[發明專利]基于鎖相熱波與光學層析相結合的半透明材料光熱特性分布測量方法

有效

• 申請號: 201810143017.0
• 申請日: 2018-02-11
• 公開（公告）號: CN108362733B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 齊宏;王申領;于曉瀅;孫雙成;任亞濤;阮立明;趙春暉
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01N25/00;G01N21/47;G01N21/31
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 岳泉清

1.基于鎖相熱波與光學層析相結合的半透明材料光熱特性分布測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：利用LIT技術識別材料中內含物位置；LIT技術即鎖相熱成像技術；

步驟二：將背景材料光學和熱物性賦給內含物，作為內含物的光學和熱物性初始值；光學物性包括吸收系數、散射系數，熱物性為導熱系數；

步驟三：通過SQP算法反演步驟一初步確定的內含物的吸收系數、散射系數和導熱系數；SQP算法即序列二次規劃算法；

步驟四：讀取步驟三中獲得的結果，使用步驟三中得到的光熱物性的初始分布作為下一步計算光熱物性的初始值；

步驟五：通過SQP算法反演內含物位置的光熱參數；

步驟六：重復步驟五中的計算過程，直到目標函數值達到指定的計算精度或者迭代步數達到最大值時停止計算得到材料光熱特性分布。

2.根據權利要求1所述的基于鎖相熱波與光學層析相結合的半透明材料光熱特性分布測量方法，其特征在于，利用LIT技術識別材料中內含物位置的具體過程如下：

用正弦波型輻射源照射材料，能夠在材料表面獲得正弦波熱信號，根據測量信號確定材料的熱物性和光學物性，紅外正弦波形激光熱流用下式表示：

q_laser＝q_amsin(2πf_et) (1)

式中，q_am和f_e分別表示入射激光峰值熱流和頻率，t表示時間；

用離散相關算法來提取熱波信號的幅值和相位信息，這個過程可以通過邊界熱波信號和相關諧波信號的同步關聯來實現：

LIT技術的關聯輸出用下式表示：

式中，S^0°和S^-90°分別為同相相關輸出和正交相關輸出；N代表每個調制周期中的采樣點數量，N_s表示計算周期的數量，T_i,n表示熱波信號；

根據LIT技術的相關輸出，熱波信號的幅值和相位信息由下式計算：

式中，A和分別代表熱波信號的幅值和相位信息。

3.根據權利要求1或2所述的基于鎖相熱波與光學層析相結合的半透明材料光熱特性分布測量方法，其特征在于，步驟三中確定內含物的吸收系數、散射系數和導熱系數過程所需要SQP算法計算過程如下：

考慮如下形式的非線性規劃問題：

式中，F(x)是將要被優化的目標函數，具體為對吸收系數、散射系數進行重建對應的目標函數F₁或對導熱系數進行重建對應的目標函數F₂；x表示待重建參數；c_i表示約束條件，m、m_e分別表示總約束和等式約束的數量；E表示等式約束，I′表示不等式約束；i表示變量；

在SQP算法優化過程中，優化任務轉化成一系列二次規劃子問題，SQP算法通過求解QP子問題超線性地收斂到最優；方程(20)可以轉化成如下形式：

式中，表示求梯度；x^k表示第k代的待重建參數，F(x^k)表示第k代將要被優化的目標函數；d^k表示第k代中的搜索方向，H^k是拉格朗日方程的Hessian矩陣的近似；

引入如下罰函數：

式中，r表示罰因子，重建參數的更新如下式：

x^k+1＝x^k+α^kd^k (24)

式中，α^k是表示第k代的步長，步長滿足下式：

式中，β是正常數；

當滿足式(27)和式(28)條件時，

考慮下面二階近似：

式中，G和G_i分別表示Hessian矩陣和

重建參數和搜索步長基于下式更新：

其中，是式(29)的解。