平滑與褶皺表面目標的散射光譜的研究

陸旭+++李龍+++孟令鵬+++石叢認+++譚勇

摘 要：文章基于BRDF理論，測量了平滑與褶皺表面的錫紙材料的散射光譜，用金相顯微鏡對材料表面進行觀察，對比分析了兩種表面形貌對散射光譜的影響。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行區(qū)域、方向劃分，最終通過不同劃分方法及其對應探測條件下得到的BRDF值，達到研究目標材料表面形貌對其BRDF值影響的目的。

關鍵詞：散射光譜；褶皺表面目標；歸一化；特征提取；標準偏差

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)、輻射波長和偏振等因素。在空間探測方面BRDF的研究還廣泛用于環(huán)境污染監(jiān)測、地表植被長勢遙感、地球資源勘測、大氣結(jié)構(gòu)分析等國民建設的各個方面，這就迫使人們對各種材料的BRDF進行研究[3]。

1 實驗裝置

實驗裝置和樣品：主要包括溴鎢燈、海洋QE65PRO光譜儀、84uv望遠鏡、光纖，五維旋轉(zhuǎn)平臺，數(shù)據(jù)記錄計算機，激光筆，聚四氟乙烯標準板。實驗裝置圖如圖1所示。溴鎢燈發(fā)出的光垂直照射到樣品表面時會發(fā)射漫散射，散射的一部分光被探測器接收到，通過光纖耦合到光譜儀，由計算機記錄光譜數(shù)據(jù)。

2 實驗數(shù)據(jù)處理

為了細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，對其表面形狀的具體結(jié)構(gòu)進行觀察，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，并且給出了樣品實物圖，如圖2所示。其中橫坐標OX方向的陰影區(qū)域較少，只有陰影O區(qū)域；縱坐標OY方向陰影較多，為B、J、L、M、N區(qū)域；以OX軸為基準方位角45°方向的陰影區(qū)域為C、E、H、I區(qū)域；以OX軸為基準方位角135°方向的陰影區(qū)域為A區(qū)域；其余D、F、G、P區(qū)域為不規(guī)則近似圓形區(qū)域。

為了探究褶皺表面形狀對目標的散射特性的影響，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，出射方位角0°，天頂角10°～40°時的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，因為褶皺材料的不規(guī)則表面影響，所以天頂角為10°～25°時BRDF值較高，15°時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，所以導致在入射方位角180°、天頂角20°，出射方位角0°探測褶皺材料時，BRDF值在天頂角20°時要小于BRDF在天頂角15°時的值。

3 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過對褶皺目標材料進行實驗，得到數(shù)據(jù)并對其可見光波段的光譜散射特性進行分析，并與長寬相等的平滑材料的光譜散射特性進行對比。如圖4所示，給出了光源垂直照射樣品的條件下，目標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，由于目標材料強的鏡反射特性，在出射天頂角5°時材料在褶皺情況下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，表明褶皺表面目標的外貌對其BRDF影響很大。

4 結(jié)束語

本文以散射光譜的研究為基礎，對幾個平滑與褶皺表面物體的散射光譜的展開測量，利用金相顯微鏡觀察目標表面結(jié)構(gòu)，從不同觀測角度下進行BRDF對比分析，得出在出射天頂角小于5°時，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。這種變化原因是因為褶皺表面的不規(guī)則引起，而通過在不同的方位角探測時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理論對褶皺材料的散射特性進行分析和平滑與褶皺材料的散射特性對比，可以分辨出目標材料的表面形狀對BRDF值的影響。

參考文獻

[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，2012.

作者簡介：陸旭（1990，10-），男，工作單位：長春理工大學，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。