CN111998783B - 基于进化优化算法的反射式太赫兹时域光谱厚度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于进化优化算法的反射式太赫兹时域光谱厚度测量方法,采用自主搭建的全光学激励和接收的非接触反射式太赫兹时域光谱检测***,对参考信号及样品信号进行滤波降噪与傅里叶变换,利用MATLAB互相关函数获取固有相移,获取太赫兹频段范围内涂层样品折射率谱及消光系数谱。使构建的太赫兹波与介质相互作用理论模型更加精确,利用进化优化算法对理论反射太赫兹时域波形与实验样本信号进行全光谱拟合,确定迭代次数或收敛精度;本发明以贴近实际的方式使得构建的太赫兹波与介质相互作用理论模型更加精确,避免固有相移误差与金属基底复折射率随频谱变化等因素导致的测量误差,提高回波脉冲检测精度,增强涂层检测深度分辨率,实现厚度检测。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹时域光谱检测技术领域,特别涉及一种基于进化优化算法的反射式太赫兹时域光谱厚度测量方法。
背景技术
随着航空工业技术的大力发展,防护涂层作为这些大型设备或高端装备的关键部件,其健康状况直接影响到整体结构的完整性、安全性和使用寿命,同时决定构件的耐腐蚀性能及抗氧化能力。厚度作为表征涂层质量及完整性的重要评判指标,精确测量涂层厚度对保持航空复合材料防护涂层的功能、保障基底材料的质量具有重要意义。由于航空复合材料制备工艺复杂、结构特殊且服役工况严苛,因此航空领域复合材料涂层厚度测量必须在有效的无损检测方式下进行。
太赫兹辐射是一种电磁波谱位于微波和红外线之间的电磁波,以其0.1THz~10THz(1THz=1012Hz)的频率范围而命名,对应波长范围介于30μm~3mm之间。随着超快激光和半导体技术的快速发展,太赫兹波的激发及探测手段也愈加稳定可靠。太赫兹波对大多数非金属材料(如玻璃纤维、陶瓷、泡沫、和复合材料等)均具有良好的穿透性。
太赫兹时域光谱技术是太赫兹波谱技术在发展过程中应运而生的典型代表性技术。该技术利用脉冲太赫兹波和物质相互作用关系,同时测量太赫兹信号的相位和幅值,进而实现被测试件的微结构分析,快速并准确开展物理、化学信息的获取及测量。太赫兹时域光谱技术与常规无损检测技术相比,太赫兹时域光谱技术具有以下优势:检测信号频带宽;时空分辨率高;抗干扰能力强;波谱信息丰富;无需接触检测;可实时监测。综上所述,太赫兹时域光谱技术特别适用于非接触、快速、全面的无损检测,实现航空领域复合材料表面涂层的厚度表征。
原则上,利用超短太赫兹脉冲的渡越时间可以直接确定介质层的厚度。考虑在金属基材上的单层涂层,如图1所示。
假设介质层厚度和折射率分别为d1和n1,当太赫兹脉冲以θ角度入射,在空气-介质和介质-金属交界面会发生折射、反射和透射,对于光学厚度较厚的样品而言,反射的相邻回波可以在时域谱中可明显区分,介质层厚度可以直接从渡越路径上太赫兹脉冲回波的时间延迟Δt中计算出来。如式(1)所示。
其中c为光在真空中的传播速度。太赫兹反射式时域光谱***根据单点涂层厚度提取模型可测量最小厚度值dmin为介质层中太赫兹脉冲相干长度的一半,当介质层厚度值小于dmin时(对于薄涂层而言),太赫兹回波脉冲发生时间域重叠现象,又由于介质层化学性质以及结构差异引起界面间折射率的不连续性,太赫兹脉冲会发生多重反射现象,此时单点涂层厚度提取模型不再适用。
本专利针对上述问题提出了一种基于进化优化算法的反射式太赫兹时域光谱厚度测量新方法,将Fabry-Perot振荡与金属基底复折射率随频率变化的因素考虑其中,同时消除了由于参考信号和样本信号在测量过程中的位移所导致的固有相移误差。
发明内容
本发明旨在设计一种基于进化优化算法的反射式太赫兹时域光谱厚度测量新方法,克服上述现有技术存在的缺陷,以更贴近实际的方式使得构建的太赫兹波与介质相互作用理论模型更加精确,避免固有相移误差与金属基底复折射率随频谱变化等因素导致的测量误差,提高回波脉冲检测精度,增强涂层检测深度分辨率,实现厚度检测。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案基于进化优化算法的反射式太赫兹时域光谱厚度测量方法,包括以下步骤:
步骤1,对涂覆在金属基底之上的单层涂层样品与未涂覆涂层的金属基底进行实验,获取金属基底的参考信号Eref及样本反射信号Esam,并进行滤波降噪、信号截取及滑动平均信号预处理技术;
自主搭建全光学激励和接收的非接触反射式太赫兹时域光谱检测***,***组成示意图如图2所示。首先飞秒激光器发射脉冲宽度为飞秒量级的飞秒激光脉冲,经由分束镜分为两束光,分别为泵浦光与探测光。泵浦光经由光学系列棱镜结构入射至太赫兹发射源中,太赫兹脉冲由飞秒激光脉冲与太赫兹辐射源中的光电导天线作用后产生,在空间光路传输***中传播并于样品表面产生反射,携带样品信息的太赫兹反射脉冲信号经由空间光路***传输后到达太赫兹探测源,与此同时,分束镜出射的探测光经由光学延迟机构与太赫兹脉冲共线入射太赫兹探测源,通过等效采样原理获取反射式太赫兹时域光谱信号,经由锁相放大器传输至上位机软件。
步骤2,建立反射式太赫兹理论传递模型;
建立反射式太赫兹理论传递模型,在入射角为0°的条件下,且考虑太赫兹波在样品中多重反射时计算参考信号与样品反射式太赫兹频谱比值。
使用傅里叶反变换F-1实现对任意介质的太赫兹反射波形Er(t)进行描述。
步骤3,对金属基底复折射率与波长关系进行MATLAB非线性拟合,获取太赫兹频段金属基底复折射率;
利用Hagemann等人对铝膜的光学和电子能量损失数据进行严格分析后获取的若干金属铝的复折射率随波长变化的数据点进行MATLAB非线性拟合,获取太赫兹频段范围内金属铝的复折射率频谱。
步骤4,输入进化优化算法的迭代范围,定义目标函数为理论反射式太赫兹时域信号与样本信号最小化误差平方和;
根据上述步骤确定的涂层样品折射率谱、消光系数谱及金属铝的复折射率谱,确定进化优化算法的变量迭代范围上下界,不断改变输入参数,将每次模型傅里叶反变换后得到的理论反射式太赫兹时域信号Er(t)与实验所得到的样本信号Esam比较,利用最小化误差平方和的数字优化技术定义目标函数。
步骤5,定义算法迭代次数或收敛精度,以实现算法迭代收敛。
利用进化优化算法对理论反射太赫兹时域波形与实验样本信号进行全光谱拟合,确定迭代次数或收敛精度,不断接近真值,从而反演确定涂层样品的厚度,同时亦可确定涂层样品与金属基底的光学常数。
本发明有以下显著特点:(1)以更贴近实际的方式使得构建的太赫兹波与介质相互作用理论模型更加精确,将Fabry-Perot振荡与金属基底复折射率随频率变化的因素考虑其中。(2)提高回波脉冲检测精度,增强涂层检测深度分辨率,实现涂层样品厚度检测与涂层样品与金属基底的光学常数测量,扩展了测量结果的信息提取。(3)该测量理论实用性较强。(4)该方法对初值要求较低,仅需在已获取的光学常数范围内进行迭代即可,与频域测量方法相比,该进化优化算法在时域中进行处理可大大降低运算时间。
附图说明
图1太赫兹波在金属基材上单层涂层传播示意图;
图2非接触反射式太赫兹时域光谱检测***示意图;
图3金属基底反射式太赫兹时域光谱图;
图4涂层样品反射式太赫兹时域光谱图;
图5理论反射太赫兹时域光谱信号与实验信号对比图。
具体实施方式
采用自主搭建的全光学激励和接收的非接触反射式太赫兹时域光谱检测***,***组成示意图如图2所示。
太赫兹脉冲由飞秒激光器发射的飞秒激光脉冲与光电导天线作用后产生,在空间光路传输***中传播并于样品表面产生反射,携带样品信息的太赫兹反射脉冲信号由太赫兹探测源接收,经由光学延迟机构实现等效采样后获取反射式太赫兹时域光谱信号。
利用上述***进行试验,在太赫兹脉冲垂直入射的条件下首先获取金属基底的参考信号Eref,更换样品后获取样本反射信号Esam。将两信号读取至MATLAB中,对参考信号及样品信号进行滤波降噪与傅里叶变换,并根据反射式太赫兹时域光谱***的有效太赫兹频段进行信号截取及滑动平均等信号处理手段,获取参考与样品反射式太赫兹频谱分别为复值和
建立反射式太赫兹理论传递模型,在入射角为0°的条件下,且考虑太赫兹波在样品中多重反射时,根据麦克斯韦方程组,二者比值为式(2):
即太赫兹波在样品中的光学传递函数,为了获取理论太赫兹反射信号,使用傅里叶反变换F-1可以实现对任意介质的太赫兹反射波形Er(t)进行描述,如式(3)所示:
Er(t)=Er(n(ω),κ(ω),nref(ω),κref(ω),d) (4)
关于金属复折射率的计算,对于常见金属基底材料如铝,利用Hagemann等人对铝膜的光学和电子能量损失数据进行严格分析后获取的若干金属铝的复折射率随波长变化的数据点进行MATLAB非线性拟合,获取太赫兹频段范围内金属铝的复折射率频谱。
根据上述步骤确定的涂层样品折射率谱、消光系数谱及金属铝的复折射率谱,确定进化优化算法的变量迭代范围上下界,不断改变输入参数,将每次模型傅里叶反变换后得到的理论反射式太赫兹时域信号Er(t)与实验所得到的样本信号Esam比较,利用最小化误差平方和的数字优化技术定义目标函数为式(7):
利用进化优化算法对理论反射太赫兹时域波形与实验样本信号进行全光谱拟合,确定迭代次数或收敛精度,不断逼近真值,从而反演确定涂层样品的厚度,同时亦可确定涂层样品与金属基底的光学常数。
Claims (2)
1.基于进化优化算法的反射式太赫兹时域光谱厚度测量方法,其特征在于:包括以下步骤,
步骤1,对涂覆在金属基底之上的单层涂层样品与未涂覆涂层的金属基底进行实验,搭建全光学激励和接收的非接触反射式太赫兹时域光谱检测***,获取在太赫兹脉冲垂直入射的条件下金属基底的参考信号Eref及样本反射信号Esam;
对获取的参考信号Eref及样品反射信号Esam进行滤波降噪与傅里叶变换,并根据非接触反射式太赫兹时域光谱检测***的有效太赫兹频段进行信号截取及滑动平均信号处理手段,获取参考信号与样品反射式太赫兹频谱分别为复值和;
步骤2,建立反射式太赫兹理论传递模型;
建立反射式太赫兹理论传递模型,在入射角为0°的条件下,且考虑太赫兹波在样品中多重反射时计算参考信号与样品反射式太赫兹频谱比值;
步骤3,对金属基底复折射率与波长关系进行MATLAB非线性拟合,获取太赫兹频段金属基底复折射率;
步骤4,输入进化优化算法的迭代范围,定义目标函数为理论反射式太赫兹时域信号与样本信号最小化误差平方和;
确定涂层样品折射率谱、消光系数谱及金属基底的复折射率谱,确定涂层样品折射率谱、消光系数谱具体为:Er(t)=Er(n(ω) ,κ(ω) ,nref(ω) ,κref(ω) ,d),当空气折射率近似为1时,样品复折射率由决定,
确定进化优化算法的变量迭代范围上下界,不断改变输入参数,将每次模型傅里叶反变换后得到的理论反射式太赫兹时域信号Er(t)与实验所得到的样本信号Esam比较,利用最小化误差平方和的数字优化技术定义目标函数;
步骤5,利用进化优化算法对理论反射太赫兹时域波形与实验样本信号进行全光谱拟合,确定迭代次数或收敛精度,不断逼近真值,从而反演确定涂层样品的厚度,同时亦可确定涂层样品与金属基底的光学常数;
其中搭建的全光学激励和接收的非接触反射式太赫兹时域光谱检测***中,首先飞秒激光器发射脉冲宽度为飞秒量级的飞秒激光脉冲,经由分束镜分为两束光,分别为泵浦光与探测光;泵浦光经由光学系列棱镜结构入射至太赫兹发射源中,太赫兹脉冲由飞秒激光脉冲与太赫兹辐射源中的光电导天线作用后产生,在空间光路传输***中传播并于样品表面产生反射,携带样品信息的太赫兹反射脉冲信号经由空间光路***传输后到达太赫兹探测源,与此同时,分束镜出射的探测光经由光学延迟机构与太赫兹脉冲共线入射太赫兹探测源,通过等效采样原理获取反射式太赫兹时域光谱信号,经由锁相放大器传输至上位机软件。
2.根据权利要求1所述的基于进化优化算法的反射式太赫兹时域光谱厚度测量方法,其特征在于:利用铝膜的光学和电子能量损失数据进行分析后,获取若干金属铝的复折射率随波长变化的数据点进行MATLAB非线性拟合,获取太赫兹频段范围内金属铝的复折射率频谱。
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