CN104101580A - 一种基于半球阵列探测的brdf快速测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于半球阵列探测的BRDF快速测量装置，由激光器、光纤、光纤分束器、光功率计、二维调节激光准直机构、全封闭半球暗室、阵列光电探测器、数据采集处理系统、上位机组成。本发明无复杂机械结构和机电控制系统，结构简单，操作方便；半球型全封闭设计自带暗室实验环境，提高了系统环境适应性；通过半球空间密集型阵列探测，可以在2秒内一次性快速完成待测材料反射半球空间所有采样角度的双向反射分布函数的测量，提高了测量效率；无复杂的光学系统，采用光电探测器与高速数字电路采集模块这种简易通用模式实现多路信号快速采集处理，成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及材料光学散射特性测量领域，具体是指一种基于半球阵列探测的BRDF快速测量装置。
背景技术
随着军用航天技术的发展，空间目标的光散射特性正受到越来越多学者关注，特别是随着激光技术的发展，开展空间目标激光散射与辐射特性的研究，对目标的探测、跟踪与识别、目标隐身等空间突防技术具有十分重要的应用价值。
目标对入射到它上面激光的散射能力，显然与目标表面材料的种类、表面粗糙度及目标的几何结构有关。在光学中，一般把表面对光的反射分为两类，即镜面反射和漫反射。实际上，并不存在绝对镜面反射面和绝对漫反射面，因而，必须找到一种能合理地描述各种不同反射状况的参数。在材料表面散射特性研究中，通过采用双向反射分布函数来表征材料表面的反射特性，描述不同入射方向下材料在2π空间内反射光谱的分布情况，它是材料的一种基本光学特性，仅与材料表面本身特性有关。美国学者Nicodemus于1970年正式提出双向反射分布函数，公式如下：
式中，分别是球坐标下的天顶角和方位角，下标i，r分别代表入射量和反射量，为入射方向下的反射方向的亮度，为方向上的入射照度，光束和目标表面关系的BRDF几何图如图1所示。
假设在ωr内探测器接收到的光通量为φr，那么根据辐射传输原理：
φr＝LAidωrcos(θr)
φi＝EiAi
f＝L/Ei＝φr/φiωrcos(θr)
在接收立体角ωr较小的情况下，认为接收亮度是均匀的，那么上式中的φi、φr、ωr和θr都是可以测量的，从而可以计算出双向反射分布函数，实现双向反射分布函数的实验室测量。
现有实验室测量BRDF的装置主要包括两类：一类是利用单个或多个光电探测器在待测样品表面上方作二维或一维扫描，逐点探测表面沿各个角度的反射分布；另一类是利用光学成像系统将各个反射方向的光辐射分布成像到成像探测器上,再通过图像处理系统得到双向反射分布函数。
第一类装置的特点是探测器响应范围较大，配合后续电路可以实现表面沿任意角度反射光辐射通量的精确测量；缺点是耗时多，虽然采用计算机控制自动扫描可以提高测量速度，但是机械系统和电机控制系统复杂，测量与数据处理的时间过长。
第二类装置中最具有典型代表产品采用光纤将入射光耦合投射到待测材料表面，来自各个角度的反射光辐射通量采用光纤耦合接收，并投影到散射屏上，最后由光学成像CCD成像采集，并利用图像处理方法计算不同角度的光强分布，该方法可同步采集空间的散射光，测量快速操作简单，缺点是光学系统非常复杂，前期投入较大且成本较高。
发明内容
本发明的目的是设计一种基于半球阵列探测的BRDF快速测量装置，该BRDF测量装置结构简单，无复杂的机电控制系统和光学系统，成本较低，并自带暗室实验环境，通过半球空间密集型阵列探测，利用高速数字电路采集模块实现多路信号快速采集处理，可以在2秒内一次性快速完成半球空间所有采样角度的双向反射分布函数测量，为研究材料的光学散射特性提供原始数据积累。
本发明采用的技术方案：一种基于半球阵列探测的BRDF快速测量装置，包括：激光器、光纤、光纤分束器、光功率计、二维调节激光准直机构、全封闭半球暗室、光电探测器、数据采集处理系统、上位机；
所述激光器发射激光，通过光纤传输到光纤分束器的输入端，光纤分束器的输出端分别连接到二维调节激光准直机构和光功率计的输入端，光功率计的输出端连接到上位机；
所述二维调节激光准直机构设置在全封闭半球暗室的外表面上，且所述全封闭半球暗室的外表面上安装若干个光电探测器阵列；
所述每一个光电探测器独立连接到数据采集处理系统；
所述高速数据采集处理系统连接到上位机。
在上述技术方案中，所述光纤分束器的输出端可连接若干个二维调节激光准直机构，实现不同入射角度下的BRDF测量。
在上述技术方案中，所述若干个二维调节激光准直机构依次设置在全封闭半球暗室的外表面，且覆盖角度范围与采样角度间隔均可按实际需求调节。
在上述技术方案中，所述若干个光电探测器阵列一般均匀排布在全封闭半球暗室的外表面上，采样角度间隔可按实际需求调节，且对于BRDF变化率较快的区域可局部加密。
在上述技术方案中，上位机控制对光功率计和高速数据采集系统进行同步数据监测和存储，保证数据处理的实时性和有效性。
本发明中，激光器提供激光光源，可根据实际需求选择相应的波长；光纤用于激光导光传输，经光纤分束器后分成两路，一路激光到达光功率计，通过上位机控制与高速数据采集系统同步监测和记录，另一路通过二维调节激光准直机构，准直入射到半球球心的待测材料表面上。通过空间大小和实际角度精度需求合理设计准直激光入射角度间隔。本装置光源入射角度间隔设计为15°，入射角度设计范围为15°～75°，在半球空间结构上形成一条圆弧线。由于光纤分束器分束比一定，通过光功率计读数可获得入射到材料表面的激光功率大小。
全封闭半球暗室设计可以以较低的成本提供有限范围内的暗室，减少各种各样的杂散光，提高信噪比，提高测量精度。二维调节激光准直机构和阵列光电探测器通过结构设计与半球空间的安装孔配合实现密闭安装。
光电探测器阵列分布在待测材料表面反射半球空间，通过半球空间大小和实际角度精度需求合理设计阵列空间分辨率，实现阵列光电探测器直接测量获得材料双向反射分布强度，从而实现材料的双向反射分布函数的测量。针对阵列探测器空间布局要求，半球结构参数，兼顾探测器安装要求，合理设计探测器接收口径及光敏面尺寸。光电探测器的响应波长应与激光器波长匹配，并且功率探测动态范围应与激光器入射功率进行匹配设计。
数据采集处理系统通过FPGA高速数据采集卡对阵列探测器多路输出信号进行实时采集、并行存储。通过数据端口送入上位机，上位机采集处理软件接收采集系统发送的数据，实时进行计算处理得到整个半球空间的双向反射函数分布，并按指定数据格式进行存储。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明无复杂机械结构和机电控制系统，结构简单，操作方便；半球型全封闭设计自带暗室实验环境，提高了系统环境适应性；通过半球空间密集型阵列探测，可以在2秒内一次性快速完成待测材料反射半球空间所有采样角度的双向反射分布函数的测量，提高了测量效率；无复杂的光学系统，采用光电探测器与高速数字电路采集模块这种简易通用模式实现多路信号快速采集处理，成本较低。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是光束和目标表面关系的BRDF几何图
图2是本发明的系统结构示意图；
其中：1是二维调节激光准直机构，2是光电探测器，3是全封闭半球暗室。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
如图2所示，本发明所述的全封闭半球暗室采用半球直径为1m，光电探测器光敏面尺寸为Φ1mm，半球空间探测阵列整体采样间隔设计为15°，即方位角度间隔为15°，俯仰角度间隔为15°；在特别关心和反射函数变化率较快的区域进行局部加密探测，采样间隔设计为5°。
全封闭半球暗室设置在水平的试验台上，通过水平调节系统调整实验台水平，通过光学或者机械方法定位确定半球球心位置，通过二维调节激光准直机构调整各种角度入射激光均准直投射到球心位置。将待测材料放置到实验台球心位置，即可测量材料的双向反射分布函数。
激光器发射的激光通过光纤传输到光纤分束器，光纤分束器将激光分为两路，一路由光功率计接收并同步输出到上位机，另一路输出到二维调节激光准直机构，二维调节激光准直机构在全封闭半球暗室的外表面按一定角度均匀排布，覆盖多个入射方向，使得在全封闭半球暗室球心处的材料能接收到来自各个角度的入射光照射。
高速数据采集系统采集2π半球空间光电探测器阵列电信号，光功率计测量入射光功率信号，两种信号通过上位机进行同步监测和记录，结合光电探测器的接收立体角，根据前文所述的计算公式，利用数据处理软件快速实现BRDF的计算和存储。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (5)
1.一种基于半球阵列探测的BRDF快速测量装置，其特征包括：
激光器、光纤、光纤分束器、光功率计、二维调节激光准直机构、全封闭半球暗室、光电探测器、高速数据采集处理系统、上位机；
所述激光器发射激光通过光纤传输到光纤分束器的输入端，光纤分束器的输出端分别连接到二维调节激光准直机构和光功率计的输入端，光功率计的输出端连接到上位机；
所述二维调节激光准直机构安装在全封闭半球暗室的外表面上，且所述全封闭半球暗室的外表面上设置若干个光电探测器阵列；
所述每一个光电探测器独立连接到数据采集处理系统；
所述高速数据采集处理系统连接到上位机。
2.根据权利要求1所述的一种基于半球阵列探测的BRDF快速测量装置，其特征在于所述光纤分束器的输出端可连接若干个二维调节激光准直机构，实现不同入射角度下的BRDF测量。
3.根据权利要求2所述的一种基于半球阵列探测的BRDF快速测量装置，其特征在于所述若干个二维调节激光准直机构依次设置在全封闭半球暗室的外表面，且覆盖角度范围与采样角度间隔均可按实际需求调节。
4.根据权利要求1所述的一种基于半球阵列探测的BRDF快速测量装置，其特征为所述若干个光电探测器阵列一般均匀排布在全封闭半球暗室的外表面上，采样角度间隔可按实际需求调节，且对于BRDF变化率较快的区域可局部加密。
5.根据权利要求1所述的一种基于半球阵列探测的BRDF快速测量装置，其特征为上位机控制对光功率计和高速数据采集系统进行同步数据监测和存储，保证数据处理的实时性和有效性。
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