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专利号: 2021109915294
申请人: 长春理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-02-28
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种气/液体光谱偏振二向反射模型特性测试装置,其特征在于,包括:方形密闭箱(1)、发射系统(2)、后向散射接收系统(3)、前向透射接收系统(4)、检测系统(5)、数据处理系统(6)、电机控制系统(7)和样品充排装置(8);

所述方形密闭箱(1)内部用于充入气体或液体样品,方形密闭箱(1)的顶部开设有光学窗口(11)和样品进出口Ⅰ(12),方形密闭箱(1)的底部开设有样品进出口Ⅱ(13),方形密闭箱(1)内设置有360°双轨道滑轨(15)、90°导轨Ⅰ(16)、90°导轨Ⅱ(17)和90°导轨Ⅲ(18),90°导轨Ⅰ(16)、90°导轨Ⅱ(17)和90°导轨Ⅲ(18)均为90°圆弧导轨,360°双轨道滑轨(15)呈水平布置在方形密闭箱(1)的中部,360°双轨道滑轨(15)、90°导轨Ⅰ(16)、90°导轨Ⅱ(17)和

90°导轨Ⅲ(18)所对应的圆心交于同一点,并且该点与方形密闭箱(1)中心重合;360°双轨道滑轨(15)、90°导轨Ⅰ(16)、90°导轨Ⅱ(17)和90°导轨Ⅲ(18)上均标有度数;90°导轨Ⅰ(16)、90°导轨Ⅱ(17)和90°导轨Ⅲ(18)的一端各连接有一个舵机,且三个舵机通过总线与电机控制系统(7)连接,90°导轨Ⅰ(16)、90°导轨Ⅱ(17)和90°导轨Ⅲ(18)的另一端均与360°双轨道滑轨(15)滑动配合连接;

所述发射系统(2)安装在90°导轨Ⅰ(16)上,并能够通过驱动电机驱动使其相对于90°导轨Ⅰ(16)移动,发射系统(2)包括红外激光器(21)、分光棱镜(22)、起偏器(23)、1/4玻片(24)、扩束器(25)和光功率计(26),红外激光器(21)、分光棱镜(22)、起偏器(23)、1/4玻片(24)和扩束器(25)共光轴,分光棱镜(22)用于将所述红外激光器(21)发出的光分成两束能量相同的光束,一束作为测量光,依次经过起偏器(23)、1/4玻片(24)和扩束器(25)射出后照射到前向透射接收系统(4)上,另一束作为参考光,照射到光功率计(26)的探头上;

所述后向散射接收系统(3)安装在90°导轨Ⅱ(17)上,并能够通过驱动电机驱动使其相对于90°导轨Ⅱ(17)移动,后向散射接收系统(3)包括凸透镜Ⅰ(31)、光谱偏振相机Ⅰ(32)、长波红外相机Ⅰ(33)和凸透镜Ⅱ(34),光谱偏振相机Ⅰ(32)和长波红外相机Ⅰ(33)均与数据处理系统(6)电学连接,凸透镜Ⅰ(31)距离光谱偏振相机Ⅰ(32)为一个透镜焦距,凸透镜Ⅱ(34)距离长波红外相机Ⅰ(33)为一个透镜焦距;

所述前向透射接收系统(4)安装在90°导轨Ⅲ(18)上,并能够通过驱动电机驱动使其相对于90°导轨Ⅲ(18)移动,前向透射接收系统(4)和发射系统(2)始终保持正对,前向透射接收系统(4)包括凸透镜Ⅲ(41)、光谱偏振相机Ⅱ(42)、长波红外相机Ⅱ(43)和凸透镜Ⅳ(44),光谱偏振相机Ⅱ(42)、长波红外相机Ⅱ(43)均与数据处理系统(6)电学连接,凸透镜Ⅲ(41)距离光谱偏振相机Ⅱ(42)为一个透镜焦距,凸透镜Ⅳ(44)距离长波红外相机Ⅱ(43)为一个透镜焦距;

所述检测系统(5)包括压强传感器(51)、湿度传感器(52)、温度传感器(53)、加热棒(54)、气压罐(55)和压强温湿度显示器(56),压强传感器(51)、湿度传感器(52)、温度传感器(53)和加热棒(54)位于方形密闭箱(1)的内壁,压强传感器(51)、湿度传感器(52)、温度传感器(53)均与位于方形密闭箱(1)外部的压强温湿度显示器(56)电学连接;气压罐(55)位于方形密闭箱(1)外部,气压罐(55)与方形密闭箱(1)的内部连通,用于调控方形密闭箱(1)内部气压;

所述数据处理系统(6)包括计算机(61),用于采集后向散射接收系统(3)和前向透射接收系统(4)的数据及图像,并保存数据;

所述电机控制系统(7)分别与用于驱动发射系统(2)、后向散射接收系统(3)和前向透射接收系统(4)移动的驱动电机电连接;

所述样品充排装置(8)通过导管(82)与方形密闭箱(1)连接,并在导管(82)与方形密闭箱(1)连接处设置有阀门(81)。

2.根据权利要求1所述的气/液体光谱偏振二向反射模型特性测试装置,其特征在于:

所述发射系统(2)通过铁板安装在90°导轨Ⅰ(16)上,在铁板中心安装有带驱动轮的驱动电机,所述驱动轮与90°导轨Ⅰ(16)的齿形带啮合,所述驱动电机与电机控制系统(7)连接,通过电机控制系统(7)控制所述驱动电机驱动发射系统(2)相对于90°导轨Ⅰ(16)移动。

3.根据权利要求1所述的气/液体光谱偏振二向反射模型特性测试装置,其特征在于:

所述后向散射接收系统(3)通过铁板安装在90°导轨Ⅱ(17)上,在铁板中心安装有带驱动轮的驱动电机,所述驱动轮与90°导轨Ⅱ(17)的齿形带啮合,所述驱动电机与电机控制系统(7)连接,通过电机控制系统(7)控制所述驱动电机驱动后向散射接收系统(3)相对于90°导轨Ⅱ(17)移动。

4.根据权利要求1所述的气/液体光谱偏振二向反射模型特性测试装置,其特征在于:

所述前向透射接收系统(4)通过铁板安装在90°导轨Ⅲ(18)上,在铁板中心安装有带驱动轮的驱动电机,所述驱动轮与90°导轨Ⅲ(18)的齿形带啮合,所述驱动电机与电机控制系统(7)连接,通过电机控制系统(7)控制所述驱动电机驱动前向透射接收系统(4)相对于90°导轨Ⅲ(18)移动。

5.一种气/液体光谱偏振二向反射模型特性测试方法,其特征在于,所述方法基于权利要求1、2、3或4所述的气/液体光谱偏振二向反射模型特性测试装置,具体包括如下步骤:步骤一、准备实验环境

清洁方形密闭箱(1)内部装置,测量并调节方形密闭箱(1)箱内温度、湿度和压强以满足所需的实验条件,固定各实验器材,校准360°双轨道滑轨(15)的零位,保持方形密闭箱(1)内黑暗环境;

步骤二、改变出射天顶角

关闭方形密闭箱(1)的光学窗口(11),将所要测量的气体或液体样品通过导管(82)充入方形密闭箱(1)中,导管(82)上设有气阀(81),保持发射系统(2)和90°导轨Ⅰ(16)不动;前向透射接收系统(4)和发射系统(2)始终保持正对,设定初始值为0°,通过电机控制系统(7)控制后向散射接收系统(3)所对应的驱动电机,驱动电机带动后向散射接收系统(3)在90°导轨Ⅱ(17)上移动,从而改变出射天顶角,计算机(61)记录后向散射接收系统(3)和前向透射接收系统(4)的数据并拍摄红外图像进行保存;

步骤三、改变出射方位角

保持发射系统(2)和90°导轨Ⅰ(16)不动,待气体或液体样品相对稳定,通过电机控制系统(7)控制90°导轨Ⅱ(17)所连接的舵机,使得90°导轨Ⅱ(17)沿360°双轨道滑轨(15)旋转,改变出射方位角,计算机(61)记录后向散射接收系统(3)和前向透射接收系统(4)测量样品散射光谱并拍摄红外图像进行保存;

步骤四、改变入射天顶角

通过电机控制系统(7)控制发射系统(2)所对应的驱动电机,改变红外激光器(21)位置,使入射天顶角发生改变,通过电机控制系统(7)控制前向透射接收系统(4)所对应的驱动电机,驱动前向透射接收系统(4)移动,测量透射光,重复进行步骤二和步骤三;

步骤五、改变入射方位角

通过电机控制系统(7)控制90°导轨Ⅰ(16)所对应的舵机,使90°导轨Ⅰ(16)沿360°双轨道滑轨(15)进行360°旋转,使入射方位角发生改变,重复进行步骤二至步骤四;

步骤六、计算常温环境下的气体或液体样品BRDF数据

将聚四氟乙烯标准板放入方形密闭箱(1)中,重复步骤步骤一至步骤五,运用对比法通过数据处理系统(6)计算得到气体或液体BRDF值和对应图像;

步骤七、测量不同温度下的气体或液体样品的BRDF数据

通过加热棒(54)将方形密闭箱(1)中已充好的气体或液体样品进行升温,通过温度传感器(53)实时检测箱内的温度,温度显示在压强温湿度显示器(56)上,待气体或液体样品稳定后重复进行步骤二至步骤五;改变温度重复进行实验;数据处理系统(6)计算得到不同温度下样品BRDF值和对应图像,并以文件的形式保存;

步骤八、测量不同压强下的气体BRDF数据

通过气压罐(55)改变方形密闭箱(1)箱体内的压强,通过压强传感器(51)实时监测箱内的压强,压强温湿度显示器(56)显示此时压强,待样品稳定后重复进行步骤二至步骤五;

改变压强重复进行实验;数据处理系统(6)计算得到不同压强下气体或液体样品BRDF值和对应图像,并以文件的形式保存;

步骤九、改变偏振片方向角

打开红外激光器(21),旋转起偏器(23)方向角依次调节为45°、90°和135°获得对应的线偏振光;之后加入1/4波片(24)后旋转起偏器(23)方向角依次调节为45°和135°获得对应的圆偏振光;

步骤十、结束测量实验

关闭发射系统(2)、后向散射接收系统(3)、前向透射接收系统(4)、检测系统(5)、数据处理系统(6)和电机控制系统(7),调节方形密闭箱(1)箱内压强并排空箱内样品,结束实验。

6.根据权利要求5所述的气/液体光谱偏振二向反射模型特性测试方法,其特征在于:

步骤六中,运用对比法通过数据处理系统(6)计算得到气体或液体BRDF值和对应图像的过程如下:

聚四氟乙烯标准板的双向反射分布函数的半球反射率ρ/π,数据处理系统(6)将气体散射光谱LS和标准板散射光谱Lb带入下方公式:其中,fr,s(θi,φi,θr,φr,λ)为目标的二向反射分布函数,θi为所测目标的入射天顶角,φi为所测目标的入射方位角,θr为所测目标的出射天顶角,φr为所测目标的出射方位角,λ为入射光波长,θ′i为所测标准板的入射天顶角、φ′i为所测标准板的入射方位角、θ′r为所测标准板的出射天顶角、φ′r为所测标准板的出射方位角。