建筑材料表面紅外雙向反射分布函數實驗分析

謝 鳴，黃 勇，王曉春，趙歡歡，談和平

(1.哈爾濱工業大學能源科學與工程學院，150001哈爾濱，xieming@hope.hit.edu.cn; 2.北京航空航天大學航空科學與工程學院，100191北京)

雙向反射分布函數(BRDF)［1］是描述材料表面空間反射分布特性和散射分布特性的物理量，可以用來評估各類材料表面在可見光到中遠紅外波段的反射、吸收和散射特性，所以在地面目標紅外成像或隱身等技術應用方面具有重要的意義［2-4］.目前，國內外高層建筑外墻飾面多采用花崗巖石材幕墻、單層鋁板金屬幕墻和鍍膜玻璃幕墻.在這類建筑表面紅外熱輻射特性與紅外成像模擬的研究中需要了解上述外飾面材料的表面反射和散射分布特性，國外在這方面文獻很少，國內開展的研究也不多，其實驗研究則更少.

本文將花崗巖、鋁板和鍍膜玻璃作為待測樣品，通過自行搭建BRDF實驗臺，利用聚四氟乙烯粉壓制的標準白板(近似朗伯體并已知反射比)為單一參考試樣，分別在0.632 8、1.340 0和3.390 0 μm波段(只在鍍膜玻璃進行)，在不同的入射角度下，對待測樣品表面的BRDF分布進行了測量，結合其表面粗糙度和實驗數據分析各材料表面反射特性與散射特性.

1 BRDF實驗裝置與測量方法

根據BRDF概念(圖1)并結合粗糙面電磁散射理論，一般將其定義為［5-6］

圖1 雙向反射分布函數示意圖

式中，θ、φ分別是球坐標下的天頂角和方位角，下標i、r分別代表入射量和反射量，Lr(θi，φi;θr，φr)為(θr，φr)方向的反射亮度，Ei(θi，φi)為(θi，φi)方向上的入射照度.fr可在0～∞之間變化，其量綱為sr-1.

令入射、接受條件相同，待測樣品的反射亮度可通過接受探測器的電壓輸出得到:

待測樣品的入射照度與標準板的入射照度相同，標準板的入射照度可通過接受探測器的輸出電壓得到:

式中，S、B分別表示待測樣品及標準樣，τ為光透射率，R為探測器響應率，AS、AB為試樣、標準板被照的面積，Ad為探測器面積，θS，θB分別為待測樣品、標準白板反射天頂角，θd為入射天頂角，d為探測器到試樣距離，fB為標準試樣的BRDF值，則有

其中，fB=LB/EB，合理選擇式中參數，τ、R、A、E、均為常量，則待測樣品的fS由輸出電壓表示的表達式為

2 實驗

2.1 測量系統組成

測量系統由光學調試系統、機械轉動系統、加熱系統(本文涉及的實驗沒有啟用)和電路接收系統4部分組成.圖2為測量裝置系統圖.

圖2 BRDF測量裝置原理圖

測試系統光源的激光波長包括可見光的0.632 8 μm，近紅外的1.340 0 μm，中紅外的3.390 0 μm及中遠紅外10.60 0 μm的波段，完成了多波段的測量［7-8］.

2.2 測量方法

測量雙向反射分布函數可分為絕對測量和相對測量［9］.絕對測量是在不使用任何參考標準的情況下進行的測量;而相對測量則是利用已知反射比的參考標準與待測樣品做比較的測量.相對測量又可分為比對測試法和單一參考法.本實驗采用單一參考法，即先按公式(1)測量樣品表面的電壓值VS;再按公式(3)測量相同幾何條件下標準白板表面的電壓值VB，由公式(3)獲得樣品BRDF值.

2.3 誤差分析

通過3塊已知反射比標準白板在BRDF實驗臺上互為比較的測量方法來標定該實驗臺的誤差，測量誤差能夠控制在20%以內［10］.

3 材料表面特點

3.1 花崗巖

花崗巖是一種深層酸性火成巖，成分為SiO2(質量分數多在70%以上)、石英、長石和少量黑云母且分布不均勻.表面顏色多樣，多呈斑塊狀，經過水磨拋光處理粗糙均勻.

3.2 鋁板

建筑用鋁板為防銹鋁(代號LF21)，板厚度為2.5 mm.其表面處理可分為2種方法，一種是陽極氧化，另一種是靜電噴涂.本文采用的鋁板樣片為陽極氧化，氧化膜厚度在12 μm以上，顏色為白色.因鋁板材質均勻且表面形成氧化膜，所以可認為是微粗糙.

3.2 鍍膜玻璃

鍍膜玻璃按產品的不同特性分為:熱反射玻璃、低輻射玻璃(Low-E)、導電膜玻璃等.本文采用樣片為熱反射玻璃.該鍍膜玻璃是在玻璃表面鍍一層或多層諸如鉻、鈦或不銹鋼等金屬或其化合物組成的薄膜，使產品呈豐富的色彩，對于可見光波段(0.38～0.76 μm)透射率較高(約0.8)，對紅外線(0.76～2.50 μm)有較高的反射率(約0.7)［11］.鍍膜玻璃表面光滑，對波長有明顯的選擇性且影響因素復雜，所以本文給出3個波段的BRDF實驗曲線.

4 BRDF的數據采集結果

分別在0.632 8、1.340 0和3.390 0 μm波段對花崗巖、鋁板和鍍膜玻璃表面，以0°、30°、45°、 60°等入射天頂角進行了測量，因篇幅所限，僅給出代表性角度時各材料表面BRDF實驗曲線.

4.1 花崗巖

圖3為0.632 8 μm波段下，入射天頂角度30°和45°時，花崗巖表面BRDF分布情況.由圖3可知，30°時在鏡反射方向有明顯峰值，同時還存在偏鏡峰現象.但45°時鏡反射方向峰值明顯小于30°的峰值，偏鏡峰現象幾乎消失.這是因為花崗巖表面雖然經過水磨拋光處理，但還是存在粗糙不均勻情況，所以隨入射角增大，其鏡反射份額會減少，使面散射份額增大，偏鏡峰現象減少，其表面粗糙程度對鏡反射的影響就越明顯.

圖3 0.632 8 μm波段，入射天頂角30°和45°時花崗巖BRDF分布

在1.340 0 μm波段時，仍在這2個入射天頂角度下(如圖4)，花崗巖表面的反射均存在一定的偏鏡峰現象;因其表面粗糙度與分布沒有變化，所以BRDF分布與0.632 8 μm波段基本相同，但峰值都比0.632 8 μm波段的高.通過在該波段下對標準白板表面比照，初步分析認為是該表面對1.340 0 μm具有較強的反射趨勢，其原因是表面形貌分布相對于波長來說更趨于光滑.

圖4 1.340 0 μm波段，入射天頂角30°和45°時花崗巖BRDF分布

4.2 鋁板

0.632 8和1.340 0 μm波段鋁板對入射光反射的實驗結果如圖5和圖6所示.對于非鏡反射方向，鋁板的BRDF值小于花崗巖的.對于鏡反射(或接近鏡反射方向)，鋁板的BRDF值明顯大于花崗巖的.在0.632 8 μm波段，隨著入射角的增加，BRDF的峰值也增加;在1.340 0 μm波段，隨著入射角的增加，BRDF的峰值變化不大.另外，鋁板的反射偏鏡峰現象不太明顯.

圖5 0.632 8 μm波段，不同入射角時的BRDF分布

圖6 1.340 0 μm波段，不同入射角時的BRDF分布

4.3 鍍膜玻璃

圖7～12為鍍膜玻璃的實驗結果.可以看出，鍍膜玻璃的表面反射情況更為復雜，這是因為花崗巖和鋁板的反射基本可以認為是由材料表面的特性所決定.而鍍膜玻璃表面的鍍層是半透明的，它所表現出的反射特性是由鍍層表面的反射、光線在鍍層中的衰減傳遞、光線在鍍層/玻璃界面的反射/折射等多個過程所體現的綜合效果.從實驗結果可以看出，隨著入射波長的增大，反射的雙峰值和多峰值的情況非常明顯，同時BRDF數值也隨入射波長的增大而增大.

圖7 反射方位角0°，不同入射天頂角下BRDF分布(0.6328 μ m)

圖8 入射天頂角30°，不同反射方位角下BRDF分布(0.632 8 μm)

圖9 反射方位角0°，不同入射天頂角下BRDF分布(1.340 0 μm)

圖10 入射天頂角30°，不同反射方位角下BRDF分布(1.340 0 μm)

圖11 反射方位角0°，不同入射天頂角下BRDF分布(3.390 0 μm)

圖12 入射天頂角30°，不同反射方位角下BRDF分布(3.390 0 μm)

5 結論

1)由于不同材料的表面粗糙程度、入射波長、參與性介質(如玻璃鍍膜)和入射角度等因素影響，各表面的反射或散射特性差異很大.

2)對于可視為不透明的材料，它的反射存在著較為明顯的偏鏡峰現象.對多介質構成和對入射波長有選擇性的材料(如鍍膜玻璃)，因其入射光波在材料表面與內部存在反射、折射和投射等情況，使表面反射特性變得復雜，所以隨著入射波長的增大，特別是到了近中紅外區(入射波長為3.390 0 μm)，其表觀上反射存在多峰值的現象，同時其BRDF分布值較0.632 8和1.340 0 μm明顯分布值提高.

3)在考慮建筑表面紅外熱輻射特性與紅外成像模擬的研究時，必須考慮到其材料表面反射或散射特性的差異性.

［1］NICODEMUS F E.Reflectance nomenclature and directional reflectance and emissivity［J］.Applied Optics，1970，9(6):1474-1475.

［2］姚連興，仇維禮，王福恒.目標和環境的光學特性［M］.北京:宇航出版社，1995:274-275.

［3］韓玉閣，宣益民，湯瑞峰.叢林隨機生成模型及其紅外特征模擬［J］.紅外與毫米波學報，1999，18(1): 299-304.

［4］張建奇，方小平，張海興.自然環境下地表紅外輻射特性對比研究［J］.紅外與毫米波學報，1994，13 (6):418-424.

［5］HE X D，TORRANCE K E，SILLION F X，et al.A Comprehensive physical model for light reflection［J］. ACM Computer Graphics，1991，25(4):175-186.

［6］謝東輝.目標與地物背景光散射特性建模［D］.西安:西安電子科技大學，2002.

［7］齊超，楊茂華，孫曉剛，等.雙向反射分布函數的測試方法分析和實驗研究［J］.中國激光，2003，30(增刊):146-148

［8］謝鳴，徐輝，鄒勇，等.花崗巖表面雙向反射分布函數實驗研究［J］.工程熱物理學報，2005，26(4):683-685.

［9］魏慶農.雙向反射分布函數的絕對測量方法［J］.光學學報，1996，16(10):145-1430.

［10］XIE Ming，REN Hu，ZOU Yong，et al.The check and error analysis of the BRDF experiment bench［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2007，14(6):784-787.

［11］張波，張建新，蔡偉.低輻射鍍膜玻璃的研究開發進展［J］.建筑結構學報，2007，28(4):34-40.