CN113011018B - 一种基于光线追迹仿真模型的氢同位素固体光场重构方法 - Google Patents
一种基于光线追迹仿真模型的氢同位素固体光场重构方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于光线追迹仿真模型的氢同位素固体光场重构方法，包括：(1)利用建模软件建立样品室仿真模型，然后导入光线追迹软件，对材料特性、光源特性进行设定，进行光线追迹；(2)将微球样品的氢同位素冰层按照高度角进行区域划分；(3)在光线追迹软件得到微球样品的冰层的入射光线表格，按照氢同位素固体光场重构算法，计算出微球样品的冰层各个子区域的体加热率分布。利用本发明，可以实现高效且高精度的微球样品中氢同位素固体冰层的体加热率分布计算。
Description
技术领域
本发明属于仿真计算样品室中激光与低温氢同位素固体相互作用中的激光能量吸收情况技术领域，尤其是涉及一种基于光线追迹仿真模型的氢同位素固体光场重构方法。
背景技术
氢同位素(氘、氚等)广泛应用于工业、材料、检测、能源等领域中。首先，氢同位素是一种安全、清洁又资源丰富的新型能源。氢同位素具有以下优势：
a)存储量丰富。根据统计，海水中的氘含量约为0.03g/L，因此仅在海洋中就有45万亿吨的氘。
b)释放的能量大。若将1L海水中的氘提取出来发生聚变反应，大约可提供燃烧300L汽油所能够释放的能量。
c)不会造成严重的环境污染。可以广泛应用于航天器、氢/氧燃料电池和氢的聚变反应等领域。
其次，氘在医疗、农业等领域也得到了广泛应用，如大部分氘代药物能够增强药物疗效、耐受性，减少药物的副作用等。
为了研究低温系统下，样品室中激光与低温氢同位素微球固体相互作用中的激光能量吸收情况，需要得到微球样品各个部分吸收的能量。可以通过将微球样品分成若干的小块，导入光线追迹软件直接仿真得到。
若是按照满足要求的角度间隔分别进行高度角和方位角划分，则需要将冰层划分成几千小块，这会在仿真建模上带来很大的困难且耗费大量时间。从仿真效率的角度来看，这种方法十分不可取。
因此，需要采用不分割微球样品的方式进行仿真，并且通过一定的手段获得微球样品各个部分吸收的能量，在降低随机噪声对结果影响的同时提高仿真效率。
发明内容
本发明提供了一种基于光线追迹仿真模型的氢同位素固体光场重构方法，可以高效且高精度的计算微球样品冰层的体加热率分布。
一种基于光线追迹仿真模型的氢同位素固体光场重构方法，包括以下步骤：
(1)将仿真模型导入光线追迹软件，设置样品参数、材料特性和光源特性，在光线追迹软件中对光线进入系统后的分布情况进行非序列光线追迹，获得实际光学系统中的光线传播路径；
(2)将微球样品内部的氢同位素固体冰层依次按照高度角、方位角进行划分；
(3)利用光线追迹软件仿真得到微球样品内部氢同位素固体冰层的入射光线表格，导出仿真设定的每条光线的能量以及传播路径，根据这些数据按照几何光学的折射、反射定律、比尔朗伯定律，计算出微球样品的冰层各个子区域吸收的红外光能量。
步骤(1)中，仿真模型可以是但不限于基于环形光照明的样品室模型。
采用基于环形光照明的样品室模型时，将微球样品放置在样品室的中心位置，光源发出的平行光经过45°锥面镜反射后进入环形镜，由环形镜再次反射产生环形光，环形光打在样品室的内壁，经样品室粗糙内壁散射后照射样品室中心的微球样品。
步骤(2)中，考虑到样品室和加热光线的旋转对称结构，得到的体加热率分布将会关于方位角对称。因此，在仿真时仅需要考虑二维体加热率分布，即只需要按照高度角进行区域划分即可。具体过程为：
在角度方向，按照角度间隔
进行高度角划分，在径向方向，冰层按照R/m间隔进行分层，一共分为m层；其中，R为冰层半径，m为正整数；
在进行方位角划分时，由于腔室和加热光线的旋转对称结构，得到的体加热率分布将会关于方位角对称；因此，根据高度角的区域划分对称得到方位角的划分结果。
步骤(3)的具体过程为：
(3-1)初步判断光线来源：光线追迹软件追迹得到的冰层外表面的入射光线数据表格所记录的光线数据分为三类，第一类是从样品球壳内部射向冰层外表面；第二类是从冰层内部射向外表面的光线；第三类是从冰层外表面反射至内表面的光线；
通过计算光线方向向量与法向量夹角的余弦，判断出该光线是来自外部的折射还是内部的反射，初步筛选出第二类光线；计算公式为
式中，
分别代表入射光线的方向向量和入射表面的法向量，法向量正方向统一设置为从球心指向冰层上的入射点。
(3-2)光线来源进一步区分：对某一条入射光线A，若存在另一条入射光线B，两者之间满足：1)A光线与B光线的入射点坐标相同；2)A光线与B光线与所规定的法向量的夹角互补；则判断光线A是被冰层外表面反射的第三类光线；
(3-3)获取光线方向向量：判断出光线类别后，冰层内部的入射光线和反射光线的方向向量直接从入射光线表格中获得，从样品球壳折射进冰层内部的折射光线方向向量按照向量形式的斯涅耳定律推导计算得到，计算公式为
式中，
代表入射光线单位方向向量，
代表入射表面法向量，n1、n2分别代表两种介质折射率；
(3-4)计算光线传播路程与能量：判断出该光线的方向之后，根据几何关系计算光线经过的距离，再根据比尔朗伯定律计算出每条光线被冰层吸收的能量；具体计算表达式如下：
I＝I0e-αl
式中，α代表物质的吸收系数，I0代表入射光的光强，l代表光线经过的距离；
(3-5)确定每个子区域吸收的能量：将每条光线进行等分，等分后，计算出每条线段中点的球坐标，以及线段能量；依据水平方位角和高度角，将每条射线的能量沉积至冰层的各个区域；
(3-6)微球样品冰层的体加热率计算：根据每个子区域吸收的能量除以子区域的体积得到微球样品冰层的体加热率分布，即
式中，Qabsorb代表氢同位素冰层吸收的红外光能量，VDD代表氢同位素冰层的体积。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的方法，通过采用仿真软件加MATLAB结合的方式，微球样品的体加热率分布计算只需3个小时，相比采用分块方式所需的30多个小时光线追迹软件仿真时间，极大地提高了仿真效率；另外，本发明方法得到的冰层吸收的光通量和仿真软件直接得到物体吸收的光能量之间的误差远在0.2％以下，证实了在自定义的仿真结构下，本发明方法可以实现高效且高精度的微球样品冰层的体加热率分布计算。
附图说明
图1为本发明实施例中一种仿真模型的示意图；
图2为本发明方法应用于计算微球样品的冰层不同子区域体加热率的结果图；
图3为本发明方法引入的误差结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本实施例选取TracePro软件作为光学追迹工具，考虑到其自带的建模功能比较简单，对于比较复杂的结构的构建不是十分方便。故首先利用Solidworks建模软件将样品室的结构模型建立好，如图1所示，一种基于环形光源照射微球样品的仿真模型，然后导入TracePro，对材料特性、光源特性进行设定。
仿真模型中，设置微球样品球壳外半径和厚度为1000μm和150μm，冰层外半径和厚度为850μm和100μm；样品室宽度5.5mm，长度9.5mm，并将微球样品放置在样品室的中心位置。光源发出的平行光经过45°锥面镜反射后进入环形镜，再由半径R＝290mm的环形球面反射镜再次反射产生环形光，环形光打在样品室的内壁，粗糙的样品室内壁将会把入射光散射到各个方向，均匀照射冰层，微球样品的氢同位素冰层将会吸收部分光线的能量，从而影响到最后的微球样品的温度分布。
利用上述仿真模型计算微球样品体加热率的方法如下：
步骤1，将上述基于环形光源的仿真模型导入TracePro，对材料特性进行设置，主要包括样品室内部的散射特性以及微球样品的材料。首先采用ABg模型拟合的双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function，简称BRDF)表征样品室内表面材料散射特性，具体参数设置如表1所示。
表1样品室内壁散射特性的ABg系数
设置微球样品球壳材料为CD材料，吸收系数2.31mm-1，折射率1.59，冰层为氘氘(DD)晶体，吸收系数0.41mm-1，折射率1.15；对光源特性进行设置，选择平行光表面光源，波长3.16μm，光束直径2.5mm，光线数800万。利用TracePro软件进行光线追迹。
步骤2，将微球样品的氢同位素固态冰层按照高度角进行区域划分。在角度方向，按照5°进行高度角划分，在径向方向，冰层按照20μm进行分层，一共分为5层。
步骤3，在TracePro软件得到微球样品冰层的入射光线表格，导出仿真设定的每条光线的能量以及传播路径，根据数据按照氢同位素固体光场重构算法，计算出微球样品的冰层各个子区域吸收的红外光能量。
具体过程为：
步骤3-1，初步判断光线来源：仿真软件光线追迹得到的冰层外表面的入射光线数据表格所记录的光线数据可以分为三类，一是从微球样品球壳内部射向冰层外表面；二是从冰层内部射向外表面的光线；三是从冰层外表面反射至内表面的光线。通过计算光线方向向量与法向量夹角的余弦，则可判断出该光线是来自外部的折射还是内部的反射，初步筛选出第二类光线。计算公式为
式中，
分别代表入射光线的方向向量和入射表面的法向量，法向量正方向统一设置为从球心指向冰层上的入射点。
步骤3-2，光线来源进一步区分：对某一条入射光线A，若存在另一条入射光线B，两者之间满足：1)A光线与B光线的入射点坐标相同；2)A光线与B光线与所规定的法向量的夹角互补。则可判断光线A是被冰层外表面反射的第三类光线。
步骤3-3，获取光线方向向量：判断出光线类别后，冰层内部的入射光线和反射光线的方向向量可以直接从入射光线表格中获得，从样品球壳折射进冰层内部的折射光线方向向量可以按照向量形式的斯涅耳定律推导计算得到，计算公式为
式中，
代表入射光线单位方向向量，
代表入射表面法向量，n1、n2分别代表两种介质折射率；
步骤3-4，计算光线传播路程与能量：判断出该光线的方向之后，根据几何关系计算光线经过的距离，再根据比尔朗伯定律可以计算出每条光线被冰层(烧蚀层)吸收的能量。具体计算表达式如下：
I＝I0e-αl
式中，α代表物质的吸收系数，I0代表入射光的光强，l代表光线经过的距离；
步骤3-5，确定每个子区域吸收的能量：将每条光线进行等分，当光线等分的份数足够多时，每个单独线段的中点的位置基本可以替代某一点的位置以及被吸收的能量。等分后，计算出每条线段中点的球坐标，以及线段能量。依据水平方位角和高度角，将每条射线的能量沉积至冰层(烧蚀层)的各个区域；
步骤3-6，微球样品体加热率计算：根据每个子区域吸收的能量除以子区域的体积得到微球样品的体加热率分布，即
式中，Qabsorb代表氢同位素冰层吸收的红外光能量，VDD代表氢同位素冰层的体积。
图2展示了本发明方法应用于计算微球样品的冰层不同子区域体加热率的结果，不同颜色曲线对应的区域径向半径依次相差20μm；图3是通过本发明方法得到的冰层吸收的光通量和软件算出的光通量之间误差的多次仿真结果，可以看到两者能量值的偏差远在0.2％以下，验证了本发明方法的高精度。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于光线追迹仿真模型的氢同位素固体光场重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将仿真模型导入光线追迹软件，设置样品参数、材料特性和光源特性，在光线追迹软件中对光线进入系统后的分布情况进行非序列光线追迹，获得实际光学系统中的光线传播路径；
(2)将微球样品内部的氢同位素固体冰层依次按照高度角、方位角进行划分；
(3)利用光线追迹软件仿真得到微球样品内部氢同位素固体冰层的入射光线表格，导出仿真设定的每条光线的能量以及传播路径，根据这些数据按照几何光学的折射、反射定律、比尔朗伯定律，计算出微球样品的冰层各个子区域吸收的红外光能量；具体过程为：
(3-1)初步判断光线来源：光线追迹软件追迹得到的冰层外表面的入射光线数据表格所记录的光线数据分为三类，第一类是从样品球壳内部射向冰层外表面；第二类是从冰层内部射向外表面的光线；第三类是从冰层外表面反射至内表面的光线；
通过计算光线方向向量与法向量夹角的余弦，判断出该光线是来自外部的折射还是内部的反射，初步筛选出第二类光线，计算公式为
式中，
分别代表入射光线的方向向量和入射表面的法向量，法向量正方向统一设置为从球心指向冰层上的入射点；
(3-2)光线来源进一步区分：对某一条入射光线A，若存在另一条入射光线B，两者之间满足：1)A光线与B光线的入射点坐标相同；2)A光线与B光线与所规定的法向量的夹角互补；则判断光线A是被冰层外表面反射的第三类光线；
(3-3)获取光线方向向量：判断出光线类别后，冰层内部的入射光线和反射光线的方向向量直接从入射光线表格中获得，从样品球壳折射进冰层内部的折射光线方向向量按照向量形式的斯涅耳定律推导计算得到，计算公式为
式中，
代表入射光线单位方向向量，
代表入射表面法向量，n1、n2分别代表两种介质折射率；
(3-4)计算光线传播路程与能量：判断出该光线的方向之后，根据几何关系计算光线经过的距离，再根据比尔朗伯定律计算出每条光线被冰层吸收的能量；具体计算表达式如下：
I＝I0e-αl
式中，α代表物质的吸收系数，I0代表入射光的光强，l代表光线经过的距离；
(3-5)确定每个子区域吸收的能量：将每条光线进行等分，等分后，计算出每条线段中点的球坐标，以及线段能量；依据水平方位角和高度角，将每条射线的能量沉积至冰层的各个区域；
(3-6)微球样品冰层的体加热率计算：根据每个子区域吸收的能量除以子区域的体积得到微球样品冰层的体加热率分布，即
式中，Qabsorb代表氢同位素冰层吸收的红外光能量，VDD代表氢同位素冰层的体积。
2.根据权利要求1所述的基于光线追迹仿真模型的氢同位素固体光场重构方法，其特征在于，步骤(1)中，仿真模型包括但不限于基于环形光照明的样品室模型。
3.根据权利要求2所述的基于光线追迹仿真模型的氢同位素固体光场重构方法，其特征在于，采用基于环形光照明的样品室模型时，将微球样品放置在样品室的中心位置，光源发出的平行光经过45°锥面镜反射后进入环形镜，由环形镜再次反射产生环形光，环形光打在样品室的内壁，经样品室粗糙内壁散射后照射样品室中心的微球样品。
4.根据权利要求1所述的基于光线追迹仿真模型的氢同位素固体光场重构方法，其特征在于，步骤(2)的具体过程为：
在角度方向，按照角度间隔
进行高度角划分，在径向方向，冰层按照R/m间隔进行分层，一共分为m层；其中，R为冰层半径，m为正整数；
在进行方位角划分时，由于样品室和入射光线的旋转对称结构，得到的体加热率分布将会关于方位角对称；因此，根据高度角的区域划分对称得到方位角的划分结果。
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