一种基于光声信号匹配滤波的金属材料热扩散率测量方法
技术领域
本发明涉及固体材料热物性检测领域，具体涉及一种基于光声信号匹配滤波的金属材料热扩散率无损、快速、定量表征方法。
背景技术
材料的热物理性质可以分为输运性质和热力学性质两类，前者指与能量和动量传递过程有关的性质，具体参数包括导热系数、热扩散率、热辐射参数(发射率、吸收率、反射率)等；后者指与热现象中物态转变和能量转换规律相关的性质，如比热、热膨胀系数等。由于热物性参数既是衡量材料能否适应具体热过程工作环境的依据，又是对特定热过程进行基础研究、分析计算和工程设计的关键，因此对材料热物性参数实现无损、快速、定量、精确地测量和表征，既可以为材料科学领域的创新研究服务，也可以为工业生产与质量监控提供保障。
光声光热技术自上世纪七十年代提出以来，至今已经发展成为无损检测与评价领域的重要分支之一。光声光热技术基于物质的光声光热效应，利用动态调制的激光在样品中激发出扩散波，并运用光学和声学的方法实现对扩散波的检测，由此来推测出样品表面、亚表面和体特征。由于其具有无损、动态、定量、灵敏度高、特异性强等优势，如今光声光热技术已经广泛应用于各种材料的光学、热学、电学、力学、成分、结构等方面的无损定量表征。由于光声信号与样品的热学性质具有强相关，因此光声技术可以实现对材料热物性参数的定量表征。
传统的光声技术在信号的调制和解调上主要采用单频激励与锁相解调模式。在这种模式下，测量材料的热扩散率需要从低频开始扫描至高频，在每个单频点下进行锁相测量，获得幅度和相位信息，然后利用理论模型对实验测得的幅度频率和相位频率的数据进行拟合，从而提取出热扩散率。这种方法非常耗时，一般完成一次测量需要十分钟量级的时间，且信噪比不是最优化的，因此，发展快速、无损、定量热扩散率测量的光声技术是材料热物性检测及光声光热领域的迫切需要。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何克服现有光声技术测量热扩散率方法的不足，提供一种新型热扩散率光声测量方法，实现热扩散率的快速、无损、定量测量。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：提出一种基于光声信号匹配滤波的金属材料热扩散率测量方法，其系统包括函数发生器1、激励激光器2、透反镜3、全反镜4、聚焦透镜5、待测金属样品6、压电换能器7、光电探测器8、数据采集卡9、计算机10，其特征在于：函数发生器1产生啁啾信号并调制激光器2使其发出光强啁啾调制的激光束，经过透反镜3、全反镜4、和聚焦透镜5后激励待测金属样品6的前表面并在其中产生光声信号，该光声信号被耦合在样品后表面的压电换能器7探测；经透反镜3分束的一小部分光被光电探测器8接收，实现对激励光强时域特征的实时监测；数据采集卡9将光声信号和激励光强时域信号采集并传送至计算机10；计算机10根据实时监测的激励光强信号，并结合不同热扩散率所对应的频域光声传递函数，产生一系列参考信号；将这些参考信号分别与测得的光声信号做相关运算，其中相关峰值最高的那个参考信号即为匹配滤波器，所对应的热扩散率即为测量值。
所述的函数发生器1产生的啁啾调制信号的起始与截止频率均为低频，即满足弹性力学的准稳态近似f<<c/L，其中f为所产生的声波的频率，c为待测样品中的声速，L为样品尺寸；啁啾信号的时间带宽积应为整数，即啁啾起始频率与截止频率之差与啁啾时长的乘积为整数。
所述的激光器2应为可实现光强模拟调制的连续激光器，其输出的光强与调制电信号之间应具备良好的线性度。
所述的压电换能器7的厚度应远小于样品的厚度，使得其对样品振动的影响可以忽略。
所述的数据采集卡9的采样频率应远高于啁啾截止频率。
所述的计算机10产生一系列参考信号的具体算法是，先对实时监测到的激励光强时域信号进行傅立叶变换，再将之与不同热扩散率所对应的频域光声传递函数相乘，然后将该复向量归一化，使其二范数为1。
所述的匹配滤波热扩散率反演具体算法是，一系列参考信号分别与测得的光声信号做相关运算，找到相关峰值最高的那个参考信号也就是找到了匹配滤波器，所对应的热扩散率即为测量值，并且此时的信噪比最大
本发明的有益效果是：克服了现有光声热扩散率测量方法测量速度慢等不足，将信号处理与滤波和目标参数的定量测量在同一个步骤里完成，实现了无损、定量、快速、经济的材料热物理性测量。
附图说明
图1为本发明的系统示意图，其中1为函数发生器、2为激励激光器、3为透反镜、4为全反镜、5为聚焦透镜、6为待测金属样品、7为压电换能器、8为光电探测器、9为数据采集卡、10为计算机。
图2为某一紫铜样品的实验测量信号。(a)为实时监测的激励光强时域信号，(b)为相应的光声信号。
图3为信号匹配滤波和热扩散率定量测量的算法框图。其中f(t)为激励光强时域信号，s(t)为光声信号，FFT和IFFT为快速傅立叶变换和逆变换，Z*为取复共轭，T(D)为频域光声传递函数，是热扩散率D的函数。
具体实施方式
下面结合图1-3具体描述本发明提出的一种基于光声信号匹配滤波的金属材料热扩散率测量方法。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，不应该理解成对本发明的限制。具体的实施步骤如下：
(1)实验系统建立。搭建如图1所示的基于光声信号匹配滤波的金属材料热扩散率测量实验系统，包括函数发生器1、激励激光器2、透反镜3、全反镜4、聚焦透镜5、待测金属样品6、压电换能器7、光电探测器8、数据采集卡9、计算机10。
a.激励激光器2选为半导体激光器，可实现光强模拟调制，其输出的光强与调制电信号之间具备良好的线性度。
b.将函数发生器1与激光器2连接，保证函数发生器能发出啁啾电信号，基于激光器说明书所提供的驱动信号数据，设定函数发生器输出信号幅度的安全范围。
c.调节整体光路，使得大部分激光能量经过透反镜3、全反镜4、聚焦透镜5后，形成聚焦光斑激励样品6。
d.将压电换能器7耦合在样品后表面，压电换能器的厚度远小于样品的厚度，使得其对样品振动的影响可以忽略。
e.经透反镜3分束的一小部分光被光电探测器8接收，实现对激励光强时域特征的实时监测。
f.数据采集卡9将光声信号和激励光强时域信号采集并传送至计算机10。
(2)实验测量与信号获取。基于上述实验系统，开展基于光声信号匹配滤波的金属材料热扩散率测量实验。
a.作为举例，该待测样品为圆片状的紫铜，直径为20毫米，厚度为2毫米；
b.实验中所用的激励光平均功率为2瓦，啁啾起始频率为20赫兹，截止频率为120赫兹，啁啾时间为1秒。
c.该样品的实验测量信号如图2所示，其中(a)为实时监测的激励光强时域信号，(b)为相应的光声信号。
(3)信号处理和热扩散率测量。基于前面所得到的激励光强时域信号和光声信号，并结合不同热扩散率所对应的频域光声传递函数，产生一系列参考信号；将这些参考信号分别与测得的光声信号做相关运算，其中相关峰值最高的那个参考信号即为匹配滤波器，所对应的热扩散率即为测量值。具体算法如图3所示。
a.首先对测得的激励光强时域信号f(t)做快速傅立叶变换，得到其频谱F(ω)。
b.将F(ω)与不同热扩散率所对应的频域光声传递函数T逐点相乘，传递函数T(ω,D)由下式给出
其中L为样品厚度，ω＝2πf为角频率，D为热扩散率。容易看出，传递函数T(ω,D)是热扩散率的函数。
c.将F(ω)与不同热扩散率所对应的T(ω,D)相乘后得到的一系列复向量分别进行归一化，使它们的二范数均为1，从而得到了一系列归一化了的频域参考信号。
d.将光声信号s(t)做快速傅立叶变换，然后将其频谱取复共轭后与上述一系列参考信号相乘，并做傅立叶逆变换，本质上是将s(t)与这些参考信号做了相关运算。
f.比较s(t)与这些参考信号相关运算后的时域相关峰，其中峰值最大的那个参考信号即为匹配滤波器，其所对应的热扩散率即为该样品的热扩散率测量值。对于图2所示的实验结果，热扩散率的测量值为108mm2/s。
本发明提出的一种基于光声信号匹配滤波的金属材料热扩散率测量方法，运用光强啁啾调制的激光束激励待测金属样品并在其中产生光声信号，通过寻找匹配滤波器，将信号处理与滤波和目标参数的定量测量在同一个步骤里完成，可以为材料热物理性的检测提供一种无损、定量、快速、经济的表征方法。
