采用多频调制激光加热与光热信息重建技术的半透明材料辐射特性测量方法

摘要

采用多频调制激光加热与光热信息重建技术的半透明材料辐射特性测量方法，涉及一种测量半透明材料辐射特性参数的方法。其步骤为：分别采用不同频率的激光照射半透明材料的一侧表面，使用光电探测器分别测量在该入射激光频率下材料激光入射侧的频域半球反射辐射信号和激光出射侧的频域半球透射辐射信号，同时利用热电偶测温仪测量并记录材料两表面温度随时间的变化。根据频域半球反射辐射信号、频域半球透射辐射信号以及两表面随时间变化的温度，通过逆问题求解技术获得半透明材料的衰减系数和反照率。本发明通过建立测量半透明材料衰减系数和反照率的正、逆问题模型，能简单、快速、准确的利用逆问题求解技术同时测量半透明材料衰减系数和反照率。

主权项

1.采用多频调制激光加热与光热信息重建技术的半透明材料辐射特性测量方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：步骤一、将待测半透明材料制作成厚度为L的扁平试件，调节激光器位置，使其对准试件左侧中心位置，并且激光入射方向垂直于试件左侧表面，同时分别将两只热电偶探头固定在试件左右两侧表面上；步骤二、设定振幅可调的正弦激光光源的激光频率为ω₁，打开激光光源对试件左侧表面进行加热，与此同时使用光电探测器分别测量试件激光入射侧的频域半球反射辐射信号和激光出射侧的频域半球透射辐射信号并且同步使用热电偶测温仪同步测量得到左侧激光入射表面温度随时间的变化为T_w1(t)，右侧表面温度随时间的变化为T_w2(t)；步骤三、依次改变激光光源频率为ω_i（i=2,…,m），采用步骤二中方法分别测量得到相应入射激光频率下的试件激光入射侧的频域半球反射辐射信号和激光出射侧的频域半球透射辐射信号步骤四、根据逆问题算法假设待测材料的衰减系数β和反照率通过分别对频域辐射传输方程(1)和瞬态导热辐射耦合方程组(2)的求解，得到在假设衰减系数β和反照率条件下的材料激光入射侧的频域半球反射辐射信号估计值和激光出射侧的频域半球透射辐射信号估计值以及两侧面边界温度信号估计值T′_w1(t)和T′_w2(t)；$\frac{\partial \hat{I}(x,\theta ,\omega )}{\partial x}=-\beta {\hat{I}}_c(x,\theta ,\omega )+\frac{{\kappa }_s}{2}{\int }_0^{\pi }\hat{I}(x,{\theta }^{\prime },\omega )\Phi ({\theta }^{\prime },\theta )\sin {\theta }^{\prime }d{\theta }^{\prime }---\left(1\right)$式中，为x处的频域辐射强度，是入射的频域辐射强度，x为距离，θ辐射方向，β为衰减系数，ω为角频率，κ_s为散射系数，Φ(θ′,θ)为散射相函数；$\left\{\begin{array}{c}\frac{\partial I(x,\Omega )}{\partial x}=-\mathrm{\beta I}(x,\Omega )+{\kappa }_a{I}_b\left(x\right)+\frac{{\kappa }_s}{4\pi }{{\int }_{4\pi }}^I(x,{\Omega }^{\prime })\Phi ({\Omega }^{\prime },\Omega )d{\Omega }^{\prime }\\ \rho c_p\frac{\partial T}{\partial t}=\lambda \frac{{\partial }^{2}T}{\partial x^2}-\frac{\partial q_r}{\partial x}\end{array}\right.---\left(2\right)$式中，I为辐射强度；x为距离；Ω为立体角；β为衰减系数；κ_a为吸收系数；κ_s为散射系数；Φ(Ω′,Ω)为散射相函数，T为温度；ρ为材料密度；c_p为材料比定压热容；λ为导热系数；q_r为辐射项热流；步骤五、将步骤二和步骤三得到的试件激光入射侧的频域半球反射辐射信号测量值和激光出射侧的频域半球透射辐射信号测量值试件左边界温度测量值T_w1(t)，试件右边界温度测量值T_w2(t)和步骤四得到的激光入射侧的频域半球反射辐射信号估计值和激光出射侧的频域半球透射辐射信号估计值以及左边界温度估计值T′_w1(t)，右边界温度估计值T′_w2(t)代入如下目标函数计算公式，计算得到目标函数值F_obj；步骤六、判断步骤五中的目标函数值F_obj是否小于设定阈值ξ，若是，则步骤四中所假设的半透明材料的衰减系数β和反照率即为该待测材料的真实衰减系数和反照率；若不是，则返回步骤四，重新根据逆问题算法假设材料的衰减系数β和反照率的设定值，并重新计算，直至步骤五中的目标函数值F_obj小于设定阈值ξ，完成采用多频调制激光加热与光热信息重建技术的半透明材料衰减系数和反照率的测量。