平滑與褶皺表面目標(biāo)的散射光譜的研究

陸旭+++李龍+++孟令鵬+++石叢認(rèn)+++譚勇

摘 要：文章基于BRDF理論，測(cè)量了平滑與褶皺表面的錫紙材料的散射光譜，用金相顯微鏡對(duì)材料表面進(jìn)行觀察，對(duì)比分析了兩種表面形貌對(duì)散射光譜的影響。通過金相顯微鏡觀察樣品表面，將得到的褶皺表面材料圖像的陰影部分進(jìn)行區(qū)域、方向劃分，最終通過不同劃分方法及其對(duì)應(yīng)探測(cè)條件下得到的BRDF值，達(dá)到研究目標(biāo)材料表面形貌對(duì)其BRDF值影響的目的。

關(guān)鍵詞：散射光譜；褶皺表面目標(biāo)；歸一化；特征提??；標(biāo)準(zhǔn)偏差

引言

Nicodemus[1]最早提出了BRDF的概念，并于1970年正式確定[2]，BRDF反映了材料的基本光學(xué)特性，表示某一方向的入射波在平面上半空間的反射能量分布，取決于表面粗糙度、介電常數(shù)、輻射波長(zhǎng)和偏振等因素。在空間探測(cè)方面BRDF的研究還廣泛用于環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、地表植被長(zhǎng)勢(shì)遙感、地球資源勘測(cè)、大氣結(jié)構(gòu)分析等國(guó)民建設(shè)的各個(gè)方面，這就迫使人們對(duì)各種材料的BRDF進(jìn)行研究[3]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置和樣品：主要包括溴鎢燈、海洋QE65PRO光譜儀、84uv望遠(yuǎn)鏡、光纖，五維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，數(shù)據(jù)記錄計(jì)算機(jī)，激光筆，聚四氟乙烯標(biāo)準(zhǔn)板。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示。溴鎢燈發(fā)出的光垂直照射到樣品表面時(shí)會(huì)發(fā)射漫散射，散射的一部分光被探測(cè)器接收到，通過光纖耦合到光譜儀，由計(jì)算機(jī)記錄光譜數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

為了細(xì)致地觀察樣品表面的形貌分布，將兩種表面材料分別置于金相顯微鏡下，對(duì)其表面形狀的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，材料大小均為1.2cm×1.2cm。

將陰影較深的區(qū)域大致劃分為十五部分，并且給出了樣品實(shí)物圖，如圖2所示。其中橫坐標(biāo)OX方向的陰影區(qū)域較少，只有陰影O區(qū)域；縱坐標(biāo)OY方向陰影較多，為B、J、L、M、N區(qū)域；以O(shè)X軸為基準(zhǔn)方位角45°方向的陰影區(qū)域?yàn)镃、E、H、I區(qū)域；以O(shè)X軸為基準(zhǔn)方位角135°方向的陰影區(qū)域?yàn)锳區(qū)域；其余D、F、G、P區(qū)域?yàn)椴灰?guī)則近似圓形區(qū)域。

為了探究褶皺表面形狀對(duì)目標(biāo)的散射特性的影響，給出平滑表面材料和褶皺表面材料在入射方位角180°、天頂角20°時(shí)，出射方位角0°，天頂角10°～40°時(shí)的BRDF值，如圖3所示。從圖3（a）可以看出平滑材料BRDF在天頂角為20°時(shí)BRDF的值最高，并且向兩側(cè)急劇下降。然而從圖3（b）在褶皺表面材料中，因?yàn)轳薨櫜牧系牟灰?guī)則表面影響，所以天頂角為10°～25°時(shí)BRDF值較高，15°時(shí)BRDF的值最高，而在天頂角大于25°之后，褶皺材料的BRDF緩慢下降且趨于平穩(wěn)。圖2中表明，輪廓接近OY方向的陰影區(qū)域B、J、L、M、N陰影區(qū)域大，所以該方向褶皺紋路多、面積大，大部分反射光漫反射到天頂角15°的方向，所以導(dǎo)致在入射方位角180°、天頂角20°，出射方位角0°探測(cè)褶皺材料時(shí)，BRDF值在天頂角20°時(shí)要小于BRDF在天頂角15°時(shí)的值。

3 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過對(duì)褶皺目標(biāo)材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到數(shù)據(jù)并對(duì)其可見光波段的光譜散射特性進(jìn)行分析，并與長(zhǎng)寬相等的平滑材料的光譜散射特性進(jìn)行對(duì)比。如圖4所示，給出了光源垂直照射樣品的條件下，目標(biāo)材料在褶皺和平滑情況下出射方位角為180°而在不同天頂角下的BRDF。

圖4分別給出了光源垂直照射條件下目標(biāo)材料在褶皺和平滑情況下相同入射角不同天頂角的BRDF。如圖4（a）所示，由于目標(biāo)材料強(qiáng)的鏡反射特性，在出射天頂角5°時(shí)材料在褶皺情況下BRDF為1～1.5之間，平滑表面材料可以近似看成是鏡反射，其BRDF大約為4，約為褶皺表面材料的3倍。而隨著天頂角的增大，平滑表面材料的BRDF急速減小，褶皺表面材料的BRDF雖然在數(shù)值上有所減小，表明褶皺表面目標(biāo)的外貌對(duì)其BRDF影響很大。

4 結(jié)束語

本文以散射光譜的研究為基礎(chǔ)，對(duì)幾個(gè)平滑與褶皺表面物體的散射光譜的展開測(cè)量，利用金相顯微鏡觀察目標(biāo)表面結(jié)構(gòu)，從不同觀測(cè)角度下進(jìn)行BRDF對(duì)比分析，得出在出射天頂角小于5°時(shí)，平滑表面材料的BRDF大約為褶皺表面材料的BRDF的三倍；而隨著天頂角的逐漸增大，平滑表面材料的BRDF急速減小。這種變化原因是因?yàn)轳薨櫛砻娴牟灰?guī)則引起，而通過在不同的方位角探測(cè)時(shí)BRDF的高低變化，可以分析出褶皺表面的褶皺區(qū)域形狀和輪廓。利用BRDF理論對(duì)褶皺材料的散射特性進(jìn)行分析和平滑與褶皺材料的散射特性對(duì)比，可以分辨出目標(biāo)材料的表面形狀對(duì)BRDF值的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]Nicodemus. F. E. Directional Reflectance and Emissivity of an Opaque Surface.Appl. Opt. 1965，4（7）：767-773.

[2]Nicodemus. F. E. Reflectance nomenclature and directional reflectance andemissivity. Applied Optics.1970，9（6）：1474-1475.

[3]楊鈺琦.粗糙面散射的BRDF方法研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

作者簡(jiǎn)介：陸旭（1990，10-），男，工作單位：長(zhǎng)春理工大學(xué)，碩士研究生，研究方向：激光與物質(zhì)相互作用。

*通訊作者：譚勇。