基于BRDF理论的散射光谱加和性研究

发布时间：2019-10-17 09:18

【摘要】：依据双向反射分布函数理论,推导出散射光谱的加和性原理。散射光谱加和性是指对于材质质点之间无相互作用的平面漫反射体系,在光源与入射面材质不存在干涉、衍射、荧光、光谱上转换和光谱下转换等相互转换作用,且无光化学现象及非线性效应发生的前提下,且符合能量守恒定律的同时,由单光源或多光源照射的材料的散射光谱,等于该材料中每种材质的散射光谱的线性叠加。实验上,以几种材料的散射光谱为例,通过改变探测条件、照明条件和材质比例,进行了散射光谱加和性的实验验证,并且针对实验结果进行了误差分析。单光源条件下的最大实验误差为2.64%,多光源条件下则为2.35%,加和计算偏差均在实验误差允许范围内。由此证明了材料的散射光谱具有加和性,不受组成的材质差异性、材质的面积比例组合多样性、以及实验条件多变性影响。散射光谱加和性的首次提出,不仅为基于散射光谱的复杂结构体的特征提取及识别研究提供了确切的理论依据和有效的分析方法,而且对相关的实验分析和应用研究有着重要的借鉴和参考意义。
【图文】：

示意图,示意图,散射光谱,加和性

论证了散射光谱的加和性原理，其次在实验上进行了散射光谱加和性的实验验证，相应的实验分析结果进一步证明了散射光谱加和性是真实存在的。由于对复杂结构体的相关光谱分析的理论依据相对短缺，而对于该领域的应用日趋广泛且迫在眉睫，我们的研究可为基于散射光谱的物质组分分析提供一种有效的方法和理论参考，并对光谱的反演及识别提供坚实的理论基矗图１单光源条件下ＢＲＤＦ示意图Ｆｉｇ．１ＯｐｔｉｃａｌｐａｔｈｏｆＢＲＤＦｉｎｓｉｎｇｌｅｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ１原理如图１为材质表面的散射原理图，根据ＢＲＤＦ理论［１７］，设被测样品的入射光源辐射亮度及反射后的辐射亮度分别为ｄＬｉ和ｄＬｒ；被测材料的微面元面积用ｄＡ表示，表面的法线与Ｚ轴重合，，入射光线夹角为θｉ，反射光线夹角为θｒ；入射光和反射光立体角分别为ｄωｉ和ｄωｒ；探测设备的响应函数为Ｒ（λ），则探测到的光谱信号用Ｏ（λ）表示为Ｏ（λ）＝Ｒ（λ）ｄ鐖ｒ＝Ｒ（λ）ｄＬｉｆ（ｒ）ｄＡｃｏｓθｉｃｏｓθｒｄωｉｄωｒ（１）假定入射源为均匀的平行光，光源与入射面材质之间不存在散射以外的其他效应，同时材质质点之间无相互作用，参考区域内满足能量守恒定律，探测器与散射面的距离足够远的平面漫反射体系条件下，ｆ（ｒ）代表被测样品的反射光谱信息，即双向反射分布函数（ＢＲＤＦ）。ｄ鐖ｉ和ｄ鐖ｒ为被测样品的入射光源辐射通量及反射辐射通量。单光源照射条件不变时，设Ｍ＝Ｒ（λ）ｄＬｉｃｏｓθｉｄωｉ，Ｍ为定值，因为ｆ（ｒ）

光路图,加和性

ＱＥ６５ＰＲＯ光谱仪、８４ｕｖ望远镜、光纤和计算机组成。实验样品采用由红色、蓝色、绿色三种不同材质组成的材料，单光源条件下的加和性验证时，样品１不同材质面积比例为１∶１∶１，样品２不同材质面积比例为５∶６∶９；多光源条件下的加和性验证时，样品３不同材质面积比例１∶１，三种样品均为直径１００ｍｍ的圆板。图２为实验光路图，单光源加和性实验时采用Ｌｉｇｈｔ１作为光源，多光源加和性实验室验证时采用Ｌｉｇｈｔ１和Ｌｉｇｈｔ２作为混合光源，Ｌｉｇｈｔ１和Ｌｉｇｈｔ２均为太阳模拟器发出的光，测量时样品固定电动位移台的样品架上，样品的转动角度由电动位移台控制。光源位置如图２所示，望远镜与太阳模拟器的入射光轴初始夹角为２０°，光谱仪和计算机进行光谱采集和存储。图２实验光路图Ｆｉｇ．２Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｓ２．２测量方法在实验中，为减小实验误差采用拆分法实现光谱测量：先测量出样品整体的散射光谱，再依次测量样品的每部分材质的光谱，将每部分材质光谱去除背景光谱后加和起来（在此称为加和计算光谱数据），与去除背景后的样品整体的散射光谱（在此称为实验光谱数据）对比。如图２左下角处的样品光谱拆分法测量示意图。将实验数据同加和计算数据做偏差分析，分析结果同测量时仪器造成的误差作比较，如果加和后的偏差在实验仪器误差允许的范围内，则证明散射光谱加和性成立。为了提高散射光谱加和性验证的完备性，首先证明加和性与探测角度无关；再验证加和性与被测样品无关；最后验证加和性与入射光源无关。３结果与讨论材料的散射光谱数据
【作者单位】：长春理工大学理学院;长春理工大学计算机科学与技术学院;
【基金】：吉林省科技发展计划项目吉林省公共计算平台项目(20130101179JC)资助
【分类号】：O657.3

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