具有消除光功率不稳定影响和抑制背景辐射干扰的卧式BRDF测量装置及方法制造方法及图纸

具有消除光功率不稳定影响和抑制背景辐射干扰的卧式BRDF测量装置及方法，属于光辐射特性测量领域。解决了传统卧式双向反射仪在测量过程中由于入射光功率不稳定因素及背景杂散辐射信号影响引起的测量误差大的问题。技术要点：光源经全反射光纤、光源准直器、光阑A、起偏器和斩光器到分束器，激光经分束器后分为2束激光，一束激光经光阑B后照射到待测试样的表面，待测试样安放在样品台上，另一束激光被静态探测器接收；待测试样的反射光被动态探测器接收；探测器通过跨导放大器与锁相放大器连接，锁相放大器与数据采集与控制系统连接，数据采集与控制系统通过角度控制器来控制光源转臂和探测器转臂的旋转角度。本发明专利技术用于光辐射特性测量中。

Horizontal BRDF measuring device and method for eliminating light power instability and suppressing background radiation interference

The horizontal BRDF measuring device and method with the advantages of eliminating light power instability and suppressing background radiation interference belong to the field of measurement of light radiation characteristics. The problem of large measurement error caused by the instability of incident light power and the influence of background stray radiation signal in the measurement process of traditional horizontal bidirectional reflector is solved. Technical essentials: The light source is divided into two laser beams through total reflection fiber, light source collimator, diaphragm A, polarizer and chopper. One laser beam is irradiated to the surface of the sample to be tested after the beam splitter. The sample to be tested is placed on the sample table, and the other laser beam is received by the static detector. Reflected light is received by a dynamic detector; the detector is connected with a phase-locked amplifier through a transconductance amplifier; the phase-locked amplifier is connected with a data acquisition and control system; and the data acquisition and control system controls the rotation angles of the light source arm and the detector arm through an angle controller. The invention is used for measuring the light radiation characteristics.

【技术实现步骤摘要】
具有消除光功率不稳定影响和抑制背景辐射干扰的卧式BRDF测量装置及方法
本专利技术涉及一种卧式BRDF测量装置及方法，具体涉及一种具有消除光功率不稳定影响和抑制背景辐射干扰的卧式BRDF测量装置及方法，属于光辐射特性测量领域。
技术介绍
双向反射分布函数(BidirectionalReflectanceDistributionFunction,BRDF)能够描述不同材料表面的空间反射分布特性，可以反映除几何特征以外几乎所有的光学特性，它在目标光散射计算、航天遥感、地理信息、海洋开发、计算机图像处理、目标识别和材料的光学特性研究等领域均有重要应用。BRDF的测量是在不同方向光入射条件下测量材料表面在不同反射方向上强度信号的分布特性。BRDF定义为反射方向的辐亮度与入射方向的辐照度之比。用来测量双向反射的仪器通常称为双向反射仪，其基本的组成结构包括：光源(激光或分光仪)、转角机构、探测器、数据接收和处理系统。依据试样表面的安放方式可以将双向反射仪分为立式双向反射仪和卧式双向反射仪。立式双向反射仪是将试样表面垂直放置，通过绕垂直轴旋转试样来改变光的入射角度。由于要求试样表面垂直放置，该类仪器无法测量如砂砾、土壤或液体试样的水平自由表面的BRDF，而此类材料自由表面的BRDF在遥感探测、海洋开发等领域具有十分重要的应用价值。对于卧式双向反射仪，试样水平放置，光源绕试样自由表面旋转来改变光的入射角度。同时，卧式测量可以更加准确方便的调节试样的水平度和试样表面高度。但是传统的卧式双向反射仪由于需要直接转动出光孔的位置，通常受光源体积和重量的限制，要么直接转动体积小重量轻的光源；要么通过光纤传输入射光，再转动光纤出光孔的位置。而这两种方式，在测量过程中都会存在由于光源发射功率不稳定，无法实时监测其变化值而引起测量误差的问题。同时，如果使用光纤传输的方式，在测量过程中还会因为光纤位置的不断变化而引起入射光强的改变，从而引起更大的测量误差。这两者都属于入射光功率不稳定因素对测量的影响。而且，传统卧式测量仪在测量时，还会因为反射光信号中掺杂有空间背景杂散辐射信号而引起测量误差。BRDF的测量原理如图4所示。不同角度的入射光照射到待测样品表面后，会向半球空间反射光信号，探测器在半球空间的不同位置探测反射光的强度信号。传统的卧式双向反射仪光路结构较简单，一般光源转臂上只安装有小型光源或光纤出光孔(如图5所示)，实验结果易受入射光功率不稳定因素影响，同时缺乏对背景杂散辐射的抑制功能。因此，设计具有消除入射光功率不稳定影响和抑制背景辐射干扰的卧式双向反射仪是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
在下文中给出了关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。鉴于此，本专利技术是为了解决传统卧式双向反射仪在测量过程中由于入射光功率不稳定因素及背景杂散辐射信号的影响引起的测量误差大的问题，进而提供一种具有消除光功率不稳定影响和抑制背景辐射干扰的卧式BRDF测量装置及方法。方案一：本专利技术提供了一种具有消除光功率不稳定影响和抑制背景辐射干扰的卧式BRDF测量装置，包括光源、全反射光纤、光源准直器、光阑A、起偏器、斩光器、分束器、静态探测器、光阑B、待测试样、样品台、动态探测器、光源转臂、探测器转臂、跨导放大器A、跨导放大器B、锁相放大器、角度控制器和数据采集与控制系统；所述光源准直器、光阑A、起偏器、斩光器、分束器、静态探测器和光阑B沿光学路径安装在光源转臂上；所述动态探测器安装在探测器转臂上；所述光学路径为：光源发出的激光经全反射光纤、光源准直器、光阑A、起偏器和斩光器到达分束器，激光经分束器后分为2束激光，2束光成90度角，其中一束激光经过光阑B后照射到待测试样的表面，待测试样安放在样品台上，另一束激光被静态探测器接收；待测试样的反射光被动态探测器接收；所述静态探测器通过跨导放大器A与锁相放大器连接，动态探测器通过跨导放大器B与锁相放大器连接；锁相放大器与数据采集与控制系统连接，数据采集与控制系统通过角度控制器来精确控制光源转臂和探测器转臂的旋转角度。进一步地：所述光源转臂包括光源转臂基板、精密光学接杆和可开关的微型磁力底座，精密光学接杆又分为光源准直器安装杆、光阑A安装杆、斩光器安装杆、起偏器安装杆、分束器安装杆、静态探测器安装杆和光阑B安装杆；光源准直器、光阑A、起偏器、斩光器、分束器、静态探测器和光阑B安装在各自对应的精密光学接杆上，各精密光学接杆与可开关的微型磁力底座螺纹连接，可开关的微型磁力底座通过磁力吸附在光源转臂基板上。如此设置可以方便灵活的调节各光学元件的安装位置。方案二：本专利技术提供了一种具有消除光功率不稳定影响和抑制背景辐射干扰的卧式BRDF测量方法，其依托方案一所述具有消除光功率不稳定影响和抑制背景辐射干扰的卧式BRDF测量装置实现的，具体为：光源发出的参考激光先后经过全反射光纤、光源准直器、光阑A、起偏器和斩光器到达分束器，激光经分束器后分为2束激光，2束光成90度角，其中一束激光经过光阑B后照射到待测试样的表面，待测试样安放在样品台上，另一束激光被静态探测器接收，以静态探测器的测量信号作为参考光强信号，以此消除入射光功率不稳定对实验测量结果的影响；通过转动光源转臂改变激光的入射角度，动态探测器随着探测器转臂的旋转探测不同角度的反射信号；静态探测器和动态探测器的探测信号分别经过跨导放大器A和跨导放大器B的放大处理转换为电压信号，电压信号输送到锁相放大器中，锁相放大器参照斩光器输送给它的参考频率分别对两路探测信号进行锁相放大，提高微弱反射信号的强度，同时抑制其他频率的杂散辐射信号；将经过锁相放大后的两路探测信号输送到数据采集与控制系统中进行数据处理；数据采集与控制系统通过角度控制器来控制光源转臂和探测器转臂的旋转角度，进而实现整个卧式BRDF测量装置的全自动测量。有益效果：1、本专利技术通过设计全新的光源转臂结构，采用双光路测量法实时监测入射光信号强度来消除入射光功率不稳定因素对实验结果的影响，采用在光源转臂上安装斩光器的方式对入射光进行外调制处理，使入射光具有某个远离背景辐射频率大小的特征频率，再使用锁相放大器针对该特征频率信号进行锁相放大而抑制其他频率的杂散信号，显著提高微弱反射信号的强度，大大抑制背景杂散辐射信号的干扰。2、本专利技术中光学器件安装在精密光学接杆上，精密光学接杆通过轻薄的可开关的微型磁力底座直接吸附在光源转臂上，这样可以方便的补充安装光学器件，也可以灵活的调节光学器件的位置。3、本专利技术中由分束器的分束比结合静态探测器的测量值可以实现对入射光功率的实时监测，因而能对不同时刻和角度的入射光信号和反射光信号进行同步测量。4、本专利技术中斩光器将光源发出的光信号进行频率调制，使其具有远离背景杂散辐射信号频率的某个特征频率，将该特征频率输送给锁相放大器。5、本专利技术中静态探测器和动态探测器的测量信号分别经过跨导放大器的放大之后将电压信号输送到锁相放大器中。锁相放大器分别对两路探测信号放大特征频率的信号，而抑本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有消除光功率不稳定影响和抑制背景辐射干扰的卧式BRDF测量装置，其特征在于，包括光源(1)、全反射光纤(2)、光源准直器(3)、光阑A(4)、起偏器(5)、斩光器(6)、分束器(7)、静态探测器(8)、光阑B(9)、待测试样(10)、样品台(11)、动态探测器(12)、光源转臂(13)、探测器转臂(14)、跨导放大器A(15)、跨导放大器B(16)、锁相放大器(17)、角度控制器(18)和数据采集与控制系统(19)；所述光源准直器(3)、光阑A(4)、起偏器(5)、斩光器(6)、分束器(7)、静态探测器(8)和光阑B(9)沿光学路径安装在光源转臂(13)上；所述动态探测器(12)安装在探测器转臂(14)上；所述光学路径为：光源(1)发出的激光经全反射光纤(2)、光源准直器(3)、光阑A(4)、起偏器(5)和斩光器(6)到达分束器(7)，激光经分束器(7)后分为2束激光，2束光成90度角，其中一束激光经过光阑B(9)后照射到待测试样(10)的表面，待测试样(10)安放在样品台(11)上，另一束激光被静态探测器(8)接收；待测试样(10)的反射光被动态探测器(12)接收；所述静态探测器(8)通过跨导放大器A(15)与锁相放大器(17)连接，动态探测器(12)通过跨导放大器B(16)与锁相放大器(17)连接；锁相放大器(17)与数据采集与控制系统(19)连接，数据采集与控制系统(19)通过角度控制器(18)来精确控制光源转臂(13)和探测器转臂(14)的旋转角度。...

【技术特征摘要】
1.具有消除光功率不稳定影响和抑制背景辐射干扰的卧式BRDF测量装置，其特征在于，包括光源(1)、全反射光纤(2)、光源准直器(3)、光阑A(4)、起偏器(5)、斩光器(6)、分束器(7)、静态探测器(8)、光阑B(9)、待测试样(10)、样品台(11)、动态探测器(12)、光源转臂(13)、探测器转臂(14)、跨导放大器A(15)、跨导放大器B(16)、锁相放大器(17)、角度控制器(18)和数据采集与控制系统(19)；所述光源准直器(3)、光阑A(4)、起偏器(5)、斩光器(6)、分束器(7)、静态探测器(8)和光阑B(9)沿光学路径安装在光源转臂(13)上；所述动态探测器(12)安装在探测器转臂(14)上；所述光学路径为：光源(1)发出的激光经全反射光纤(2)、光源准直器(3)、光阑A(4)、起偏器(5)和斩光器(6)到达分束器(7)，激光经分束器(7)后分为2束激光，2束光成90度角，其中一束激光经过光阑B(9)后照射到待测试样(10)的表面，待测试样(10)安放在样品台(11)上，另一束激光被静态探测器(8)接收；待测试样(10)的反射光被动态探测器(12)接收；所述静态探测器(8)通过跨导放大器A(15)与锁相放大器(17)连接，动态探测器(12)通过跨导放大器B(16)与锁相放大器(17)连接；锁相放大器(17)与数据采集与控制系统(19)连接，数据采集与控制系统(19)通过角度控制器(18)来精确控制光源转臂(13)和探测器转臂(14)的旋转角度。2.根据权利要求1所述的具有消除光功率不稳定影响和抑制背景辐射干扰的卧式BRDF测量装置，其特征在于，所述光源转臂(13)包括光源转臂基板(131)、精密光学接杆(132)和可开关的微型磁力底座(133)，精密光学接杆(132)又分为光源准直器安装杆(134)、光阑A安装杆(135)、斩光器安装杆(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢银模，谭建宇，张文杰，马兰新，景琳，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东,37