平滑与褶皱表面目标的散射光谱的研究

陆旭+++李龙+++孟令鹏+++石丛认+++谭勇

摘 要：文章基于BRDF理论，测量了平滑与褶皱表面的锡纸材料的散射光谱，用金相显微镜对材料表面进行观察，对比分析了两种表面形貌对散射光谱的影响。通过金相显微镜观察样品表面，将得到的褶皱表面材料图像的阴影部分进行区域、方向划分，最终通过不同划分方法及其对应探测条件下得到的BRDF值，达到研究目标材料表面形貌对其BRDF值影响的目的。

关键词：散射光谱；褶皱表面目标；归一化；特征提取；标准偏差

引言

Nicodemus[1]最早提出了BRDF的概念，并于1970年正式确定[2]，BRDF反映了材料的基本光学特性，表示某一方向的入射波在平面上半空间的反射能量分布，取决于表面粗糙度、介电常数、辐射波长和偏振等因素。在空间探测方面BRDF的研究还广泛用于环境污染监测、地表植被长势遥感、地球资源勘测、大气结构分析等国民建设的各个方面，这就迫使人们对各种材料的BRDF进行研究[3]。

1 实验装置

实验装置和样品：主要包括溴钨灯、海洋QE65PRO光谱仪、84uv望远镜、光纤，五维旋转平台，数据记录计算机，激光笔，聚四氟乙烯标准板。实验装置图如图1所示。溴钨灯发出的光垂直照射到样品表面时会发射漫散射，散射的一部分光被探测器接收到，通过光纤耦合到光谱仪，由计算机记录光谱数据。

2 实验数据处理

为了细致地观察样品表面的形貌分布，将两种表面材料分别置于金相显微镜下，对其表面形状的具体结构进行观察，材料大小均为1.2cm×1.2cm。

将阴影较深的区域大致划分为十五部分，并且给出了样品实物图，如图2所示。其中横坐标OX方向的阴影区域较少，只有阴影O区域；纵坐标OY方向阴影较多，为B、J、L、M、N区域；以OX轴为基准方位角45°方向的阴影区域为C、E、H、I区域；以OX轴为基准方位角135°方向的阴影区域为A区域；其余D、F、G、P区域为不规则近似圆形区域。

为了探究褶皱表面形状对目标的散射特性的影响，给出平滑表面材料和褶皱表面材料在入射方位角180°、天顶角20°时，出射方位角0°，天顶角10°～40°时的BRDF值，如图3所示。从图3（a）可以看出平滑材料BRDF在天顶角为20°时BRDF的值最高，并且向两侧急剧下降。然而从图3（b）在褶皱表面材料中，因为褶皱材料的不规则表面影响，所以天顶角为10°～25°时BRDF值较高，15°时BRDF的值最高，而在天顶角大于25°之后，褶皱材料的BRDF缓慢下降且趋于平稳。图2中表明，轮廓接近OY方向的阴影区域B、J、L、M、N阴影区域大，所以该方向褶皱纹路多、面积大，大部分反射光漫反射到天顶角15°的方向，所以導致在入射方位角180°、天顶角20°，出射方位角0°探测褶皱材料时，BRDF值在天顶角20°时要小于BRDF在天顶角15°时的值。

3 数据分析

经过对褶皱目标材料进行实验，得到数据并对其可见光波段的光谱散射特性进行分析，并与长宽相等的平滑材料的光谱散射特性进行对比。如图4所示，给出了光源垂直照射样品的条件下，目标材料在褶皱和平滑情况下出射方位角为180°而在不同天顶角下的BRDF。

图4分别给出了光源垂直照射条件下目标材料在褶皱和平滑情况下相同入射角不同天顶角的BRDF。如图4（a）所示，由于目标材料强的镜反射特性，在出射天顶角5°时材料在褶皱情况下BRDF为1～1.5之间，平滑表面材料可以近似看成是镜反射，其BRDF大约为4，约为褶皱表面材料的3倍。而随着天顶角的增大，平滑表面材料的BRDF急速减小，褶皱表面材料的BRDF虽然在数值上有所减小，表明褶皱表面目标的外貌对其BRDF影响很大。

4 结束语

本文以散射光谱的研究为基础，对几个平滑与褶皱表面物体的散射光谱的展开测量，利用金相显微镜观察目标表面结构，从不同观测角度下进行BRDF对比分析，得出在出射天顶角小于5°时，平滑表面材料的BRDF大约为褶皱表面材料的BRDF的三倍；而随着天顶角的逐渐增大，平滑表面材料的BRDF急速减小。这种变化原因是因为褶皱表面的不规则引起，而通过在不同的方位角探测时BRDF的高低变化，可以分析出褶皱表面的褶皱区域形状和轮廓。利用BRDF理论对褶皱材料的散射特性进行分析和平滑与褶皱材料的散射特性对比，可以分辨出目标材料的表面形状对BRDF值的影响。

参考文献

[1]Nicodemus. F. E. Directional Reflectance and Emissivity of an Opaque Surface.Appl. Opt. 1965，4（7）：767-773.

[2]Nicodemus. F. E. Reflectance nomenclature and directional reflectance andemissivity. Applied Optics.1970，9（6）：1474-1475.

[3]杨钰琦.粗糙面散射的BRDF方法研究[D].西安：西安电子科技大学，2012.

作者简介：陆旭（1990，10-），男，工作单位：长春理工大学，硕士研究生，研究方向：激光与物质相互作用。

*通讯作者：谭勇。