CN110823836A - 地物光谱多角度测试系统 - Google Patents

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CN110823836A CN201911145263.0A CN201911145263A CN110823836A CN 110823836 A CN110823836 A CN 110823836A CN 201911145263 A CN201911145263 A CN 201911145263A CN 110823836 A CN110823836 A CN 110823836A
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张航
张睿鹏
兰强
金琪程
陈懿
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4738—Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials

Abstract

本发明公开了一种地物光谱多角度测试系统，光学检测设备技术领域，本发明的地物光谱多角度测试系统，由测试平台、光源系统和光源支架组成，在结构上采用铝合金型材和圆弧形铝合金型材轨道，光源系统沿圆弧形铝合金型材轨道0‑90度范围内偏转，可极大简化系统结构降低系统重量；通过天顶角旋转机构可带动光纤探测器在光纤距上样品台一定距离内做半球空间旋转，以及通过方位角旋转机构在一定直径内做水平旋转，可对不同大小和体积的漫反射物体反射特性进行测量，特别是用于遥感技术领域中对地物三维空间光分布进行测量，本测试系统可以在航天遥感、地理信息、海洋开发、气候研究、军工信息等领域得到广泛应用。

Description

地物光谱多角度测试系统
技术领域
本发明涉及光学检测设备技术领域，具体涉及一种地物光谱多角度测试系统。
背景技术
双向反射分布函数(BRDF)是反映材料表面空间反射特性的基本物理量，它描述了来自指定方向的入射光线经材料表面反射到空间各个方向的反射光分布。对于地物的表面，在不同视角观测到材料表面形貌由BRDF决定。由于BRDF是一个复杂的多维函数，通常用简化的漫反射和镜面反射模型来描述完整的反射特性。
目前国内外常用的集中BRDF测量方案，主要是通过改变探测器、样品和光源的相对位置来实现入射和反射方向在空间的变化。在测量实验中，对转角精度不作要求时的设计方案较为简单，在一些有特殊要求的情况下需要同时使用多个转台和平移台；此外，在一些装置中测角仪工作台被放置在真空环境里，一些仪器还通过使用多个探测器或光纤来提高灵敏性并实现快速取样，该方法结构复杂，成本高。
此外，目前国内外常用的光源方案，结构复杂，重量大，加工制造成本高昂，光照面积有限，对于较大测试样品实验存在一定困难，且光照均匀性较差。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种地物光谱多角度测试系统，仅采用一个测试平台和一个探测器来实现快速取样，满足实验室可见光谱、红外光谱BRDF测试和户外遥感测试需要，同时简化现有光源系统结构，降低成本，能增大光照面积，光照能量高且更均匀。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
地物光谱多角度测试系统，由测试平台、光源系统和光源支架组成；
所述测试平台包括：
平台支架；
位于平台支架上方的方位角旋转机构，所述方位角旋转机构包括带有中心孔的上层圆盘和下层圆盘，所述上层圆盘通过动力机构驱动能够相对于下层圆盘实现360度正反两个方向水平旋转，所述下层圆盘固定在平台支架上；
位于上层圆盘圆心处的上样品台，用于放置被测物体；
以及固定于上层圆盘圆周上的天顶角旋转机构，所述天顶角旋转机构通过步进电机驱动在竖直平面内实现±90度旋转，其顶部安装有光纤探测器，所述光纤探测器通过方位角旋转机构和天顶角旋转机构实现对被测物体在半球形范围内的三维空间反射光分布测量；
所述光源支架包括圆弧形轨道，所述光源支架与下层圆盘固定连接；
所述光源系统滑动于圆弧形轨道上，所述光源系统为标准A光光源或离轴非球面反射光源，其入射角度活动范围为0-90度。
优选地，所述天顶角旋转机构包括由垂直架和水平架组成的框架，所述竖直架的底端通过转轴与步进电机和减速器相连，所述水平架通过竖直架上的滑道和固定旋钮实现在1米范围内的高度调整，光纤探测器安装在水平架的一端，使探测器头对准方位角旋转机构的中心。
优选地，所述方位角旋转机构的上层圆盘通过固定于中心的转轴与步进电机和减速器相连，所述下层圆盘作为上层圆盘的旋转底座与平台支架固定相连。
优选地，所述光纤探测器通过X-Y双向微位移台实现垂直方向正负70-80毫米的高度调节以及水平方向正负1-2毫米的微调。
优选地，所述上层圆盘上表面嵌装有水准器。
优选地，所述上层圆盘上设有方位角度刻度。
优选地，所述天顶角旋转机构的步进电机的输出端连接有编码器。
优选地，还包括位于平台支架下方的下样品台，用于放置被测物体，所述下样品台通过竖直方向设置的滑杆和固定旋钮实现竖直方向0.5米范围内的高度调节。
优选地，所述方位角旋转机构的动力机构包括步进电机和减速器，通过步进电机和减速器带动同步带和同步带轮进而实现上层圆盘在水平面360度范围内转动，所述同步带轮的一端连接有手动方位角旋转手柄。
优选地，所述平台支架的底部安装有多个万向脚轮。
优选地，所述光源支架由铝合金型材框架和圆弧形铝合金型材轨道组成，所述铝合金型材框架固定于地面上，所述圆弧形铝合金型材轨道固定于铝合金型材框架上，使沿圆弧形铝合金型材轨道运动的光源系统所发射出来的光束始终通过圆弧形铝合金型材轨道的中心，并能使光源系统相对于圆弧形铝合金型材轨道的中轴线做0-90度的偏转。
优选地，所述光源系统通过动力驱动系统的驱动使其沿圆弧形轨道相对于其中心实现0-90度的自动偏转。
优选地，所述动力驱动系统由电机、蜗轮蜗杆减速器、链轮、传动链、滑轮、制动装置以及动力驱动系统底座组成，所述电机与蜗轮蜗杆减速器相连固定于动力驱动系统底座上，所述蜗轮蜗杆减速器能使光源系统在圆弧形轨道上的任意位置停止，所述链轮与蜗轮蜗杆减速器的输出轴相连，并与传动链相啮合，所述传动链固定于圆弧形轨道上，所述滑轮安装于动力驱动系统底座上，所述制动装置安装于动力驱动系统底座上，所述动力驱动系统底座安装于圆弧形轨道上并在其上运动。
优选地，所述光源系统固定安装在动力驱动系统底座上。
优选地，所述光源系统采用离轴非球面反射光源，由大尺寸离轴非球面反射镜、光源和型材支架组成，能够将光源产生的光束通过大尺寸离轴非球面反射镜反射到被测物体上。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的地物光谱多角度测试系统，在结构上采用铝合金型材和圆弧形铝合金型材轨道，光源系统可在圆弧形铝合金型材轨道上0-90度范围内偏转，且本发明中提及的标准A光光源系统和离轴非球面反射光源系统可极大简化系统结构，降低系统重量；通过天顶角旋转机构可带动光纤探测器在光纤距上样品台一定距离内做半球空间旋转，以及通过方位角旋转机构在一定直径内做水平旋转，可对不同大小和体积的漫反射物体反射特性进行测量，特别是用于遥感技术领域中对地物三维空间反射光分布进行测量，本平台可以在航天遥感、地理信息、海洋开发、气候研究、军工信息等领域得到广泛应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的地物光谱多角度测试系统的立体图；
图2为本发明的地物光谱多角度测试系统的主视图；
图3为本发明的离轴非球面反射光源系统的立体图。
附图标记说明：
1、水平架；2、垂直架；3、步进电机；4、编码器；5、上样品台；6、上层圆盘；7、下层圆盘；8、下样品台；9、手动方位角旋转手柄；10、步进电机；11、万向脚轮；12、平台支架；13、方位角旋转机构；14、天顶角旋转机构；15、光纤探测器；16、圆弧形铝合金型材轨道；17、铝合金型材框架；18、电机；19、蜗轮蜗杆减速器；20、链轮；21、传动链；22、滑轮；23、制动装置；24、动力驱动系统底座；25、大尺寸离轴非球面反射镜；26、光源；27、型材支架；28、测试平台；29、标准A光光源；30、光源支架；31、离轴非球面反射光源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
一种地物光谱多角度测试系统，如图1-2所示，由测试平台28、标准A光光源29和光源支架30组成；
所述测试平台包括：平台支架12、位于平台支架12上方的方位角旋转机构13、位于方位角旋转机构的上层圆盘6圆心处的上样品台5、以及固定于上层圆盘6圆周上的天顶角旋转机构14；
所述平台支架12可根据方位角旋转机构13设计为圆柱形框架体；
所述方位角旋转机构13包括带有中心孔的上层圆盘6和下层圆盘7，所述上层圆盘6通过动力机构驱动能够相对于下层圆盘7实现360度正反两个方向水平旋转，所述下层圆盘7固定在平台支架12上；方位角旋转机构13的转盘直径为1米，与太阳光照射地物情形更加接近，有益于BRDF测试结果准确；
所述上样品台5用于放置被测物体；
所述天顶角旋转机构14通过步进电机3驱动在竖直平面内实现±90度旋转，其顶部安装有光纤探测器15，所述光纤探测器15通过方位角旋转机构13和天顶角旋转机构14实现对被测物体在半球形范围内的三维空间反射光分布测量；
所述光源支架包括圆弧形轨道16，所述光源支架与下层圆盘7固定连接；
所述光源系统滑动于圆弧形轨道16上，所述光源系统入射角度活动范围为0-90度。
作为优选的实施方式，所述天顶角旋转机构14包括由垂直架2和水平架1组成的框架，所述竖直架2的底端通过转轴与步进电机3和减速器相连，所述水平架1通过竖直架2上的滑道和固定旋钮实现在1米范围内的高度调整，光纤探测器15安装在水平架1的一端，使探测器头对准方位角旋转机构13的中心。具体地，光纤探测器的端部具有通用偏振片安装接口，可灵活装卸和任意手动定位偏振方位角度，角度分划精度为1度，有归0调校功能。
作为优选的实施方式，所述方位角旋转机构13的上层圆盘6通过固定于中心的转轴与步进电机和减速器相连，所述下层圆盘7作为上层圆盘6的旋转底座与平台支架12固定相连。
作为优选的实施方式，所述光纤探测器15通过X-Y双向微位移台实现垂直方向正负70-80毫米的高度调节以及水平方向正负1-2毫米的微调。
作为优选的实施方式，所述上层圆盘6上表面嵌装有水准器，可根据水准器对方位角旋转机构进行水平调节。
作为优选的实施方式，所述上层圆盘6上设有方位角度刻度，最小分辨率为0.5度。
作为优选的实施方式，所述天顶角旋转机构14的步进电机3的输出端连接有编码器4，天顶角旋转机构14的转动角度可通过同轴输出编码器精确控制，分辨率为0.02度。同时，方位角旋转机构13与天顶角旋转机构14可以实现连续转动，满足用户对光源、探测器工作角度自动控制和精度高的需要，即上层圆盘6转动角度分辨率为0.5度，光纤探测器15旋转角度分辨率0.02度。
作为优选的实施方式，该地物光谱多角度测试系统还包括位于平台支架12下方的下样品台8，用于放置被测物体，所述下样品台8通过竖直方向设置的滑杆和固定旋钮实现竖直方向0.5米范围内的高度调节。将测试样品台分为上下两个，一个固定的上样品台5，另一个可上下移动的下样品台8，移动距离0.5米，样品台直径0.3米，可满足多种尺寸样品和不同测试距离的需求。
作为优选的实施方式，所述方位角旋转机构13的动力机构包括步进电机10和减速器，通过步进电机和减速器带动同步带和同步带轮进而实现上层圆盘6在水平面360度范围内转动，所述同步带轮的一端连接有手动方位角旋转手柄9。可电动旋转和手动旋转互换方式旋转，满足快速大角度旋转的要求，减少了测试时间，提高了测试效率，更大限度范围内方便用户测试。
作为优选的实施方式，所述平台支架12的底部安装有多个万向脚轮11，使移动更加方便快捷。
作为优选的实施方式，所述光源支架由铝合金型材框架17和圆弧形铝合金型材轨道16组成，所述铝合金型材框架17固定于地面上，所述圆弧形铝合金型材轨道16固定于铝合金型材框架17上，使沿圆弧形铝合金型材轨道16运动的光源系统所发射出来的光束始终通过圆弧形铝合金型材轨道16的中心，并能使光源系统相对于圆弧形铝合金型材轨道16的中轴线做0-90度的偏转。采用铝合金型材搭建光源系统框架，能降低加工制造及装配的难度及成本。
作为优选的实施方式，所述光源系统通过动力驱动系统沿圆弧形轨道16相对于其中心实现0-90度的自动偏转。
作为优选的实施方式，所述动力驱动系统由电机18、蜗轮蜗杆减速器19、链轮20、传动链21、滑轮22、制动装置23以及动力驱动系统底座24组成，所述电机18与蜗轮蜗杆减速器19相连固定于动力驱动系统底座24上，所述蜗轮蜗杆减速器19能使光源系统在圆弧形铝合金型材轨道16上的任意位置停止，所述链轮20与蜗轮蜗杆减速器19的输出轴相连，并与传动链21相啮合，所述传动链21固定于圆弧形轨道16上，所述滑轮22安装于动力驱动系统底座24上，便于光源系统在圆弧形铝合金型材轨道16上运动，所述制动装置23安装于动力驱动系统底座24上，便于光源系统在断电条件下，依然可以使光源系统固定于圆弧形铝合金型材轨道16的任意位置上，所述动力驱动系统底座24安装于圆弧形轨道16上并在其上运动。
作为优选的实施方式，所述动力驱动系统底座24也是光源系统的基座，光源系统固定安装在动力驱动系统底座24上。
作为优选的实施方式，所述光源系统也可采用离轴非球面反射光源31，如图3所示，其由大尺寸离轴非球面反射镜25、光源26和型材支架27组成，能够将光源26产生的光束通过大尺寸离轴非球面反射镜25反射到被测物体上。采用大尺寸离轴非球面反射镜25，由于没有中心遮挡，光源系统结构也变得简单紧凑，进一步降低了系统的成本与重量，同时还提高了反射光照面积，且反射能量高且更均匀。
本发明提供了一种地物光谱多角度测试系统，仅采用一个平台和探测器一个实现不同大小和体积的漫反射物体的快速取样，满足实验室可见光谱(波段380nm-780nm)、红外光谱(780nm-1.1μm，1.1μm-3μm、3μm-10.6μm)BRDF测试和户外遥感测试需要。本平台可以在航天遥感、地理信息、海洋开发、气候研究、军工信息等领域得到广泛应用。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.地物光谱多角度测试系统，其特征在于，由测试平台、光源系统和光源支架组成；
所述测试平台包括：
平台支架；
位于平台支架上方的方位角旋转机构，所述方位角旋转机构包括带有中心孔的上层圆盘和下层圆盘，所述上层圆盘通过动力机构驱动能够相对于下层圆盘实现360度正反两个方向水平旋转，所述下层圆盘固定在平台支架上；
位于上层圆盘圆心处的上样品台，用于放置被测物体；
以及固定于上层圆盘圆周上的天顶角旋转机构，所述天顶角旋转机构通过步进电机驱动在竖直平面内实现±90度旋转，其顶部安装有光纤探测器，所述光纤探测器通过方位角旋转机构和天顶角旋转机构实现对被测物体在半球形范围内的三维空间反射光分布测量；
所述光源支架包括圆弧形轨道，所述光源支架与下层圆盘固定连接；
所述光源系统滑动于圆弧形轨道上，所述光源系统为标准A光光源或离轴非球面反射光源，其入射角度活动范围为0-90度。
2.根据权利要求1所述的地物光谱多角度测试系统，其特征在于，所述天顶角旋转机构包括由垂直架和水平架组成的框架，所述竖直架的底端通过转轴与步进电机和减速器相连，所述水平架通过竖直架上的滑道和固定旋钮实现在1米范围内的高度调整，光纤探测器安装在水平架的一端，使探测器头对准方位角旋转机构的中心。
3.根据权利要求1所述的地物光谱多角度测试系统，其特征在于，所述方位角旋转机构的上层圆盘通过固定于中心的转轴与步进电机和减速器相连，所述下层圆盘作为上层圆盘的旋转底座与平台支架固定相连。
4.根据权利要求1所述的地物光谱多角度测试系统，其特征在于，所述测试平台还包括位于平台支架下方的下样品台，用于放置被测物体，所述下样品台通过竖直方向设置的滑杆和固定旋钮实现竖直方向0.5米范围内的高度调节。
5.根据权利要求1所述的地物光谱多角度测试系统，其特征在于，所述方位角旋转机构的动力机构包括步进电机和减速器，通过步进电机和减速器带动同步带和同步带轮进而实现上层圆盘在水平面360度范围内转动，所述同步带轮的一端连接有手动方位角旋转手柄。
6.根据权利要求1所述的地物光谱多角度测试系统，其特征在于，所述光源支架由铝合金型材框架和圆弧形铝合金型材轨道组成，所述铝合金型材框架固定于地面上，所述圆弧形铝合金型材轨道固定于铝合金型材框架上，使沿圆弧形铝合金型材轨道运动的光源系统所发射出来的光束始终通过圆弧形铝合金型材轨道的中心。
7.根据权利要求1所述的地物光谱多角度测试系统，其特征在于，所述光源系统通过动力驱动系统的驱动使其沿圆弧形轨道相对于其中心实现0-90度的自动偏转。
8.根据权利要求7所述的地物光谱多角度测试系统，其特征在于，所述动力驱动系统由电机、蜗轮蜗杆减速器、链轮、传动链、滑轮、制动装置以及动力驱动系统底座组成，所述电机与蜗轮蜗杆减速器相连固定于动力驱动系统底座上，所述蜗轮蜗杆减速器能使光源系统在圆弧形轨道上的任意位置停止，所述链轮与蜗轮蜗杆减速器的输出轴相连，并与传动链相啮合，所述传动链固定于圆弧形轨道上，所述滑轮安装于动力驱动系统底座上，所述制动装置安装于动力驱动系统底座上，所述动力驱动系统底座安装于圆弧形轨道上并在其上运动。
9.根据权利要求8所述的地物光谱多角度测试系统，其特征在于，所述光源系统固定安装在动力驱动系统底座上。
10.根据权利要求1所述的地物光谱多角度测试系统，其特征在于，所述光源系统采用离轴非球面反射光源，由大尺寸离轴非球面反射镜、光源和型材支架组成，能够将光源产生的光束通过大尺寸离轴非球面反射镜反射到被测物体上。
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