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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

阅读：1013发布：2021-03-10

专利汇可以提供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专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且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。，下面是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专利的具体信息内容。

权利要求

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κa1和光谱散射系数κs1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κa2和光谱散射系数κs2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：
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：
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Iin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
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κa1和光谱散射系数κs1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κa2和光谱散射系数κs2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κa1和光谱散射系数κs1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κa1和光谱散射系数κs1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κa2和光谱散射系数κs2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κa2和光谱散射系数κs2的值；由此实现双层参与性介质光谱辐射特性的测量。
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述逆问题算法为微粒群算法。

说明书全文

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

技术领域

[0001] 本发明涉及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。

背景技术

[0002] 参与性介质在工业技术中有广泛的应用，如石英玻璃的性能调制、半透明塑料的点燃、光学纤维的制造与应用等。近年来，随着航空航天等高科技领域的发展，多层参与性介质在现代科技中得到了广泛应用。主要表现在陶瓷、氧化锆等材料的涂层技术、医学诊断技术等。进行参与性介质热辐射物性以及相关学科的研究对于军用和民用领域均具有重要意义。

[0003] 吸收系数和散射系数是表征参与性介质热辐射物性的重要参数。了解生物组织的光吸收和散射特性对激光热疗法方案的选取至关重要，也是激光诊断和治疗广泛应用的基础，例如激光诱导荧光诊断恶性组织和光动力治疗病变组织。而且，参与性介质的吸收、散射系数对于大气粒子的探测、红外遥感也具有重要的意义。

[0004] 目前，参与性介质辐射物性的测量方法主要是针对单层的介质来研究的，对于双层的参与性介质辐射物性测量的方法很少。并且，在实际测量双层参与性介质辐射物性的过程中，由于透射信号与反射信号是随时间变化的，要想实际测量出辐射信号随时间变化的曲线是比较困难的，这些都导致了双层参与性介质辐射物性的测量成本高及测量结果不准确的缺陷。

发明内容

[0005] 本发明目的是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，提供了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。

[0006] 本发明所述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，它包括以下步骤：

[0007] 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

[0008] 步骤二：由设定的第一层介质的光谱吸收系数κa1和光谱散射系数κs1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；

[0009] 步骤三：由设定的第二层介质的光谱吸收系数κa2和光谱散射系数κs2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；

[0010] 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，[0011] 当i=1时，通过下述公式：

[0012]

[0013]

[0014] 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

[0015] 当i=2，通过下述公式：

[0016]

[0017]

[0018] 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

[0019] 式中Iin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；

[0020] 步骤五：计算获得逆问题算法中的目标函数值

[0021]

[0022] 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；

[0023] 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κa1和光谱散射系数κs1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κa2和光谱散射系数κs2的取值，返回步骤三；

[0024] 步骤七：将设定的当前第一层介质的光谱吸收系数κa1和光谱散射系数κs1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κa1和光谱散射系数κs1的值；

[0025] 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；

[0026] 步骤九：将设定的当前第二层介质的光谱吸收系数κa2和光谱散射系数κs2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κa2和光谱散射系数κs2的值；由此实现双层参与性介质光谱辐射特性的测量。

[0027] 所述逆问题算法为微粒群算法。

[0028] 本发明的优点：本发明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。它在已知介质其他物性参数的前提下，提出一种准确测量双层参与性介质光谱吸收系数和光谱散射系数的测量方法，它使用频域方法测量材料物性，使用连续光源和探测器来完成测量，使测量所需费用大幅度降低；同时这种方法消除了时间分辨测量仪器精度的限制，从而大大提高了测量结果的准确性。

[0029] 本发明通过建立双层参与性介质光学参数测量的正问题和反问题求解模型，解决了测量双层参与性介质光学参数过程中测量成本较大和测量结果不准确的问题。附图说明

[0030] 图1是本发明所述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中，双层参与性介质两侧各受到一束单频激光照射时的辐射传输示意图；图中实箭头为单频激光平行入射方向，空箭头方向为半球频域反射信号及透射信号方向。

具体实施方式

[0031] 具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述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，它包括以下步骤：

[0032] 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

[0033] 步骤二：由设定的第一层介质的光谱吸收系数κa1和光谱散射系数κs1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；

[0034] 步骤三：由设定的第二层介质的光谱吸收系数κa2和光谱散射系数κs2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；

[0035] 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，[0036] 当i=1时，通过下述公式：

[0037]

[0038]

[0039] 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

[0040] 当i=2，通过下述公式：

[0041]

[0042]

[0043] 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

[0044] 式中Iin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；

[0045] 步骤五：计算获得逆问题算法中的目标函数值

[0046]

[0047] 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；

[0048] 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κa1和光谱散射系数κs1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κa2和光谱散射系数κs2的取值，返回步骤三；

[0049] 步骤七：将设定的当前第一层介质的光谱吸收系数κa1和光谱散射系数κs1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κa1和光谱散射系数κs1的值；

[0050] 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；

[0051] 步骤九：将设定的当前第二层介质的光谱吸收系数κa2和光谱散射系数κs2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κa2和光谱散射系数κs2的值；由此实现双层参与性介质光谱辐射特性的测量。

[0052] 本实施方式中，单频激光采用双面入射的方式，分别反演靠近入射激光一侧介质的光谱辐射特性。

[0053] 本实施方式中，每进行一次目标函数值与阈值ξ的比较，当目标函数值大于或等于阈值ξ的时候，对当前设定的第一层介质的光谱吸收系数为κa1和光谱散射系数为κs1的取值，或者第二层介质的测量光谱吸收系数为κa2和光谱散射系数为κs2；的取值，按照逆问题算法进行修改取值，再返回步骤二或步骤三重新计算。

[0054] 具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述逆问题算法为微粒群算法。

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