件下纳米气凝胶复合材料的辐射传递方程，其中忽略自发射的影响，获得各波长下计算域内的各角度下光谱辐射强度场；
S500、由S400获得纳米气凝胶复合材料各极角下的光谱辐射强度场计算试样的半球光谱透射率
半球光谱反射率
以及对应的N个极角为μi的光谱双向反射分布函数
及M个极角为μj的光谱双向反射分布函数
S600、利用S200实验测量的纳米气凝胶复合材料光学性能数据以及S500中所述各光学性能的计算值结合最小二乘法，获得最小二乘逆问题算法中的目标函数F(X)：其中，最小二乘法公式为：
其中，X为未知参数矢量，即全辐射性质参数群；
S700、判断S600所述目标函数是否小于设定阈值ε，若是，则将S300中假设的待测样品全辐射性质参数群作为输出结果；否则，返回S300采用逆问题的求解算法重新修正预测的辐射性质参数群。
进一步的，在S400中，获取所述各个方向的光谱辐射强度场的方法为：
对于均匀吸收、发射、散射纳米气凝胶复合材料介质，光谱辐射强度Iλ由一维轴对称辐射传递方程求得：
其中x(0≤x≤L)为入射方向的空间坐标，Φλ(μ′，μ)为光谱散射相函数，μ为散射方向，μ′入射方向，
将试样的边界看做透明表面，对于实验测试中准直入射辐射情况，辐射传输的边界条件为：
Iλ(0，μ)＝I0 for μ0≤μ≤1 (8)
Iλ(0，μ)＝0 for 0≤μ＜μ0 (9)
Iλ(L，μ)＝0 for μ≤0 (10)
其中，I0为垂直入射到试样表面上固体角为dω0的强度。
进一步的，在S500中，所述计算域中，纳米气凝胶复合材料各极角下的光谱辐射强度场计算试样的半球光谱透射率
半球光谱反射率
以及对应的N个极角为μi的光谱双向反射分布函数
及M个极角为μj的光谱双向反射分布函数
的计算方法为：
S510、分别通过所有透射光谱辐射强度及反射光谱辐射强度计算半球透过率及半球光谱反射率，所述模型分别为：
S520、分别通过各极角的透射光谱辐射强度及反射光谱辐射强度计算半球透过率及半球光谱反射率，所述模型分别为：
进一步的，S300到S700中所述的逆问题的求解算法为模拟退火全局优化算法。
本发明的主要优点是：本发明所提供的纳米气凝胶复合材料新的散射相函数可以更为准确地描述多尺度纳米气凝胶复合材料的辐射散射分布行为，包含新的散射相函数在内的全辐射性质参数群的同步测量方法改进了以往测试技术均针对半透明多孔材料的某一或两种辐射性质进行单独测量的传统实验测试模式，克服了测试设备昂贵、人力投入量大、耗时耗能多等方面的问题，将在降低测试成本，提高测试效率、减小测试误差、缩短测试周期、节约能源等方面发挥其突出优势，满足工程中多孔半透明类材料各种热物性和不同接触界面性能的多样化数据需求，具有良好的实际应用潜力，可以推广应用于航空航天、军事国防、能源化工、大气科学以及建筑等诸多领域。
附图说明
图1为本发明的含新型相函数的气凝胶复合材料全辐射性质同步测量方法的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种准确描述具有多尺度特征的纳米气凝胶复合材料散射分布特征的新的散射相函数模型。以此为基础，基于辐射传递方程预测的光学性能结果及实验测量的光学性能数据，采用模拟退火优化方法对其中涉及的光谱辐射性质参数群进行全局优化，提出了含新型相函数的气凝胶复合材料全辐射性质同步测量方法。
具体实施方式一：含新型相函数的气凝胶复合材料全辐射性质同步测量方法，所述同步测量方法包括以下步骤：
S100、取4mm见方、1-2mm厚的纳米气凝胶复合材料均匀薄试样作为光学性能实验测量样品，采用千分尺对试样的厚度进行至少五次的测量，取平均值作为试样的厚度L；
S200、采用傅里叶红外光谱仪对纳米气凝胶复合材料的试样进行半球透射率光谱
半球反射率光谱
以及N个极角为μi的双向反射分布函数光谱
及M个极角为μj的双向反射分布函数光谱
的实验测量；
S300、为了准确描述包含小光学纳米粒子的散射分布行为，提出如下纳米气凝胶复合材料新型散射相函数模型：
Φnew，λ(Θ)＝f2，λ(f1，λ+(1-f1，λ)Φ2，λ(Θ))+(1-f2，λ)Φ3，λ(Θ) (1)
其中Φ1，λ(Θ)，Φ2，λ(Θ)，和Φ3，λ(Θ)为常规光学散射相函数，各为下列相函数中的一种：
各项同性相函数：
Φλ(Θ)＝1 (2)
Henyey-Greenstein(HG)散射相函数：
瑞利散射函数：
Φλ(Θ)＝3(1+cos2Θ)/4 (4)
勒让德多项式散射相函数：
其中，f1，λ(0≤f1，λ≤1)和f2，λ(0≤f2，λ≤1)分别为各向异性散射权重因子，Θ为极角，gλ为HG相函数的各向异性散射因子，an为n阶扩展系数，pn为n阶勒让德多项式，设定待测的纳米气凝胶复合材料试样的辐射性质参数群为：光谱消光系数βλ、光谱散射反照率ωλ、新型复合相函数包含的权重因子及各相关参数；
S400、将S300设定的辐射性质及新提出的相函数模型作为输入，求解透明边界条件下纳米气凝胶复合材料的辐射传递方程，其中忽略自发射的影响，获得各波长下计算域内的各角度下光谱辐射强度场；
S500、由S400获得纳米气凝胶复合材料各极角下的光谱辐射强度场计算试样的半球光谱透射率
半球光谱反射率
以及对应的N个极角为μi的光谱双向反射分布函数
及M个极角为μj的光谱双向反射分布函数
S600、利用S200实验测量的纳米气凝胶复合材料光学性能数据以及S500中所述各光学性能的计算值结合最小二乘法，获得最小二乘逆问题算法中的目标函数F(X)：其中，最小二乘法公式为：
其中，X为未知参数矢量，即全辐射性质参数群；
S700、判断S600所述目标函数是否小于设定阈值ε，若是，则将S300中假设的待测样品全辐射性质参数群作为输出结果；否则，返回S300采用逆问题的求解算法重新修正预测的辐射性质参数群。
具体的，本实施方式提出一种准确描述具有多尺度特征的纳米气凝胶复合材料散射分布特征的新的散射相函数模型。以此为基础，基于辐射传递方程预测的光学性能结果及实验测量的光学性能数据，采用模拟退火优化方法对其中涉及的光谱辐射性质参数群进行全局优化，提出了含新型相函数的气凝胶复合材料全辐射性质同步测量方法。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种包含的新的散射相函数的纳米气凝胶复合材料全辐射参数群的同步测量方法的进一步说明，在S400中，获取所述各个方向的光谱辐射强度场的方法为：
对于均匀吸收、发射、散射纳米气凝胶复合材料介质，光谱辐射强度Iλ由一维轴对称辐射传递方程(RTE)求得：
其中x(0≤x≤L)为入射方向的空间坐标，Φλ(μ′，μ)为光谱散射相函数，μ为散射方向，μ′入射方向，
由于气凝胶复合材料的孔隙率大于90％，界面折射指数的变化可以忽略，因此将试样的边界看做透明表面，对于实验测试中准直入射辐射情况，辐射传输的边界条件为：
Iλ(0，μ)＝I0 for μ0≤μ≤1 (8)
Iλ(0，μ)＝0 for 0≤μ＜μ0 (9)
Iλ(L，μ)＝0 for μ≤0 (10)
其中，I0为垂直入射到试样表面上固体角为dω0的强度。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种包含的新的散射相函数的纳米气凝胶复合材料全辐射参数群的同步测量方法的进一步说明，在S500中，所述计算域中，纳米气凝胶复合材料各极角下的光谱辐射强度场计算试样的半球光谱透射率
半球光谱反射率
以及对应的N个极角为μi的光谱双向反射分布函数
及M个极角为μj的光谱双向反射分布函数
的计算方法为：
S510、分别通过所有透射光谱辐射强度及反射光谱辐射强度计算半球透过率及半球光谱反射率，所述模型分别为：
S520、分别通过各极角的透射光谱辐射强度及反射光谱辐射强度计算半球透过率及半球光谱反射率，所述模型分别为：
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种包含的新的散射相函数的纳米气凝胶复合材料全辐射参数群的同步测量方法的进一步说明，S300到S700中所述的逆问题的求解算法为模拟退火全局优化算法。
Claims (4)
1.含新型相函数的气凝胶复合材料全辐射性质同步测量方法，其特征在于，所述同步测量方法包括以下步骤：
S100、取4mm见方、1-2mm厚的纳米气凝胶复合材料均匀薄试样作为光学性能实验测量样品，采用千分尺对试样的厚度进行至少五次的测量，取平均值作为试样的厚度L；
S200、采用傅里叶红外光谱仪对纳米气凝胶复合材料的试样进行半球透射率光谱
半球反射率光谱
以及N个极角为μi的双向反射分布函数光谱
及M个极角为μj的双向反射分布函数光谱
的实验测量；
S300、为了准确描述包含小光学纳米粒子的散射分布行为，提出如下纳米气凝胶复合材料新型散射相函数模型：
Φnew，λ(Θ)＝f2，λ(f1，λ+(1-f1，λ)Φ2，λ(Θ))+(1-f2，λ)Φ3，λ(Θ) (1)
其中Φ1，λ(Θ)，Φ2，λ(Θ)，和Φ3，λ(Θ)为常规光学散射相函数，各为下列相函数中的一种：
各项同性相函数：
Φλ(Θ)＝1 (2)
Henyey-Greenstein(HG)散射相函数：
瑞利散射函数：
Φλ(Θ)＝3(1+cos2Θ)/4 (4)
勒让德多项式散射相函数：
其中，f1，λ(0≤f1，λ≤1)和f2，λ(0≤f2，λ≤1)分别为各向异性散射权重因子，Θ为极角，gλ为HG相函数的各向异性散射因子，an为n阶扩展系数，pn为n阶勒让德多项式，设定待测的纳米气凝胶复合材料试样的辐射性质参数群为：光谱消光系数βλ、光谱散射反照率ωλ、新型复合相函数包含的权重因子及各相关参数；
S400、将S300设定的辐射性质及新提出的相函数模型作为输入，求解透明边界条件下纳米气凝胶复合材料的辐射传递方程，其中忽略自发射的影响，获得各波长下计算域内的各角度下光谱辐射强度场；
S500、由S400获得纳米气凝胶复合材料各极角下的光谱辐射强度场计算试样的半球光谱透射率
半球光谱反射率
以及对应的N个极角为μi的光谱双向反射分布函数
及M个极角为μj的光谱双向反射分布函数
S600、利用S200实验测量的纳米气凝胶复合材料光学性能数据以及S500中所述各光学性能的计算值结合最小二乘法，获得最小二乘逆问题算法中的目标函数F(X)：其中，最小二乘法公式为：
其中，X为未知参数矢量，即全辐射性质参数群；
S700、判断S600所述目标函数是否小于设定阈值ε，若是，则将S300中假设的待测样品全辐射性质参数群作为输出结果；否则，返回S300采用逆问题的求解算法重新修正预测的辐射性质参数群。
2.根据权利要求1所述的含新型相函数的气凝胶复合材料全辐射性质同步测量方法，其特征在于，在S400中，获取所述各个方向的光谱辐射强度场的方法为：
对于均匀吸收、发射、散射纳米气凝胶复合材料介质，光谱辐射强度Iλ由一维轴对称辐射传递方程求得：
其中x(0≤x≤L)为入射方向的空间坐标，Φλ(μ′，μ)为光谱散射相函数，μ为散射方向，μ′入射方向，
将试样的边界看做透明表面，对于实验测试中准直入射辐射情况，辐射传输的边界条件为：
Iλ(0，μ)＝I0 for μ0≤μ≤1 (8)
Iλ(0，μ)＝0 for 0≤μ＜μ0 (9)
Iλ(L，μ)＝0 for μ≤0 (10)
其中，I0为垂直入射到试样表面上固体角为dω0的强度。
3.根据权利要求1所述的含新型相函数的气凝胶复合材料全辐射性质同步测量方法，其特征在于，在S500中，所述计算域中，纳米气凝胶复合材料各极角下的光谱辐射强度场计算试样的半球光谱透射率
半球光谱反射率
以及对应的N个极角为μi的光谱双向反射分布函数
及M个极角为μj的光谱双向反射分布函数
的计算方法为：
S510、分别通过所有透射光谱辐射强度及反射光谱辐射强度计算半球透过率及半球光谱反射率，所述模型分别为：
S520、分别通过各极角的透射光谱辐射强度及反射光谱辐射强度计算半球透过率及半球光谱反射率，所述模型分别为：
4.根据权利要求1所述的含新型相函数的气凝胶复合材料全辐射性质同步测量方法，其特征在于，S300到S700中所述的逆问题的求解算法为模拟退火全局优化算法。
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