CN115032170A - 基于太赫兹相机的多样品快速相对测量装置与方法 - Google Patents

基于太赫兹相机的多样品快速相对测量装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于太赫兹相机的多样品快速相对测量装置与方法，包括同轴设置的大转台和小转台，大转台外设置大转臂；大转台上设置小转臂和太赫兹光源，小转臂上设置光线扩束准直系统；转台、转臂均接入基于Labview的移动控制系统，以便于调节入射角度和散射角度；小转台上放置有样品托盘，样品托盘内盛放有多个待测样品和已知BRDF值的标准体样品，同时定标；大转臂上设置太赫兹相机，太赫兹相机接入基于OpenCV的图像数据处理系统，太赫兹相机至样品托盘的探测距离满足远场条件；图像数据处理系统通过图片分析各样品的像素点灰度值，并通过相对测量法自动计算待测样品的BRDF值。本发明采用上述测量装置与方法，降低了测量误差，提高了测量效率。

Description

基于太赫兹相机的多样品快速相对测量装置与方法
技术领域
本发明涉及光辐射测量仪器技术领域，尤其是涉及基于太赫兹相机的多样品快速相对测量装置与方法。
背景技术
太赫兹频段处于毫米波到红外的过渡频段，覆盖了极大的带宽范围，大多数目标材料在太赫兹频段具有独特的色散特性，部分介质材料的共振吸收峰落在太赫兹频段，其色散关系具有一定突变性。因此，研究太赫兹波段的目标散射特性，具有显著的科学意义和应用价值。双向反射函数 BRDF为表征目标散射特性的物理量，以样品表面被入射的面元的法线为z轴建立直角右手坐标系，其五参数模型定义如下：
Figure 65682DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 811921DEST_PATH_IMAGE002
为入射方向，
Figure 573204DEST_PATH_IMAGE003
为出射方向，
Figure 633564DEST_PATH_IMAGE004
为波长；
Figure 593430DEST_PATH_IMAGE005
为入射天顶角，其为入射光线与z轴夹角；
Figure 961437DEST_PATH_IMAGE006
为入射方位角，其为入射光线在样品平面投影与x轴夹角；
Figure 475595DEST_PATH_IMAGE007
为散射天顶角，其为散射光线与z轴夹角；
Figure 339646DEST_PATH_IMAGE008
为散射方位角，其为散射光线在样品平面投影与x轴夹角；在某一特定波长λ下，L为沿方向
Figure 357280DEST_PATH_IMAGE009
出射的亮度，E为沿方向
Figure 179743DEST_PATH_IMAGE010
入射光照度。
双向反射函数的测量方法分为绝对测量法和相对测量法。
绝对测量法是指按照 BRDF 的定义，在不使用任何参考标准的情况下进行测量，即采用辐照度计和亮度计分别对入射亮度和出射亮度进行测量，两者之比即为BRDF。该方法对测量装置的要求较高，并且很容易引入较大的系统误差。
相对测量法是指依照已知BRDF值的标准试样作为定标体，在同一测量环境和条件下获得标准体和待测样品的散射强度，计算公式如下：
Figure 915618DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure 786622DEST_PATH_IMAGE012
待测样品的输出电压，
Figure 422877DEST_PATH_IMAGE013
为标准式样的输出电压。该方法可以减小系统误差，对杂散光也能起到较好的抑制作用。与绝对测量法相比，相对测量法对设备精度的要求较低，能够节约测量成本。但是，相对测量方法必须依赖标准试样。从理论上讲，采用相对测量法测量样品的 BRDF时，任意角度都需确保标准体样品和待测样品的测量条件相同，测量步骤相对复杂，工作繁重。
现有的BRDF测量装置，在红外与可见光波段常用分光光度计进行入射光和散射光能量的测量，使用绝对测量法计算出待测目标的BRDF值；在计算机视觉领域常用相机作为探测器，通过图像处理的方式获得待测目标BRDF值。而太赫兹波段的目标BRDF测量，由于没有太赫兹波段适用的分光光度计，现多用高莱和Bolometer等太赫兹探测器对标准体散射能量进行定标，然后使用相对测量法计算待测样品BRDF值。而使用太赫兹相机进行这一波段 BRDF测量的实验尚未提出。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明采用太赫兹相机代替探测器，同时进行标准体样品和多种待测样品的散射强度测量，解决了传统BRDF相对测量法工作量繁重的问题，并且在特定波长和角度下，标准体样品和几种待测样品的散射强度信息表现为太赫兹相机拍摄的同一张照片中的像素灰度值，可直接提取照片中样品中心位置的像素点灰度值，使用相对测量法公式计算待测样品的BRDF。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案，
基于太赫兹相机的多样品快速相对测量装置，包括同轴设置的大转台和小转台，大转台外设置大转臂；大转台上设置小转臂和太赫兹光源，小转臂上设置光线扩束准直系统；光线扩束准直系统包括离轴抛面镜、平面反射镜一和平面反射镜二；小转台上放置有样品托盘，样品托盘内盛放有若干待测样品和已知BRDF值的标准体样品；大转臂上设置太赫兹相机，太赫兹相机接入基于OpenCV的图像数据处理系统，太赫兹相机至样品托盘的探测距离满足远场条件。
优选的，待测样品和标准体样品均为形状完全相同的扇形，且待测样品和标准体样品拼接为圆形平板并放入样品托盘内，圆形平板的面积小于光线光斑以及太赫兹相机的视场大小。
相应的，基于上述装置，本发明还提出了基于太赫兹相机的BRDF多样品快速相对测量方法，包括：
S1、将已知BRDF值的标准体样品和若干待测样品制作成形状完全相同的扇形，然后拼接为圆形平板并放入样品托盘内；
S2、搭建基于太赫兹相机的多样品快速相对测量装置；
S3、启动太赫兹光源，光线经光线扩束准直系统后，平行照射于样品托盘上，同时太赫兹相机接收各待测样品和标准体样品的散射光；太赫兹相机在每个入射天顶角、入射方位角、散射天顶角和散射方位角下拍摄5张照片；
S4、图像数据处理系统基于相对测量法计算待测样品的BRDF值；
Figure 353924DEST_PATH_IMAGE014
式中，
Figure 373833DEST_PATH_IMAGE015
为待测样品的BRDF值，
Figure 579686DEST_PATH_IMAGE016
为标准体样品的BRDF值，
Figure 571913DEST_PATH_IMAGE017
为第i种待测样品采样区域的像素点灰度值总和，
Figure 470599DEST_PATH_IMAGE018
为标准体样品采样区域的像素点灰度值总和，
Figure 649907DEST_PATH_IMAGE019
为入射方向，
Figure 456189DEST_PATH_IMAGE020
为出射方向，
Figure 568502DEST_PATH_IMAGE021
为太赫兹光线波长；
Figure 608395DEST_PATH_IMAGE022
为入射天顶角，
Figure 806158DEST_PATH_IMAGE023
为入射方位角，
Figure 88235DEST_PATH_IMAGE024
为散射天顶角，
Figure 258316DEST_PATH_IMAGE025
为散射方位角；
S5、通过大转臂、小转臂、大转台和小转台改变入射天顶角、散射天顶角、入射方位角和散射方位角，重复S3-S4步骤，获得待测样品BRDF值随各角度变化的曲线；
S6、更换太赫兹光源，重复S3-S5步骤，获得不同波长太赫兹光线下的待测样品BRDF值随各角度变化的曲线。
优选的，S4步骤具体包括：
S41、分别提取5张照片中圆形平板的中心位置，然后再选取中心位置内各样品扇形区域的中心区域像素点，确定灰度值并去除错误数据；
S42、对各样品像素点的灰度值做加和并取平均值，以减小系统误差；
S43、基于相对测量法公式计算各样品在当前波长、入射天顶角、入射方位角、散射天顶角和散射方位角下的太赫兹BRDF值。
本发明采用上述BRDF快速测量方法，具备如下优势：
1、相比传统相对测量法，本发明的样品制作集成了标准体样品和几种待测样品，可省略单独测量标准体样品的步骤，并可一次性测量多种样品，大大化简了测量步骤，减少了工作量，提高测量效率，并保证了标准体样品和待测样品在完全相同的测量条件下进行测量，减小了测量误差。
2、相比太赫兹探测器，本发明使用的太赫兹相机体积较小，易于移动位置，可固定在大转臂上，由移动控制系统控制移动，实现多样品多角度多参数测量。
3、本发明实现了BRDF的自动化测量与数据处理。转臂、转台均可通过基于Labview的移动控制系统控制；基于OpenCV的图像数据处理系统接收太赫兹相机拍摄的照片，读取像素点灰度值，然后使用相对测量法公式计算各待测样品的太赫兹BRDF值，进一步解决了现有太赫兹波段目标散射特性BRDF测量工作量繁重，误差大的问题。
附图说明
图1是本发明中测量装置的结构示意图；
图2是本发明中测量方法的流程示意图；
图3是本发明中样品托盘及其上样品的示例图片。
附图说明：1、大转臂；2、太赫兹相机；3、太赫兹光源；4、离轴抛面镜；5、平面反射镜一；6、小转臂；7、平面反射镜二；8、大转台；9、样品托盘；10、小转台。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例一
如图1所示的基于太赫兹相机的多样品快速相对测量装置，包括大转臂1、小转臂6、大转台8和小转台10。
大转台8和小转台10同轴设置。大转台8上设置太赫兹光源3和T形小转臂6，小转台10上设置样品托盘9。小转臂6上设置光线扩束准直系统，增大样品被照射的面积同时使原本的高斯光束能量分布在中心位置趋于均匀的平面波形式。具体地，小转臂6竖杆上设置离轴抛面镜4，横杆两端分别设置平面反射镜一5和平面反射镜二7。小转臂6绕离轴抛面镜4旋转，且旋转过程中带动离轴抛面镜4同步旋转，以调节光线的入射方向。太赫兹光源3正对离轴抛面镜4的焦点位置。太赫兹光源3发射的光线经离轴抛面镜4准直扩束、平面反射镜一5和平面反射镜二7反射后，入射在样品托盘9上。
大转臂1上设置太赫兹相机2，太赫兹相机2至样品托盘9的探测距离满足远场条件。太赫兹相机2可将目标散射的太赫兹波光强按照灰度值的形式反映在所拍摄照片中，其输出端接入图像数据处理系统。图像数据处理系统基于OpenCV 开发，可通过标准体样品的BRDF值和灰度值、以及待测样品的灰度值，计算待测样品的BRDF值。
样品托盘9中摆放有多种待测样品和已知BRDF值的标准体样品。如图3（a）所示，待测样品和标准体样品均为形状完全相同的扇形，且待测样品和标准体样品可拼接为圆形平板，圆形平板的面积小于光线光斑以及太赫兹相机2的视场大小。此外，如图3（b）所示，待测样品和标准体样品还可为正方形，样品最终拼接为矩形。
大转臂1和小转臂6以样品为圆心，在竖直平面做旋转运动。大转臂1用于改变散射天顶角，小转臂改变入射天顶角。大转台8和小转台10以样品为圆心，在水平平面做旋转运动。大转台8改变入射方位角，小转台10改变散射方位角。
实施例二
如图2所示的基于太赫兹相机的BRDF多样品快速相对测量方法，包括：
S1、样品平板制作
选取已知BRDF值的材料作为标准体样品，例如光滑金镜。选取5种待测样品，可为不同粗糙度的各类金属表面。将标准体样品和待测样品制作成形状完全相同的扇形，且每个样品扇形角度为60°，扇形样品在样品托盘中拼接成直径为1cm圆形样品区域，小于太赫兹光斑以及太赫兹相机视场大小。
S2、搭建基于太赫兹相机的多样品快速相对测量装置
固定样品托盘于小转台，太赫兹光源于大转台，焦距2英寸口径1英寸的离轴抛面镜和两个口径1英寸金膜平面反射镜于小转臂，太赫兹相机于大转臂。太赫兹相机选用法国i2S公司的TZCam非制冷式太赫兹成像仪，其视场为64×48mm，焦距50mm，单像素大小50μm，覆盖频率范围0.3~4THz，灵敏度在2.5THz为20pW。太赫兹光源使用爱丁堡公司所产的FIRL100型远红外激光器，该激光器利用CO2 激光泵浦CH3OH 气体能够产生 2.52 THz 和3.11 THz的太赫兹波，两频点处太赫兹波输出功率分别为40 mW和12 mW，此处选用能量较高的2.52 THz。
将转台和转臂接入基于Labview的移动控制平台。转台以垂直于转台的方向为转轴，转角范围为-90°~90°。转臂以平行于转台的方向为转轴，转角范围为-180°~180°。上述转角范围中，正值表示顺时针旋转，负值表示逆时针旋转。转台、转臂的转角精度均为1°，测量过程为全自动。
大转臂的高度使得太赫兹相机到样品托盘的距离R 根据远场条件，设置为1.68m。经典远场条件为，当目标表面最大相位差小于π/8时，就可以将球面波等效于平面波。探测距离计算公式如下：
Figure 498805DEST_PATH_IMAGE026
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为探测距离，D为目标最小包围球直径，λ是探测波长。
为减少背景噪声的影响，光学平台用胶布覆盖，转台周围以及样品托盘包覆低密度泡沫作为吸波材料。
S3、拍摄图片
启动太赫兹光源，光线经离轴抛面镜扩束以及平面反射镜反射后，平行照射于样品托盘上，同时太赫兹相机接收各待测样品和标准体样品的散射光。使用太赫兹相机在每个入射天顶角、入射方位角、散射天顶角和散射方位角下拍摄5张照片。
S4、计算BRDF
照片导入图像数据处理系统，首先提取样品平板光能量均匀的中心位置，然后在中心位置内提取照片中各样品中心区域的像素点灰度值信息，并去除错误数据。对5张照片的中心区域像素点灰度值数据做加和，并求平均值，以减小系统误差。然后使用相对测量法计算每种样品在此波长、入射天顶角、入射方位角、散射天顶角和散射方位角下的太赫兹BRDF，公式如下：
Figure 151241DEST_PATH_IMAGE028
其中，G为像素点灰度值，范围[0,255]，上标S 和B 分别表示待测样品和标准体样品，i表示第i种待测样品，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为标准样品的BRDF值。
S5、改变入射天顶角、散射天顶角、入射方位角和散射方位角，重复S3-S4步骤，获得BRDF值随各角度变化曲线；
S6、更换太赫兹光源，重复S2-S5步骤，获得不同入射波长下的目标BRDF值随各角度变化曲线，研究BRDF五参数模型中波长的影响规律。
以上是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不应局限于此。任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此本发明的保护范围应以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (4)

1.基于太赫兹相机的多样品快速相对测量装置，包括同轴设置的大转台（8）和小转台（10），大转台（8）外设置大转臂（1）；大转台（8）上设置小转臂（6）和太赫兹光源（3），小转臂（6）上设置光线扩束准直系统；光线扩束准直系统包括离轴抛面镜（4）、平面反射镜一（5）和平面反射镜二（7）；小转台上放置有样品托盘（9），其特征在于，样品托盘（9）内盛放有若干待测样品和已知BRDF值的标准体样品；大转臂（1）上设置太赫兹相机（2），太赫兹相机（2）接入基于OpenCV的图像数据处理系统，太赫兹相机（2）至样品托盘（9）的探测距离满足远场条件。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，待测样品和标准体样品均为形状完全相同的扇形，且待测样品和标准体样品拼接为圆形平板并放入样品托盘（9）内，圆形平板的面积小于光线光斑以及太赫兹相机（2）的视场大小。
3.一种使用如权利要求1-2任一项所述的基于太赫兹相机的多样品快速相对测量装置的测量方法，其特征在于，包括：
S1、将已知BRDF值的标准体样品和若干待测样品制作成形状完全相同的扇形，然后拼接为圆形平板并放入样品托盘（9）内；
S2、搭建基于太赫兹相机的多样品快速相对测量装置；
S3、启动太赫兹光源（3），光线经光线扩束准直系统后，平行照射于样品托盘（9）上，同时太赫兹相机（2）接收各待测样品和标准体样品的散射光；太赫兹相机（2）在每个入射天顶角、入射方位角、散射天顶角和散射方位角下拍摄5张照片；
S4、图像数据处理系统基于相对测量法计算待测样品的BRDF值；
Figure 524945DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 705390DEST_PATH_IMAGE002
为待测样品的BRDF值，
Figure 836157DEST_PATH_IMAGE003
为标准体样品的BRDF值，
Figure 443856DEST_PATH_IMAGE004
为第i种待测样品采样区域的像素点灰度值总和，
Figure 230547DEST_PATH_IMAGE005
为标准体样品采样区域的像素点灰度值总和，
Figure 716148DEST_PATH_IMAGE006
为入射方向，
Figure 170263DEST_PATH_IMAGE007
为出射方向，
Figure 948863DEST_PATH_IMAGE008
为太赫兹光线波长；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为入射天顶角，
Figure 691691DEST_PATH_IMAGE010
为入射方位角，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为散射天顶角，
Figure 479519DEST_PATH_IMAGE012
为散射方位角；
S5、通过大转臂（1）、小转臂（6）、大转台（8）和小转台（10）改变入射天顶角、散射天顶角、入射方位角和散射方位角，重复S3-S4步骤，获得待测样品BRDF值随各角度变化的曲线；
S6、更换太赫兹光源（3），重复S3-S5步骤，获得不同波长太赫兹光线下的待测样品BRDF值随各角度变化的曲线。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，S4步骤具体包括：
S41、分别提取5张照片中圆形平板的中心位置，然后再选取中心位置内各样品扇形区域的中心区域像素点，确定灰度值并去除错误数据；
S42、对各样品像素点的灰度值做加和并取平均值，以减小系统误差；
S43、基于相对测量法公式计算各样品在当前波长、入射天顶角、入射方位角、散射天顶角和散射方位角下的太赫兹BRDF值。
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