温度变化下研磨金属表面反射率和发射率的测量

龙 超， 陈军燕， 杨雨川* ， 杜少军， 赵 宁

(1. 国防科学技术大学 光电科学与工程学院， 湖南 长沙 410073； 2. 西北核技术研究所， 陕西 西安 710024)



温度变化下研磨金属表面反射率和发射率的测量

龙 超1,2， 陈军燕2， 杨雨川2*， 杜少军1， 赵 宁2

(1. 国防科学技术大学 光电科学与工程学院， 湖南 长沙 410073； 2. 西北核技术研究所， 陕西 西安 710024)

介绍了测量材料表面双向反射分布函数和发射率的原理和方法，搭建了532 nm和1 064 nm波长双向反射分布函数和表面发射率测量平台，对经金刚砂(320目)研磨后金属靶板表面的反射率和发射率及中等温升情况下的变化特性进行了实验测量。测量结果表明，粗糙金属靶板表面近似为朗伯辐射体，反射率低于0.25。 在常温至320 ℃范围内，靶板表面反射分布、反射率和发射率的变化幅度较小。

双向反射分布函数； 发射率； 金属靶板； 温度变化

1 引 言

非接触式测量方法是一种常用的测量远场激光光斑的方法，即在一定距离处用靶板接收远场激光照射，利用成像光电探测器接收激光光斑的反射光信号，测量得到靶板处激光光斑的相对光强分布。光电探测器各探测单元信号幅度经过功率标定后，可实现功率密度测量[1-2]。要准确计算靶板表面功率密度分布，需要知道接收靶板准确的反射与发射特性数据，而材料的反射与发射特性与其表面特性息息相关。在非合作使用条件下，激光接收靶板在环境的磨损及氧化作用下，表面的发射与反射特性将发生改变；且在中等强度激光长时间辐照接收靶板时，能量耦合将导致接收漫反射屏温度上升，从而影响其反射和发射特性，增加功率密度测量误差[3-5]。

本文采用金属材料作为接收靶板，对靶板表面充分研磨发黑以模拟实际情况中非合作靶板的表面状态。建立了双向反射分布函数测量平台，照射激光波长为532 nm和1 064 nm。为分析温升对金属靶板的影响，搭建了智能温控系统加热金属靶板，测量获得靶板的反射特性及其随温度的变化，配合红外热像仪测量材料表面的发射率及其随温度的变化。实验获取了温度-双向反射分布函数和温度-发射率变化曲线，为测量中等强度激光辐照下非合作金属靶板表面的功率密度分布奠定了基础。

2 双向反射分布函数和发射率

双向反射分布函数(BRDF)由Nicodemus 提出并于1977年以美国国家标准局的名义推荐使用。双向反射分布函数的测量就是测量目标表面材料在不同方向入射光条件下,不同反射方向上信号的强度特性。

目标表面材料对入射光的散射能力同其种类、表面的粗糙度以及目标的几何结构有关。在大多数表面对光的反射中,总是镜面反射和漫反射同时存在；在某些情况下,还会出现畸变。双向反射分布函数描述入射光和反射光的空间几何关系如图1所示。图中，θi为入射高角；θr为反射高角；φi为入射方位角；φr为反射方位角。

图1 双向反射分布函数的几何示意图

Fig.1 Geometrical relationship of BRDF

双向反射分布函数的定义为:

(1)

式中：fr称为双向反射分布函数，它是在(θi,φi)方向上立体角dωr内反射光辐射亮度dLr与(θr,φr)方向上立体角dωi内入射光辐射度dEi之比，单位为sr-1。式中dLr和dEi都是无穷小量，要求探测器具有无穷小的视场角。因此，不能直接测量dLr和dEi，但可以在一定近似情况下测量其平均值来代替[6]。

红外光谱发射率是表征物体表面热辐射能力的热物性参数，发射率测量精度直接影响目标红外辐射特性计算的精度。在进行非接触辐射测温时，被测物体表面温度受发射率影响很大，一般需要配备辅助发射率测量装置对测温结果进行修正。因此，获取温升情况下漫反射屏的发射率非常必要[7-8]。

3 测量方法

实际测量中，由于照度的测量相对困难，通常是分别测量目标和漫反射板的反射亮度的比值BRF得到目标的双向反射分布函数[9]。BRF表示为:

(2)

双向反射分布函数与BRF的关系为:

目标和漫反射板的反射亮度测量系统主要由自动多角度测量架、激光器和CCD相机组成。根据BRF的定义，测量该比值需要调节公式(2)中的4个角度。因此必须建立空间位置调节机构，研究位置调节方法。基于以上要求，我们建立了适合于测量的样品转台系统，该测量系统的示意图和实物图如图2所示。如果测量表面各向同性样品，则只需调整高角，无需调整方位角。光强接收装置采用了CCD相机，样品与标准漫反射板对应反射光斑的灰度比值即为BRF，通过设置图像动态曝光满足了测量范围要求。

Fig.2 Measuring platform of schematic plan(a) and entity(b)

样品表面的红外光谱发射率采用红外热像仪用温度比较法测量。红外热像仪的测量光谱范围为8～12 μm，测温范围为-30～650 ℃，测温精度为±2%。测量时，将红外热像仪发射率设置为1，此时观察点测量温度为T1，同时采用探温电耦测量观察点的温度T2，比值T2/T1即为样品表面观察点在红外波段8～12 μm的发射率。

4 实验测量及结果

实验对某一金属靶板进行了测量，靶板表面经过金刚砂(320目)充分研磨以近似模拟实际应用中非合作靶板的表面状态，研磨后金属表面发黑严重。测量波段为532 nm和1 064 nm。采用智能温控仪对金属靶板加热，最高测试温度为320 ℃。CCD相机和红外热像仪均放置在样品的法线方向上，因而在0°入射角位置存在测量盲区，实验装置示意图如图3所示。

测试温度从常温到320 ℃，532 nm激光双向反射分布函数测量结果如图4所示。由测试结果可知，发黑金属表面反射率偏低，当入射光方向与探测光方向夹角减小时，反射率略微增加，接近漫反射特性(朗伯面的反射率不随入射角度变化)。温度升高后，从实验数据判别靶板表面双向反射分布函数变化存在较大难度，因此采用经验公式进行最小二乘拟合得到分布曲线，公式为:

(4)

式中：a反映了反射率，k可以模拟反射系数随角度缓慢变化的情况。拟合结果如图5所示，最大拟合误差小于0.2%。由图可知，靶板温度升高到320 ℃时，双向反射分布函数变化幅度较小(最大变化率<20%)。对于小角度入射时的同一测量点，反射率在275 ℃位置略上升后降低。

图4 金属靶板在532 nm波段的双向反射分布函数。(a)BDRF-角度；(b) BDRF-温度。

Fig.4 532 nm BRDF of the diffuse plate. (a)BDRFvs. incident angle. (b) BDRFvs. temperature.

1 064 nm激光的双向反射分布函数测量结果如图6所示。由图可知，金属靶板在1 064 nm波段的反射率大于532 nm，反射系数随角度缓慢变化的情况与532 nm基本一致，表明金属靶板在近红外波段的反射率大于可见光波段，双向反射分布函数中反射系数随角度变化的特性基本一致。在靶板温度从250 ℃升高到320 ℃的过程中，反射系数最大变化率约为25%。

工程上用热像仪测量物体表面发射率时，一般假设表面为朗伯体，实验用研磨金属靶板经测试，表面呈近似漫反射特性，满足假设要求。表面近似漫反射减小了空间辐射的差异性，相比镜面反射不同实验布局得到的测量结果相差较小。同时，实验室条件下最大程度避免了环境辐射影响，从而减小了测量方法的误差。发射率测量结果如图7所示。在8～12 μm波段内，发黑金属表面具有较大发射率；且在靶板温度升高到320 ℃的过程中，发射率变化幅度较小，与反射率变化趋势的测量结果一致。

图5 金属靶板在532 nm波段的双向反射分布函数拟合曲线。(a)BDRF-角度； (b) BDRF-温度。

Fig.5 532 nm BRDF fitting curve of the diffuse plate. (a)BDRFvs. incident angle. (b) BDRFvs. temperature.

中等强度激光长时间辐照金属靶，能量耦合沉积在金属靶中会导致目标温度上升，在氧化环境中将发生非常复杂的物理化学现象。金属表面与氧化性气体发生化学反应生成氧化膜，同时金属靶的表面状况(粗糙度、吸附物质以及生成的氧化膜等)、趋肤深度内的组织形态等因素相互耦合从而影响金属靶表面的反射率、反射分布特性以及发射率[10-11]。金属靶作为非接触测量中较常遇到的一类接收材料，反射和发射特性发生改变将直接影响激光参数的测量精度。以上实验结果表明，在测试温度320 ℃范围内(模拟中等强度激光对金属靶的加热效果)，经研磨的金属靶表面呈现近似漫反射特性，反射率和发射率随温度变化幅度较小。

5 结 论

金属靶板和成像设备组成的激光到靶非接触式测量方法通过接收屏幕上的漫反射光来测量靶板处的激光功率密度，但随着激光功率越来越大，金属靶板经过长时间辐照温度上升，温度上升导致材料导电率变化并产生表面氧化物，从而影响该方法的测量结果。本文通过实验测量了320 ℃范围内(模拟中等强度激光对金属靶的加热效果)研磨金属靶在532 nm和1 064 nm波段上的反射特性和在8～12 μm波段内的发射特性。结果表明，在该温度范围内金属靶的反射和发射特性变化不大，为通过非接触方式测量中等强度激光辐照下非合作金属靶板表面功率密度提供了数据支撑。

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龙超(1987-)，男，湖南常德人，硕士，工程师，2016年于国防科学技术大学获得硕士学位,主要从事激光技术应用及多光谱辐射测温技术的研究。E-mail: drasha@126.com

杨雨川(1983-)，男，四川荣县人，博士，高级工程师，2011年于国防科学技术大学获得博士学位，主要从事激光技术及其应用的研究。E-mail: yyc_online@126.com

Temperature Dependence of Reflectance and Irradiation of The Ground Metallic Target

LONG Chao1,2, CHEN Jun-yan2, YANG Yu-chuan2*, DU Shao-jun1, ZHAO Ning2

(1. College of Optoelectronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China;2.NorthwestInstituteofNuclearTechnology,Xi’an710024,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:yyc_online@126.com

The principle and method of surfaced bi-directional reflective distribution function (BRDF) and irradiation were introduced. The measuring platform of surfaced BRDF on 532 nm/1 064 nm and irradiation was built to study the temperature dependence of the reflectance and irradiation of metallic target grided by emery(320 mesh). The results show that the ground metallic target approximates lambert radiator, and the reflectivity is lower than 0.25. The surfaced reflective distribution, reflectivity and irradiation are almost consistence below 320 ℃.

bi-directional reflective distribution function; irradiation; metallic target; temperature change

1000-7032(2016)12-1566-05

2016-05-30；

2016-07-02

原总装青年基金资助项目

TN249

A

10.3788/fgxb20163712.1566