建筑材料表面红外双向反射分布函数实验分析

谢 鸣，黄 勇，王晓春，赵欢欢，谈和平

(1.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，150001哈尔滨，xieming@hope.hit.edu.cn; 2.北京航空航天大学航空科学与工程学院，100191北京)

双向反射分布函数(BRDF)［1］是描述材料表面空间反射分布特性和散射分布特性的物理量，可以用来评估各类材料表面在可见光到中远红外波段的反射、吸收和散射特性，所以在地面目标红外成像或隐身等技术应用方面具有重要的意义［2-4］.目前，国内外高层建筑外墙饰面多采用花岗岩石材幕墙、单层铝板金属幕墙和镀膜玻璃幕墙.在这类建筑表面红外热辐射特性与红外成像模拟的研究中需要了解上述外饰面材料的表面反射和散射分布特性，国外在这方面文献很少，国内开展的研究也不多，其实验研究则更少.

本文将花岗岩、铝板和镀膜玻璃作为待测样品，通过自行搭建BRDF实验台，利用聚四氟乙烯粉压制的标准白板(近似朗伯体并已知反射比)为单一参考试样，分别在0.632 8、1.340 0和3.390 0 μm波段(只在镀膜玻璃进行)，在不同的入射角度下，对待测样品表面的BRDF分布进行了测量，结合其表面粗糙度和实验数据分析各材料表面反射特性与散射特性.

1 BRDF实验装置与测量方法

根据BRDF概念(图1)并结合粗糙面电磁散射理论，一般将其定义为［5-6］

图1 双向反射分布函数示意图

式中，θ、φ分别是球坐标下的天顶角和方位角，下标i、r分别代表入射量和反射量，Lr(θi，φi;θr，φr)为(θr，φr)方向的反射亮度，Ei(θi，φi)为(θi，φi)方向上的入射照度.fr可在0～∞之间变化，其量纲为sr-1.

令入射、接受条件相同，待测样品的反射亮度可通过接受探测器的电压输出得到:

待测样品的入射照度与标准板的入射照度相同，标准板的入射照度可通过接受探测器的输出电压得到:

式中，S、B分别表示待测样品及标准样，τ为光透射率，R为探测器响应率，AS、AB为试样、标准板被照的面积，Ad为探测器面积，θS，θB分别为待测样品、标准白板反射天顶角，θd为入射天顶角，d为探测器到试样距离，fB为标准试样的BRDF值，则有

其中，fB=LB/EB，合理选择式中参数，τ、R、A、E、均为常量，则待测样品的fS由输出电压表示的表达式为

2 实验

2.1 测量系统组成

测量系统由光学调试系统、机械转动系统、加热系统(本文涉及的实验没有启用)和电路接收系统4部分组成.图2为测量装置系统图.

图2 BRDF测量装置原理图

测试系统光源的激光波长包括可见光的0.632 8 μm，近红外的1.340 0 μm，中红外的3.390 0 μm及中远红外10.60 0 μm的波段，完成了多波段的测量［7-8］.

2.2 测量方法

测量双向反射分布函数可分为绝对测量和相对测量［9］.绝对测量是在不使用任何参考标准的情况下进行的测量;而相对测量则是利用已知反射比的参考标准与待测样品做比较的测量.相对测量又可分为比对测试法和单一参考法.本实验采用单一参考法，即先按公式(1)测量样品表面的电压值VS;再按公式(3)测量相同几何条件下标准白板表面的电压值VB，由公式(3)获得样品BRDF值.

2.3 误差分析

通过3块已知反射比标准白板在BRDF实验台上互为比较的测量方法来标定该实验台的误差，测量误差能够控制在20%以内［10］.

3 材料表面特点

3.1 花岗岩

花岗岩是一种深层酸性火成岩，成分为SiO2(质量分数多在70%以上)、石英、长石和少量黑云母且分布不均匀.表面颜色多样，多呈斑块状，经过水磨抛光处理粗糙均匀.

3.2 铝板

建筑用铝板为防锈铝(代号LF21)，板厚度为2.5 mm.其表面处理可分为2种方法，一种是阳极氧化，另一种是静电喷涂.本文采用的铝板样片为阳极氧化，氧化膜厚度在12 μm以上，颜色为白色.因铝板材质均匀且表面形成氧化膜，所以可认为是微粗糙.

3.2 镀膜玻璃

镀膜玻璃按产品的不同特性分为:热反射玻璃、低辐射玻璃(Low-E)、导电膜玻璃等.本文采用样片为热反射玻璃.该镀膜玻璃是在玻璃表面镀一层或多层诸如铬、钛或不锈钢等金属或其化合物组成的薄膜，使产品呈丰富的色彩，对于可见光波段(0.38～0.76 μm)透射率较高(约0.8)，对红外线(0.76～2.50 μm)有较高的反射率(约0.7)［11］.镀膜玻璃表面光滑，对波长有明显的选择性且影响因素复杂，所以本文给出3个波段的BRDF实验曲线.

4 BRDF的数据采集结果

分别在0.632 8、1.340 0和3.390 0 μm波段对花岗岩、铝板和镀膜玻璃表面，以0°、30°、45°、 60°等入射天顶角进行了测量，因篇幅所限，仅给出代表性角度时各材料表面BRDF实验曲线.

4.1 花岗岩

图3为0.632 8 μm波段下，入射天顶角度30°和45°时，花岗岩表面BRDF分布情况.由图3可知，30°时在镜反射方向有明显峰值，同时还存在偏镜峰现象.但45°时镜反射方向峰值明显小于30°的峰值，偏镜峰现象几乎消失.这是因为花岗岩表面虽然经过水磨抛光处理，但还是存在粗糙不均匀情况，所以随入射角增大，其镜反射份额会减少，使面散射份额增大，偏镜峰现象减少，其表面粗糙程度对镜反射的影响就越明显.

图3 0.632 8 μm波段，入射天顶角30°和45°时花岗岩BRDF分布

在1.340 0 μm波段时，仍在这2个入射天顶角度下(如图4)，花岗岩表面的反射均存在一定的偏镜峰现象;因其表面粗糙度与分布没有变化，所以BRDF分布与0.632 8 μm波段基本相同，但峰值都比0.632 8 μm波段的高.通过在该波段下对标准白板表面比照，初步分析认为是该表面对1.340 0 μm具有较强的反射趋势，其原因是表面形貌分布相对于波长来说更趋于光滑.

图4 1.340 0 μm波段，入射天顶角30°和45°时花岗岩BRDF分布

4.2 铝板

0.632 8和1.340 0 μm波段铝板对入射光反射的实验结果如图5和图6所示.对于非镜反射方向，铝板的BRDF值小于花岗岩的.对于镜反射(或接近镜反射方向)，铝板的BRDF值明显大于花岗岩的.在0.632 8 μm波段，随着入射角的增加，BRDF的峰值也增加;在1.340 0 μm波段，随着入射角的增加，BRDF的峰值变化不大.另外，铝板的反射偏镜峰现象不太明显.

图5 0.632 8 μm波段，不同入射角时的BRDF分布

图6 1.340 0 μm波段，不同入射角时的BRDF分布

4.3 镀膜玻璃

图7～12为镀膜玻璃的实验结果.可以看出，镀膜玻璃的表面反射情况更为复杂，这是因为花岗岩和铝板的反射基本可以认为是由材料表面的特性所决定.而镀膜玻璃表面的镀层是半透明的，它所表现出的反射特性是由镀层表面的反射、光线在镀层中的衰减传递、光线在镀层/玻璃界面的反射/折射等多个过程所体现的综合效果.从实验结果可以看出，随着入射波长的增大，反射的双峰值和多峰值的情况非常明显，同时BRDF数值也随入射波长的增大而增大.

图7 反射方位角0°，不同入射天顶角下BRDF分布(0.6328 μ m)

图8 入射天顶角30°，不同反射方位角下BRDF分布(0.632 8 μm)

图9 反射方位角0°，不同入射天顶角下BRDF分布(1.340 0 μm)

图10 入射天顶角30°，不同反射方位角下BRDF分布(1.340 0 μm)

图11 反射方位角0°，不同入射天顶角下BRDF分布(3.390 0 μm)

图12 入射天顶角30°，不同反射方位角下BRDF分布(3.390 0 μm)

5 结论

1)由于不同材料的表面粗糙程度、入射波长、参与性介质(如玻璃镀膜)和入射角度等因素影响，各表面的反射或散射特性差异很大.

2)对于可视为不透明的材料，它的反射存在着较为明显的偏镜峰现象.对多介质构成和对入射波长有选择性的材料(如镀膜玻璃)，因其入射光波在材料表面与内部存在反射、折射和投射等情况，使表面反射特性变得复杂，所以随着入射波长的增大，特别是到了近中红外区(入射波长为3.390 0 μm)，其表观上反射存在多峰值的现象，同时其BRDF分布值较0.632 8和1.340 0 μm明显分布值提高.

3)在考虑建筑表面红外热辐射特性与红外成像模拟的研究时，必须考虑到其材料表面反射或散射特性的差异性.

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