專利名稱：室外高光譜brdf自動測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于遙感科學(xué)和光譜學(xué)領(lǐng)域，具體是一種室外光譜BRDF的測量方法。
背景技術(shù)：
自然界的目標(biāo)大部分表現(xiàn)為非朗伯性，目標(biāo)的反射特性和波長及入射、反射幾何位置相關(guān)，用雙向反射分布函數(shù)(Bidirectional Reflectance DistributionFunction)可以準(zhǔn)確的描述物體的這種各向異性。雙向反射分布函數(shù)(BRDF)的定義是目標(biāo)在某一方向(θr，φr)的反射亮度dLr[W·m-2·sr-1·nm-1]與入射方向(θi，φi)照度dEi[W·m-2·nm-1]的比值(圖1)。fr[sr-1]代表BRDF，用公式表示為 θi入射天頂角；i入射方位角；θr反射天頂角；r反射方位角；dEi入射照度；dLr反射亮度室外BRDF(雙向反射分布函數(shù))高光譜測量對研究物體的光譜方向特性、多角度遙感、遙感輻射定標(biāo)及遙感定量化具有重要意義。室外測量以太陽為入射光源，測量目標(biāo)在半球方向各個角度的反射亮度，要求在太陽光譜范圍、光譜分辨率高、測量時間短、定位準(zhǔn)確、測量點足夠多、受測量架自身影響比較小特別是測量架的陰影不能落在測量范圍內(nèi)，以便更真實描述目標(biāo)的BRDF特性。
傳統(tǒng)的測量方法由于操作機構(gòu)簡陋主要手工定位探測器測量目標(biāo)的反射亮度，在測量過程中測量參考板的反射亮度來進行相對測量目標(biāo)的BRDF特性，存在著地位精度低、測量點少、測量周期長、影響因素多的缺點，并且探測器的光譜分辨率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)的不足，提供一種自動化程度高的室外高光譜BRDF自動測量方法和裝置。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下室外高光譜BRDF自動測量方法，其特征在于在設(shè)置一個方位圓軌道，和一個天頂弧軌道，方位圓軌道下方安裝有支撐腳，天頂弧軌道的下端可以在方位圓軌道上滾動，天頂弧軌道和方位圓軌道的半徑R相同，方位圓軌道和天頂弧軌道的滾動軌跡符合一半徑徑為R的球面；在天頂弧軌道上安裝一個移動的光譜輻亮度計，在方位圓軌道旁邊設(shè)置一光譜輻照度計，光譜輻照度計用于測量太陽的入射照度，在光譜輻亮度旁邊安裝攝像頭用于測量時拍攝測量目標(biāo)，在天頂弧頂部安裝GPS進行測量地理定位；計算機控制天頂弧軌道在方位圓軌道上移動和停止，同時控制光譜輻亮度計在天頂弧軌道上移動和停止，光譜輻亮度計無論在何位置，其探頭始終對準(zhǔn)所述球面的中心。天頂弧軌道的陰影不在亮度計的視場內(nèi)，亮度計只有在熱點附近其陰影落在目標(biāo)上，由于其陰影面積較小陰影影響可以忽略。當(dāng)光譜輻亮度計停留在設(shè)定的空間位置時，測得該空間方向的輻亮度數(shù)據(jù)，同時由光譜輻照度計測得入射照度，上述數(shù)據(jù)經(jīng)過采集與處理后，計算得到處于球心位置目標(biāo)的BRDF。
所述的光譜輻亮度計的旁邊安裝有攝像頭。
測量架頂部中心安裝GPS。
輻亮度計運動軌跡為球面，可以在空間各方向測量處于球心位置目標(biāo)的反射輻亮度。
同時測量目標(biāo)的入射照度和反射亮度，以得到目標(biāo)的BRDF。
光譜輻亮度計和光譜輻照度計采用相同平場凹面光柵分光，線陣列探測器探測。
光譜輻亮度計和光譜輻照度計采用相同平場凹面光柵分光，線陣列探測器探測。
光譜輻亮度計和光譜輻照度計采用光纖導(dǎo)光。
光譜輻亮度計和光譜輻照度計探測光譜范圍380～2500nm。
光譜輻亮度計的瞬時觀測視場可改變。
實現(xiàn)本發(fā)明方法的測量系統(tǒng)主要包括天頂弧軌道、方位圓軌道、伺服電機、PLC(可編程控制器)、光譜輻照度計、光譜輻亮度計、攝像頭、工控機。PLC控制兩臺伺服電機在軌道上的運動將亮度計定位在半球空間任意位置。工控機作為總控機是PLC、光譜輻照度計、光譜輻亮度計的上位機，自動控制電機的定位、光譜輻照度計、光譜輻亮度計、攝像頭的數(shù)據(jù)采集傳輸與儲存以得到目標(biāo)的BRDF并實時顯示測量值和測量場景。測量系統(tǒng)拆裝、運輸方便，人機界面友好，電機定位精度±3mm，測量速度快。周期(方位角間隔30°，天頂角間隔15°，共測66個位置點)測量耗時小于10分鐘，可以進行連續(xù)周期測量。由于測量速度快，測量時間短，在測量過程中太陽位置的變化對測量結(jié)果的影響可以忽略。光譜輻亮度計、光譜輻照度計采用相同的光學(xué)內(nèi)核結(jié)構(gòu)，保證了光譜的一致性，其測量光譜范圍為380～2500nm，光譜分辨率380～1000nm為3nm，1000～2500nm為8nm。光譜輻亮度計的視場頭可以根據(jù)測量目標(biāo)的需要更換，改變亮度計的瞬時入射視場角。
本發(fā)明可以在室外自然條件下完成樣品上半球空間BRDF數(shù)據(jù)的測量和采集，觀測天頂角、方位角的改變，以及數(shù)據(jù)的連續(xù)采集、傳輸、存儲全自動控制，定位精確，測量速度快，可任意改變觀測的條件設(shè)置，光譜輻亮度計和輻照度計均可作為獨立的儀器使用，測量太陽光譜范圍，光譜分辨率高，可同時測量太陽入射輻照度和樣品反射輻亮度，以得到BRDF，顯著降低測量周期內(nèi)太陽高度角和大氣條件改變對測量結(jié)果的影響，提高測量精度。


圖1BRDF參數(shù)圖。
圖2為本發(fā)明測量原理框圖。
圖3為本發(fā)明默認狀態(tài)測量點(黑點代表測量點)分布圖。
圖4為測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5探測器分光探測圖。
圖6亮度計光路圖。
圖6中L1、L2、L3透鏡，D入射狹縫，S探測器，G平場凹面光柵。
圖7圖5給出3、5、8度視場范圍。
具體實施例方式
本發(fā)明測量系統(tǒng)的主要組成部分1、機械機構(gòu)，包括方位圓軌道、天頂弧軌道；2、行走驅(qū)動機構(gòu)，包括兩個伺服電機及其驅(qū)動部分；3、光譜探測器，包括可見-短波紅外的連續(xù)波段輻亮度計和相同波段的輻照度計；4、總控制系統(tǒng)，包括電氣控制、人機界面、控制軟硬件和計算機通訊模塊。
以下對各組成部分進行說明機械機構(gòu)是一種地面BRDF自動測量架，包括方位圓軌道1，天頂弧半圓軌道2，驅(qū)動小車3，天頂弧半圓軌道2上安裝有傳感器小車4，傳感器小車上安裝有光譜輻亮度計，驅(qū)動小車3和天頂弧半圓軌道2之間通過3根拉桿連接，組成空間四面體結(jié)構(gòu)，驅(qū)動小車3、傳感器小車4上分別安裝有驅(qū)動電機進行驅(qū)逐動，使得驅(qū)動小車和傳感器小車可以在軌道上運行。
方位圓軌道1和天頂弧半圓軌道2半徑均為2米，天頂弧半圓軌道2的圓心在方位圓軌道1的底平面上，天頂弧半圓軌道2和方位圓軌道1偏置設(shè)置。
方位圓軌道與天頂弧軌道，半徑均為2米。用鋁合金材料并染黑，方位圓軌道由4等份圓弧軌道拼裝組成，天頂弧由2等份圓弧軌道拼裝組成。有調(diào)整裝置可調(diào)整整體高度，調(diào)整范圍0～200mm。方位圓軌道底部均勻安裝一定數(shù)量的萬向輪以便整體移動。
天頂弧軌道的半圓圓心在方位圓軌道的底平面上，天頂弧軌道偏置安裝使天頂弧軌道陰影不落在輻亮度計視場范圍內(nèi)，圖4給出3、5、8度視場范圍(圖中單位為mm，從內(nèi)到外依次為天頂0、30、45、60、75度視場范圍)。光譜輻亮度計無論在何位置，其探頭始終對準(zhǔn)所述方位圓軌道的圓心，當(dāng)光譜輻亮度計停留在設(shè)定的空間位置時，測得該位置的輻亮度數(shù)據(jù)，同時光譜輻照度計測得數(shù)據(jù)，上述數(shù)據(jù)經(jīng)過采集與處理后，計算得到目標(biāo)的BRDF。
行走驅(qū)動機構(gòu)測量架行走驅(qū)動機構(gòu)由可編程控制器(PLC)、伺服電機、伺服驅(qū)動器、增量編碼器、伺服制動器、光電開關(guān)等組成。
傳感器小車在伺服電機的驅(qū)動下沿天頂軌道-75～+75°范圍運動。
天頂弧軌道在伺服電機的驅(qū)動下沿方位圓軌道360度范圍自由轉(zhuǎn)動。
驅(qū)動小車及傳感器小車位置定位通過設(shè)置原點開關(guān)、和設(shè)定輸出脈沖通過伺服電機實現(xiàn)準(zhǔn)確定位，定位精度±3mm。
光譜探測器本BRDF測量系統(tǒng)采用了專門設(shè)計的可見-短波紅外的連續(xù)波段輻亮度計和相同波段的輻照度計作為系統(tǒng)光譜探測器。這兩臺儀器配置有單獨的控制箱，脫離BRDF測量系統(tǒng)可作為獨立的光譜輻亮度計和光譜照度計在其他場合使用。
兩臺儀器采用了平場凹面光柵分光、線陣列探測器探測、光纖導(dǎo)光，分譜技術(shù)指標(biāo)一致性強。儀器完全無動件，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，相對于其他設(shè)計方案本設(shè)計方案在信噪比、測量速度、可靠性等方面有很大提高。
光譜輻亮度計光譜輻亮度計由光學(xué)探測頭和控制箱兩個主要部分組成，二者由電纜進行連接。BRDF測量系統(tǒng)工作時，光譜輻亮度計探測頭安裝于傳感器小車，測量模擬量信號通過長電纜連接傳輸至主機箱，主機箱再通過USB接口將數(shù)字量數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)控制主機。
光譜輻照度計光譜輻照度計的內(nèi)核設(shè)計與光譜輻亮度計相同，其構(gòu)成上同樣由照度光學(xué)探測頭和控制箱組成。本設(shè)計采用積分球方式照度測量，采樣時刻與光譜輻亮度計同步。全過程自動獲取直射、漫射的分譜輻照度信號，以及直漫比數(shù)據(jù)。
總控制系統(tǒng)包括電氣控制、運動控制、數(shù)據(jù)采集及儲存。計算機軟硬件、運動部分及光譜輻亮度計和輻照度計組成一個虛擬儀器系統(tǒng)，由計算機設(shè)置運動、采集參數(shù)，計算機發(fā)送指令控制運動到指定位置，然后向傳感器發(fā)送指令(包括位置參數(shù)編碼)，傳感器進行數(shù)據(jù)采集，按設(shè)置條件采集結(jié)束后將數(shù)據(jù)傳給計算機，計算機實時顯示、處理、儲存數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.室外高光譜BRDF自動測量方法，其特征在于在設(shè)置一個方位圓軌道，和一個天頂弧軌道，方位圓軌道下方安裝有支撐腳，天頂弧軌道的下端可以在方位圓軌道上滾動，天頂弧軌道和方位圓軌道的半徑R相同，方位圓軌道和天頂弧軌道的滾動軌跡符合一半徑徑為R的球面；在天頂弧軌道上安裝一個移動的光譜輻亮度計，在方位圓軌道旁邊設(shè)置一光譜輻照度計，光譜輻照度計用于測量太陽的入射照度，在光譜輻亮度旁邊安裝攝像頭用于測量時拍攝測量目標(biāo)，在天頂弧頂部安裝GPS進行測量地理定位；計算機控制天頂弧軌道在方位圓軌道上移動和停止，同時控制光譜輻亮度計在天頂弧軌道上移動和停止，光譜輻亮度計無論在何位置，其探頭始終對準(zhǔn)所述球面的中心。天頂弧軌道的陰影不在亮度計的視場內(nèi)，亮度計只有在熱點附近其陰影落在目標(biāo)上，由于其陰影面積較小陰影影響可以忽略；當(dāng)光譜輻亮度計停留在設(shè)定的空間位置時，測得該空間方向的輻亮度數(shù)據(jù)，同時由光譜輻照度計測得入射照度，上述數(shù)據(jù)經(jīng)過采集與處理后，計算得到處于球心位置目標(biāo)的BRDF。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于光譜輻亮度計和光譜輻照度計采用相同平場凹面光柵分光，線陣列探測器探測。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于光譜輻亮度計和光譜輻照度計采用相同平場凹面光柵分光，線陣列探測器探測。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于光譜輻亮度計和光譜輻照度計采用光纖導(dǎo)光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于光譜輻亮度計和光譜輻照度計探測光譜范圍380～2500nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于光譜輻亮度計的瞬時觀測視場可改變。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種室外高光譜BRDF自動測量方法，設(shè)置一個方位圓軌道，和一個天頂弧軌道，方位圓軌道下方安裝有支撐腳，二者半徑相同，在天頂弧軌道上安裝一個移動的光譜輻亮度計，在方位圓軌道旁邊設(shè)置一光譜輻照度計，當(dāng)光譜輻亮度計停留在設(shè)定的空間位置時，測得該空間方向的輻亮度數(shù)據(jù)，同時由光譜輻照度計測得入射照度，上述數(shù)據(jù)經(jīng)過采集與處理后，計算得到處于球心位置目標(biāo)的BRDF。本發(fā)明顯著降低測量周期內(nèi)太陽高度角和大氣條件改變對測量結(jié)果的影響，提高測量精度。
文檔編號G01N21/47GK1928533SQ20061009615
公開日2007年3月14日 申請日期2006年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月22日
發(fā)明者李新, 鄭小兵, 洪津, 汪元鈞, 張運杰, 湯偉平, 吳浩宇, 尋麗娜, 王樂意, 喬延利 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所