CN102749306B - 双向反射分布函数（brdf）绝对测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向反射分布函数（BRDF）绝对测量装置，光源采用高亮度、高均匀性积分球辐射源，积分球反射涂层均采用反射率高、朗伯性好、耐高温抗老化的聚四氟乙烯材料；入射天顶角、方位角与反射天顶角、方位角通过通过六自由度串联式机器人与直径为1500mm的中空分度盘实现，可实现主平面及非主平面内BRDF绝对测量；信号探测部分以紫外增强型Si光电二极管和四级制冷（-85℃）扩展InGaAs光电二极管为光电信号转化器件。本发明在光学计量、航天遥感、汽车工业、深空探测、国防军事等应用领域提供了高精度BRDF测量平台。

Description

双向反射分布函数(BRDF)绝对测量装置

技术领域

本发明属于光谱辐射度测量与光学遥感科学领域,涉及一种高精度双向反射分布函数（BRDF）绝对测量装置。

背景技术

双向反射分布函数（BRDF）是用来描述物体表面散射特性的物理量。其定义为：物体表面在某一方向(θ_r,φ_r)小立体角内的反射辐亮度dL_r (单位：W·m^-2·sr^-1·nm^-1)与入射方向(θ_i,φ_i)小立体角的照度dE_i (单位：W·m^-2·nm^-1)的比值，如图1所示。可表示为如下公式

$f_r({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i;{\mathrm{\θ}}_r,{\mathrm{\φ}}_r;\mathrm{\λ})={\mathrm{dL}}_r({\mathrm{\θ}}_i,{\mathrm{\φ}}_i;{\mathrm{\θ}}_r,\mathrm{\φ};E_i;\mathrm{\λ})/{\mathrm{dE}}_i({\mathrm{\θ}}_i,\mathrm{\φ};\mathrm{\λ})---\left(1\right)$

其中，dE_i(θ_i,φ;λ)为入射在物体上的辐照度，dL_r(θ_i,φ_i;θ_r,φ;E_i;λ)为物体反射的辐亮度；

物体的BRDF表征了其固有属性，通过对物体BRDF的测量，可以提取物体许多有用信息，因此，在工业商贸、遥感遥测、科学研究、国防军事等领域有广泛的应用。近年来，随着遥感定量化水平的不断提高，对BRDF测量提出了越来越高的要求，主要体现在以下三个方面：

第一，遥感器的实验室辐射定标中，通过漫反射参照体的BRDF把溯源到国家计量院的辐照度标准转化为遥感器入瞳辐亮度，其中漫反射参照体BRDF测量不确定度是整个定标不确定度的主要因素之一；

第二，遥感器的外场替代辐射定标中，反射率基法和辐照度基法是最常用的两种方法，这两种方法都需要精确测量地物的BRDF；

第三，遥感器星上辐射定标中，采用漫射板的方法可以实现对光学卫星遥感器全孔径、全视场、端到端的定标，定标的途径是通过星上漫射板的BRDF把已知的大气外太阳辐照度转化为遥感器入瞳辐亮度，因此，星上漫射板BRDF的测量精度直接影响着星上定标的精度。

目前国际上实现BRDF绝对测量的方法主要由三种：细光束小光斑照明，入射和反射强度测量、均匀光束照明入射和反射辐亮度测量以及入射辐照度和反射辐亮度分别绝对测量的方法。其中前两种方法采用几何因子转化的方法，把入射和反射的光通量转化为物理意义上的辐照度和反射辐亮度，避免了入射辐照度和反射辐亮度的绝对测量，同时，两次测量信号的比值消除了探测器响应的影响，减少了标准的溯源，从测量原理上可实现高精度的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度双向反射分布函数（BRDF）绝对测量装置。

本发明采用的技术方案如下：

双向反射分布函数（BRDF）绝对测量装置，包括有光源部分、样品转动机构、信号探测部分、信号处理部分，其特征在于：所述的样品转动机构包括有样品支撑部件、六自由度串联式机器人，样品支撑部件安装于六自由度串联式机器人上，样品支撑部件上夹持测试样品；所述的光源部分包括有两个积分球辐射源，两个积分球辐射源分别为紫外积分球辐射源、可见-短波红外积分球辐射源，所述的紫外积分球辐射源由氙灯光源和积分球球体一组成，可见-短波红外积分球辐射源由石英卤素灯和积分球球体二组成，所述的积分球球体一、积分球球体二内壁上涂有反射涂层，所述的反射涂层采用反射率高、朗伯性好、耐高温抗老化的聚四氟乙烯材料；所述的信号探测部分包括有光电二极管一、光电二极管二，用来监视光源的稳定性，光电二极管一、光电二极管二分别置于积分球球体一、积分球球体二内，积分球的散热采用散热片结合水冷的方式；所述的信号处理部分包括有电流放大器、锁相放大器、数据采集器、计算机，光电二极管一、光电二极管二分别将采集到的光信号经电流放大器、锁相放大器放大后接入数据采集器的AD变换端口，数据采集器将光信号转换为数字信号后通信传输至计算机；操作六自由度串联式机器人，通过改变测试样品法线指向及方位角和天顶角的方式，并保持测试样品的中心坐标不变，进行双向反射分布函数绝对测量。

所述的积分球辐射源的亮度在550nm达到5个太阳常数，辐亮度面均匀性优于99.5%。

所述的氙灯光源的功率为150W，石英卤素的功率为400W。

所述的光电二极管一、光电二极管二分别采用紫外增强型Si光电二极管和四级制冷（-85℃）扩展InGaAs光电二极管。

本发明的测试样品的入射天顶角、方位角(θ_i,φ_i)和反射天顶角、方位角通(θ_r,φ_r)过六自由度串联式机器人与直径为1500mm的中空分度盘实现，角度的定位精度优于15”，该机构不仅能实现通常BRDF在主平面（In plane）测量还能实现非常规的非主平面（Out of plane）测量，使用六自由度串联式机器人可以避开复杂的欧拉角变换。由于串六自由度联式机器人有6个自由度，在入射光束测量时，可以将测试样品倾斜向下，从而实现毫无遮挡的测量。

本发明的信号探测部分采用紫外增强型Si光电二极管和四级制冷（-85℃）扩展InGaAs光电二极管，光电二极管均置于直径为70mm的积分球内，一方面减少了光电二极管的多次反射引入的杂散光，另一方面减少了探测器响应非均匀性引入的不确定度。在紫外可见近红外波段采用高精度电流放大器实现光信号的测量，在短波红外波段采用锁相放大的相关技术实现背景噪声和真实信号的分离。

本发明的有益效果在于：

本发明装置可以实现星上定标漫射板等材料BRDF小于1%（550nm，0/45）的高精度测量，在光学计量、航天遥感、汽车工业、深空探测、国防军事等应用领域提供了高精度BRDF测量平台。

附图说明

图1是BRDF反射和入射几何位置示意图。

图2是本发明的测量原理图。

图3是本发明的非主平面测量的示意图。

图4是本发明的信号处理部分的示意图。

具体实施方式

如图2、3、4所示，双向反射分布函数（BRDF）绝对测量装置，包括有光源部分、样品转动机构、信号探测部分、信号处理部分，样品转动机构包括有样品支撑部件、六自由度串联式机器人，样品支撑部件安装于六自由度串联式机器人上，样品支撑部件上夹持测试样品3，光源部分包括有两个积分球辐射源，两个积分球辐射源分别为紫外积分球辐射源1、可见-短波红外积分球辐射源2，紫外积分球辐射源1由氙灯光源和积分球球体一组成，氙灯光源经汇聚后进入积分球球体一内，可见-短波红外积分球辐射源2由石英卤素灯和积分球球体二组成，积分球球体一、积分球球体二内壁上涂有反射涂层，反射涂层采用反射率高、朗伯性好、耐高温抗老化的聚四氟乙烯材料；信号探测部分包括有光电二极管4、光电二极管5，用来监视光源的稳定性，光电二极管4、光电二极管5分别置于积分球球体一、积分球球体二内，积分球的散热采用散热片结合水冷的方式；信号处理部分包括有电流放大器6、锁相放大器7、数据采集器8、计算机9，光电二极管4、光电二极管5分别将采集到的光信号经电流放大器6、锁相放大器7放大后接入数据采集器8的AD变换端口，数据采集器8将光信号转换为数字信号后通信传输至计算机9；操作六自由度串联式机器人，通过改变测试样品法线指向及方位角和天顶角的方式，并保持测试样品的中心坐标不变，进行双向反射分布函数绝对测量。

积分球辐射源的亮度在550nm达到5个太阳常数，辐亮度面均匀性优于99.5%。

氙灯光源的功率为150W，石英卤素的功率为400W。

光电二极管4、光电二极管5分别采用紫外增强型Si光电二极管和四级制冷（-85℃）扩展InGaAs光电二极管。

本发明的测试样品3的入射天顶角、方位角(θ_i,φ_i)和反射天顶角、方位角 (θ_r,φ_r)通过六自由度串联式机器人与直径为1500mm的中空分度盘实现，角度的定位精度优于15”，该机构不仅能实现通常BRDF在主平面（In plane）测量还能实现非常规的非主平面（Out ofplane）测量，使用六自由度串联式机器人可以避开复杂的欧拉角变换。由于串六自由度联式机器人有6个自由度，在入射光束测量时，可以将测试样品倾斜向下，从而实现毫无遮挡的测量。

本发明的信号探测部分采用紫外增强型Si光电二极管和四级制冷（-85℃）扩展InGaAs光电二极管，光电二极管均置于直径为70mm的积分球内，一方面减少了光电二极管的多次反射引入的杂散光，另一方面减少了探测器响应非均匀性引入的不确定度。在紫外可见近红外波段采用高精度电流放大器实现光信号的测量，在短波红外波段采用锁相放大的相关技术实现背景噪声和真实信号的分离。

Claims (3)

1.一种双向反射分布函数（BRDF）绝对测量装置，包括有光源部分、样品转动机构、信号探测部分、信号处理部分，所述的信号处理部分包括有电流放大器、锁相放大器、数据采集器、计算机，光电二极管一、光电二极管二分别将采集到的光信号经电流放大器、锁相放大器放大后接入数据采集器的AD变换端口，数据采集器将光信号转换为数字信号后通信传输至计算机；其特征在于：所述的样品转动机构包括有样品支撑部件、六自由度串联式机器人，样品支撑部件安装于六自由度串联式机器人上，样品支撑部件上夹持测试样品；所述的光源部分包括有两个积分球辐射源，两个积分球辐射源分别为紫外积分球辐射源、可见-短波红外积分球辐射源，所述的紫外积分球辐射源由氙灯光源和积分球球体一组成，可见-短波红外积分球辐射源由石英卤素灯和积分球球体二组成，所述的积分球球体一、积分球球体二内壁上涂有反射涂层，所述的反射涂层采用聚四氟乙烯材料；所述的信号探测部分包括有光电二极管一、光电二极管二，光电二极管一、光电二极管二分别置于积分球球体一、积分球球体二内；操作六自由度串联式机器人，通过改变测试样品法线指向及方位角和天顶角的方式，并保持测试样品的中心坐标不变，进行双向反射分布函数绝对测量。

2.根据权利要求1所述的双向反射分布函数（BRDF）绝对测量装置，其特征在于：所述的积分球辐射源的亮度在550nm达到5个太阳常数，辐亮度面均匀性优于99.5%。

3.根据权利要求1所述的双向反射分布函数（BRDF）绝对测量装置，其特征在于：所述的氙灯光源的功率为150W，石英卤素的功率为400W。

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