專利名稱：實驗室煙(水)霧brdf測量方法
技術領域：
本發明涉及光學、自動控制、光電檢測技術領域，具體的說是一種實驗室煙(水)霧BRDF測量方法。
背景技術：
針對煙霧BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function，雙向反射分布函數)的實驗室測量技術，目前在國內外還未見過相關報道，以前的相關后向散射測量都是在外場進行的，這種方式要消耗大量的人力物力和資金。在實驗室內進行模擬測量的問題一直沒有得到較好的解決。
外場實驗測量所用到的設備能見度儀，微脈沖激光雷達，數據采集處理分析系統。
能見度儀通過測量大氣中顆粒對近紅外光束的散射獲得氣象能見度(MOR)。光發射器向大氣發射近紅外短脈沖，接收器接收探測到經大氣顆粒的散射，通過理論分析，全數字信號處理判別，可以獲得在不同環境下的能見度。結合激光在大氣中衰減與后向散射測量，可以建立不同大氣環境氣溶膠的模型和數據庫。
微脈沖激光雷達可以做大氣云霧(或其他氣溶膠)的后向散射特性和距離分辨。在此基礎上，結合典型地表激光雙站散射特性理論研究模型與測量數據，可以較精確地研究不同煙霧下目標的后向散射特性。
在外場實驗中根據能見度儀和微脈沖激光雷達測量數據，可建立激光多重散射數學模型，并反演實際大氣環境中煙霧、云霧等浮懸粒子的數密度，以及等效光學厚度。
發明目的本發明提出一種實驗室煙(水)霧BRDF測量方法，在實驗室中，利用水汽來模擬云霧。在激光經擴束的情況下，同時測量透過光強和不同角度的后向散射光強。以替代目前必須在外場做的工作，從而大量的節省時間、人力、物力和資金。
本發明的技術方案實驗室煙(水)霧BRDF測量方法，其原理是包括有BRDF測量系統，BRDF測量系統有三臺步進電機驅動的機架，三臺電機的轉動軸成X-Y-Z向相互垂直，其特征在于在機架上安裝有一球形樣品池，樣品池內光滿煙霧或水霧，三臺電機的轉動軸相交處位于球形樣品池的中心，通過激光器發射激光經擴束鏡擴束后，射入樣品池，在樣品池的后方及前方固定位置分別設置光電倍增管，同時測量透射光強度和一定后向散射角的散射光強，或者不同方向的散射光強，改變后向散射角，重復進行上述測量，再通過測出水汽或煙霧的粒徑分布，用于驗證后向散射數學模型。樣品池后方的光電倍增管安裝在機架上，樣品池前方的光電倍增管固定安裝在樣品池前方。
一種實驗室煙(水)霧BRDF測量方法，其特征在于在BRDF測量系統基礎上，將透明的球形樣品池、激光器、斬波器、擴束鏡、反射鏡組依次放置在機架上，使激光器發射的激光通過斬波器、擴束鏡后，經反射鏡組反射到球形樣品池上，軸線穿過球形樣品池球心的電機C放置在機架底部，帶動機架水平轉動，放置在機架上且軸線穿過球形樣品池球心的電機A帶動球形樣品池水平轉動，放置在機架上且軸線穿過球形樣品池球心的電機B帶動球形樣品池水垂直轉動，將與鎖相放大器相連接的光電倍增管放置在反射鏡組同側，光電倍增管的探測頭對準球形樣品池，光電倍增管與球形樣品池之間放置有凸透鏡，凸透鏡距離光電倍增管為一個透鏡焦距，轉動電機A確定經反射后的激光的入射角，再分別轉動電機B、電機C，得到不同的光電倍增管接收光線的接收角，根據下面公式進行控制， 上式中a、b、c為三個電機轉動的角度，θi為入射天頂角，θr為接收天頂角，i為入射方位角，r接收方位角，0為人為定義的方位角，采用比較的方法得到樣品雙向反射分布函數；首先對樣品池中的煙霧進行測量，然后將樣品池位置換為聚四氟乙烯F4標準板再進行一次測量，聚四氟乙烯F4標準板的雙向反射分布函數為由分光光度計測得的半球反射率ρ/π，對聚四氟乙烯F4標準板的測量，由于在所有接收方向，探測視場都大于樣品表面，則鎖相放大器輸出值
Vb(θi，φi；θr，φr；λ)＝Vo(θi，0；0，0；λ)cosθrθ為天頂角，φ為方位角，下標i表示入射，下標r表示反射方向，λ為波長，Vo為天頂方向接收時的標準板鎖相放大器輸出；同樣對樣品池測量可以得到Vs(θi，i；θr，r)，因此可以得到以下關系 ；測出F4標準板由分光光度計測得的半球反射率ρ和天頂方向接收時的標準板鎖相放大器輸出Vo，即可得到樣品的雙向反射分布函數。
所述的一種實驗室煙(水)霧BRDF測量方法，其特征在于通過放置在反射鏡組反射光路上的光電倍增管，對反射過后再穿過球形樣品池后的激光檢測反饋到計算機，并由計算機控制功率控制器使生煙器或加濕器工作，最終使球形樣品池內煙霧相對穩定。
所述的一種實驗室煙(水)霧BRDF測量方法，其特征在于所述的放置在支架上的電機A的傳動軸與球形樣品池的水平旋轉軸共軸，且其軸線穿過球形樣品池的球心；所述的放置在支架上的電機B的傳動軸與球形樣品池的垂直旋轉軸共軸，且其軸線穿過球形樣品池的球心。
本發明的原理激光器發出的細光束經擴束器擴束后，進入樣品池。樣品池中充滿由加濕器產生的水汽，控制加濕器產生水汽量的大小，以及周圍環境的變化，在樣品池中的水汽達到平衡后，樣品池中具有不同粒子數密度的水汽。在實驗室，可以同時測量透測光強度和一定后向散射角的散射光強，或者不同方向的散射光強。改變后向散射角，重復進行上述測量。再通過測出水汽的粒徑分布，可以驗證后向散射數學模型，并由此推廣至其他情況。
本發明的效果本發明提供了一種在實驗室內對模擬云霧進行BRDF測量的方法，更換加濕器為生煙器后，還可以用于實驗室內模擬煙霧等其它氣溶膠的后向散射測量。相比于目前的外場測量的方法，極大的節約了實驗成本并縮短了實驗周期，另外很關鍵的一點就是有很多特定的實驗條件，在外場并不是隨時都可以滿足。
其一，根據已知云霧的特征，如能見度、霧滴的粒子譜分布等參數，利用獲得激光近距探測后向散射功率的數學模型，以及云霧的等效厚度。將理論模型與實驗室水霧的散射實驗比較驗證。其二，在外場實驗中根據能見度儀和微脈沖激光雷達測量數據，建立合理的激光多重散射數學模型，并反演實際大氣環境中煙霧、云霧等浮懸粒子的數密度，以及等效光學厚度。
圖1本發明的結構示意圖。
圖2本發明的原理示意圖。
具體實施例方式
一種實驗室煙(水)霧BRDF測量方法，在BRDF測量系統基礎上，將透明的球形樣品池4、激光器10、斬波器9、擴束鏡8、反射鏡組7依次放置在機架14上，使激光器10發射的激光通過斬波器9、擴束鏡8后，經反射鏡組7反射到球形樣品池4上，軸線穿過球形樣品池4球心的電機C放置在機架14底部，帶動機架14水平轉動，放置在機架14上且軸線穿過球形樣品池4球心的電機A帶動球形樣品池4水平轉動，放置在機架14上且軸線穿過球形樣品池4球心的電機B帶動球形樣品池4水垂直轉動，放置在支架17上的電機A的傳動軸與球形樣品池4的水平旋轉軸15共軸，且其軸線穿過球形樣品池4的球心，放置在支架17上的電機B的傳動軸與球形樣品池4的垂直旋轉軸16共軸，且其軸線穿過球形樣品池4的球心。將與鎖相放大器1相連接的光電倍增管6放置在反射鏡組7同側，光電倍增管6的探測頭對準球形樣品池4，光電倍增管6與球形樣品池之間放置有凸透鏡5，凸透鏡5距離光電倍增管6為一個透鏡焦距，轉動電機A確定經反射后的激光的入射角，再分別轉動電機B、電機C，得到不同的光電倍增管6接收光線的接收角，根據下面公式進行控制， 上式中a、b、c為三個電機轉動的角度，θi為入射天頂角，θr為接收天頂角，i為入射方位角，r接收方位角，0為人為定義的方位角，采用比較的方法得到樣品雙向反射分布函數；首先對樣品池中的煙霧進行測量，然后將樣品池位置換為聚四氟乙烯F4標準板再進行一次測量，聚四氟乙烯F4標準板的雙向反射分布函數為由分光光度計測得的半球反射率ρ/π，對聚四氟乙烯F4標準板的測量，由于在所有接收方向，探測視場都大于樣品表面，則鎖相放大器輸出值Vb(θi，φi；θr，φr；λ)＝Vo(θi，0；0，0；λ)cosθrθ為天頂角，φ為方位角，下標i表示入射，下標r表示反射方向，λ為波長，Vo為天頂方向接收時的標準板鎖相放大器輸出；同樣對樣品池測量可以得到Vs(θi，i；θr，r)，因此可以得到以下關系 ；測出F4標準板由分光光度計測得的半球反射率ρ和天頂方向接收時的標準板鎖相放大器輸出Vo，即可得到樣品的雙向反射分布函數。
通過放置在反射鏡組7反射光路上的光電倍增管3，對反射過后再穿過4球形樣品池后的激光檢測反饋到計算機11，并由計算機11控制功率控制器12使生煙器或加濕器13工作，最終使球形樣品池4內煙霧相對穩定。
電機A、B、C的轉動是在合理地選擇一個三軸系統的數學坐標系的前提下，通過一定的規律來旋轉樣品，能將復雜的三維空間的變角光度測量簡化到二維平面上來實現。樣品池4為球形，其球心為空間坐標系的原點，在各電機的旋轉面上。設計為球形主要是考慮到在樣品池旋轉時，照向光電倍增管3的光通過水霧的光程不變。生煙器或加濕器13和功率控制器12、光電倍增管3、鎖相放大器2等構成負反饋控制系統，以保證樣品池內煙霧的相對穩定，全系統由計算機控制。
權利要求
1.一種實驗室煙(水)霧BRDF測量方法，其特征在于在BRDF測量系統基礎上，將透明的球形樣品池、激光器、斬波器、擴束鏡、反射鏡組依次放置在機架上，使激光器發射的激光通過斬波器、擴束鏡后，經反射鏡組反射到球形樣品池上，軸線穿過球形樣品池球心的電機C放置在機架底部，帶動機架水平轉動，放置在機架上且軸線穿過球形樣品池球心的電機A帶動球形樣品池水平轉動，放置在機架上且軸線穿過球形樣品池球心的電機B帶動球形樣品池水垂直轉動，將與鎖相放大器相連接的光電倍增管放置在反射鏡組同側，光電倍增管的探測頭對準球形樣品池，光電倍增管與球形樣品池之間放置有凸透鏡，凸透鏡距離光電倍增管為一個透鏡焦距，轉動電機A確定經反射后的激光的入射角，再分別轉動電機B、電機C，得到不同的光電倍增管接收光線的接收角，根據下面公式進行控制， 上式中a、b、c為三個電機轉動的角度，θi為入射天頂角，θr為接收天頂角，i為入射方位角，r接收方位角，0為人為定義的方位角，采用比較的方法得到樣品雙向反射分布函數；首先對樣品池中的煙霧進行測量，然后將樣品池位置換為聚四氟乙烯F4標準板再進行一次測量，聚四氟乙烯F4標準板的雙向反射分布函數為由分光光度計測得的半球反射率ρ/π，對聚四氟乙烯F4標準板的測量，由于在所有接收方向，探測視場都大于樣品表面，則鎖相放大器輸出值Vb(θi，φi；θr，φr；λ)＝Vo(θi，0；0，0；λ)cosθrθ為天頂角，φ為方位角，下標i表示入射，下標r表示反射方向，λ為波長，Vo為天頂方向接收時的標準板鎖相放大器輸出；同樣對樣品池測量可以得到Vs(θi，i；θr，r)，因此可以得到以下關系 ；測出F4標準板由分光光度計測得的半球反射率ρ和天頂方向接收時的標準板鎖相放大器輸出Vo，即可得到樣品的雙向反射分布函數。
2.根據權利要求1所述的一種實驗室煙(水)霧BRDF測量方法，其特征在于通過放置在反射鏡組反射光路上的光電倍增管，對反射過后再穿過球形樣品池后的激光檢測反饋到計算機，并由計算機控制功率控制器使生煙器或加濕器工作，最終使球形樣品池內煙霧相對穩定。
3.根據權利要求1所述的一種實驗室煙(水)霧BRDF測量方法，其特征在于所述的放置在支架上的電機A的傳動軸與球形樣品池的水平旋轉軸共軸，且其軸線穿過球形樣品池的球心；所述的放置在支架上的電機B的傳動軸與球形樣品池的垂直旋轉軸共軸，且其軸線穿過球形樣品池的球心。
全文摘要
本發明公開了一種實驗室煙(水)霧BRDF測量方法，在實驗室中，利用水汽來模擬云霧。在激光經擴束的情況下，同時測量透過光強和不同角度的后向散射光強。以替代目前必須在外場做的工作，從而大量的節省時間、人力、物力和資金。
文檔編號G06F17/00GK1858579SQ200510039208
公開日2006年11月8日 申請日期2005年4月30日 優先權日2005年4月30日
發明者張百順, 劉文清, 魏慶農 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所