[發明專利]一種基于短脈沖激光輻照及多信息逆問題求解算法的參與性介質輻射特性測量方法

有效

• 申請號: 201310369795.9
• 申請日: 2013-08-23
• 公開（公告）號: CN103411905A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 齊宏;任亞濤;張彪;孫雙成;阮立明
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31;G01N21/49
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 楊立超

技術領域

本專利涉及參與性介質輻射物性測量技術領域，尤其涉及一種基于短脈沖激光輻照及多信息逆問題求解算法的參與性介質輻射特性測量方法。

背景技術

參與性介質熱輻射物性參數是對參與性介質在其應用過程中進行分析、設計、優化所需的重要參數。近年來，隨著航空航天、紅外探測、目標與環境的紅外特性、激光、電子器件、生物醫學等現代高新技術的飛速發展，參與性介質在高溫、多維、非均勻、各向異性散射等情況下的熱物性參數變得尤為重要。進行參與性介質熱輻射物性以及相關學科的研究對于軍用和民用領域均具有重要意義。

吸收系數和散射系數是表征參與性介質熱輻射物性的重要參數。深入理解此熱物性參數并對其進行實驗測量及理論分析，對于金屬加工、醫學成像技術、無損激光治療技術、粒子探測研究、紅外遙感技術、材料科學以及環境監測等領域具有重要意義和應用價值。

由于實際測量過程中，實驗設備存在一定的測量誤差，而且某些工況測量信號比較微弱，單一的信息不能完成輻射物性的測量，本發明提出的測量方法通過改變試樣厚度、試樣邊界側黑度、脈沖激光入射角度、脈沖寬度等測量條件引入多組用于逆問題求解的時域半球反射信號，從而提高了逆問題求解精度，能夠較為準確地重建介質內部的吸收系數和散射系數。

發明內容

本發明是要解決現有基于逆問題求解的參與性介質輻射參數測量中，實驗測量信息量不足和測量結果誤差較大的問題，提出了基于多信息逆問題求解的參與性介質吸收系數和散射系數測量方法。

本發明所述基于多信息逆問題求解的參與性介質吸收系數和散射系數測量方法，該方法的具體步驟為：

步驟一、將參與性介質做成厚度為x的扁平試件，設其上表面厚度x=0，上表面至下表面的厚度x=L，向待測試件的一側涂上黑度為ε的不透明涂層，利用脈沖寬度為t_p的高斯脈沖激光器產生高斯脈沖激光，高斯脈沖激光束沿與試件法向成θ角度入射到無涂層一側表面，采用單光子計數器測量參與性介質表面邊界上的時域半球反射信號，獲得試件的時域半球反射信號曲線R(t)；

步驟二、通過改變試件的厚度x、涂層黑度ε、激光器的脈沖寬度t_p以及激光的入射角度θ來設計N組不同的工況，按照步驟一的測量方法分別獲得試件在N組工況下的時域半球反射信號曲線R_i,mea(t)，其中i=1、2、……、N-1、N；

步驟三、利用逆問題求解算法，假設出待測介質的吸收系數κ_a和待測介質的散射系數κ_s，通過對輻射傳輸方程的求解，獲得計算域內的輻射強度場；

步驟四、利用步驟三獲得的計算域內的輻射強度場，根據公式：

獲得試件x=0左側邊界上的時域半球反射信號的估計值R_i,est(t)；式中I₀是高斯脈沖激光的輻射強度峰值，I_i(0,θ,t)為試件x=0左側邊界上在第i組工況下，t時刻，θ方向上的輻射強度；θ為輻射方向角；

步驟五、利用步驟四獲得的時域半球反射信號的估計值R_i,est(t)與步驟一和步驟二中的采用單光子計數器測量參與性介質邊界上的時域半球反射信號R_i,mea(t)，通過多信息逆問題求解算法，按照公式：

獲得逆問題算法中的目標函數值F_obj；

步驟六、判斷步驟五中的目標函數值是否小于設定閾值ξ，若是，將步驟三中獲得的待測介質的吸收系數κ_a和待測介質的散射系數κ_s作為結果，完成基于多信息逆問題求解算法的吸收系數和散射系數的測量，否則返回步驟三，繼續進行運算。

本發明包括以下有益效果：

1、本發明通過建立輻射物性測量的正、逆問題求解模型，應用多信息逆問題求解算法克服了實際測量過程中測量信息量不足以及測量結果誤差較大的問題；

2、與現有技術相比，本發明能夠較為準確的測量參與性介質的吸收系數和散射系數，準確率分別提高了10%～25%和15%～28%。

附圖說明

圖1為具體實施方式一所述參與性介質受到一個高斯脈沖激光入射的輻射傳輸示意圖；圖中實箭頭為高斯脈沖激光平行入射方向，空箭頭方向為半球時域反射信號方向。

具體實施方式

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合圖1和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。