基于单频激光辐照的双层参与性介质光谱辐射特性测量方法

摘要

基于单频激光辐照的双层参与性介质光谱辐射特性测量方法，属于参与性介质光学参数测量技术领域。本发明为了解决现有双层参与性介质光谱辐射特性的测量成本高及测量结果不准确的问题。它利用单频激光先后从两侧辐照双层参与性介质表面，利用探测器获得样品表面的频域复半球反射信号和复半球透射信号，最后利用反演的方法获得双层参与性介质的光谱吸收系数和光谱散射系数。本发明用于测量双层参与性介质光谱辐射特性。

主权项

1.一种基于单频激光辐照的双层参与性介质光谱辐射特性测量方法，待测双层参与性介质由第一层介质和第二层介质组成，其特征在于，它包括以下步骤：步骤一：将频率为ω的单频调制激光束，从待测双层参与性介质的第一层介质表面侧垂直入射，然后采用探测器分别采集该第一层介质表面侧的一组频域复半球反射信号和第二层介质表面侧的一组频域复半球透射信号步骤二：由设定的第一层介质的光谱吸收系数κ_a1和光谱散射系数κ_s1的取值，根据辐射传输方程获得单频调制激光束计算域内的辐射强度场；然后执行步骤四；步骤三：由设定的第二层介质的光谱吸收系数κ_a2和光谱散射系数κ_s2的取值，根据辐射传输方程获得单频调制激光束计算域内的辐射强度场；然后执行步骤四；步骤四：根据当前计算获得的单频调制激光束计算域内的辐射强度场，当i=1时，通过下述公式：${\hat{R}}_{\mathrm{est}}^1=-\frac{2\pi }{I_{\mathrm{in}}}{\int }_{\mu <0}{\hat{I}}_d(0,\mu ,\omega )\mathrm{d\mu },---\left(1\right)$${\hat{T}}_{\mathrm{est}}^1=\frac{1}{I_{\mathrm{in}}}[2\pi {\int }_{\mu >0}{\hat{I}}_d(L,\mu ,\omega )\mathrm{d\mu }+{\hat{I}}_c(L,\omega )],---\left(2\right)$计算获得第一层介质表面侧的一组频域复半球反射信号估计值和第二层介质表面侧的一组频域复半球透射信号估计值当i=2，通过下述公式：${\hat{R}}_{\mathrm{est}}^2=-\frac{2\pi }{I_{\mathrm{in}}}{\int }_{\mu <0}{\hat{I}}_d(L,\mu ,\omega )\mathrm{d\mu },---\left(3\right)$${\hat{T}}_{\mathrm{est}}^2=\frac{1}{I_{\mathrm{in}}}[2\pi {\int }_{\mu >0}{\hat{I}}_d(0,\mu ,\omega )\mathrm{d\mu }+{\hat{I}}_c(0,\omega )],---\left(4\right)$计算获得第二层介质表面侧的一组频域复半球反射信号估计值和第一层介质表面侧的一组频域复半球透射信号估计值式中I_in为单频调制激光束的辐射强度，μ为待测双层参与性介质壁面外法向量与x轴正方向的夹角余弦，该x轴正方向为步骤一中单频调制激光束的入射方向，为待测双层参与性介质的扩散辐射强度，L为待测双层参与性介质的厚度，为单频调制激光束平行于入射方向的辐射强度；步骤五：计算获得逆问题算法中的目标函数值$F_{\mathrm{obj}}^i=\frac{1}{2}[{(\frac{\left|{\hat{R}}_{\mathrm{est}}^i\right|}{\left|{\hat{R}}_{\mathrm{mea}}^i\right|}-1)}^2+{(\frac{\left|{\hat{T}}_{\mathrm{est}}^i\right|}{\left|{\hat{T}}_{\mathrm{mea}}^i\right|}-1)}^2+{(\frac{{\theta }_{\mathrm{est},r}^i}{{\theta }_{\mathrm{mea},r}^i}-1)}^2+{(\frac{{\theta }_{\mathrm{est},t}^i}{{\theta }_{\mathrm{mea},t}^i}-1)}^2],---\left(5\right)$为频域复半球反射信号估计值的幅值，表示频域复半球透射信号估计值的幅值，为采用探测器获得的频域复半球反射信号的幅值，为采用探测器获得的频域复半球透射信号的幅值，为频域复半球反射信号相位角的估计值，为频域复半球透射信号相位角的估计值，为采用探测器获得的频域复半球反射信号相位角，为采用探测器获得的频域复半球透射信号相位角；步骤六：判断步骤五中获得的目标函数值是否小于预设置的阈值ξ，若是，当i=1时，执行步骤七，当i=2时，执行步骤九；否则，当i=1时，根据逆问题算法重新设定第一层介质的光谱吸收系数κ_a1和光谱散射系数κ_s1的取值，返回步骤二，当i=2时，根据逆问题算法重新设定第二层介质的光谱吸收系数κ_a2和光谱散射系数κ_s2的取值，返回步骤三；步骤七：将设定的当前第一层介质的光谱吸收系数κ_a1和光谱散射系数κ_s1的取值作为待测双层参与性介质第一层介质的测量光谱吸收系数κ_a1和光谱散射系数κ_s1的值；步骤八：再将频率为ω的单频调制激光束，从待测双层参与性介质的第二层介质表面侧垂直入射，再采用探测器分别采集该第二层介质表面侧的一组频域复半球反射信号和第一层介质表面侧的一组频域复半球透射信号返回执行步骤三；步骤九：将设定的当前第二层介质的光谱吸收系数κ_a2和光谱散射系数κ_s2的取值作为待测双层参与性介质第二层介质的测量光谱吸收系数κ_a2和光谱散射系数κ_s2的值；由此实现双层参与性介质光谱辐射特性的测量。