基于锁相热波与光学层析相结合的半透明材料光热特性分布测量方法
专利汇可以提供基于锁相热波与光学层析相结合的半透明材料光热特性分布测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且基于 锁 相热波与光学层析相结合的半透明材料光热特性分布测量方法，涉及半透明材料光热物性测量技术领域。本 发明 为了解决目前无法准确的测量半透明材料光热特性分布的问题。本发明首先利用LIT技术识别材料中内含物 位置 ，然后将背景材料光学和热物性赋给内含物，作为内含物的光学和热物性初始值，通过SQP 算法 反演初步确定的内含物的吸收系数、散射系数和导热系数；基于重建半透明材料光热特性分布的LIT-SQP算法最终确定半透明材料光热特性分布。本发明结合了锁相技术快速 定位 内含物位置的优点和SQP算法准确重建材料光热特性的优点。本发明适用于半透明材料光热特性分布的测量。，下面是基于锁相热波与光学层析相结合的半透明材料光热特性分布测量方法专利的具体信息内容。
1.基于锁相热波与光学层析相结合的半透明材料光热特性分布测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：利用LIT技术识别材料中内含物位置；LIT技术即锁相热成像技术；
步骤二：将背景材料光学和热物性赋给内含物，作为内含物的光学和热物性初始值；光学物性包括吸收系数、散射系数，热物性为导热系数；
步骤三：通过SQP算法反演步骤一初步确定的内含物的吸收系数、散射系数和导热系数；SQP算法即序列二次规划算法；
步骤四：读取步骤三中获得的结果，使用步骤三中得到的光热物性的初始分布作为下一步计算光热物性的初始值；
步骤五：通过SQP算法反演内含物位置的光热参数；
步骤六：重复步骤五中的计算过程，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时停止计算得到材料光热特性分布。
2.根据权利要求1所述的基于锁相热波与光学层析相结合的半透明材料光热特性分布测量方法，其特征在于，利用LIT技术识别材料中内含物位置的具体过程如下：
用正弦波型辐射源照射材料，能够在材料表面获得正弦波热信号，根据测量信号确定材料的热物性和光学物性，红外正弦波形激光热流用下式表示：
qlaser＝qamsin(2πfet) (1)
式中，qam和fe分别表示入射激光峰值热流和频率，t表示时间；
用离散相关算法来提取热波信号的幅值和相位信息，这个过程可以通过边界热波信号和相关谐波信号的同步关联来实现：
LIT技术的关联输出用下式表示：
式中，S0°和S-90°分别为同相相关输出和正交相关输出；N代表每个调制周期中的采样点数量，Ns表示计算周期的数量，Ti,n表示热波信号；
根据LIT技术的相关输出，热波信号的幅值和相位信息由下式计算：
式中，A和 分别代表热波信号的幅值和相位信息。
3.根据权利要求1或2所述的基于锁相热波与光学层析相结合的半透明材料光热特性分布测量方法，其特征在于，步骤三中确定内含物的吸收系数、散射系数和导热系数过程所需要SQP算法计算过程如下：
考虑如下形式的非线性规划问题：
式中，F(x)是将要被优化的目标函数，具体为对吸收系数、散射系数进行重建对应的目标函数F1或对导热系数进行重建对应的目标函数F2；x表示待重建参数；ci表示约束条件，m、me分别表示总约束和等式约束的数量；E表示等式约束，I′表示不等式约束；i表示变量；
在SQP算法优化过程中，优化任务转化成一系列二次规划子问题，SQP算法通过求解QP子问题超线性地收敛到最优；方程(20)可以转化成如下形式：
k k
式中，表示求梯度；x 表示第k代的待重建参数，F(x)表示第k代将要被优化的目标函数；dk表示第k代中的搜索方向，Hk是拉格朗日方程的Hessian矩阵的近似；
引入如下罚函数：
式中，r表示罚因子，重建参数的更新如下式：
xk+1＝xk+αkdk (24)
式中，αk是表示第k代的步长，步长满足下式：
式中，β是正常数；
当满足式(27)和式(28)条件时，
考虑下面二阶近似：
式中，G和Gi分别表示Hessian矩阵 和
重建参数和搜索步长基于下式更新：
其中， 是式(29)的解。
4.根据权利要求3所述的基于锁相热波与光学层析相结合的半透明材料光热特性分布测量方法，其特征在于，所述β的取值范围是[0.1，0.2]。
5.根据权利要求3所述的基于锁相热波与光学层析相结合的半透明材料光热特性分布测量方法，其特征在于，对吸收系数、散射系数进行重建对应的目标函数F1或对导热系数进行重建对应的目标函数F2如下：
式中，Iest、Iexa分别表示边界反演的和真实的辐射强度；i1、j1均表示变量，Nt表示的采样时间，Nd表示边界探测点的数量；
Test、Texa分别表示分别表示边界反演的和真实的温度。
6.根据权利要求5所述的基于锁相热波与光学层析相结合的半透明材料光热特性分布测量方法，其特征在于，Test和Iest通过边界反演确定，具体过程如下：
用辐射导热耦合换热描述半透明材料传热过程，边界为漫射灰体边界，同时为对流换热边界条件，环境温度为Ta，对流换热系数为h，材料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和T分别为材料的密度、比热容、导热系数和温度，qr为由辐射传热引起的辐射源项，能量方程的初始条件和边界条件为：
T|t＝0＝T0 (9)
τqlaser+qr,w+qc,w＝hw(Tw-Ta) (10)
式中，T0为温度的初始值，对应为材料壁面的温度；T|t＝0为材料初始时刻的温度；τ为边界透射率，qlaser和qc分别表示入射激光和边界导热热通量；下标w表示材料的壁面，qr,w、qc,w、hw、Tw分别表示材料的壁面对应的qr、qc、h、T；
通过式(8)导热系数λ与温度T的关系最终确定Test；
辐射源项qr用下述辐射传输方程求解：
式中，I(s,Ω)表示s位置和Ω方向的辐射强度，βe、κa和κs分别表示材料衰减系数、吸收系数和散射系数，βe＝κa+κs；Ib(s)表示在温度T下的黑体辐射强度，Φ(Ω',Ω)为散射相函数，Ω和Ω'分别表示散射方向和入射方向；
沿着材料的相邻两条边界建立直角坐标系，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，可得：
式中，ξm，ηm分别表示x′方向和y′方向的方向余弦，wl表示第l个立体角方向权重，上角标l、m分别表示空间方向离散的第l个和第m个立体角，l＝1,2,3,…,NΩ,，m＝1,2,3,…,Nl m
Ω，NΩ为4π空间方向离散的立体角总数；I、I 分别为空间方向离散的第l个立体角、第m个立体角对应的辐射强度；Φ(Ωm,Ωl)为散射相函数；
半透明材料表面的辐射传输方程边界条件可用下式表示：
式中，n1和n0分别表示环境和材料的折射率，γ表示壁面反射率，w表示方向权重，nw表示壁面外法向单位向量；
通过式(11)吸收系数κa和散射系数κs与辐射强度I的关系最终确定Iest。
7.根据权利要求6所述的基于锁相热波与光学层析相结合的半透明材料光热特性分布测量方法，其特征在于，所述Ib(s)＝σT4/π，σ为黑体辐射常数。
基于锁相热波与光学层析相结合的半透明材料光热特性分布
测量方法
技术领域
背景技术
发明内容
具体实施方式
第m个立体角对应的辐射强度；Φ(Ω ,Ω)为散射相函数；在公式(11)中，I(s,Ω)是为了表示与s位置和Ω方向相关，由于公式(12)中已经表示为各个方向(ξm，ηm分别表示x方向和y方向的方向余弦)上的数据了，所以Il、Im只要表示与在直角坐标系的位置(x′,y′)相关，记为Il(x′,y′)、Im(x′,y′)；
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