李炳強(qiáng),曹佃生,林冠宇,劉旭堂

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長春 130033;2.中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266580)

1 引 言

星載遙感儀器在外太空工作時(shí),會(huì)受到大量紫外光照射,高真空、太陽電磁輻射和帶電粒子輻射等外部條件均會(huì)導(dǎo)致遙感儀器中的光學(xué)元件和探測器等敏感器件的性能衰減。在軌定標(biāo)是星載遙感儀器的重要功能之一,通過有計(jì)劃的輻射定標(biāo),可以對遙感儀器中光學(xué)元件和探測器等組件的性能變化進(jìn)行監(jiān)測和校正,提高遙感儀器的可靠性和壽命[1-8]。

相對于硫酸鋇和聚四氟乙烯等材料,鋁基漫反射板的漫反射特性略差,但是作為合金材料,其抗輻照能力具有明顯優(yōu)勢,通過在漫反射板工作面鍍膜或者對其表面進(jìn)行化學(xué)腐蝕等處理,可以提高其朗伯特性和半球反射率[7-11]。因此,基于鋁基漫反射板的在軌定標(biāo)方法在國內(nèi)外的遙感儀器中被廣泛采用[8,12-14]。在軌定標(biāo)一般通過太陽或者自帶的定標(biāo)燈作為標(biāo)準(zhǔn)源[2-6],通過漫反射板對標(biāo)準(zhǔn)源的光進(jìn)行衰減并引入到光路中,比較標(biāo)準(zhǔn)源照度和漫反射板BRDF確定輻亮度值,從而實(shí)現(xiàn)遙感儀器的輻射定標(biāo)。

鋁基漫反射板可以在紫外到近紅外寬波段范圍內(nèi)工作,用于在軌定標(biāo)之前,需要對其BRDF特性在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行精確測量以保證定標(biāo)數(shù)據(jù)的可靠性。在可見和近紅外波段對漫反射板的BRDF已經(jīng)有成熟的測量方法,使用FEL燈、氙燈或者鹵鎢燈等作為光源[8,13,15],漫反射板安裝在多維調(diào)整架上沿方位軸和俯仰軸間歇轉(zhuǎn)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)不同角度入射光的測量。國外在可對可見和近紅外漫反射板的測量精度可以達(dá)到0.5 %[10-11],國內(nèi)可以達(dá)到0.5 %～1 %[4,16-17]。對于遠(yuǎn)紫外波段,由于缺少穩(wěn)定的高性能光源,且光傳播過程中的衰減相對明顯,造成遠(yuǎn)紫外波段的BRDF測量困難,因此,國內(nèi)對于漫反射板在遠(yuǎn)紫外波段的BRDF研究相對較少[16]。

考慮到遠(yuǎn)紫外BRDF測量的特點(diǎn),在基于傳統(tǒng)BRDF測量方法的基礎(chǔ)上,通過對光源進(jìn)行監(jiān)測,彌補(bǔ)了遠(yuǎn)紫外定標(biāo)光源穩(wěn)定性不足的缺點(diǎn)。在真空條件下,使用單色儀作為光源,對鋁基漫反射板在紫外波段的BRDF進(jìn)行了測量,為鋁基漫反射板在光學(xué)遙感儀器中應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

2 鋁基漫反射板BRDF相對測量方法

漫反射板的BRDF是以反射輻亮度和入射輻照度比值進(jìn)行衡量的,對于確定的漫反射板其BRDF是確定的,它反映了漫反射板表面的反射特性[15-18]。特定漫反射面的BRDF幾何關(guān)系如圖1所示。

圖1 漫反射面BRDF幾何關(guān)系

根據(jù)圖1的幾何關(guān)系,漫反射面的BRDF可以表示為[16-18]:

(1)

式中,φi和θi分別表示入射光的方位角和天頂角;φr和θr分別表示出射光的方位角和天頂角;λ為波長,dLr為特定角度下的反射輻亮度;dEi為入射光的輻照度。

使用絕對測量方法在遠(yuǎn)紫外波段測量漫反板的BRDF存在兩個(gè)顯著的缺點(diǎn)。第一,遠(yuǎn)紫外波段很難獲得穩(wěn)定的光源,在相鄰兩次測量間隔內(nèi)光源的穩(wěn)定性對測量結(jié)果具有明顯的影響；第二,由于入射光信號與反射光信號的量級差異有可能達(dá)到104,因此,要求探測器在極寬的測量范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)線性測量,這對探測器的要求很高。針對遠(yuǎn)紫外BRDF測量特點(diǎn),為了提高測量的準(zhǔn)確性,采用一套光源監(jiān)測比例補(bǔ)償?shù)臏y量方法,基本原理如圖2所示。

圖2 BRDF測量原理圖

光源(氘燈+單色儀)發(fā)出的光,經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直后進(jìn)入分光系統(tǒng),分光系統(tǒng)是由直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的反射式調(diào)制扇結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)動(dòng)頻率80 Hz,穩(wěn)定性±0.5 %,占空比50 %,調(diào)制扇反射出去的光通過監(jiān)測光路進(jìn)入監(jiān)測探測器,無遮擋的另一部分光進(jìn)入后續(xù)測量光路。入射到待測漫反射板的光發(fā)生漫反射,主光路就可以對反射光信號進(jìn)行測量?？紤]到遠(yuǎn)紫外波段光譜的傳輸特性,主測量光路和準(zhǔn)直光路均采用離軸凹面反射鏡和平面反射鏡的組合形式設(shè)計(jì),反射鏡表面鍍Al+MgF2膜以提高反射率。分光系統(tǒng)具有穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和占空比,因此,主探測光路和檢測光路在同一時(shí)刻接收到的能量具有恒定的比例關(guān)系,通過這個(gè)比例關(guān)系就可以對光源的能量衰減進(jìn)行監(jiān)測,減少對光源穩(wěn)定性的依賴。

相對測量BRDF的方法依賴于BRDF值已知的標(biāo)準(zhǔn)漫反射板數(shù)據(jù)的可靠性,在對待測樣品進(jìn)行測量前,需要首先測量標(biāo)準(zhǔn)漫反射板的BRDF值作為參考,根據(jù)其已知的數(shù)據(jù)可以對待測漫反射板的參數(shù)進(jìn)行求解,從而減少對測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的依賴。對于半球反射率等于ρ的反射面,假設(shè)其具有朗伯散射特性,那么其任意角度的BRDF值是恒定的,即

(2)

根據(jù)BRDF相對測量方法,使用經(jīng)過準(zhǔn)直的均勻單色光,分別照射標(biāo)準(zhǔn)漫反射板和待測漫反射板,獲取在相關(guān)幾何位置下的入射信號和反射信號,就可以獲得BRDF的測量結(jié)果。對于標(biāo)準(zhǔn)漫反射板和待測漫反射板,BRDF測量結(jié)果可以表示為式(3)和式(4):

(3)

(4)

式中,Si(λ)無樣品時(shí)探測器測量的波長為λ的入射光強(qiáng)度信號值;Sr(φi,θi;φr,θr;λ)是波長λ的入射光經(jīng)反射鏡反射后探測器接收到的光強(qiáng)信號值;Ri和Rr分別為探測器對入射輻通量和反射輻通量的響應(yīng);D為探測器感光面距離光源中心的距離;Ar為探測器有效光闌面積;θr為樣品入射面法線與探測器感應(yīng)面法線的夾角。

隨著全校師生整齊的弟子規(guī)操，活動(dòng)拉開了帷幕。在局領(lǐng)導(dǎo)激昂的講話聲中，我知道了孔子是教育家、思想家，他有弟子三千多，遍布天下，傳播文化；孔子老爺爺可謂是桃李滿天下。接著，還有激情高昂的講話，同學(xué)們聽得十分入神。對我印象最深的就是一年級進(jìn)行了“朱砂啟智”，一年級的老師在他們的頭上點(diǎn)了紅痣，意味著開天眼，希望他們在今后的日子里，傳承中華文化，早日實(shí)現(xiàn)自己的夢想。他們還在紅紙上寫下了“人”字，看上去那么簡單的“人”字，但是寫起來特別困難，可是一年級的小朋友卻在老師的指引下認(rèn)認(rèn)真真地完成了。當(dāng)時(shí)我們還給老師鞠躬，心里想，一定要給老師最大的敬意，老師也向我們回禮。

通過式(3)和式(4)可得:

(5)

式(5)即為相對測量方法的原理,在入射光信號變化不大的情況下,Si′(λ)/Ri′(λ)和Si(λ)/Ri(λ)分別為測量標(biāo)準(zhǔn)樣品和待測樣品時(shí)的入射光通量。在真空遠(yuǎn)紫外波段,紫外標(biāo)準(zhǔn)燈光源漂移明顯,考慮到測量系統(tǒng)自身穩(wěn)定性和不同測量時(shí)間間隔等因素,需要考慮光源的漂移對測量結(jié)果的影響。

根據(jù)所采用的測量系統(tǒng)的特性,測量標(biāo)準(zhǔn)漫反射板時(shí),監(jiān)測光路輻通量可以表示為:

(6)

式中,V1′為測量標(biāo)準(zhǔn)漫反射板時(shí)的探測器信號值;τ為監(jiān)測光路的傳輸效率;R為監(jiān)測光路探測器對輻通量的響應(yīng)。

同理,對待測漫反射板進(jìn)行測量時(shí),可以得到監(jiān)測光路輻通量為:

(7)

式中,V1為測量標(biāo)準(zhǔn)漫反射板時(shí)的探測器信號值。

由于分光光路結(jié)構(gòu)固定,主光路和監(jiān)測光路的輻通量比值也是固定的,實(shí)際測量時(shí)應(yīng)考慮測量系統(tǒng)暗噪聲對測量結(jié)果的影響。兩次測量的輻通量變化γ可以表示為:

(8)

采用相對方法測量,其精度與樣品的BRDF值有關(guān),樣品相關(guān)參數(shù)可以在計(jì)量院進(jìn)行標(biāo)定。該方法避免了對測量系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量,避免了由測量系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)等因素帶來的系統(tǒng)誤差,通過測量一次標(biāo)準(zhǔn)樣品,然后更換待測樣品即可計(jì)算待測樣品的BRDF值,該方法實(shí)用性好,測量過程程控化,測量重復(fù)性精度高,易于實(shí)現(xiàn)批量化測量。

3 BRDF測量系統(tǒng)

BRDF測量系統(tǒng)主要由準(zhǔn)直光路、調(diào)制扇組件、監(jiān)測光路、樣品調(diào)整臺(tái)、探測器調(diào)整臺(tái)和主探測光路等部分組成,如圖3所示。光源經(jīng)準(zhǔn)直光路進(jìn)入調(diào)制扇組件,通過調(diào)制扇的作用一部分光進(jìn)入監(jiān)測光路,另一部分光入射到待測樣品上。待測樣品安裝在樣品水平位移臺(tái)上,在樣品水平位移臺(tái)、樣品垂直位移臺(tái)和樣品旋轉(zhuǎn)臺(tái)的支撐下,樣品具有2個(gè)平移自由度和1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度,通過控制這3個(gè)自由度可以調(diào)整斜入射角度和入射到待測樣品的位置。主光路探測器固定在探測懸臂上,通過探測器俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)和探測器方位轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)主光路探測器轉(zhuǎn)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)主光路探測器對待測漫反射板在一定半球空間內(nèi)反射信號的測量。

圖3 BRDF測量裝置

樣品水平位移臺(tái)和樣品垂直位移臺(tái)承載能力大于5 kg,采用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng),重復(fù)定位精度和絕對定位精度均優(yōu)于0.05 mm。樣品旋轉(zhuǎn)臺(tái)和探測器范圍轉(zhuǎn)臺(tái)采用相同型號轉(zhuǎn)臺(tái),轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面直徑φ100 mm,采用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)和渦輪蝸桿減速(減速比180),轉(zhuǎn)角精度分別優(yōu)于0.05°和0.1°。探測器俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)采用φ60 mm臺(tái)面轉(zhuǎn)臺(tái),采用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)和渦輪蝸桿減速(減速比90),轉(zhuǎn)角精度優(yōu)于0.1°。

在BRDF測量過程中,主光路探測器隨著探測器俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)和范圍轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng),主探測光路的中心應(yīng)始終指向待測樣品同一區(qū)域,由于轉(zhuǎn)臺(tái)角度誤差、裝調(diào)誤差和結(jié)構(gòu)彈性變形等因素,探測器指向會(huì)存在一定的誤差。對主光路探測部分的兩位轉(zhuǎn)動(dòng)部分進(jìn)行指向精度測試,在測試過程中,指向位置偏離理論中心位置不超過1.27 mm,對應(yīng)的角度誤差為0.66°,滿足使用要求。

待測漫反射板為氧化鋁材質(zhì),為改善其漫反射特性,采用物理磨砂和化學(xué)磨砂進(jìn)行處理,反射面尺寸60 mm×60 mm。

待測樣品安裝到樣品臺(tái)后,將整個(gè)BRDF測量系統(tǒng)放置在真空罐內(nèi),通過真空罐外接法蘭盤電纜實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)的控制,試驗(yàn)時(shí)真空罐的真空度為7×10-3Pa。單色儀出縫作為點(diǎn)光源的起始點(diǎn),與準(zhǔn)直光路的起點(diǎn)重合,光以一定的發(fā)散角進(jìn)入準(zhǔn)直系統(tǒng)。測量過程中,使用單色儀輸出不同波長的光作為光源,控制樣品轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng),調(diào)節(jié)樣品平移臺(tái)使被測漫反射板的被測區(qū)域移入探測光路中心位置,從而入射光以不同的角度照射待測漫反射板的指定區(qū)域,然后控制探測器方位轉(zhuǎn)臺(tái)和俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng),完成不同方位角和天頂角下的BRDF測量。

4 測量結(jié)果

4.1 0°入射角時(shí)BRDF測量結(jié)果

控制樣品旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)角度,使入射角為0°,進(jìn)行BRDF測量,測量過程中,探測器俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)(對應(yīng)天頂角)旋轉(zhuǎn)角度范圍分別為0°～100°、170°～270°,探測器方位轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度范圍為0°～50°、130°～180°,2個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)角度分為兩個(gè)不連續(xù)的角度范圍,一方面是為了避免對入射光的遮擋,防止影響測量,另一方面可以避免結(jié)構(gòu)本身帶來的運(yùn)動(dòng)干涉,保證機(jī)構(gòu)安全運(yùn)行。探測器的兩個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度間隔10°,每個(gè)位置穩(wěn)定時(shí)間3 s,探測器積分時(shí)間為1.5 s。

對200 nm波長下待測漫反板的BRDF進(jìn)行測量,結(jié)果如圖4和圖5所示。圖4為漫反射板BRDF測量值分布圖,其中圓周表示探測器方位轉(zhuǎn)臺(tái)的角度值,范圍為0°～360°,圓周半徑表示探測器俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)的角度值,圖中最大天頂角度值為80°。圖5為BRDF值的等高線圖,表示了在一定的方位角和天頂角下BRDF值的分布情況。圖4和圖5中,中間區(qū)域?yàn)楸徽趽鯀^(qū)域。

圖4 正入射漫反射板BRDF測量值分布圖

圖5 正入射BRDF值等高線示意圖

可以看出,在正入射條件下,BRDF值隨天頂角的增大而減小。BRDF值與方位角的相關(guān)性弱,可見,正入射時(shí)待測漫反射板在真空紫外中的散射相對比較均勻,但是BRDF值隨方位角的增加有減小的趨勢,其散射特性與理想朗伯體還有一定的差異。

同理,對110 nm和150 nm波段漫反射板的BRDF值進(jìn)行了測量,其BRDF值的分布及特性與200 nm時(shí)相似。提取3個(gè)波段在90°方位角處的BRDF值進(jìn)行比較,如圖6所示。

圖6 正入射3個(gè)波長在90°切面處的BRDF值

4.2 30°入射角BRDF測量結(jié)果

控制樣品旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)角度,使入射角為30°,進(jìn)行BRDF測量,測量過程中,探測器俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度范圍分別為0°～80°、160°～180°,探測器方位轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度范圍為0°～100°、170°～270°,兩個(gè)不連續(xù)的角度范圍同樣是為了避免對入射光的遮擋和結(jié)構(gòu)本身的運(yùn)動(dòng)干涉,保證測量正常進(jìn)行。探測器的兩個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度間隔10°,每個(gè)位置穩(wěn)定時(shí)間3 s,探測器積分時(shí)間為1.5 s。

對200 nm波長下待測漫反板的BRDF進(jìn)行測量,結(jié)果如圖7和圖8所示。圖中坐標(biāo)含義與圖4和圖5相同。

圖7 30°入射漫反射板BRDF測量值分布圖

圖8 30°入射BRDF值等高線示意圖

可以看出,入射角為30°時(shí),數(shù)據(jù)具有近似的對稱性,對稱面為入射光線光軸與被測漫反射板表面的法線所構(gòu)成的平面。沿光線反射方向的BRDF值比被測量面法線另外一側(cè)的BRDF值明顯偏大,漫反射板表現(xiàn)出明顯的鏡面反射特性。可見,在遠(yuǎn)紫外波段漫反射板的朗伯特性隨著斜入射的角度增加而變差。

同理,對110 nm和150 nm波段漫反射板30°斜入射的BRDF值進(jìn)行了測量,其BRDF值的分布及特性與200 nm時(shí)相似。提取3個(gè)波長下0°方位角切面處的BRDF值進(jìn)行比較,如圖9所示?？梢钥闯?在探測器天頂角與斜入射角度相同時(shí),被測漫反射板的BRDF值最大。3個(gè)波長下的BRDF值也均與波長相關(guān),波長越長BRDF值越大,在最大BRDF值處,110 nm和150 nm比200 nm處BRDF值分別下降了31.04 %和16.04 %。且隨著天頂角偏離入射角的角度增加,BRDF值下降明顯,110 nm、150 nm和200 nm波長下,測量方位角為50°時(shí)的BRDF比-30°分別下降23.57 %、22.12 %和21.09 %。

圖9 斜入射3個(gè)波長在0°切面處的BRDF值

5 結(jié) 論

在真空條件下,使用BRDF測量裝置,在110 nm、150 nm和200 nm三個(gè)波段對鋁基漫反射板進(jìn)行了BRDF值測量實(shí)驗(yàn),通過測量數(shù)據(jù)對其分布規(guī)律和變化趨勢進(jìn)行研究。使用對光源進(jìn)行監(jiān)測的方法,提高了相對測量方法的測量精度,減少測量方法對測量裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的依賴性。通過數(shù)據(jù)分析,漫反射板的BRDF與波長、入射角度、天頂角等因素相關(guān),隨著波長的增加BRDF值呈現(xiàn)降低的趨勢,且隨波長的減小,下降趨勢更明顯；當(dāng)入射角度增加時(shí),漫反射板會(huì)表現(xiàn)出顯著的鏡面反射現(xiàn)象,并且相同波長下隨天頂角的增加,BRDF值下降更快。對真空遠(yuǎn)紫外波段鋁基漫反射板的BRDF特性研究可以為光學(xué)遙感儀器的輻射定標(biāo)等工作提供參考。