CN100554944C - 实验室烟(水)雾brdf测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实验室烟(水)雾BRDF测量方法，在实验室中，利用水汽来模拟云雾。在激光经扩束的情况下，同时测量透过光强和不同角度的后向散射光强。以替代目前必须在外场做的工作，从而大量的节省时间、人力、物力和资金。

Description

实验室烟(水)雾BRDF测量方法
技术领域
本发明涉及光学、自动控制、光电检测技术领域，具体的说是一种实验室烟(水)雾BRDF测量方法。
技术背景
针对烟雾BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function，双向反射分布函数)的实验室测量技术，目前在国内外还未见过相关报道，以前的相关后向散射测量都是在外场进行的，这种方式要消耗大量的入力物力和资金。在实验室内进行模拟测量的问题一直没有得到较好的解决。
外场实验测量所用到的设备：能见度仪，微脉冲激光雷达，数据采集处理分析系统。
能见度仪通过测量大气中颗粒对近红外光束的散射获得气象能见度(MOR)。光发射器向大气发射近红外短脉冲，接收器接收探测到经大气颗粒的散射，通过理论分析，全数字信号处理判别，可以获得在不同环境下的能见度。结合激光在大气中衰减与后向散射测量，可以建立不同大气环境气溶胶的模型和数据库。
微脉冲激光雷达可以做大气云雾(或其他气溶胶)的后向散射特性和距离分辨。在此基础上，结合典型地表激光双站散射特性理论研究模型与测量数据，可以较精确地研究不同烟雾下目标的后向散射特性。
在外场实验中根据能见度仪和微脉冲激光雷达测量数据，可建立激光多重散射数学模型，并反演实际大气环境中烟雾、云雾等浮悬粒子的数密度，以及等效光学厚度。
发明目的
本发明提出一种实验室烟(水)雾BRDF测量方法，在实验室中，利用水汽来模拟云雾。在激光经扩束的情况下，同时测量透过光强和不同角度的后向散射光强。以替代目前必须在外场做的工作，从而大量的节省时间、人力、物力和资金。
本发明的技术方案
实验室烟(水)雾BRDF测量方法，其原理是：包括有BRDF测量系统，BRDF测量系统有三台步进电机驱动的机架，三台电机的转动轴成X-Y-Z向相互垂直，其特征在于在机架上安装有一球形样品池，样品池内光满烟雾或水雾，三台电机的转动轴相交处位于球形样品池的中心，通过激光器发射激光经扩束镜扩束后，射入样品池，在样品池的后方及前方固定位置分别设置光电倍增管，同时测量透射光强度和一定后向散射角的散射光强，或者不同方向的散射光强，改变后向散射角，重复进行上述测量，再通过测出水汽或烟雾的粒径分布，用于验证后向散射数学模型。样品池后方的光电倍增管安装在机架上，样品池前方的光电倍增管固定安装在样品池前方。
一种实验室烟(水)雾BRDF测量方法，其特征在于：在BRDF测量系统基础上，将透明的球形样品池、激光器、斩波器、扩束镜、反射镜组依次放置在机架上，使激光器发射的激光通过斩波器、扩束镜后，经反射镜组反射到球形样品池上，轴线穿过球形样品池球心的电机C放置在机架底部，带动机架水平转动，放置在机架上且轴线穿过球形样品池球心的电机A带动球形样品池水平转动，放置在机架上且轴线穿过球形样品池球心的电机B带动球形样品池水垂直转动，将与锁相放大器相连接的光电倍增管放置在反射镜组同侧，光电倍增管的探测头对准球形样品池，光电倍增管与球形样品池之间放置有凸透镜，凸透镜距离光电倍增管为一个透镜焦距，转动电机A确定经反射后的激光的入射角，再分别转动电机B、电机C，得到不同的光电倍增管接收光线的接收角，根据下面公式进行控制，
Figure C20051003920800051
上式中a、b、c为三个电机转动的角度，θi为入射天顶角，θr为接收天顶角，
Figure C20051003920800052
为入射方位角，
Figure C20051003920800053
接收方位角，为人为定义的方位角，采用比较的方法得到样品双向反射分布函数；首先对样品池中的烟雾进行测量，然后将样品池位置换为聚四氟乙烯F4标准板再进行一次测量，聚四氟乙烯F4标准板的双向反射分布函数为由分光光度计测得的半球反射率ρ/π，对聚四氟乙烯F4标准板的测量，由于在所有接收方向，探测视场都大于样品表面，则锁相放大器输出值：
Vb(θi，φi；θr，φr；λ)＝Vo(θi，0；0，0；λ)cosθr
θ为天顶角，φ为方位角，下标i表示入射，下标r表示反射方向，λ为波长，Vo为天顶方向接收时的标准板锁相放大器输出；同样对样品池测量可以得到
Figure C20051003920800061
因此可以得到以下关系：
Figure C20051003920800062
Figure C20051003920800063
；测出F4标准板由分光光度计测得的半球反射率ρ和天顶方向接收时的标准板锁相放大器输出Vo，即可得到样品的双向反射分布函数。
所述的一种实验室烟(水)雾BRDF测量方法，其特征在于：通过放置在反射镜组反射光路上的光电倍增管，对反射过后再穿过球形样品池后的激光检测反馈到计算机，并由计算机控制功率控制器使生烟器或加湿器工作，最终使球形样品池内烟雾相对稳定。
所述的一种实验室烟(水)雾BRDF测量方法，其特征在于：所述的放置在支架上的电机A的传动轴与球形样品池的水平旋转轴共轴，且其轴线穿过球形样品池的球心；所述的放置在支架上的电机B的传动轴与球形样品池的垂直旋转轴共轴，且其轴线穿过球形样品池的球心。
本发明的原理
激光器发出的细光束经扩束器扩束后，进入样品池。样品池中充满由加湿器产生的水汽，控制加湿器产生水汽量的大小，以及周围环境的变化，在样品池中的水汽达到平衡后，样品池中具有不同粒子数密度的水汽。在实验室，可以同时测量透测光强度和一定后向散射角的散射光强，或者不同方向的散射光强。改变后向散射角，重复进行上述测量。再通过测出水汽的粒径分布，可以验证后向散射数学模型，并由此推广至其他情况。
本发明的效果
本发明提供了一种在实验室内对模拟云雾进行BRDF测量的方法，更换加湿器为生烟器后，还可以用于实验室内模拟烟雾等其它气溶胶的后向散射测量。相比于目前的外场测量的方法，极大的节约了实验成本并缩短了实验周期，另外很关键的一点就是有很多特定的实验条件，在外场并不是随时都可以满足。
其一，根据已知云雾的特征，如能见度、雾滴的粒子谱分布等参数，利用获得激光近距探测后向散射功率的数学模型，以及云雾的等效厚度。将理论模型与实验室水雾的散射实验比较验证。其二，在外场实验中根据能见度仪和微脉冲激光雷达测量数据，建立合理的激光多重散射数学模型，并反演实际大气环境中烟雾、云雾等浮悬粒子的数密度，以及等效光学厚度。
附图说明
图1本发明的结构示意图。
图2本发明的原理示意图。
具体实施方式
一种实验室烟(水)雾BRDF测量方法，在BRDF测量系统基础上，将透明的球形样品池4、激光器10、斩波器9、扩束镜8、反射镜组7依次放置在机架14上，使激光器10发射的激光通过斩波器9、扩束镜8后，经反射镜组7反射到球形样品池4上，轴线穿过球形样品池4球心的电机C放置在机架14底部，带动机架14水平转动，放置在机架14上且轴线穿过球形样品池4球心的电机A带动球形样品池4水平转动，放置在机架14上且轴线穿过球形样品池4球心的电机B带动球形样品池4水垂直转动，放置在支架17上的电机A的传动轴与球形样品池4的水平旋转轴15共轴，且其轴线穿过球形样品池4的球心，放置在支架17上的电机B的传动轴与球形样品池4的垂直旋转轴16共轴，且其轴线穿过球形样品池4的球心。将与锁相放大器1相连接的光电倍增管6放置在反射镜组7同侧，光电倍增管6的探测头对准球形样品池4，光电倍增管6与球形样品池之间放置有凸透镜5，凸透镜5距离光电倍增管6为一个透镜焦距，转动电机A确定经反射后的激光的入射角，再分别转动电机B、电机C，得到不同的光电倍增管6接收光线的接收角，根据下面公式进行控制，
Figure C20051003920800071
上式中a、b、c为三个电机转动的角度，θi为入射天顶角，θr为接收天顶角，
Figure C20051003920800081
为入射方位角，
Figure C20051003920800082
接收方位角，
Figure C20051003920800083
为人为定义的方位角，采用比较的方法得到样品双向反射分布函数；首先对样品池中的烟雾进行测量，然后将样品池位置换为聚四氟乙烯F4标准板再进行一次测量，聚四氟乙烯F4标准板的双向反射分布函数为由分光光度计测得的半球反射率ρ/π，对聚四氟乙烯F4标准板的测量，由于在所有接收方向，探测视场都大于样品表面，则锁相放大器输出值：
Vb(θi，φi；θr，φr；λ)＝Vo(θi，0；0，0；λ)cosθr
θ为天顶角，φ为方位角，下标i表示入射，下标r表示反射方向，λ为波长，Vo为天顶方向接收时的标准板锁相放大器输出；同样对样品池测量可以得到
Figure C20051003920800084
因此可以得到以下关系：
Figure C20051003920800085
Figure C20051003920800086
；测出F4标准板由分光光度计测得的半球反射率ρ和天顶方向接收时的标准板锁相放大器输出Vo，即可得到样品的双向反射分布函数。
通过放置在反射镜组7反射光路上的光电倍增管3，对反射过后再穿过4球形样品池后的激光检测反馈到计算机11，并由计算机1]控制功率控制器12使生烟器或加湿器13工作，最终使球形样品池4内烟雾相对稳定。
电机A、B、C的转动是在合理地选择一个三轴系统的数学坐标系的前提下，通过一定的规律来旋转样品，能将复杂的三维空间的变角光度测量简化到二维平面上来实现。样品池4为球形，其球心为空间坐标系的原点，在各电机的旋转面上。设计为球形主要是考虑到在样品池旋转时，照向光电倍增管3的光通过水雾的光程不变。生烟器或加湿器13和功率控制器12、光电倍增管3、锁相放大器2等构成负反馈控制系统，以保证样品池内烟雾的相对稳定，全系统由计算机控制。

Claims (3)

1、一种实验室烟雾或水雾BRDF测量方法，其特征在于：在BRDF测量系统基础上，将透明的球形样品池、激光器、斩波器、扩束镜、反射镜组依次放置在机架上，使激光器发射的激光通过斩波器、扩束镜后，经反射镜组反射到球形样品池上，轴线穿过球形样品池球心的电机C放置在机架底部，带动机架水平转动，放置在机架上且轴线穿过球形样品池球心的电机A带动球形样品池水平转动，放置在机架上且轴线穿过球形样品池球心的电机B带动球形样品池垂直转动，将与锁相放大器相连接的光电倍增管放置在反射镜组同侧，光电倍增管的探测头对准球形样品池，光电倍增管与球形样品池之间放置有凸透镜，凸透镜距离光电倍增管为一个透镜焦距，转动电机A确定经反射后的激光的入射角，再分别转动电机B、电机C，得到光电倍增管接收光线的不同的接收角，根据下面公式进行控制，
Figure C2005100392080002C1
上式中
a、b、c分别为电机a、b、c转动的角度，θi为入射天顶角，θr为接收天顶角，为入射方位角，
Figure C2005100392080002C3
接收方位角，
Figure C2005100392080002C4
为人为定义的方位角，采用比较的方法得到样品双向反射分布函数：首先对样品池中的烟雾进行测量，然后将样品池位置换为聚四氟乙烯F4标准板再进行一次测量，聚四氟乙烯F4标准板的双向反射分布函数为由分光光度计测得的半球反射率ρ/π，对聚四氟乙烯F4标准板的测量，由于在所有接收方向，探测视场都大于样品表面，则锁相放大器输出值：
Vb(θi，φi；θr，φr；λ)＝Vo(θi，0；0，0；λ)cosθr
θ为天顶角，φ为方位角，下标i表示入射，下标r表示反射方向，λ为波长，Vo为天顶方向接收时的标准板锁相放大器输出；同样对样品池测量可以得到
Figure C2005100392080002C5
因此可以得到以下关系：
测出F4标准板由分光光度计测得的半球反射ρ和天顶方向接收时的标准板锁相放大器输出Vo，即可得到样品的双向反射分布函数：
Figure C2005100392080003C2
2、根据权利要求1所述的一种实验室烟雾或水雾BRDF测量方法，其特征在于：通过放置在反射镜组反射光路上的光电倍增管，对反射过后再穿过球形样品池后的激光检测反馈到计算机，并由计算机控制功率控制器使生烟器工作，最终使球形样品池内烟雾相对稳定。
3、根据权利要求1所述的一种实验室烟雾或水雾BRDF测量方法，其特征在于：所述的放置在支架上的电机A的传动轴与球形样品池的水平旋转轴共轴，且其轴线穿过球形样品池的球心；所述的放置在支架上的电机B的传动轴与球形样品池的垂直旋转轴共轴，且其轴线穿过球形样品池的球心。
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