详情

原文传递基于Chirp调频激光辐照的半透明材料光热特性参数检测方法

专利名称：	基于Chirp调频激光辐照的半透明材料光热特性参数检测方法
摘要：	本发明提供基于Chirp调频激光辐照的半透明材料光热特性参数检测方法，属于光热物性测量技术领域。本发明首先使用基于Chirp调制激光的热波雷达成像技术对半透明材料中内含物位置进行锁定，设定内含物的物性参数；然后求解正问题计算模型得到边界真实的温度与辐射强度；采用SQP算法反演锁定的内含物位置，初步确定该内含物光热特性参数；最后通过SQP算法重复对整个计算场的光热特性参数进行重建，直到目标函数值达到指定的计算精度或者迭代步数达到最大值，最终得到材料最终的光热特性参数。本发明解决了现有半透明材料光热特性参数检测技术准确率不高的问题。本发明可用于半透明材料光热特性参数的精确检测。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	黑龙江;23
申请人：	哈尔滨工业大学
发明人：	齐宏;于晓滢;任亚涛;阮立明
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-24T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-23T00:00:00+0800
申请号：	CN201910441867.3
公开号：	CN110160964A
代理机构：	哈尔滨市松花江专利商标事务所
代理人：	时起磊
分类号：	G01N21/17(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号
主权项：	1.基于Chirp调频激光辐照的半透明材料光热特性参数检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤一、使用基于Chirp调制激光的热波雷达成像技术对半透明材料中内含物位置进行锁定；步骤二、根据背景材料光热特性和步骤一的锁定位置设定内含物的物性参数，作为SQP算法的初始值；步骤三、求解正问题计算模型得到边界真实的温度与辐射强度；然后采用SQP算法反演步骤一锁定的内含物位置，初步确定该内含物光热特性参数，即吸收系数、散射系数以及导热系数；步骤四、读取步骤三中的结果，将得到的内含物光热特性的初始分布作为下一步计算的初始值；步骤五、通过SQP算法对整个计算场的光热特性参数进行重建；步骤六、重复步骤五中的计算过程，直到满足下列条件之一计算结束，得到材料最终的光热特性参数； (1)目标函数值达到指定的计算精度；所述目标函数由SQP算法反演得到的数据以及正问题计算模型得到数据共同确定； (2)迭代步数达到最大值。 2.根据权利要求1所述基于Chirp调频激光辐照的半透明材料光热特性参数检测方法，其特征在于，步骤一所述对半透明材料中内含物位置进行锁定具体包括：采用Chirp调制的辐射源照射材料，在单个Chirp调制周期中，照射到材料表面的激光强度由下式表示： qS＝qam (2) 其中，qlaser表示入射激光的功率密度； qam表示入射激光峰值； qS表示入射激光静态分量； qD表示入射激光动态分量； f0表示Chirp调制信号的初始频率； fe表示Chirp调制信号的终止频率； Ts表示Chirp调制信号的扫描周期；t表示调制时间；入射激光的动态分量引起材料表面产生热波雷达信号，热波雷达信号T(n′)的Chirp锁相相位与Chirp锁相幅值由下式计算得到：其中，SChirp-cos表示Chirp同相相关函数； SChirp-sin表示Chirp正交相关函数； A表示热波雷达信号的Chrip锁相幅值；表示热波雷达信号的Chrip锁相相位； fs表示图像采样频率； Ns表示热波雷达信号长度或图像采集数，Ns＝Ts×fs；n′＝1,…,Ns。 3.根据权利要求2所述基于Chirp调频激光辐照的半透明材料光热特性参数检测方法，其特征在于，步骤三中所述正问题计算模型的求解过程如下：用辐射导热耦合换热描述半透明材料传热过程，边界为漫反射灰体边界，同时为对流换热边界，环境温度为Ta，对流换热系数为hw，所述计算场的左部表面受红外激光照射，能量转换辐射导热耦合方程用下式描述：其中，ρ、cp、λ以及T分别为材料的密度、比热容、导热系数以及温度，qr为由辐射传热引起的辐射源项，表示哈密顿算子；能量方程的初始条件和边界条件分别为： T\|t＝0＝T0 (9) τqlaser+qr,w+qc,w＝hw(Tw-Ta) (10) 其中，τ为边界透射率，qlaser表示入射激光的功率密度，下标w表示半透明材料的边界，qr,w表示边界处辐射换热热流；qc,w表示边界处对流换热热流；Tw表示材料边界处温度；T0表示材料的初始温度；辐射源项能够用下述辐射传输方程求解：其中，I(r,Ω)表示r位置和Ω方向的辐射强度，βe、κa、κs分别表示材料的衰减系数、吸收系数、散射系数，βe＝κa+κs，Ib＝σT4/π表示在温度T下的黑体辐射强度，σ为黑体辐射常数，Φ(Ω',Ω)为散射相函数，Ω'表示入射方向；在直角坐标系(x,y)下，采用离散坐标法对辐射传递方程(11)进行离散，得到：其中，ξm表示为x轴方向的方向余弦，ηm表示y轴方向的方向余弦，wl表示立体角l上的方向权重，上角标l，m表示空间方向离散的第l个和第m个立体角；l、m＝1,2,3,…,NΩ；NΩ为4π空间方向离散的立体角总数，Il(x,y)表示第l个立体角(x,y)处的辐射强度；Φ(Ωm,Ωl)为散射相函数；Ib(r)表示r位置处的黑体辐射强度；用下标e、w、s、n表示控制体P的各边界，则上式(12)变为下式：其中，表示控制体P内立体角m上的辐射强度；Δx、Δy分别表示控制体在x轴y轴的长度；表示边界w上立体角m内的辐射强度；表示边界s上立体角m内的辐射强度；Ωm表示第m个立体角内的入射方向；Ib,P表示控制体P内的黑体辐射强度；wm表示立体角m上的方向权重；半透明材料表面的辐射传输方程边界条件能够用下式表示：其中，n1和n0分别表示环境和材料的折射率，γ表示壁面反射率，nw表示壁面外法向单位向量，表示边界处立体角m内的辐射强度；对能量方程式(8)进行离散：采用全隐格式，上式(15)左侧非稳态项的积分能够表示为：其中，TP表示t+Δt时刻的控制体P的温度值，表示t时刻该控制体P的温度值；方程(15)右侧扩散项变为：其中，TE、TW、TS、TN分别表示控制体e、w、s、n边界的温度值；λe、λw、λs、λn分别表示控制体e、w、s、n边界的导热系数；δxe、δxw、δys、δyn分别表示控制体e、w、s、n边界的长度值；用S表示能量方程(15)中的源项，并将源项线性化得到下式：其中，S0＝κaG，G表示投射辐射；Δz表示控制体在z轴的长度；整理得： aPTP＝aETE+aWTW+aNTN+aSTS+b (19) 其中： (ρcp)P表示控制体P的密度和定压比热容的乘积；求解式(19)，得到t+Δt时刻的控制体P的温度值TP与SP。 4.根据权利要求1、2或3所述基于Chirp调频激光辐照的半透明材料光热特性参数检测方法，其特征在于，步骤三中所述SQP算法过程具体包括以下过程：考虑如下形式的非线性规划问题：其中，F(x)是将要被优化的目标函数，ci(x)表示约束条件，m和me分别表示总约束和等式约束的数量；方程(20)能够转化成如下形式：其中，dk表示当前迭代中的搜索方向，xk表示当前的重建参数，Hk是如下拉格朗日方程的Hessian矩阵的近似：式中ui为朗格朗日乘子；u表示表示拉格朗日乘子向量；引入如下罚函数：式中ψ表示罚因子；重建参数能够更新为下式： xk+1＝xk+αkdk (24) 式中αk表示步长，k表示迭代次数。 5.根据权利要求4所述基于Chirp调频激光辐照的半透明材料光热特性参数检测方法，其特征在于，所述步长αk满足下式：其中，ι表示一个正常数，跟据经验取0.1≤ι≤0.2；式(25)中： 6.根据权利要求5所述基于Chirp调频激光辐照的半透明材料光热特性参数检测方法，其特征在于，步骤三SQP算法在更新重建参数xk时，为了避免马洛托斯效应，考虑下面二阶近似：重建参数xk和搜索步长αk根据下式更新：其中，表示搜索方向；值得注意的是仅仅在同时满足下式的时候才会考虑公式(27)描述的子问题：其中，ε表示给定的极小值；μ表示大于0小于1的正常数。 7.根据权利要求6所述基于Chirp调频激光辐照的半透明材料光热特性参数检测方法，其特征在于，所述目标函数用下式表示：其中，Iest(i′,j)表示边界反演的辐射强度，Iexa(i′,j)＝SP表示边界真实的辐射强度；j＝1,…,Nt；Nt表示正问题计算模型中的采样时间；i′＝1,…,Nd；Nd表示边界探测点的数量；对于材料导热系数的重建，目标函数能够用下式表示：其中，Test(i′,j)表示边界反演的温度，Texa(i′,j)＝TP表示边界真实的温度；引入如下归一化均方误差NRMSE衡量重建结果精度：其中，xj′表示材料真实的光热特性参数；表示材料反演的光热特性参数，j′＝1,…,N；N表示重建参数的数量。
所属类别：	发明专利