一种基于热传导逆问题的激光强度反演方法技术

本发明专利技术提供一种基于热传导逆问题的激光强度反演方法，激光技术领域，涉及指高能激光强度分布的非直接测量方法。本发明专利技术解决的技术问题是提供一种高能激光强度分布的非直接测量方法。该方法基于激光辐照下的材料热传导模型，将激光强度分布的测量问题转化为典型的热力学逆问题，并利用共轭梯度算法对逆问题进行数值求解，最终得到激光强度的时空分布。该方法仍适用于具有明显热效应的非高能激光强度分布测量。

A Laser Intensity Inversion Method Based on Inverse Heat Conduction Problem

【技术实现步骤摘要】
一种基于热传导逆问题的激光强度反演方法
本专利技术属于激光
，涉及一种激光参数的诊断和评估方法，尤其指高能激光强度分布的非直接测量方法。该方法仍适用于具有明显热效应的非高能激光强度分布评估与测量。
技术介绍
高能激光不仅光斑面积大，而且能量大、功率高，对测量设备有一定的破坏作用，给测量其时、空特性带来相当大的难度。首先为获取某一参数，常需要开动庞大的激光装置，本身操作复杂、代价高、耗时长；其次，伴随的高频辐射可能干扰探测器；第三，各探测元件在高能激光辐照下，易被破坏或导致性能畸变，使所测参数失真。对激光强度分布实现既可绝对测量、又具时间分辨能力的直接测量变得非常困难，目前发展的一些测量方法还不能很好地解决这一问题。本专利技术可以通过测量激光辐照期间的背光面温度分布计算得到激光强度分布，避免了直接测量的各种困难。本专利技术也可用于测量激光经传输后的远场强度度时空分布。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是提供一种高能激光强度分布的非直接测量方法。该方法基于激光辐照下的材料热传导模型，将激光强度分布的测量问题转化为典型的热力学逆问题，并利用共轭梯度算法对逆问题进行数值求解，最终得到激光强度的时空分布。实现本专利技术的技术解决方案为：一种基于热传导逆问题的激光强度反演方法，其特征在于，该方法步骤如下：步骤101、获取激光辐照材料的表面温度数据；步骤102、获取辐照材料的热力学参数及几何参数，建立辐照材料的热力学模型；步骤103、根据获取激光辐照材料的表面温度数据，计算反演迭代停止值；根据建立的辐照材料的热力学模型，以反演迭代停止值为判断标准，采用反演迭代方法，即数值求解热传导逆问题算法，得到激光辐照面的热流密度；步骤104、根据辐照面的激光耦合系数，以及激光辐照面的热流密度，计算激光强度分布。一种基于热传导逆问题的激光强度反演方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤101、获取激光辐照材料的表面温度数据；激光辐照材料的表面温度数据Tmeasure(rm，t)，通过点阵测温设备或红外测温设备测量获取，rm表示测温点位置，t表示温度场随时间变化值；并得到下述参数：M是测量的温度点数，δ是温度测量误差，tf是测量的温度数据的持续时间；步骤102、获取辐照材料的热力学参数及几何参数，建立辐照材料的热力学模型；步骤103、采用反演迭代方法，即数值求解热传导逆问题算法，得到激光辐照面的热流密度；数值求解算法步骤如下：步骤(1)求解热传导方程，求解的温度即为测量点位置处的温度并求解出qk(r，t)激光辐照热流密度，用于得到优化的激光辐照热流密度；步骤(2)计算优化目标J(qk)，判断是否需要停止优化；J(qk)的计算方法为：若Jk＜Jstop，则对应的qk(r，t)即为优化的激光辐照热流密度；否则，按顺序重复：步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)、步骤(1)、步骤(2)；根据步骤101得到的激光辐照材料的表面温度数据，计算迭代停止值Jstop＝M·δ2·tf步骤(3)计算最速下降方向dk；步骤(4)计算迭代步长βk，步骤(5)更新qk(r，t)，更新方法为：qk+1(r，t)＝qk(r，t)-βk·dk(r，t)(a)作为用于下一次迭代的激光辐照热流密度，上标中的k为迭代步数。步骤104、根据辐照面的激光耦合系数，以及激光辐照面的热流密度，计算激光强度分布。优选地，步骤(1)中，求解的热传导方程为：T(r，0)＝T0其中，qk(r，t)为激光辐照热流密度，T是温度，r是空间位置，时间t＝[0，tf)；Γ为激光辐射的边界，为辐照材料的边界，辐照材料的密度ρ、比热容c、热导率k，热导率k不在上标中。优选地，步骤(3)中，计算最速下降方向dk具体内容为：最速下降方向dk的计算公式为：γ为温度测量对应的边界面；dS为面元积分符号，对应的积分范围为激光辐射的边界面；步骤：(4)计算迭代步长βk，具体内容为：迭代步长βk的计算公式为：式中，Uk为Uk(rm，t)的缩写，求解灵敏度方程可得Uk(rm，t)。本专利技术的优点是：1、本专利技术可以通过测量激光辐照期间的背光面温度分布计算得到激光强度分布，避免了直接测量的各种困难。2、本专利技术采用的数值求解方法将热传导逆问题转化为热力学正问题的迭代求解，可以充分利用已有的成熟的热力学分析软件进行正问题的求解计算，计算结果正确可靠。附图说明图1是反演的算法流程图。具体实施方式本专利技术提供一种高能激光强度分布的非直接测量方法，该方法适用于具有明显热效应的激光强度分布评估与测量。具体过程为：获取激光辐照材料的表面温度数据，计算反演迭代停止值；获取辐照材料的热力学参数及几何参数，建立辐照材料的热力学模型；调用建立的热力学模型，以反演迭代停止值为判断标准，数值求解热传导逆问题，反演得到激光辐照面的热流密度；根据得到的激光辐照面的热流密度，结合辐照面的激光耦合系数，计算激光强度分布。详细流程如下：步骤101、获取激光辐照材料的表面温度数据，计算反演迭代停止值。激光辐照材料的表面温度数据Tmeasure(rm，t)可以通过点阵测温设备或红外测温设备测量获取，rm表示测温点位置，t表示温度场随时间变化值。采用本专利技术所用的反演方法时，需要计算反演迭代停止值，用于判定是否需要继续优化。本专利技术使用的迭代值为：Jstop＝M·δ2·tf(1)其中，M是测量的温度点数，δ是温度测量误差，tf是测量的温度数据的持续时间。步骤102、获取辐照材料的热力学参数及几何参数，建立辐照材料的热力学模型。获取辐照材料的热力学参数及几何参数包括辐照材料的组成、每种辐照材料的密度ρ、比热容c、热导率k。建立辐照材料的热力学模型的步骤随选用的热力学分析软件变化，请参照软件说明书建立模型。推荐使用具有一定编程能力的软件(如ANSYSMechanicalAPDL)，便于反演时快速调用。步骤103、调用建立的热力学模型，以反演迭代停止值为判断标准，数值求解热传导逆问题，即反演算法，反演得到激光辐照面的热流密度。数值求解(反演)算法流程图见附图1。详细过程如下：(1)求解热传导方程：T(r，0)＝T0(5)其中，式(2)为热力学方程，qk(r，t)为激光辐照热流密度，其为待优化参数。首次计算时可使用经验估计值(经验值与实际值越接近，优化求解越快)，也可使用0值。温度T为辐照材料的温度场分布T(r,t)的缩写，是位置空间r及时间t＝[0，tf)的函数。式(3)与(4)为边界条件，Γ为激光辐射的边界(面)，为辐照材料的边界(面)，表示法向微分，上标中的k为迭代步数。T(r,0)为辐照材料的初始温度场分布，一般初始温度为常数，用T0表示。该方程忽略了其他热效应。式(5)为初始条件。求解热传导方程后，根据求解的温度T可得到测量点位置处的温度(2)计算数值求解(反演)算法的优化目标J(qk)，判断是否需要停止优化。J(qk)的计算方法为：若Jk＜Jstop，则停止优化，对应的qk(r，t)即为待求的激光辐照热流密度；否则，重复步骤(3)、(4)、(5)、(1)、(2)。(3)求解伴随方程，计算最速下降方向dk。伴随方程为：λk(r,0)＝0(9)式中，式(7)为热力学方程，式(8)为对应的边界条件，式(9)为初始条件。γ为温度测量对应的边界面，为缩写，可由插值估算，得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于热传导逆问题的激光强度反演方法，其特征在于，该方法步骤如下：步骤101、获取激光辐照材料的表面温度数据；步骤102、获取辐照材料的热力学参数及几何参数，建立辐照材料的热力学模型；步骤103、根据获取激光辐照材料的表面温度数据，计算反演迭代停止值；根据建立的辐照材料的热力学模型，以反演迭代停止值为判断标准，采用反演迭代方法，即数值求解热传导逆问题算法，得到激光辐照面的热流密度；步骤104、根据辐照面的激光耦合系数，以及激光辐照面的热流密度，计算激光强度分布。

【技术特征摘要】
1.一种基于热传导逆问题的激光强度反演方法，其特征在于，该方法步骤如下：步骤101、获取激光辐照材料的表面温度数据；步骤102、获取辐照材料的热力学参数及几何参数，建立辐照材料的热力学模型；步骤103、根据获取激光辐照材料的表面温度数据，计算反演迭代停止值；根据建立的辐照材料的热力学模型，以反演迭代停止值为判断标准，采用反演迭代方法，即数值求解热传导逆问题算法，得到激光辐照面的热流密度；步骤104、根据辐照面的激光耦合系数，以及激光辐照面的热流密度，计算激光强度分布。2.根据权利要求1所述的一种基于热传导逆问题的激光强度反演方法，其特征在于，步骤103、采用反演迭代方法，即数值求解热传导逆问题算法的具体步骤如下：步骤(1)求解热传导方程，求解的温度即为测量点位置处的温度并求解出qk(r，t)激光辐照热流密度；步骤(2)计算优化目标J(qk)，判断是否需要停止优化；J(qk)的计算方法为：若Jk＜Jstop，则对应步骤(1)得出的qk(r，t)即为待求的激光辐照热流密度；否则，按顺序重复：步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)、步骤(1)、步骤(2)；其中，根据步骤101得到的激光辐照材料的表面温度数据，计算出放入反演迭代停止值为：Jstop＝M·δ2，tfM是测量的温度点数，δ是温度测量误差，tf是测量的温度数据的持续时间；步骤(3)：计算最速下降方向；步骤(4)：计算迭代步长；步骤(5)：更新qk(r，t)激光辐照热流密度，用于下一次迭代；rm表示测温点位置，t表示温度场随时间变化值；激光辐照材料的表面温度数据Tmeasure(rm，t)，上标中的中的k为迭代步数。3.根据权利要求1或2所述的一种基于热传导逆问题的激光强度反演方法，其特征在于，步骤104具体内容为：当激光耦合系数α为常数时，激光强度分布F(r，t)计算方法为：F(r，t)＝q(r，t)/α通过温度得到激光耦合系数α，再根据上式计算F(r，t)。4.一种基于热传导逆问题的激光强度反演方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤101、获取激光辐照材料的表面温度数据；激光辐照材料的表面温度数据Tmeasure(rm，t)，通过点阵测温设备或红外测温设备测量获取，rm表示测温点位置，t表示温度场随时间变化值；并得到下述参数：M是测量的温度点数，δ是温度测量误差，tf是测量的温度数据的持续时间；步骤102、获取辐照材料的热力学参数及几何参数，建立辐照材料的热力学模型；步骤103、采用反演迭代方法，即数值求解热传导逆问题...

【专利技术属性】
技术研发人员：史良文，王玉恒，丛自龙，宋瑞，涂遗，
申请(专利权)人：中国人民解放军三二零二七部队，
类型：发明
国别省市：河南,41