星載石英漫反射板雙向反射分布函數(shù)實(shí)驗(yàn)測量研究

趙敏杰，司福祺，陸亦懷，汪世美，江 宇，周海金，劉文清

中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031

星載石英漫反射板雙向反射分布函數(shù)實(shí)驗(yàn)測量研究

趙敏杰，司福祺*，陸亦懷，汪世美，江 宇，周海金，劉文清

中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031

石英漫反射板用于星載大氣痕量氣體差分吸收光譜儀測量太陽參考譜的觀測系統(tǒng)中，太陽光譜的測量精度將會直接影響痕量氣體反演的精度，為保證載荷全視場太陽光譜的測量精度，石英漫反射板需具有良好的朗伯特性，在儀器觀測視場內(nèi)能夠提供均勻的光源。為此，在實(shí)驗(yàn)室利用雙向反射分布函數(shù)(BRDF)測量儀，選取F4(聚四氟乙烯)粉壓制板作為標(biāo)準(zhǔn)板，采用相對測量法對研制的四種石英漫反射板樣品進(jìn)行了朗伯特性測量，得出了四種樣品在波長180～880 nm、觀測角度-70°～+70°范圍內(nèi)的BRDF。通過對樣品BRDF的分析，篩選出了兩種工藝下的朗伯特性較好的石英漫反射板作為初選樣品，并測量比較了石英漫反射板和F4標(biāo)準(zhǔn)板對太陽光的漫反射光譜，石英漫反射板對太陽光的反射特性較好，可以作為測量用漫反射板獲取太陽參考譜。為進(jìn)一步的紫外輻照、原子氧侵蝕等試驗(yàn)以及對比試驗(yàn)提供了數(shù)據(jù)支持。

石英漫反射板； 雙向反射分布函數(shù)； 星載大氣痕量氣體差分吸收光譜儀

引 言

星載大氣痕量氣體差分吸收光譜儀是一種推掃式成像光譜儀，具有高分辨率、寬光譜范圍、大視場角的特點(diǎn)，能夠同時記錄被測對象的光譜信息和空間信息，其運(yùn)行在太陽同步軌道，地面觀測范圍穿軌方向2 600 km，能夠?qū)崿F(xiàn)一日全球覆蓋。載荷在軌運(yùn)行時通過探測地球大氣或地表反射、散射的紫外/可見光，以載荷出地影區(qū)時測量的太陽光譜作為參考譜線，利用差分吸收光譜(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)[1]等算法來反演大氣中痕量氣體的分布和變化。太陽光譜的測量需要經(jīng)過漫反射板而獲得，即太陽光直接照射到漫反射板上，載荷通過觀測漫反射板的漫反射光而得到太陽參考譜。太陽光譜的測量精度將會直接影響痕量氣體反演的精度，SCIAMACHY(scanning imaging absorption spectrometer for atmospheric Chartography)載荷[2]采用鋁漫反射板作為測量漫反射板，由于鋁漫反射板引入了較大的光譜結(jié)構(gòu)，使得DOAS算法反演痕量氣體的精度降低，鑒于此，OMI(ozone monitoring instrument)采用了自身光譜結(jié)構(gòu)很小的石英漫反射板作為測量漫反射板[3-4]，提高了太陽光譜的測量精度。

星載大氣痕量氣體差分吸收光譜儀安裝一個鋁漫反射板、一個石英漫反射板和一個石英漫透射體。鋁漫反射板用于在軌監(jiān)測儀器的衰減，石英漫透射體用于在軌檢測面陣CCD探測器，石英漫反射板作為測量用漫反射板進(jìn)行日常太陽光譜的測量。為保證星載儀器在軌對太陽光譜的測量精度，測量用石英漫反射板需滿足相關(guān)的工作特性：一方面，由于星載儀器具有114°的大視場角，采用面陣CCD作為探測器，石英漫反射板需具有較好的朗伯特性，能夠在儀器的觀測視場內(nèi)提供均勻的光源，以保證儀器全視場內(nèi)太陽光譜的測量精度； 另一方面，星載儀器在軌測量太陽譜時，石英漫反射板直接暴露在太空的極端環(huán)境下，受到紫外輻照、原子氧等惡劣環(huán)境的影響，會對石英漫反射板表面產(chǎn)生一定程度的破壞從而影響太陽光譜的測量精度，這要求石英漫反射板具有良好的抗紫外輻照和原子氧侵蝕特性。所以，需要在實(shí)驗(yàn)室對研制的石英漫反射板進(jìn)行特性測量試驗(yàn)，以篩選出符合工程條件的石英漫反射板。特性測量試驗(yàn)主要包括朗伯特性測量試驗(yàn)、抗紫外輻照試驗(yàn)和原子氧侵蝕試驗(yàn)。在特性測量試驗(yàn)時，首先要進(jìn)行朗伯特性測量試驗(yàn)，初選出具有良好朗伯特性的石英漫反射板以進(jìn)一步完成抗紫外輻照試驗(yàn)和原子氧侵蝕試驗(yàn)。本文主要研究石英漫反射板的朗伯特性試驗(yàn)，利用BRDF測量儀得出了幾種石英漫反射板樣品的雙向反射分布函數(shù)，通過分析BRDF篩選出了朗伯特性較好的石英漫反射板，并對比了石英漫反射板和聚四氟乙烯(F4)標(biāo)準(zhǔn)板測量的太陽光漫反射光譜，給出了測量分析結(jié)果。

1 載荷在軌觀測系統(tǒng)

星載大氣痕量氣體差分吸收光譜儀在軌觀測系統(tǒng)光路示意圖如圖1所示。系統(tǒng)有兩種工作模式: 對地觀測模式和定標(biāo)模式。載荷對地觀測時，太陽光擋板位于太陽光孔處，阻擋來自太陽的入射光，同時光路切換反射鏡處于圖中實(shí)線位置，此時地球光通過望遠(yuǎn)鏡主鏡進(jìn)入主光路，進(jìn)行對地常規(guī)測量。太陽光譜的日常測量在系統(tǒng)的定標(biāo)模式下進(jìn)行，對太陽光譜進(jìn)行測量時首先打開太陽光擋板，太陽光通過太陽光孔直接照射到石英漫反射板上，同時旋轉(zhuǎn)光路切換反射鏡至太陽光位置(圖中虛線位置)，此位置不僅使來自石英漫反射板的太陽光進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡主光路，而且阻擋了來自主鏡方向的地面輻射。太陽光照射到石英漫反射板上后，經(jīng)漫反射板反射形成一定角度內(nèi)的漫射光照亮光路切換反射鏡從而進(jìn)入主光路，完成對太陽光譜的測量。

圖1 在軌觀測系統(tǒng)光路圖

2 石英漫反射板BRDF測量

2.1 BRDF測量原理

BRDF定義為觀測方向上輻亮度與入射方向上輻照度的比值，表達(dá)式為

(1)

函數(shù)fr(θi,φi;θr,φr;λ)為雙向反射分布函數(shù)，θi和φi分別為入射俯仰角和方位角，θr和φr分別反射俯仰角和方位角，λ為波長，dL(θi,φi;θr,φr;λ)和dEi(θi,φi;λ)分別為反射輻亮度和入射輻照度。

BRDF測量方法主要包括絕對測量法和相對測量法，本實(shí)驗(yàn)采用相對測量法，在測量中使用的標(biāo)準(zhǔn)板是聚四氟乙烯(F4)粉末壓制的漫反射板，通過目標(biāo)板和標(biāo)準(zhǔn)板的對比測量，可得到目標(biāo)板的BRDF光譜曲線。

在測量石英樣品的BRDF時，因F4標(biāo)準(zhǔn)板具有良好的朗伯特性，其雙向反射分布函數(shù)為ρ/π (sr-1)，ρ為半球反射率。為此引入反射率因子為

(2)

式中，dφQ(θr,φr;λ)為在測量方向上石英漫反射板對應(yīng)的輻通量，dφS(θr,φr;λ)為在相同測量條件下標(biāo)準(zhǔn)板對應(yīng)的輻通量，石英漫反射板fr(θi,φi;θr,φr;λ)與反射率因子R之間的關(guān)系為

(3)

記探測器對觀測方向上輻通量的響應(yīng)輸出值為DN，因探測器具有較好的線性響應(yīng)，測量分析時輻射量值可用對應(yīng)的探測器響應(yīng)值替代，DNQ(θi,φi;θr,φr;λ)為測量石英漫反射板時探測器的響應(yīng)值，DNS(θi,φi;θr,φr;λ)為測量標(biāo)準(zhǔn)板時探測器的響應(yīng)值，由式(2)和式(3)可得到

(4)

利用BRDF測量儀對石英樣品進(jìn)行測量時，在所有的觀測方向，探測系統(tǒng)探測視場都大于樣品表面面積[5]，對于具有余弦特性的標(biāo)準(zhǔn)板，相應(yīng)的探測器響應(yīng)輸出值為

DNS(θi,φi;θr,φr;λ)=DNS(θi, 0; 0, 0;λ)cosθr

(5)

DNS(θi, 0; 0, 0;λ)為光譜儀在天頂方向的測量值，將F4標(biāo)準(zhǔn)板看做理想的漫反射板時，其半球反射率為ρ=1, 結(jié)合式(4)和式(5)得到

(6)

2.2 石英漫反射板BRDF實(shí)驗(yàn)測量

實(shí)驗(yàn)中采用的BRDF測定儀裝置示意圖如圖2所示，BRDF測定儀系統(tǒng)采用三個電機(jī)，光源系統(tǒng)外面裝有遮擋蓋，保證光線照射在樣品方向上，防止其他方向的光線對探測器的干擾。光源系統(tǒng)中照明燈選擇為氙燈，能夠發(fā)射連續(xù)穩(wěn)定的光譜，保證在紫外部分有較強(qiáng)的光輻射。光源發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)產(chǎn)生平行光照射在樣品上，調(diào)整探測器位置觀測樣品的漫反射光。探測器為光纖光譜儀，光譜范圍180～880 nm。此系統(tǒng)在整個測量過程中能夠全自動完成。

圖2 BRDF測定儀裝置示意圖

星載大氣痕量氣體差分吸收光譜儀觀測譜段覆蓋240～710 nm，分為四個光譜通道：紫外第一通道(240～315 nm)、紫外第二通道(311～403 nm)、可見第一通道(401～550 nm)、可見第二通道(545～710 nm)。載荷在軌測量太陽光譜的同時也會沿軌道運(yùn)行，太陽光入射到石英漫反射板上的角度和載荷對石英漫反射板的觀測角度都會發(fā)生變化。根據(jù)載荷運(yùn)行的軌道及測量太陽光譜的過程，計算出太陽光入射角度的標(biāo)稱值為10°，對漫反射板的觀測角度為+17°～+37°。測量時設(shè)定氙燈入射光線與漫反射板法線夾角為10°(對應(yīng)測量系統(tǒng)中的-10°)，電機(jī)C的旋轉(zhuǎn)角度范圍為-70°～+70°，對應(yīng)漫反射板的觀測角度。電機(jī)C的初始位置為-70°，控制系統(tǒng)將控制電機(jī)C每次轉(zhuǎn)動5°，轉(zhuǎn)動完成后測量系統(tǒng)完成一次測量，直到電機(jī)C角度轉(zhuǎn)到+70°時測量結(jié)束。當(dāng)光譜儀觀測角度和光線入射角度相同時，由于遮擋蓋的遮擋，光譜儀接收不到來自樣品的漫反射光線。實(shí)驗(yàn)時先對四種石英漫反射板樣品進(jìn)行測量，所有樣品測量完畢后，在同一位置放置F4標(biāo)準(zhǔn)板，然后在相同的測量條件下測量F4標(biāo)準(zhǔn)板。

3 石英漫反射板BRDF測量分析結(jié)果

圖3給出了四種石英漫反射板樣品在400和600 nm處探測器的響應(yīng)值，測量范圍為+70°～-70°，每轉(zhuǎn)動5°光譜儀進(jìn)行一次測量，曲線在-10°時下降是因?yàn)橄到y(tǒng)在后向方向的遮擋，阻擋了探測信號的接收。從圖中可知，探測器對樣品1、樣品2的響應(yīng)值在觀測角度范圍內(nèi)近似滿足式(5)，說明樣品1、樣品2具有較好的余弦分布特性，對于樣品3、樣品4，探測器響應(yīng)值曲線與余弦分布偏離較大，說明這兩種樣品的余弦特性較差。

四種石英樣品經(jīng)過表面粗處理和表面精細(xì)處理兩個過程：表面粗處理通過表面噴砂消除內(nèi)部應(yīng)力、污染物，形成具有漫反射特性的初步產(chǎn)品； 表面精細(xì)處理通過化學(xué)方法、超聲波清洗后進(jìn)行鍍膜，形成滿足工程要求的產(chǎn)品。對石英漫反射板的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其雙向反射分布函數(shù)如圖4所示。

由圖4(b)可知，樣品2的后向反射較弱，前向反射較強(qiáng)，這是由于樣品2相對于其他三個樣品選用了不同目數(shù)的金剛砂進(jìn)行噴砂，通過分析不同目數(shù)金剛砂和噴砂形成的粗糙度Ra之間的關(guān)系，得出樣品2表面粗糙度較弱，不滿足工程要求。對于樣品1和樣品2選用220目的金剛砂，噴砂效果較好。樣品4也是選用220目的金剛砂，但由其BRDF結(jié)果可知，其表面反射的峰值在鏡向和法向之間，也是屬于粗糙度較弱的情況，通過觀察其表面發(fā)現(xiàn)鍍膜的膜層較為致密，較厚的膜層覆蓋了樣品表面的粗糙面，降低了粗糙度但增加了鏡向特性，使得其漫反射特性變差。樣品1、樣品2在波長范圍為180～880 nm，觀測角度-70°～+70°，其雙向反射分布函數(shù)從中間最大值向兩邊逐漸減少，近似成余弦分布，具有較好的朗伯特性，能夠通過此次篩選實(shí)驗(yàn)，而對于樣品3、樣品4，其朗伯特性較差，不滿足此次篩選條件。

圖3 樣品1對應(yīng)的探測器輸出值(a) 400 nm處的DN值; (b) 600 nm處的DN值； 樣品2對應(yīng)的探測器輸出值(c) 400 nm處的DN值; (d) 600 nm處的DN值； 樣品3對應(yīng)的探測器輸出值(e) 400nm處的DN值; (f) 600 nm處的DN值； 樣品4對應(yīng)的探測器輸出值(g); 400 nm處的DN值; (h) 600 nm處的DN值

Fig.3 Detector output value of sample 1 (a) DN value of 400 nm; (b) DN value of 800 nm; Detector output value of sample 2 (c) DN value of 400nm; (d) DN value of 800 nm； Detector output value of sample 3 (e) DN value of 400 nm; (f) DN value of 800 nm； Detector output value of sample 4 (g) DN value of 400 nm; (h) DN value of 800 nm

圖4 雙向反射分布函數(shù)

4 太陽光譜的測量結(jié)果

由于F4板穩(wěn)定性(不隨時間、溫度環(huán)境而變)好、表面均勻、漫反射無光譜選擇性、不透明、無熒光和易攜帶、在紫外、可見、近紅外波段均有良好反射特性等特點(diǎn)[6]，在地面對太陽漫反射光進(jìn)行測量時，可以選擇其作為標(biāo)準(zhǔn)漫反射板，其漫反射譜作為標(biāo)準(zhǔn)譜。選擇晴朗的天氣情況下，利用上述篩選的石英樣品作為漫反射板測量一定入射角度的太陽漫反射光，并與相同條件下利用F4標(biāo)準(zhǔn)板測量的太陽漫反射光進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5所示。

將兩條譜歸一化后進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果如圖6所示。

由相關(guān)性分析結(jié)果可知，兩譜線的相關(guān)性為0.999 38，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.999 69，殘差平方和為0.040 77，兩譜線基本沒有差異。在實(shí)際應(yīng)用中，石英漫反射板對太陽光的反射特性較好，未引入明顯的光譜結(jié)構(gòu)，可以作為測量用漫反射板獲取太陽參考譜。

圖5 太陽漫反射光地面測量結(jié)果

5 結(jié) 論

介紹了星載石英漫反射板的朗伯特性測量試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)石英漫反射板的在軌運(yùn)行情況確定了測量條件，利用BRDF測量儀對研制的四種石英漫反射板樣品進(jìn)行了檢測，并對測試結(jié)果進(jìn)行了分析。通對篩選的石英漫反射板和F4標(biāo)準(zhǔn)板測量的太陽漫反射光結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果顯示石英漫反射板對太陽光的反射特性較好，可以作為測量用漫反射板獲取太陽參考譜。下一步的工作主要從兩方面進(jìn)行，一是根據(jù)此次測量試驗(yàn)，對樣品1、樣品2兩種制作工藝進(jìn)行總結(jié)分析，為進(jìn)一步的工藝改進(jìn)提供實(shí)驗(yàn)支持； 二是對初步篩選的樣品1、樣品2進(jìn)行下一步的紫外輻照試驗(yàn)和原子氧侵蝕試驗(yàn)，并對試驗(yàn)后兩種樣品的朗伯特性重新測量，分析紫外輻照試驗(yàn)和原子氧侵蝕試驗(yàn)對樣品的影響，進(jìn)一步優(yōu)化制作工藝和流程，保證最后篩選出的石英漫反射板滿足在軌工作要求。

圖6 相關(guān)性分析結(jié)果

[1] SI Fu-qi, XIE Pin-hua, Klaus-Peter Heue, et al(司福祺，謝品華，Klaus-Peter Heue，等) .Acta Physica Sinica(物理學(xué)報), 2008, 57(9): 6018.

[2] Kowalewski M G, Jaross G, Cebula R P, et al.Proc.of SPIE, 2005, 5882: 58820Y-4.

[3] Marcel R Dobber, Ruud J Dirksen, Pieternel F Levelt, et al.Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2006, 44(5): 1209.

[4] Ruud Dirksen, Marcel Dobber, Pieternel Levelt, et al.Proc.of SPIE, 2004, 5234: 400.

[5] ZHANG Bai-shun, LIU Wen-qing, WEI Qing-nong, et al(張百順，劉文清，魏慶農(nóng)，等).Chinese Journal of Quantum Electronics(量子電子學(xué)報)，2006，23(4)：533.

[6] LIU Wen-qing, ZHANG Yu-jun, XIE Pin-hua, et al(劉文清，張玉鈞，謝品華，等).Chinese Journal of Lasers(中國激光)，2000, A27(7): 633.

(Received Oct.30, 2013; accepted Jun.12, 2014)

*Corresponding author

Bidirectional Reflectance Distribution Function of Space-Borne Quartz Volume Diffuser

ZHAO Min-jie, SI Fu-qi*, LU Yi-huai, WANG Shi-mei, JIANG Yu，ZHOU Hai-jin, LIU Wen-qing

Key Laboratory of Environmental Optics and Technology，Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China

Quartz Volume Diffuser(QVD) is used in the observing system of Space-Borne differential optical absorption spectrometer.The precision of observed solar spectrum directly influences the accuracy of the gas retrievals.Therefore the QVD is required for well Lambert feature to ensure the accuracy of full field solar spectrum, and it can provide uniformity source in the observing view of the instrument.Using bidirectional reflectance distribution function(BRDF) measurement instrument, adopting the powder pressboard of F4(polytetrafluoroethylene(PTFE)), QVD’s BRDF is measured by choosing the relative measurement method.Four kinds of QVD’s BRDF is obtained in the range of 180～880 nm, the observing view of -70°～+70°.Two kinds of QVD which has a well Lambert feature are selected by analyzing the QVD’s BRDF.The diffuse sunlight measured by QVD and F4 is compared, which show that QVD has well scattering properties with regard to solar spectrum and can be selected as the measuring diffuser.That supports for next Ultraviolet irradiation measurement, atomic oxygen erosion measurement and comparison measurement.

QVD； BRDF； Space-born differential optical absorption spectrometer

2013-10-30，

2014-06-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41275037)和安徽省杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(1308085JGD03)資助

趙敏杰，1987年生，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所博士研究生 e-mail：mjzhao@aiofm.ac.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: sifuqi@aiofm.ac.cn

P412

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)05-1565-06