CN117686438A - 一种基于红外偏振光的远程材料鉴别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于红外偏振光的远程材料鉴别方法，包括：构建材料偏振角数据库；使用红外光发射装置照射需鉴别的材料；使用光学模块探测材料的反射光的强度值；偏振化处理；计算材料偏振角；进行材料匹配，完成材料鉴别。本发明以不同材料的界面性质作为媒介，通过给定入射光，判断反射光的偏振角度来定量描述材料的界面性质，从而实现简便的、无损耗的、远程的材料鉴别。
Description
技术领域
本发明涉及材料物理学、光学领域，尤其涉及一种远程材料鉴别技术。
背景技术
不同材料能形成不同的光的反射界面，这一界面性质会导致反射光的两个分电场产生特性化差异，但通常难以定量检测。对材料进行鉴别通常需要进行物理性能测试或化学滴定，操作繁琐且损耗材料。本发明将两个分电场的差异性转变为偏振角度的差异性，从而利用红外偏振光和偏振片来完成对不同材料的远程鉴别。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于红外偏振光的远程材料鉴别方法，以期能通过定量描述每种材料反射光的偏振角度的方式，差异化描述每种材料的光学特性，从而实现鉴别材料。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种基于红外偏振光的远程材料鉴别方法，包括以下六个步骤：
步骤1.1：构建材料偏振角数据库，即各种材料的偏振角数据，包含每种材料及其对应的偏振角度；
步骤1.2：使用红外光发射装置照射需鉴别的材料；
步骤1.3：使用光学模块探测发射出的红外光经过该材料的反射回的光的强度值，记为S0；
步骤1.4：偏振化处理发射出的红外光经过该材料的反射回的光，得到偏振特征强度值S0’；
步骤1.5：使用公式计算得到材料偏振角α；
步骤1.6：将步骤1.5所述的材料偏振角α与步骤1.1所述的材料偏振角数据库进行材料匹配，完成材料鉴别。
进一步地，所述的构建偏振角数据库包括以下六个步骤：
步骤2.1：使用红外光发射装置照射一种材料；
步骤2.2：使用光学模块探测发射出的红外光经过该材料的反射回的光的强度值，得到光强度值S0；
步骤2.3：偏振化处理发射出的红外光经过该材料的反射回的光，得到偏振特征强度值S0’；
步骤2.4：使用公式计算得到材料偏振角α；
步骤2.5：将该材料的种类与该材料的偏振角α对应地保存至数据库中，此时该数据库中存在一种材料及其对应的偏振角；
步骤2.6：更换若干种材料，对于每种材料，重复执行步骤2.1至步骤2.5，得到材料偏振角数据库，此时数据库中包含多种材料，并与每种材料的偏振角一一对应。
进一步地，所述的红外光发射装置能够发射出光强度值不同的红外线偏振光，即能够调节发射出的红外偏振光的光强度值，从而能够发射多种强度值的红外偏振光。
进一步地，所述的光学模块能够检测出光强度值S0，该光学模块可以是任意一个使用光电检测技术将光强转换为数字信号的模块。
等效地，所述的光学模块亦可通过检测出反射光的电场强度E，从而使用光强随电场的变化公式计算出光强度值S0。
进一步地，所述的偏振化处理包括硬件偏振化处理和软件偏振化处理两种方式。
进一步地，所述的硬件偏振化处理包括以下步骤：
步骤6.1：在光学模块前方加入线偏振片，使得步骤反射光透射线偏振片，并且保持线偏振片的角度始终不变；
步骤6.2：再次使用光学模块检测透过偏振片的反射光，得到偏振特征强度值S0’。
进一步地，所述的软件偏振化处理包括以下步骤：
步骤7.1：构建S0、S1、S2、S3、S0’、S1’、S2’、S3’八个参数，使用线偏振片公式(1)将S0’、S1’、S2’、S3’与S0、S1、S2、S3连接，并固定偏振角θ；
，
是线偏振片对光束进行变换的穆勒矩阵，要求得S0’，需已知S0、S1、S2的值，由于光学模块能够探测光强度值S0，因此在探测前需要提前解出S1、S2的值；
步骤7.2：解出S1、S2的值，先使用红外光发射装置照射材料，再使用光学模块探测发射出的红外光经过该材料的反射回的光的强度值，得到光强度值S0，最后使用硬件偏振化处理得到偏振特征强度值S0’；
步骤7.3：更改红外光发射装置发射出的红外光的强度值S0，再次执行步骤7.2，共得到两组S0’，带入线偏振片公式，由于偏振角θ已固定，因此存在两个方程和两个未知数，此时能够联立这两个方程，从而解出S1和S2；
步骤7.4：经过以上三步预处理后，可以直接使用软件偏振化处理光强度值，将光学模块探测的光强度值S0和解出S1和S2的值带入线偏振片公式计算出偏振特征强度值S0’。
优选的，所述的材料匹配包括精准匹配和最似然匹配两种方法；
所述的精准匹配是指，在计算出材料的偏振角后，对照材料偏振角数据库，寻找与该材料偏振角α相等的材料偏振角，从而鉴别出对应的材料；
所述的最似然匹配是指，在计算出材料的偏振角后，在材料偏振角数据库中寻找与计算得到的材料偏振角α最接近的材料偏振角，即计算得到的材料偏振角α与数据库中的所有α差值最小的α，从而鉴别出对应的材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
仅需要简单的光路即可实现对材料的鉴别，即不会损耗原材料，又简便易操作，并且大大突破了鉴别材料的距离显示，实现了远程材料鉴别。
附图说明
图1为本发明中一种基于红外偏振光的远程材料鉴别方法步骤图；
图2为本发明中使用光学模块探测材料反射光的光路图；
图3为本发明中硬件偏振化处理光路图；
图4为本发明中软件偏振化处理光路图。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在一个实施例中，采用如图1所示的步骤：
步骤1、构建材料偏振角数据库。首先搭建如图2所示的光路图，红外光发射装置选用激光笔，材料选用白色墙壁，光学模块选用光照度计。用激光笔照射白色墙壁，用光照度计检测白色墙壁反射回来的光强度值，得到白色墙壁的反射光强度值S0，在光照度计前方加入偏振角θ=0°的偏振片，如图3所示，再次用光照度计检测光强度值，得到白色墙壁的偏振特征强度值S0’，使用公式计算得到白色墙壁的偏振角α，将白色墙壁的偏振角α存入数据库中，打上白色墙壁的标签。将白色墙壁表面上贴一张白纸，重复执行上述步骤，得到白纸的偏振角α，将其存入数据库中并打上白纸的标签。撕下白纸并贴上白色塑料膜，再次执行上述步骤，得到白色塑料膜的偏振角α，将其存入数据库中并打上白色塑料膜的标签。撕下白色塑料膜并刷上白色油漆，再次执行上述步骤，得到白色油漆的偏振角α，将其存入数据库中并打上白色油漆的标签；
步骤2、撤掉偏振片，使用激光笔照射刷有白色油漆的白色墙壁；
步骤3、用光照度计检测反射光，得到光强度值S0；
步骤4、采用硬件偏振化处理的方式，在光照度计前方放置偏振角θ=0°的偏振片，再次使用光照度计检测反射光，得到偏振特征强度值S0’；
步骤5、使用公式计算出偏振角度α；
步骤6、使用最似然匹配，将计算出的偏振角度α与数据库中四组α做对照，发现与白色油漆对应的α的差值最小，故鉴定该材料为白色油漆。
在一个实施例中，采用如图1所示的步骤：
步骤1、构建材料偏振角数据库，首先搭建如图2所示的光路图，红外光发射装置选用激光笔，材料分别选用金属铁、金属银、金属镁、金属铝、镁铝合金、钢，光学模块选用光照度计，用激光笔照射分别照射上述材料，用光照度计分别检测上述材料反射回来的光强度值，每个材料对应的光强度值S0，在光照度计前方加入偏振角θ=0°的偏振片，如图3所示，再次用光照度计检测光强度值，得到每种材料对应的的偏振特征强度值S0’，对于每种材料均使用公式计算得到该种材料对应的的偏振角α，将其存入数据库中，打上对应材料的标签；
步骤2、撤掉偏振片，使用激光笔照射金属银；
步骤3、如图2所示，用光照度计检测反射光，得到光强度值S0；
步骤4、如图4所示，采用软件偏振化处理的方式。首先进行预处理，使用激光笔照射上述金属，用光照度计检测反射光，得到光强度值S0，在光照度计前方放置偏振角θ=0°的偏振片，再次使用光照度计检测反射光，得到偏振特征强度值S0’，改变激光笔光强强度，再次重复上述步骤得到新的S0和S0’，将两组S0和S0’带入线偏振片公式(1)联立解得S1和S2，再将步骤3所得的光强度值S0与解得的S1和S2带入线偏振片公式计算出新的偏振特征强度值S0’；
；
步骤5、使用公式计算出偏振角度α；
步骤6、使用最似然匹配，将计算出的偏振角度α与数据库中四组α做对照，发现与金属银对应的α的差值最小，故鉴定该材料为金属银。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (8)
1.一种基于红外偏振光的远程材料鉴别方法，其特征在于，包括以下六个步骤：
步骤1.1：构建材料偏振角数据库；
步骤1.2：使用红外光发射装置照射需鉴别的材料；
步骤1.3：使用光学模块探测步骤1.2所述的材料的反射光，得到光强度值S0；
步骤1.4：偏振化处理步骤1.3所述的光强度值S0得到偏振特征强度值S0’；
步骤1.5：使用公式计算得到材料偏振角α；
步骤1.6：将步骤1.5所述的材料偏振角α与步骤1.1所述的材料偏振角数据库进行材料匹配，完成材料鉴别。
2.根据权利要求1所述的基于红外偏振光的远程材料鉴别方法，其特征在于，所述的构建偏振角数据库进一步包括以下六个步骤：
步骤2.1：使用红外光发射装置照射一种材料；
步骤2.2：使用光学模块探测步骤2.1所述的材料的反射光，得到光强度值S0；
步骤2.3：偏振化处理步骤2.2所述的光强度值S0得到偏振特征强度值S0’；
步骤2.4：使用公式计算得到材料偏振角α；
步骤2.5：将步骤2.1所述的材料与步骤2.4所述的材料偏振角保存至数据库中；
步骤2.6：更换若干种材料，对于每种材料，重复执行步骤2.1至步骤2.5，得到材料偏振角数据库。
3.根据权利要求1所述的基于红外偏振光的远程材料鉴别方法，其特征在于，所述的红外光发射装置能够发射出光强度值不同的红外线偏振光。
4.根据权利要求1所述的基于红外偏振光的远程材料鉴别方法，其特征在于，所述的光学模块能够检测出光强度值S0，或检测出光电场E，从而使用公式计算出光强度值S0。
5.根据权利要求1所述的基于红外偏振光的远程材料鉴别方法，其特征在于，所述的偏振化处理包括硬件偏振化处理和软件偏振化处理两种方式。
6.根据权利要求5所述的基于红外偏振光的远程材料鉴别方法，其特征在于，所述的硬件偏振化处理包括以下步骤：
步骤6.1：在光学模块前方加入角度固定的线偏振片，使得步骤1.3所述的反射光透射线偏振片；
步骤6.2：再次使用步骤1.3所述的光学模块检测透过偏振片的反射光，得到偏振特征强度值S0’。
7.根据权利要求5所述的基于红外偏振光的远程材料鉴别方法，其特征在于，
所述的软件偏振化处理包括以下步骤：
步骤7.1：构建S0、S1、S2、S3、S0’、S1’、S2’、S3’八个参数，使用线偏振片公式（1）将S0’、S1’、S2’、S3’与S0、S1、S2、S3连接，并固定偏振角θ；
；
步骤7.2：对于每种材料，先使用红外光发射装置照射，再使用光学模块探测步骤2.1所述的材料的反射光，得到光强度值S0，最后使用硬件偏振化处理得到偏振特征强度值S0’；
步骤7.3：更改红外光发射装置发射出的红外光的强度值S0，再次执行步骤7.2，共得到两组S0’，带入步骤7.1所述的线偏振片公式，联立解出S1和S2；
步骤7.4：将步骤1.4所述的光强度值S0带入步骤7.1所述的线偏振片公式计算出偏振特征强度值S0’。
8.根据权利要求1所述的基于红外偏振光的远程材料鉴别方法，其特征在于，所述的材料匹配包括精准匹配和最似然匹配两种方法；
所述的精准匹配包括在步骤1.1所述的材料偏振角数据库中寻找与步骤1.5所述的材料偏振角α相等的材料偏振角，输出对应的材料；
所述的最似然匹配包括在步骤1.1所述的材料偏振角数据库中寻找与步骤1.5所述的材料偏振角α最接近的材料偏振角，输出对应的材料。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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