CN112730332A - 一种光谱偏振双向反射特性测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光谱偏振双向反射特性测量装置，俯仰转臂位于载物台的样品支撑位一侧，俯仰转臂可转动安装在载物台上，光电探测器位于所述样品支撑位上方且安装在俯仰转臂上，光电探测器的前端安装有线偏振片，照射光源可滑动安装在所述样品安装位上方的天顶弧形导轨上。通过上述优化设计的光谱偏振双向反射特性测量装置，模拟太阳光照射地物情形，有利于保证双向反射特性测量结果的准确性，同时光电探测器的俯仰运动设计，满足对光电探测器工作角度更精确的需要，能够满足实验室内和户外测试需求，方便操作与使用。

Description

一种光谱偏振双向反射特性测量装置

技术领域

本发明涉及光谱偏振双向反射特性技术领域，尤其涉及一种光谱偏振双向反射特性测量装置。

背景技术

在目标特性研究中，目标光学散射特性作为光电传感器所感知的信息，是光电探测、跟踪、识别目标的基础和依据。

在目标光学散射特性研究中，光波与物体相互作用时所表现出的光谱特性和偏振特性是目标特性的两个重要方面。光谱特性源于物质的化学成分对于光的辐射、反射和吸收作用的结果，它反映了目标的内在固有特性。地球表面和大气中的任何目标在散射光波过程中，都会产生由它们自身性质和光学基本定律决定的偏振特性。偏振特性源于物体表面的物理化学特性对反射、折射或散射光波的偏振态的影响。不同物体或同一物体在不同光波入射条件下会产生不同偏振状态的散射光，形成特征偏振光谱。

研究表明，目标的光谱偏振特性不仅具有方向性，这种方向性还因光源的入射天顶角和方位角的不同、接收天顶角和方位角的不同以及探测器波段的选取等因素而异，也就是说，随着光源入射角度和观测角度的变化，目标表面的反射具有明显差异，表现出所谓的双向反射特性。目标的反射辐射、发射与目标的表面结构参数及目标的物质组成有密切关系，不同目标表面将入射的电磁波向四面八方散射，形成散射通量不同的空间分布，反射的方向性是其材料光谱特性的空间结构参数的函数。目标的光谱偏振双向反射特性数据反映了目标在空间分布的光谱偏振信息，其中不仅包含了目标的光谱特性，而且还包含了与目标材质、表面形状以及粗糙度等有关的偏振特性。如果将这些光谱偏振信息加以利用，不仅能更加全面地了解光与介质相互作用的过程，而且还能揭示目标本身的固有特性，如折射率、粗糙度、含水量等。不仅具有相同或相近光谱特性的目标可能会存在较大的偏振特性差异，而且在偏振探测下不同目标具有相同光谱特性的几率也会大大减小。因此，开展目标的光谱偏振双向反射特性测量技术研究，准确获取地物目标的光谱偏振双向反射特性数据，以便分析、掌握其在半球空间的变化特点和分布规律，在景物纹理结构提取、材料光学常数反演、军事侦察及伪装检测、图像细节处理等方面有着广阔的应用前景。

目标的双向反射特性是由物体的表面结构和光学特性决定，是物质的本质属性，通常利用双向反射分布函数来描述。自从双向反射分布函数概念提出以来，科研人员研制了各种双向反射特性测量设备并提出相应的测量方法。测量目标的双向反射特性可分为绝对测量和相对测量。绝对测量是在不使用任何参考标准的情况下进行的测量；而相对测量则是利用已知反射比的参考标准与样品做比较的测量。绝对测量虽然方法简单，但是很容易引入较大的系统误差和随机误差，而且实现起来比较麻烦，精度也不高。采用相对测量方法不但可以减小系统误差，同时对杂散光也能起到较好的抑制作用。1977年，美国加利福尼亚州休斯敦航空公司Scheele就研制了透明材料的散射测量仪，采用四种波长的激光(0.632μm、1.06μm、3.29μm和10.6μm)作为光源。1980年，亚利桑那大学光学研究中心的Wolfe等人研制了一套基于微处理器控制的双向反射分布函数测量系统，应用激光波长从可见光到中红外直至远红外，但是该仪器不能进行轴附近散射光和相关可变偏振光的测量。1986年，Davis和Kepros研制了一种称为双向光学散射测量仪的仪器，它包含了光源系统、试样支架、转角系统及其控制系统、光电接收和数据处理系统，这种双向光学散射测量仪克服了早期双向反射特性测量装置的许多弊端。1990年，Cady等人研制了多通道三维散射仪，该仪器能够同时实现半球范围内散射、透射测量。1991年，芬兰技术研究中心Miettinen等人设计了一种与双向反射特性相关的材料特性测量系统，该系统可以快速测量广角散射。1996年，中科院安徽光机所研制了双向反射分布函数绝对测定仪，整个系统用计算机控制，光源采用0.633μm的氦氖激光器，接收器为光电倍增管，通过国家计量院传递的定向-半球反射率，它可以全自动地测量双向反射系数。2002年，哈尔滨工业大学研制了一套基于加热炉的可变温条件下材料表面的双向反射特性自动测量系统，主要由测试光源、电路控制系统和机械转角系统组成，可应用于不同温度下材料表面空间反射特性的测量。2006年，中科院安徽光机所研制了一套地物双向反射特性测量系统，主要由测量架分系统、测量分系统以及控制分系统组成，该系统利用光谱辐亮度计和光谱辐照度计两台光谱仪器同时测量入射光谱照度和反射亮度，实现了双向反射特性的绝对测量。

以上双向反射特性测量装置主要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，其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，但仍不能实现在线实时测量，且测量过程中容易因光源输出功率及探测器响应度变化而影响最终测量结果，重复性也较差。为提高测量速度，1999年，日本地质勘测中心和日本Tottori大学等研究机构应用光谱辐射计和CCD数码相机设计了一种可在线测量大地表面双向反射特性的装置，该装置对双向反射分布函数的空间不稳定性进行了矫正。基于成像方式的双向反射特性测量系统由于各个角度的反射光辐射通量由光学成像和图像采集方法获取，可以实现在短时间内同时测量空间各个角度的光强分布，因此测量结果比较稳定、重复性好，但CCD等图像采集器件多为平面阵列结构，要实现对反射到整个半球空间各个方向光辐射的采集，需要有合适的系统对光线方向进行变换。

上述双向反射特性测量装置均只能进行标量双向反射特性测量，亦即只能获得目标的光谱双向反射分布特性数据，而无法获得目标的偏振特性数据。1999年，中科院长春光机所研制了植物单叶偏振测量装置；该装置采用溴钨灯为照射光源，并且在光源出射端安装有可转动的偏振片，光经过偏振片后形成不同偏振角度的偏振光照射在植物的单叶上；在转盘上设置有A波段(630～690nm)和B波段(760nm～1.1μm)共两个探测器架，在每个探测器架上沿俯仰0°～60°范围每间隔10°角固定设置1个探测头，并利用微机控制该装置沿水平方位自动旋转0°～350°和测量后的自动返回。

综上所述，传统的目标双向反射特性研究只考虑了目标的光谱特性，这不仅会使目标散射特性描述不完整，而且对于某些偏振敏感目标，有时甚至会导致错误的结果。而从现有测量装置来看，①现有的目标双向反射特性测量系统大多只考虑了测量目标的光谱特性，而忽略了偏振特性；②已有的偏振双向反射特性测量系统只能针对特定波长进行测量，且测量装置复杂、过程较为繁琐，无法满足太阳照射等宽光谱光源偏振测量需要。因此，开展目标光谱偏振双向反射特性测量技术研究，准确获取典型目标及其环境的光谱偏振双向反射特性数据，以便分析、掌握其在半球空间的变化特点和分布规律，对于光学遥感、目标探测与识别、物质分类等领域都等具有十分重要的作用。

发明内容

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种光谱偏振双向反射特性测量装置。

本发明提出的一种光谱偏振双向反射特性测量装置，包括：光源支架、照射光源、载物台、天顶弧形导轨、光电探测器、俯仰转臂、俯仰驱动机构；

载物台上设有样品支撑位，俯仰转臂位于所述样品支撑位一侧，俯仰转臂上设有向远离所述样品支撑位方向布置的转轴且通过上述转轴可转动安装在载物台上，俯仰驱动机构与俯仰转臂连接用于驱动俯仰转臂转动，光电探测器位于所述样品支撑位上方且安装在俯仰转臂上，光电探测器的前端安装有偏振器件；

光源支架位于载物台一侧，天顶弧形导轨安装在光源支架上，且天顶弧形导轨一端位于所述样品安装位一侧且另一端向所述样品安装位上方延伸，照射光源可滑动安装在天顶弧形导轨上且朝向所述样品支撑位设置。

优选地，载物台上设有方位转台，方位转台围绕所述样品支撑位可转动安装在载物台上，俯仰转臂可转动安装在方位转台上。

优选地，还包括方位驱动机构，方位驱动机构与方位转台连接用于驱动方位转台转动。

优选地，方位驱动机构包括方位步进电机和转动手柄，方位步进电机的输出轴与方位转台连接用于驱动方位转台转动，转动手柄与方位转台连接。

优选地，俯仰转臂上设有可升降安装的调节架，光电探测器安装在调节架上。

优选地，载物台底部设有转向轮。

优选地，还包括校准杆，校准杆两端分别与光源支架和载物台连接。

优选地，载物台底部设有支撑调平结构。

优选地，照射光源的出射端设有线偏振片。

优选地，俯仰驱动机构包括俯仰步进电机和蜗轮蜗杆减速箱，俯仰步进电机的输出轴通过蜗轮蜗杆减速箱与俯仰转臂的转轴连接。

本发明中，所提出的光谱偏振双向反射特性测量装置，俯仰转臂位于载物台的样品支撑位一侧，俯仰转臂可转动安装在载物台上，光电探测器位于所述样品支撑位上方且安装在俯仰转臂上，光电探测器的前端安装有线偏振片，照射光源可滑动安装在所述样品安装位上方的天顶弧形导轨上。通过上述优化设计的光谱偏振双向反射特性测量装置，模拟太阳光照射地物情形，有利于保证双向反射特性测量结果的准确性，同时光电探测器的俯仰运动设计，满足对光电探测器工作角度更精确的需要，能够满足实验室内和户外测试需求，方便操作与使用。

附图说明

图1为本发明提出的一种光谱偏振双向反射特性测量装置的立体结构示意图。

图2为本发明提出的一种光谱偏振双向反射特性测量装置的侧视结构示意图。

具体实施方式

如图1和2所示，图1为本发明提出的一种光谱偏振双向反射特性测量装置的立体结构示意图，图2为本发明提出的一种光谱偏振双向反射特性测量装置的侧视结构示意图。

参照图1和2，本发明提出的一种光谱偏振双向反射特性测量装置，包括：光源支架3、照射光源1、载物台9、天顶弧形导轨2、光电探测器4、俯仰转臂6、俯仰驱动机构；

载物台9上设有样品支撑位，俯仰转臂6位于所述样品支撑位一侧，俯仰转臂6上设有向远离所述样品支撑位方向布置的转轴且通过上述转轴可转动安装在载物台9上，俯仰驱动机构与俯仰转臂6连接用于驱动俯仰转臂6转动，光电探测器4位于所述样品支撑位上方且安装在俯仰转臂6上，光电探测器4的前端安装有偏振器件5；

光源支架3位于载物台9一侧，天顶弧形导轨2安装在光源支架3上，且天顶弧形导轨2一端位于所述样品安装位一侧且另一端向所述样品安装位上方延伸，照射光源1可滑动安装在天顶弧形导轨2上且朝向所述样品支撑位设置。

本实施例的光谱偏振双向反射特性测量装置的具体测量方式中，测量时，照射光源发出一定光谱范围的光束，经准直光学系统后形成一定直径的平行光斑照射到样品表面。从样品反射的光信号由光电探测器接收后转换成电信号，从而完成当前方位角度的测量；通过沿天顶弧形导轨滑动光源支架，实现光源距离不变的情况下光源的照射角度的调节，从而模拟太阳光不同时间的照射，同时通过俯仰驱动机构驱动俯仰转臂、进而带动光电探测器做俯仰转动，实现对样品在竖直方向上俯仰90°的测量。

在本实施例中，所提出的光谱偏振双向反射特性测量装置，俯仰转臂位于载物台的样品支撑位一侧，俯仰转臂可转动安装在载物台上，光电探测器位于所述样品支撑位上方且安装在俯仰转臂上，光电探测器的前端安装有线偏振片，照射光源可滑动安装在所述样品安装位上方的天顶弧形导轨上。通过上述优化设计的光谱偏振双向反射特性测量装置，模拟太阳光照射地物情形，有利于保证双向反射特性测量结果的准确性，同时光电探测器的俯仰运动设计，满足对光电探测器工作角度更精确的需要，能够满足实验室内和户外测试需求，方便操作与使用。

在具体实施方式中，载物台9上设有方位转台11，方位转台11围绕所述样品支撑位可转动安装在载物台9上，俯仰转臂6可转动安装在方位转台11上，实现对样品在周向上不同方向的测量。

在方位转台的具体驱动方式中，还包括方位驱动机构，方位驱动机构与方位转台11连接用于驱动方位转台11转动；在具体动作中，方位驱动机构带动方位转台依次旋转至测量角度，当完成样品水平方位一周360°测量之后，控制俯仰驱动机构带动俯仰转臂、光电探测器做俯仰转动，转到下一个接收天顶角。

此外，方位转台转动与俯仰转臂可以实现连续转动，满足用户对光电探测器工作角度更精确的需要。

在方位驱动机构的进一步具体实施方式中，方位驱动机构包括方位步进电机12和转动手柄13，方位步进电机12的输出轴与方位转台11连接用于驱动方位转台11转动，转动手柄13与方位转台11连接，用于手动调整方位转台转角。

在其他具体实施方式中，俯仰转臂6上设有可升降安装的调节架7，光电探测器4安装在调节架7上；既可以根据待测样品尺寸调节光电探测器的景深进而改变其接收视场角，也可以通过改变调节架在俯仰转臂上的高度，使得被测样品充满光电探测器的视场。

为了提高使用灵活性，载物台9底部设有转向轮15。

进一步，为了避免载物台移动造成与光源支架的相对位置发生偏移，本实施例的光谱偏振双向反射特性测量装置，还包括校准杆10，校准杆10两端分别与光源支架3和载物台9连接。

同时，载物台9底部设有支撑调平结构16，载物台上可以设置水准器，可根据水准器通过支撑调平结构对载物台的样品支撑位调平。

在载物台的其他具体实施方式中，所述样品支撑位表面可以涂黑，避免其对光电探测器的探测结果造成影响。

在照射光源的具体设计方式中，照射光源1的出射端设有线偏振片，光经过线偏振片后能形成不同偏振角度的偏振光照射在被测样品上。

同样，光电探测器前端的偏振器件5可以采用线偏振片。

在俯仰驱动机构的具体设计方式中，俯仰驱动机构包括俯仰步进电机8和蜗轮蜗杆减速箱，俯仰步进电机8的输出轴通过蜗轮蜗杆减速箱与俯仰转臂6的转轴连接，通过减速箱的设计能够获得较大的扭矩，涡轮蜗杆的自锁特性可以确保俯仰轴在断电的情况下不发生转动。

本实施例的光谱偏振双向反射特性测量装置还能够实现下列功能：

等角测量功能：等角测量功能完成在确定某一接收天顶角的情况下，连续变化接收方位角的光学散射强度的测量。该功能主要用于对各向异性样品的光学散射特性测量，可以比较直观的反映出样品的光谱偏振特性。调用此功能后，软件首先要求用户输入需要测量的各个接收方位角以及角度分辨率等参数，用户确认各参数无误后调用主测量程序。

等线测量功能：等线测量功能完成在确定某一接收方位角的情况下，连续变化接收天顶角的光学散射强度的测量。调用此功能后，软件首先要求用户输入需要测量的各个接收天顶角以及角度分辨率等参数，用户确认各参数无误后调用主测量程序。

下面通过光谱偏振双向反射分布函数(简称光谱偏振BRDF)的具体计算方式详细说明本实施例的光谱偏振双向反射特性测量装置。

在室外太阳光照条件下，目标物的光谱偏振BRDF特性数据通过下列步骤获取：

S1、根据测试现场条件和测量要求分别设定光源入射天顶角、光电探测器的接收天顶角与接收方位角；

S2、在太阳光照条件下，利用光电探测器依次在0°和90°偏振方向上对定标板进行光谱波段λ下的偏振辐射数据采集，得到数据L_{t_ref0}(λ)和L_{t_ref90}(λ)，进而得到定标板在太阳光照条件下的辐射强度值L_{t_ref}(λ)＝L_{t_ref0}(λ)+L_{t_ref90}(λ)；

S3、在阴影下，利用光电探测器依次在0°和90°偏振方向上对定标板进行光谱波段λ下的偏振辐射数据采集，得到数据L_{s_ref0}(λ)和L_{s_ref90}(λ)，进而得到定标板在阴影下的辐射强度值L_{s_ref}(λ)＝L_{s_ref0}(λ)+L_{s_ref90}(λ)；

S4、在太阳光照条件下，利用光电探测器依次在0°、60°和120°偏振方向上对目标物进行光谱波段λ下的偏振辐射数据采集，得到数据L_{t_0}(λ)、L_{t_60}(λ)和L_{t_120}(λ)；

S5、在阴影下，利用光电探测器依次在0°、60°和120°偏振方向上对目标物进行光谱波段λ下的偏振辐射数据采集，得到数据L_{s_0}(λ)、L_{s_60}(λ)和L_{s_120}(λ)；

S6、计算目标物的光谱偏振BRDF特性数据，即Stokes向量[I(λ),Q(λ),U(λ)]^T以及线偏振度DoLP(λ)和偏振角AoP(λ)：

其中，C_ref为定标板的BRDF值；

S7、实验中如果需要进行多个探测方向的数据采集，对光电探测器重新定位后重复步骤S2～S5，完成所有接收天顶角与接收方位角的数据采集。

在室内采用人工光源进行测量时，由于L_s可以近似看作为零，因此在测量时可省略步骤S3和S5，只需在人工光源照射下，首先利用光电探测器依次在0°和90°偏振方向上对定标板进行光谱波段λ下的偏振辐射数据采集，得到数据L_{t_ref0}(λ)和L_{t_ref90}(λ)，进而得到定标板的辐射强度值L_{t_ref}(λ)＝L_{t_ref0}(λ)+L_{t_ref90}(λ)；其次，利用光电探测器依次在0°、60°和120°偏振方向上对目标物进行光谱波段λ下的偏振辐射数据采集，得到数据L_{t_0}(λ)、L_{t_60}(λ)和L_{t_120}(λ)；最后可以计算出目标物的光谱偏振BRDF特性数据：

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光谱偏振双向反射特性测量装置，其特征在于，包括：光源支架(3)、照射光源(1)、载物台(9)、天顶弧形导轨(2)、光电探测器(4)、俯仰转臂(6)、俯仰驱动机构；

载物台(9)上设有样品支撑位，俯仰转臂(6)位于所述样品支撑位一侧，俯仰转臂(6)上设有向远离所述样品支撑位方向布置的转轴且通过上述转轴可转动安装在载物台(9)上，俯仰驱动机构与俯仰转臂(6)连接用于驱动俯仰转臂(6)转动，光电探测器(4)位于所述样品支撑位上方且安装在俯仰转臂(6)上，光电探测器(4)的前端安装有偏振器件(5)；

光源支架(3)位于载物台(9)一侧，天顶弧形导轨(2)安装在光源支架(3)上，且天顶弧形导轨(2)一端位于所述样品安装位一侧且另一端向所述样品安装位上方延伸，照射光源(1)可滑动安装在天顶弧形导轨(2)上且朝向所述样品支撑位设置。

2.根据权利要求1所述的光谱偏振双向反射特性测量装置，其特征在于，载物台(9)上设有方位转台(11)，方位转台(11)围绕所述样品支撑位可转动安装在载物台(9)上，俯仰转臂(6)可转动安装在方位转台(11)上。

3.根据权利要求2所述的光谱偏振双向反射特性测量装置，其特征在于，还包括方位驱动机构，方位驱动机构与方位转台(11)连接用于驱动方位转台(11)转动。

4.根据权利要求3所述的光谱偏振双向反射特性测量装置，其特征在于，方位驱动机构包括方位步进电机(12)和转动手柄(13)，方位步进电机(12)的输出轴与方位转台(11)连接用于驱动方位转台(11)转动，转动手柄(13)与方位转台(11)连接。

5.根据权利要求1所述的光谱偏振双向反射特性测量装置，其特征在于，俯仰转臂(6)上设有可升降安装的调节架(7)，光电探测器(4)安装在调节架(7)上。

6.根据权利要求1所述的光谱偏振双向反射特性测量装置，其特征在于，载物台(9)底部设有转向轮(15)。

7.根据权利要求6述的光谱偏振双向反射特性测量装置，其特征在于，还包括校准杆(10)，校准杆(10)两端分别与光源支架(3)和载物台(9)连接。

8.根据权利要求6所述的光谱偏振双向反射特性测量装置，其特征在于，载物台(9)底部设有支撑调平结构(16)。

9.根据权利要求1所述的光谱偏振双向反射特性测量装置，其特征在于，照射光源(1)的出射端设有线偏振片。

10.根据权利要求1所述的光谱偏振双向反射特性测量装置，其特征在于，俯仰驱动机构包括俯仰步进电机(8)和蜗轮蜗杆减速箱，俯仰步进电机(8)的输出轴通过蜗轮蜗杆减速箱与俯仰转臂(6)的转轴连接。

Images