專利名稱：雙向反射分布函數(shù)(brdf)絕對測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光譜輻射度測量與光學遙感科學領域，涉及一種高精度雙向反射分布函數(shù)(BRDF)絕對測量裝置。
背景技術：
雙向反射分布函數(shù)(BRDF)是用來描述物體表面散射特性的物理量。其定義為物體表面在某一方向(0 r, 4>r)小立體角內(nèi)的反射福亮度dLr (單位W m2 sr_1 nnT1)與入射方向(9 i，^i)小立體角的照度ClEi (單位W m_2 nnT1)的比值，如圖I所示。可表示為如下公式(HOr,￠,.;X): dLr(O1,於;Oy,￠.' Iit; A)/dl^ {6▲入、(I) 其中，dEi ( 0 i, ; A )為入射在物體上的輻照度，dL^Si, (j5i； er, (j5；Ei； A)為物
體反射的輻亮度；物體的BRDF表征了其固有屬性，通過對物體BRDF的測量，可以提取物體許多有用信息，因此，在工業(yè)商貿(mào)、遙感遙測、科學研究、國防軍事等領域有廣泛的應用。近年來，隨著遙感定量化水平的不斷提高，對BRDF測量提出了越來越高的要求，主要體現(xiàn)在以下三個方面第一，遙感器的實驗室輻射定標中，通過漫反射參照體的BRDF把溯源到國家計量院的輻照度標準轉(zhuǎn)化為遙感器入瞳輻亮度，其中漫反射參照體BRDF測量不確定度是整個定標不確定度的主要因素之一；第二，遙感器的外場替代輻射定標中，反射率基法和輻照度基法是最常用的兩種方法，這兩種方法都需要精確測量地物的BRDF ；第三，遙感器星上輻射定標中，采用漫射板的方法可以實現(xiàn)對光學衛(wèi)星遙感器全孔徑、全視場、端到端的定標，定標的途徑是通過星上漫射板的BRDF把已知的大氣外太陽輻照度轉(zhuǎn)化為遙感器入瞳輻亮度，因此，星上漫射板BRDF的測量精度直接影響著星上定標的精度。目前國際上實現(xiàn)BRDF絕對測量的方法主要由三種細光束小光斑照明，入射和反射強度測量、均勻光束照明入射和反射輻亮度測量以及入射輻照度和反射輻亮度分別絕對測量的方法。其中前兩種方法采用幾何因子轉(zhuǎn)化的方法，把入射和反射的光通量轉(zhuǎn)化為物理意義上的輻照度和反射輻亮度，避免了入射輻照度和反射輻亮度的絕對測量，同時，兩次測量信號的比值消除了探測器響應的影響，減少了標準的溯源，從測量原理上可實現(xiàn)高精度的測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高精度雙向反射分布函數(shù)(BRDF)絕對測量裝置。本發(fā)明采用的技術方案如下
雙向反射分布函數(shù)(BRDF)絕對測量裝置，包括有光源部分、樣品轉(zhuǎn)動機構、信號探測部分、信號處理部分，其特征在于所述的樣品轉(zhuǎn)動機構包括有樣品支撐部件、六自由度串聯(lián)式機器人，樣品支撐部件安裝于六自由度串聯(lián)式機器人上，樣品支撐部件上夾持測試樣品；所述的光源部分包括有兩個積分球輻射源，兩個積分球輻射源分別為紫外積分球輻射源、可見-短波紅外積分球輻射源，所述的紫外積分球輻射源由氙燈光源和積分球球體一組成，可見-短波紅外積分球輻射源由石英齒素燈和積分球球體二組成，所述的積分球球體一、積分球球體二內(nèi)壁上涂有反射涂層，所述的反射涂層采用反射率高、朗伯性好、耐高溫抗老化的聚四氟乙烯材料；所述的信號探測部分包括有光電二極管一、光電二極管二，用來監(jiān)視光源的穩(wěn)定性，光電二極管一、光電二極管二分別置于積分球球體一、積分球球體二內(nèi)，積分球的散熱采用散熱片結合水冷的方式；所述的信號處理部分包括有電流放大器、鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集器、計算機，光電二極管一、光電二極管二分別將采集到的光信號經(jīng)電流放大器、鎖相放大器放大后接入數(shù)據(jù)采集器的AD變換端口，數(shù)據(jù)采集器將光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后通信傳輸至計算機；操作六自由度串聯(lián)式機器人，通過改變測試樣品法線指向及方位角和天頂角的方式，并保持測試樣品的中心坐標不變，進行雙向反射分布函數(shù)絕對測量。 所述的積分球輻射源的亮度在550nm達到5個太陽常數(shù)，輻亮度面均勻性優(yōu)于99. 5%。所述的氙燈光源的功率為150W，石英鹵素的功率為400W。所述的光電二極管一、光電二極管二分別采用紫外增強型Si光電二極管和四級制冷(-85 °C)擴展InGaAs光電二極管。本發(fā)明的測試樣品的入射天頂角、方位角(0i，Cti)和反射天頂角、方位角通(9r, ^r)過六自由度串聯(lián)式機器人與直徑為1500mm的中空分度盤實現(xiàn)，角度的定位精度優(yōu)于15”，該機構不僅能實現(xiàn)通常BRDF在主平面(In plane)測量還能實現(xiàn)非常規(guī)的非主平面(Out of plane)測量，使用六自由度串聯(lián)式機器人可以避開復雜的歐拉角變換。由于串 六自由度聯(lián)式機器人有6個自由度，在入射光束測量時，可以將測試樣品傾斜向下，從而實現(xiàn)毫無遮擋的測量。本發(fā)明的信號探測部分采用紫外增強型Si光電二極管和四級制冷(_85°C)擴展InGaAs光電二極管,光電二極管均置于直徑為70_的積分球內(nèi)，一方面減少了光電二極管的多次反射引入的雜散光，另一方面減少了探測器響應非均勻性引入的不確定度。在紫外可見近紅外波段采用高精度電流放大器實現(xiàn)光信號的測量，在短波紅外波段采用鎖相放大的相關技術實現(xiàn)背景噪聲和真實信號的分離。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明裝置可以實現(xiàn)星上定標漫射板等材料BRDF小于1% (i550nm,0/45)的高精度測量，在光學計量、航天遙感、汽車工業(yè)、深空探測、國防軍事等應用領域提供了高精度BRDF測量平臺。


圖I是BRDF反射和入射幾何位置示意圖。圖2是本發(fā)明的測量原理圖。
圖3是本發(fā)明的非主平面測量的示意圖。圖4是本發(fā)明的信號處理部分的示意圖。
具體實施例方式如圖2、3、4所示,雙向反射分布函數(shù)(BRDF)絕對測量裝置,包括有光源部分、樣品轉(zhuǎn)動機構、信號探測部分、信號處理部分，樣品轉(zhuǎn)動機構包括有樣品支撐部件、六自由度串聯(lián)式機器人，樣品支撐部件安裝于六自由度串聯(lián)式機器人上，樣品支撐部件上夾持測試樣品3，光源部分包括有兩個積分球輻射源，兩個積分球輻射源分別為紫外積分球輻射源I、可見-短波紅外積分球輻射源2，紫外積分球輻射源I由氙燈光源和積分球球體一組成，氙燈光源經(jīng)匯聚后進入積分球球體一內(nèi)，可見-短波紅外積分球輻射源2由石英齒素燈和積分球球體二組成，積分球球體一、積分球球體二內(nèi)壁上涂有反射涂層，反射涂層采用反射率高、朗伯性好、耐高溫抗老化的聚四氟乙烯材料；信號探測部分包括有光電二極管4、光電二極管5,用來監(jiān)視光源的穩(wěn)定性,光電二極管4、光電二極管5分別置于積分球球體一、積 分球球體二內(nèi)，積分球的散熱米用散熱片結合水冷的方式；信號處理部分包括有電流放大器6、鎖相放大器7、數(shù)據(jù)采集器8、計算機9，光電二極管4、光電二極管5分別將采集到的光信號經(jīng)電流放大器6、鎖相放大器7放大后接入數(shù)據(jù)采集器8的AD變換端口，數(shù)據(jù)采集器8將光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后通信傳輸至計算機9 ;操作六自由度串聯(lián)式機器人，通過改變測試樣品法線指向及方位角和天頂角的方式，并保持測試樣品的中心坐標不變，進行雙向反射分布函數(shù)絕對測量。積分球輻射源的亮度在550nm達到5個太陽常數(shù)，輻亮度面均勻性優(yōu)于99. 5%。氙燈光源的功率為150W，石英鹵素的功率為400W。光電二極管4、光電二極管5分別采用紫外增強型Si光電二極管和四級制冷(-85 °C )擴展InGaAs光電二極管。本發(fā)明的測試樣品3的入射天頂角、方位角(0i，^i)和反射天頂角、方位角(9r, ^r)通過六自由度串聯(lián)式機器人與直徑為1500mm的中空分度盤實現(xiàn)，角度的定位精度優(yōu)于15”，該機構不僅能實現(xiàn)通常BRDF在主平面(In plane)測量還能實現(xiàn)非常規(guī)的非主平面(Out of plane)測量，使用六自由度串聯(lián)式機器人可以避開復雜的歐拉角變換。由于串六自由度聯(lián)式機器人有6個自由度，在入射光束測量時，可以將測試樣品傾斜向下，從而實現(xiàn)毫無遮擋的測量。本發(fā)明的信號探測部分采用紫外增強型Si光電二極管和四級制冷(_85°C)擴展InGaAs光電二極管,光電二極管均置于直徑為70_的積分球內(nèi)，一方面減少了光電二極管的多次反射引入的雜散光，另一方面減少了探測器響應非均勻性引入的不確定度。在紫外可見近紅外波段采用高精度電流放大器實現(xiàn)光信號的測量，在短波紅外波段采用鎖相放大的相關技術實現(xiàn)背景噪聲和真實信號的分離。
權利要求
1.一種雙向反射分布函數(shù)(BRDF)絕對測量裝置，包括有光源部分、樣品轉(zhuǎn)動機構、信號探測部分、信號處理部分，其特征在于所述的樣品轉(zhuǎn)動機構包括有樣品支撐部件、六自由度串聯(lián)式機器人，樣品支撐部件安裝于六自由度串聯(lián)式機器人上，樣品支撐部件上夾持測試樣品；所述的光源部分包括有兩個積分球輻射源，兩個積分球輻射源分別為紫外積分球輻射源、可見-短波紅外積分球輻射源，所述的紫外積分球輻射源由氙燈光源和積分球球體一組成，可見-短波紅外積分球輻射源由石英齒素燈和積分球球體二組成，所述的積分球球體一、積分球球體二內(nèi)壁上涂有反射涂層，所述的反射涂層采用聚四氟乙烯材料；所述的信號探測部分包括有光電二極管一、光電二極管二，光電二極管一、光電二極管二分別置于積分球球體一、積分球球體二內(nèi)；所述的信號處理部分包括有電流放大器、鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集器、計算機，光電二極管一、光電二極管二分別將采集到的光信號經(jīng)電流放大器、鎖相放大器放大后接入數(shù)據(jù)采集器的AD變換端口，數(shù)據(jù)采集器將光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后通信傳輸至計算機；操作六自由度串聯(lián)式機器人，通過改變測試樣品法線指向及方位角和天頂角的方式，并保持測試樣品的中心坐標不變，進行雙向反射分布函數(shù)絕對測量。
2.根據(jù)權利要求I所述的雙向反射分布函數(shù)(BRDF)絕對測量裝置，其特征在于所述的積分球輻射源的亮度在550nm達到5個太陽常數(shù)，輻亮度面均勻性優(yōu)于99. 5%。
3.根據(jù)權利要求I所述的雙向反射分布函數(shù)(BRDF)絕對測量裝置，其特征在于所述的氙燈光源的功率為150W，石英鹵素的功率為400W。
4.根據(jù)權利要求I所述的雙向反射分布函數(shù)(BRDF)絕對測量裝置，其特征在于所述的光電二極管一、光電二極管二分別采用紫外增強型Si光電二極管和四級制冷(_85°C)擴展InGaAs光電二極管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙向反射分布函數(shù)(BRDF)絕對測量裝置，光源采用高亮度、高均勻性積分球輻射源，積分球反射涂層均采用反射率高、朗伯性好、耐高溫抗老化的聚四氟乙烯材料；入射天頂角、方位角與反射天頂角、方位角通過通過六自由度串聯(lián)式機器人與直徑為1500mm的中空分度盤實現(xiàn)，可實現(xiàn)主平面及非主平面內(nèi)BRDF絕對測量；信號探測部分以紫外增強型Si光電二極管和四級制冷(-85℃)擴展InGaAs光電二極管為光電信號轉(zhuǎn)化器件。本發(fā)明在光學計量、航天遙感、汽車工業(yè)、深空探測、國防軍事等應用領域提供了高精度BRDF測量平臺。
文檔編號G01N21/47GK102749306SQ201210191168
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月11日 優(yōu)先權日2012年6月11日
發(fā)明者司孝龍, 張黎明, 李俊麟, 楊寶云, 沈政國, 陳洪耀 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所