星载石英漫反射板双向反射分布函数实验测量研究

赵敏杰，司福祺，陆亦怀，汪世美，江 宇，周海金，刘文清

中国科学院安徽光学精密机械研究所，环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031

星载石英漫反射板双向反射分布函数实验测量研究

赵敏杰，司福祺*，陆亦怀，汪世美，江 宇，周海金，刘文清

中国科学院安徽光学精密机械研究所，环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031

石英漫反射板用于星载大气痕量气体差分吸收光谱仪测量太阳参考谱的观测系统中，太阳光谱的测量精度将会直接影响痕量气体反演的精度，为保证载荷全视场太阳光谱的测量精度，石英漫反射板需具有良好的朗伯特性，在仪器观测视场内能够提供均匀的光源。为此，在实验室利用双向反射分布函数(BRDF)测量仪，选取F4(聚四氟乙烯)粉压制板作为标准板，采用相对测量法对研制的四种石英漫反射板样品进行了朗伯特性测量，得出了四种样品在波长180～880 nm、观测角度-70°～+70°范围内的BRDF。通过对样品BRDF的分析，筛选出了两种工艺下的朗伯特性较好的石英漫反射板作为初选样品，并测量比较了石英漫反射板和F4标准板对太阳光的漫反射光谱，石英漫反射板对太阳光的反射特性较好，可以作为测量用漫反射板获取太阳参考谱。为进一步的紫外辐照、原子氧侵蚀等试验以及对比试验提供了数据支持。

石英漫反射板； 双向反射分布函数； 星载大气痕量气体差分吸收光谱仪

引 言

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪是一种推扫式成像光谱仪，具有高分辨率、宽光谱范围、大视场角的特点，能够同时记录被测对象的光谱信息和空间信息，其运行在太阳同步轨道，地面观测范围穿轨方向2 600 km，能够实现一日全球覆盖。载荷在轨运行时通过探测地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光，以载荷出地影区时测量的太阳光谱作为参考谱线，利用差分吸收光谱(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)[1]等算法来反演大气中痕量气体的分布和变化。太阳光谱的测量需要经过漫反射板而获得，即太阳光直接照射到漫反射板上，载荷通过观测漫反射板的漫反射光而得到太阳参考谱。太阳光谱的测量精度将会直接影响痕量气体反演的精度，SCIAMACHY(scanning imaging absorption spectrometer for atmospheric Chartography)载荷[2]采用铝漫反射板作为测量漫反射板，由于铝漫反射板引入了较大的光谱结构，使得DOAS算法反演痕量气体的精度降低，鉴于此，OMI(ozone monitoring instrument)采用了自身光谱结构很小的石英漫反射板作为测量漫反射板[3-4]，提高了太阳光谱的测量精度。

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪安装一个铝漫反射板、一个石英漫反射板和一个石英漫透射体。铝漫反射板用于在轨监测仪器的衰减，石英漫透射体用于在轨检测面阵CCD探测器，石英漫反射板作为测量用漫反射板进行日常太阳光谱的测量。为保证星载仪器在轨对太阳光谱的测量精度，测量用石英漫反射板需满足相关的工作特性：一方面，由于星载仪器具有114°的大视场角，采用面阵CCD作为探测器，石英漫反射板需具有较好的朗伯特性，能够在仪器的观测视场内提供均匀的光源，以保证仪器全视场内太阳光谱的测量精度； 另一方面，星载仪器在轨测量太阳谱时，石英漫反射板直接暴露在太空的极端环境下，受到紫外辐照、原子氧等恶劣环境的影响，会对石英漫反射板表面产生一定程度的破坏从而影响太阳光谱的测量精度，这要求石英漫反射板具有良好的抗紫外辐照和原子氧侵蚀特性。所以，需要在实验室对研制的石英漫反射板进行特性测量试验，以筛选出符合工程条件的石英漫反射板。特性测量试验主要包括朗伯特性测量试验、抗紫外辐照试验和原子氧侵蚀试验。在特性测量试验时，首先要进行朗伯特性测量试验，初选出具有良好朗伯特性的石英漫反射板以进一步完成抗紫外辐照试验和原子氧侵蚀试验。本文主要研究石英漫反射板的朗伯特性试验，利用BRDF测量仪得出了几种石英漫反射板样品的双向反射分布函数，通过分析BRDF筛选出了朗伯特性较好的石英漫反射板，并对比了石英漫反射板和聚四氟乙烯(F4)标准板测量的太阳光漫反射光谱，给出了测量分析结果。

1 载荷在轨观测系统

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪在轨观测系统光路示意图如图1所示。系统有两种工作模式: 对地观测模式和定标模式。载荷对地观测时，太阳光挡板位于太阳光孔处，阻挡来自太阳的入射光，同时光路切换反射镜处于图中实线位置，此时地球光通过望远镜主镜进入主光路，进行对地常规测量。太阳光谱的日常测量在系统的定标模式下进行，对太阳光谱进行测量时首先打开太阳光挡板，太阳光通过太阳光孔直接照射到石英漫反射板上，同时旋转光路切换反射镜至太阳光位置(图中虚线位置)，此位置不仅使来自石英漫反射板的太阳光进入望远镜主光路，而且阻挡了来自主镜方向的地面辐射。太阳光照射到石英漫反射板上后，经漫反射板反射形成一定角度内的漫射光照亮光路切换反射镜从而进入主光路，完成对太阳光谱的测量。

图1 在轨观测系统光路图

2 石英漫反射板BRDF测量

2.1 BRDF测量原理

BRDF定义为观测方向上辐亮度与入射方向上辐照度的比值，表达式为

(1)

函数fr(θi,φi;θr,φr;λ)为双向反射分布函数，θi和φi分别为入射俯仰角和方位角，θr和φr分别反射俯仰角和方位角，λ为波长，dL(θi,φi;θr,φr;λ)和dEi(θi,φi;λ)分别为反射辐亮度和入射辐照度。

BRDF测量方法主要包括绝对测量法和相对测量法，本实验采用相对测量法，在测量中使用的标准板是聚四氟乙烯(F4)粉末压制的漫反射板，通过目标板和标准板的对比测量，可得到目标板的BRDF光谱曲线。

在测量石英样品的BRDF时，因F4标准板具有良好的朗伯特性，其双向反射分布函数为ρ/π (sr-1)，ρ为半球反射率。为此引入反射率因子为

(2)

式中，dφQ(θr,φr;λ)为在测量方向上石英漫反射板对应的辐通量，dφS(θr,φr;λ)为在相同测量条件下标准板对应的辐通量，石英漫反射板fr(θi,φi;θr,φr;λ)与反射率因子R之间的关系为

(3)

记探测器对观测方向上辐通量的响应输出值为DN，因探测器具有较好的线性响应，测量分析时辐射量值可用对应的探测器响应值替代，DNQ(θi,φi;θr,φr;λ)为测量石英漫反射板时探测器的响应值，DNS(θi,φi;θr,φr;λ)为测量标准板时探测器的响应值，由式(2)和式(3)可得到

(4)

利用BRDF测量仪对石英样品进行测量时，在所有的观测方向，探测系统探测视场都大于样品表面面积[5]，对于具有余弦特性的标准板，相应的探测器响应输出值为

DNS(θi,φi;θr,φr;λ)=DNS(θi, 0; 0, 0;λ)cosθr

(5)

DNS(θi, 0; 0, 0;λ)为光谱仪在天顶方向的测量值，将F4标准板看做理想的漫反射板时，其半球反射率为ρ=1, 结合式(4)和式(5)得到

(6)

2.2 石英漫反射板BRDF实验测量

实验中采用的BRDF测定仪装置示意图如图2所示，BRDF测定仪系统采用三个电机，光源系统外面装有遮挡盖，保证光线照射在样品方向上，防止其他方向的光线对探测器的干扰。光源系统中照明灯选择为氙灯，能够发射连续稳定的光谱，保证在紫外部分有较强的光辐射。光源发出的光经过准直系统产生平行光照射在样品上，调整探测器位置观测样品的漫反射光。探测器为光纤光谱仪，光谱范围180～880 nm。此系统在整个测量过程中能够全自动完成。

图2 BRDF测定仪装置示意图

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪观测谱段覆盖240～710 nm，分为四个光谱通道：紫外第一通道(240～315 nm)、紫外第二通道(311～403 nm)、可见第一通道(401～550 nm)、可见第二通道(545～710 nm)。载荷在轨测量太阳光谱的同时也会沿轨道运行，太阳光入射到石英漫反射板上的角度和载荷对石英漫反射板的观测角度都会发生变化。根据载荷运行的轨道及测量太阳光谱的过程，计算出太阳光入射角度的标称值为10°，对漫反射板的观测角度为+17°～+37°。测量时设定氙灯入射光线与漫反射板法线夹角为10°(对应测量系统中的-10°)，电机C的旋转角度范围为-70°～+70°，对应漫反射板的观测角度。电机C的初始位置为-70°，控制系统将控制电机C每次转动5°，转动完成后测量系统完成一次测量，直到电机C角度转到+70°时测量结束。当光谱仪观测角度和光线入射角度相同时，由于遮挡盖的遮挡，光谱仪接收不到来自样品的漫反射光线。实验时先对四种石英漫反射板样品进行测量，所有样品测量完毕后，在同一位置放置F4标准板，然后在相同的测量条件下测量F4标准板。

3 石英漫反射板BRDF测量分析结果

图3给出了四种石英漫反射板样品在400和600 nm处探测器的响应值，测量范围为+70°～-70°，每转动5°光谱仪进行一次测量，曲线在-10°时下降是因为系统在后向方向的遮挡，阻挡了探测信号的接收。从图中可知，探测器对样品1、样品2的响应值在观测角度范围内近似满足式(5)，说明样品1、样品2具有较好的余弦分布特性，对于样品3、样品4，探测器响应值曲线与余弦分布偏离较大，说明这两种样品的余弦特性较差。

四种石英样品经过表面粗处理和表面精细处理两个过程：表面粗处理通过表面喷砂消除内部应力、污染物，形成具有漫反射特性的初步产品； 表面精细处理通过化学方法、超声波清洗后进行镀膜，形成满足工程要求的产品。对石英漫反射板的测量数据进行处理，其双向反射分布函数如图4所示。

由图4(b)可知，样品2的后向反射较弱，前向反射较强，这是由于样品2相对于其他三个样品选用了不同目数的金刚砂进行喷砂，通过分析不同目数金刚砂和喷砂形成的粗糙度Ra之间的关系，得出样品2表面粗糙度较弱，不满足工程要求。对于样品1和样品2选用220目的金刚砂，喷砂效果较好。样品4也是选用220目的金刚砂，但由其BRDF结果可知，其表面反射的峰值在镜向和法向之间，也是属于粗糙度较弱的情况，通过观察其表面发现镀膜的膜层较为致密，较厚的膜层覆盖了样品表面的粗糙面，降低了粗糙度但增加了镜向特性，使得其漫反射特性变差。样品1、样品2在波长范围为180～880 nm，观测角度-70°～+70°，其双向反射分布函数从中间最大值向两边逐渐减少，近似成余弦分布，具有较好的朗伯特性，能够通过此次筛选实验，而对于样品3、样品4，其朗伯特性较差，不满足此次筛选条件。

图3 样品1对应的探测器输出值(a) 400 nm处的DN值; (b) 600 nm处的DN值； 样品2对应的探测器输出值(c) 400 nm处的DN值; (d) 600 nm处的DN值； 样品3对应的探测器输出值(e) 400nm处的DN值; (f) 600 nm处的DN值； 样品4对应的探测器输出值(g); 400 nm处的DN值; (h) 600 nm处的DN值

Fig.3 Detector output value of sample 1 (a) DN value of 400 nm; (b) DN value of 800 nm; Detector output value of sample 2 (c) DN value of 400nm; (d) DN value of 800 nm； Detector output value of sample 3 (e) DN value of 400 nm; (f) DN value of 800 nm； Detector output value of sample 4 (g) DN value of 400 nm; (h) DN value of 800 nm

图4 双向反射分布函数

4 太阳光谱的测量结果

由于F4板稳定性(不随时间、温度环境而变)好、表面均匀、漫反射无光谱选择性、不透明、无荧光和易携带、在紫外、可见、近红外波段均有良好反射特性等特点[6]，在地面对太阳漫反射光进行测量时，可以选择其作为标准漫反射板，其漫反射谱作为标准谱。选择晴朗的天气情况下，利用上述筛选的石英样品作为漫反射板测量一定入射角度的太阳漫反射光，并与相同条件下利用F4标准板测量的太阳漫反射光进行比较，结果如图5所示。

将两条谱归一化后进行相关性分析，分析结果如图6所示。

由相关性分析结果可知，两谱线的相关性为0.999 38，Pearson相关系数为0.999 69，残差平方和为0.040 77，两谱线基本没有差异。在实际应用中，石英漫反射板对太阳光的反射特性较好，未引入明显的光谱结构，可以作为测量用漫反射板获取太阳参考谱。

图5 太阳漫反射光地面测量结果

5 结 论

介绍了星载石英漫反射板的朗伯特性测量试验。实验中根据石英漫反射板的在轨运行情况确定了测量条件，利用BRDF测量仪对研制的四种石英漫反射板样品进行了检测，并对测试结果进行了分析。通对筛选的石英漫反射板和F4标准板测量的太阳漫反射光结果进行比较，结果显示石英漫反射板对太阳光的反射特性较好，可以作为测量用漫反射板获取太阳参考谱。下一步的工作主要从两方面进行，一是根据此次测量试验，对样品1、样品2两种制作工艺进行总结分析，为进一步的工艺改进提供实验支持； 二是对初步筛选的样品1、样品2进行下一步的紫外辐照试验和原子氧侵蚀试验，并对试验后两种样品的朗伯特性重新测量，分析紫外辐照试验和原子氧侵蚀试验对样品的影响，进一步优化制作工艺和流程，保证最后筛选出的石英漫反射板满足在轨工作要求。

图6 相关性分析结果

[1] SI Fu-qi, XIE Pin-hua, Klaus-Peter Heue, et al(司福祺，谢品华，Klaus-Peter Heue，等) .Acta Physica Sinica(物理学报), 2008, 57(9): 6018.

[2] Kowalewski M G, Jaross G, Cebula R P, et al.Proc.of SPIE, 2005, 5882: 58820Y-4.

[3] Marcel R Dobber, Ruud J Dirksen, Pieternel F Levelt, et al.Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2006, 44(5): 1209.

[4] Ruud Dirksen, Marcel Dobber, Pieternel Levelt, et al.Proc.of SPIE, 2004, 5234: 400.

[5] ZHANG Bai-shun, LIU Wen-qing, WEI Qing-nong, et al(张百顺，刘文清，魏庆农，等).Chinese Journal of Quantum Electronics(量子电子学报)，2006，23(4)：533.

[6] LIU Wen-qing, ZHANG Yu-jun, XIE Pin-hua, et al(刘文清，张玉钧，谢品华，等).Chinese Journal of Lasers(中国激光)，2000, A27(7): 633.

(Received Oct.30, 2013; accepted Jun.12, 2014)

*Corresponding author

Bidirectional Reflectance Distribution Function of Space-Borne Quartz Volume Diffuser

ZHAO Min-jie, SI Fu-qi*, LU Yi-huai, WANG Shi-mei, JIANG Yu，ZHOU Hai-jin, LIU Wen-qing

Key Laboratory of Environmental Optics and Technology，Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China

Quartz Volume Diffuser(QVD) is used in the observing system of Space-Borne differential optical absorption spectrometer.The precision of observed solar spectrum directly influences the accuracy of the gas retrievals.Therefore the QVD is required for well Lambert feature to ensure the accuracy of full field solar spectrum, and it can provide uniformity source in the observing view of the instrument.Using bidirectional reflectance distribution function(BRDF) measurement instrument, adopting the powder pressboard of F4(polytetrafluoroethylene(PTFE)), QVD’s BRDF is measured by choosing the relative measurement method.Four kinds of QVD’s BRDF is obtained in the range of 180～880 nm, the observing view of -70°～+70°.Two kinds of QVD which has a well Lambert feature are selected by analyzing the QVD’s BRDF.The diffuse sunlight measured by QVD and F4 is compared, which show that QVD has well scattering properties with regard to solar spectrum and can be selected as the measuring diffuser.That supports for next Ultraviolet irradiation measurement, atomic oxygen erosion measurement and comparison measurement.

QVD； BRDF； Space-born differential optical absorption spectrometer

2013-10-30，

2014-06-12

国家自然科学基金项目(41275037)和安徽省杰出青年科学基金项目(1308085JGD03)资助

赵敏杰，1987年生，中国科学院安徽光学精密机械研究所博士研究生 e-mail：mjzhao@aiofm.ac.cn *通讯联系人 e-mail: sifuqi@aiofm.ac.cn

P412

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)05-1565-06