溫度變化下研磨金屬表面反射率和發(fā)射率的測(cè)量

龍 超， 陳軍燕， 楊雨川* ， 杜少軍， 趙 寧

(1. 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙 410073； 2. 西北核技術(shù)研究所， 陜西 西安 710024)

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溫度變化下研磨金屬表面反射率和發(fā)射率的測(cè)量

龍 超1,2， 陳軍燕2， 楊雨川2*， 杜少軍1， 趙 寧2

(1. 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙 410073； 2. 西北核技術(shù)研究所， 陜西 西安 710024)

介紹了測(cè)量材料表面雙向反射分布函數(shù)和發(fā)射率的原理和方法，搭建了532 nm和1 064 nm波長雙向反射分布函數(shù)和表面發(fā)射率測(cè)量平臺(tái)，對(duì)經(jīng)金剛砂(320目)研磨后金屬靶板表面的反射率和發(fā)射率及中等溫升情況下的變化特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明，粗糙金屬靶板表面近似為朗伯輻射體，反射率低于0.25。 在常溫至320 ℃范圍內(nèi)，靶板表面反射分布、反射率和發(fā)射率的變化幅度較小。

雙向反射分布函數(shù)； 發(fā)射率； 金屬靶板； 溫度變化

1 引 言

非接觸式測(cè)量方法是一種常用的測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)激光光斑的方法，即在一定距離處用靶板接收遠(yuǎn)場(chǎng)激光照射，利用成像光電探測(cè)器接收激光光斑的反射光信號(hào)，測(cè)量得到靶板處激光光斑的相對(duì)光強(qiáng)分布。光電探測(cè)器各探測(cè)單元信號(hào)幅度經(jīng)過功率標(biāo)定后，可實(shí)現(xiàn)功率密度測(cè)量[1-2]。要準(zhǔn)確計(jì)算靶板表面功率密度分布，需要知道接收靶板準(zhǔn)確的反射與發(fā)射特性數(shù)據(jù)，而材料的反射與發(fā)射特性與其表面特性息息相關(guān)。在非合作使用條件下，激光接收靶板在環(huán)境的磨損及氧化作用下，表面的發(fā)射與反射特性將發(fā)生改變；且在中等強(qiáng)度激光長時(shí)間輻照接收靶板時(shí)，能量耦合將導(dǎo)致接收漫反射屏溫度上升，從而影響其反射和發(fā)射特性，增加功率密度測(cè)量誤差[3-5]。

本文采用金屬材料作為接收靶板，對(duì)靶板表面充分研磨發(fā)黑以模擬實(shí)際情況中非合作靶板的表面狀態(tài)。建立了雙向反射分布函數(shù)測(cè)量平臺(tái)，照射激光波長為532 nm和1 064 nm。為分析溫升對(duì)金屬靶板的影響，搭建了智能溫控系統(tǒng)加熱金屬靶板，測(cè)量獲得靶板的反射特性及其隨溫度的變化，配合紅外熱像儀測(cè)量材料表面的發(fā)射率及其隨溫度的變化。實(shí)驗(yàn)獲取了溫度-雙向反射分布函數(shù)和溫度-發(fā)射率變化曲線，為測(cè)量中等強(qiáng)度激光輻照下非合作金屬靶板表面的功率密度分布奠定了基礎(chǔ)。

2 雙向反射分布函數(shù)和發(fā)射率

雙向反射分布函數(shù)(BRDF)由Nicodemus 提出并于1977年以美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的名義推薦使用。雙向反射分布函數(shù)的測(cè)量就是測(cè)量目標(biāo)表面材料在不同方向入射光條件下,不同反射方向上信號(hào)的強(qiáng)度特性。

目標(biāo)表面材料對(duì)入射光的散射能力同其種類、表面的粗糙度以及目標(biāo)的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。在大多數(shù)表面對(duì)光的反射中,總是鏡面反射和漫反射同時(shí)存在；在某些情況下,還會(huì)出現(xiàn)畸變。雙向反射分布函數(shù)描述入射光和反射光的空間幾何關(guān)系如圖1所示。圖中，θi為入射高角；θr為反射高角；φi為入射方位角；φr為反射方位角。

圖1 雙向反射分布函數(shù)的幾何示意圖

Fig.1 Geometrical relationship of BRDF

雙向反射分布函數(shù)的定義為:

(1)

式中：fr稱為雙向反射分布函數(shù)，它是在(θi,φi)方向上立體角dωr內(nèi)反射光輻射亮度dLr與(θr,φr)方向上立體角dωi內(nèi)入射光輻射度dEi之比，單位為sr-1。式中dLr和dEi都是無窮小量，要求探測(cè)器具有無窮小的視場(chǎng)角。因此，不能直接測(cè)量dLr和dEi，但可以在一定近似情況下測(cè)量其平均值來代替[6]。

紅外光譜發(fā)射率是表征物體表面熱輻射能力的熱物性參數(shù)，發(fā)射率測(cè)量精度直接影響目標(biāo)紅外輻射特性計(jì)算的精度。在進(jìn)行非接觸輻射測(cè)溫時(shí)，被測(cè)物體表面溫度受發(fā)射率影響很大，一般需要配備輔助發(fā)射率測(cè)量裝置對(duì)測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行修正。因此，獲取溫升情況下漫反射屏的發(fā)射率非常必要[7-8]。

3 測(cè)量方法

實(shí)際測(cè)量中，由于照度的測(cè)量相對(duì)困難，通常是分別測(cè)量目標(biāo)和漫反射板的反射亮度的比值BRF得到目標(biāo)的雙向反射分布函數(shù)[9]。BRF表示為:

(2)

雙向反射分布函數(shù)與BRF的關(guān)系為:

目標(biāo)和漫反射板的反射亮度測(cè)量系統(tǒng)主要由自動(dòng)多角度測(cè)量架、激光器和CCD相機(jī)組成。根據(jù)BRF的定義，測(cè)量該比值需要調(diào)節(jié)公式(2)中的4個(gè)角度。因此必須建立空間位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，研究位置調(diào)節(jié)方法。基于以上要求，我們建立了適合于測(cè)量的樣品轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)的示意圖和實(shí)物圖如圖2所示。如果測(cè)量表面各向同性樣品，則只需調(diào)整高角，無需調(diào)整方位角。光強(qiáng)接收裝置采用了CCD相機(jī)，樣品與標(biāo)準(zhǔn)漫反射板對(duì)應(yīng)反射光斑的灰度比值即為BRF，通過設(shè)置圖像動(dòng)態(tài)曝光滿足了測(cè)量范圍要求。

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

樣品表面的紅外光譜發(fā)射率采用紅外熱像儀用溫度比較法測(cè)量。紅外熱像儀的測(cè)量光譜范圍為8～12 μm，測(cè)溫范圍為-30～650 ℃，測(cè)溫精度為±2%。測(cè)量時(shí)，將紅外熱像儀發(fā)射率設(shè)置為1，此時(shí)觀察點(diǎn)測(cè)量溫度為T1，同時(shí)采用探溫電耦測(cè)量觀察點(diǎn)的溫度T2，比值T2/T1即為樣品表面觀察點(diǎn)在紅外波段8～12 μm的發(fā)射率。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)對(duì)某一金屬靶板進(jìn)行了測(cè)量，靶板表面經(jīng)過金剛砂(320目)充分研磨以近似模擬實(shí)際應(yīng)用中非合作靶板的表面狀態(tài)，研磨后金屬表面發(fā)黑嚴(yán)重。測(cè)量波段為532 nm和1 064 nm。采用智能溫控儀對(duì)金屬靶板加熱，最高測(cè)試溫度為320 ℃。CCD相機(jī)和紅外熱像儀均放置在樣品的法線方向上，因而在0°入射角位置存在測(cè)量盲區(qū)，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示。

測(cè)試溫度從常溫到320 ℃，532 nm激光雙向反射分布函數(shù)測(cè)量結(jié)果如圖4所示。由測(cè)試結(jié)果可知，發(fā)黑金屬表面反射率偏低，當(dāng)入射光方向與探測(cè)光方向夾角減小時(shí)，反射率略微增加，接近漫反射特性(朗伯面的反射率不隨入射角度變化)。溫度升高后，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)判別靶板表面雙向反射分布函數(shù)變化存在較大難度，因此采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行最小二乘擬合得到分布曲線，公式為:

(4)

式中：a反映了反射率，k可以模擬反射系數(shù)隨角度緩慢變化的情況。擬合結(jié)果如圖5所示，最大擬合誤差小于0.2%。由圖可知，靶板溫度升高到320 ℃時(shí)，雙向反射分布函數(shù)變化幅度較小(最大變化率<20%)。對(duì)于小角度入射時(shí)的同一測(cè)量點(diǎn)，反射率在275 ℃位置略上升后降低。

圖4 金屬靶板在532 nm波段的雙向反射分布函數(shù)。(a)BDRF-角度；(b) BDRF-溫度。

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

1 064 nm激光的雙向反射分布函數(shù)測(cè)量結(jié)果如圖6所示。由圖可知，金屬靶板在1 064 nm波段的反射率大于532 nm，反射系數(shù)隨角度緩慢變化的情況與532 nm基本一致，表明金屬靶板在近紅外波段的反射率大于可見光波段，雙向反射分布函數(shù)中反射系數(shù)隨角度變化的特性基本一致。在靶板溫度從250 ℃升高到320 ℃的過程中，反射系數(shù)最大變化率約為25%。

工程上用熱像儀測(cè)量物體表面發(fā)射率時(shí)，一般假設(shè)表面為朗伯體，實(shí)驗(yàn)用研磨金屬靶板經(jīng)測(cè)試，表面呈近似漫反射特性，滿足假設(shè)要求。表面近似漫反射減小了空間輻射的差異性，相比鏡面反射不同實(shí)驗(yàn)布局得到的測(cè)量結(jié)果相差較小。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室條件下最大程度避免了環(huán)境輻射影響，從而減小了測(cè)量方法的誤差。發(fā)射率測(cè)量結(jié)果如圖7所示。在8～12 μm波段內(nèi)，發(fā)黑金屬表面具有較大發(fā)射率；且在靶板溫度升高到320 ℃的過程中，發(fā)射率變化幅度較小，與反射率變化趨勢(shì)的測(cè)量結(jié)果一致。

圖5 金屬靶板在532 nm波段的雙向反射分布函數(shù)擬合曲線。(a)BDRF-角度； (b) BDRF-溫度。

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

中等強(qiáng)度激光長時(shí)間輻照金屬靶，能量耦合沉積在金屬靶中會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)溫度上升，在氧化環(huán)境中將發(fā)生非常復(fù)雜的物理化學(xué)現(xiàn)象。金屬表面與氧化性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化膜，同時(shí)金屬靶的表面狀況(粗糙度、吸附物質(zhì)以及生成的氧化膜等)、趨膚深度內(nèi)的組織形態(tài)等因素相互耦合從而影響金屬靶表面的反射率、反射分布特性以及發(fā)射率[10-11]。金屬靶作為非接觸測(cè)量中較常遇到的一類接收材料，反射和發(fā)射特性發(fā)生改變將直接影響激光參數(shù)的測(cè)量精度。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在測(cè)試溫度320 ℃范圍內(nèi)(模擬中等強(qiáng)度激光對(duì)金屬靶的加熱效果)，經(jīng)研磨的金屬靶表面呈現(xiàn)近似漫反射特性，反射率和發(fā)射率隨溫度變化幅度較小。

5 結(jié) 論

金屬靶板和成像設(shè)備組成的激光到靶非接觸式測(cè)量方法通過接收屏幕上的漫反射光來測(cè)量靶板處的激光功率密度，但隨著激光功率越來越大，金屬靶板經(jīng)過長時(shí)間輻照溫度上升，溫度上升導(dǎo)致材料導(dǎo)電率變化并產(chǎn)生表面氧化物，從而影響該方法的測(cè)量結(jié)果。本文通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量了320 ℃范圍內(nèi)(模擬中等強(qiáng)度激光對(duì)金屬靶的加熱效果)研磨金屬靶在532 nm和1 064 nm波段上的反射特性和在8～12 μm波段內(nèi)的發(fā)射特性。結(jié)果表明，在該溫度范圍內(nèi)金屬靶的反射和發(fā)射特性變化不大，為通過非接觸方式測(cè)量中等強(qiáng)度激光輻照下非合作金屬靶板表面功率密度提供了數(shù)據(jù)支撐。

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龍超(1987-)，男，湖南常德人，碩士，工程師，2016年于國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲得碩士學(xué)位,主要從事激光技術(shù)應(yīng)用及多光譜輻射測(cè)溫技術(shù)的研究。E-mail: drasha@126.com

楊雨川(1983-)，男，四川榮縣人，博士，高級(jí)工程師，2011年于國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事激光技術(shù)及其應(yīng)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

原總裝青年基金資助項(xiàng)目

TN249

A

10.3788/fgxb20163712.1566