本发明属于高精度测量技术领域，具体涉及一种高动态范围精密散射特性测量系统，其能够对散射特性进行精确测量。
背景技术：
二十世纪七十年代以前，各国学者一直没有找到有效地研究各种目标材料在空间光照反射分布特性的方法。直到1970年，美国nicodemus将双向反射分布函数(brdf)概念正式引入目标散射特性研究中，它很好地将材料表面的反射和散射特性有机地统一于同一概念中。在国外，目标散射特性研究始终是在保密状态下进行的，美国在这方面的研究在世界上处于最高水平。它不但建立了一大批先进的测试设备和实验基地，为武器的研制提供了大量目标和背景下散射和传输特性数据，而且在理论研究方面也完成主要目标散射特性的计算，建立了数据库，形成了一大批应用成果。
1980年，美国亚利桑那州立大学f.o.bartell等人在论文中详细介绍了双向反射分布函数(brdf)的概念，从定义法和参考试样法两个角度论述了双向反射分布函数定量测量原理，给出了测量数学表达式，指出测量中实际样品的尺寸、实测光束的大小、接收探测器的视场等方面应注意的问题。但由于辐射探测、转角精度、信号测量水平、光干涉程度等诸多因素的影响，测量精度要达到±20％都很困难。
武器系统的探测、识别、跟踪及制导的研制和仿真都离不开目标与环境的散射特性，因此目标散射特性数据精度十分重要和关键。1993年，美国goddard国家航空宇宙航行局与montana州tma技术公司schiff等人侧重讨论了btdf误差来源和各种用于校准brdf的方法。这里光源采用高亮度弧氨灯和可编程单色仪，波长覆盖0.23～0.9μm，可调带宽小于4nm，他们设计的从紫外到近红外brdf散射测量装置，在考虑上述误差的前提下，测量散射角大于80°时精度较高。这是当时研制的可调宽光谱波段最精确的brdf测量装置，但那时他们并没有认识到brdf测量与系统几何尺寸和测角仪机械精度的关系。
随着现代空间光学、光电子器件等学科的发展,光学系统对零部件表面的要求越来越高,尤其是零部件表面的散射特性。目标表面散射特性是可探测和可识别物理量的科学描述，揭示目标与背景的自身属性，主要涉及目标的双向反射分布函数(brdf)和双向透射分布函数(btdf),建立目标散射特性数据库，对于激光雷达系统日益完善化，光电制导武器的设计、侦察、遥感卫星、巡航导弹的图像分析，目标特征的控制，目标选择技术中目标回波的识别提供技术依据。
综上所述，必须探索一种表面散射特性量方法，建立一套能对表面散射特性进行精确测量的系统，即高动态范围精密散射特性测量系统，在科研生产中对目标表面散射特性进行精确测量，从而更好的解决工业生产中的实际问题。
另外，该测量系统还可以用于宝石表面、化妆品效果展示、汽车车漆和车膜表面以及医药方面等等，总之，随着激光技术和现代工业技术的向前发展，对样品表面散射特性的研究越来越深入，建立一套能无损、精确测量散射特性的检测系统变得十分迫切。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题为：提供一种高动态范围精密散射特性测量系统，在科研生产中对目标表面散射特性精确测量，从而更好的解决工业生产中的实际问题。
本发明采用的技术方案为：一种高动态范围精密散射特性测量系统，精确获取被测样品表面散射特性的分布和大小。该检测系统主要包括光源模块、信号调制模块、能量衰减模块、准直扩束模块、偏振模块、会聚镜组、针孔、聚焦镜组、待测样品、可变光阑、耦合镜组、视场光阑、光电探测器、消光陷阱、数据处理系统、信号解调模块、消光暗室、光源角度扫描机构、样品调整机构和探测器角度扫描机构。光源模块发出的光波经信号调制模块和信号解调模块进行信号处理，经过能量衰减模块保证系统具有高动态范围，再经准直扩束模块使光束变为准直光束，偏振模块对准直光束进行偏振态变换操作，以提供不同偏振模式照明，满足不同应用需求。会聚镜组将经偏振模块调制的光束会聚为细光束，再经针孔滤波，通过聚焦镜组将经过针孔滤波的光束变换为会聚光束，照射到待测样品表面，聚焦镜组焦面落在可变光阑孔径平面上，经待测样品散射到半球空间的光束通过可变光阑控制入射到耦合镜组表面光斑的大小，耦合镜组将待测样品散射到半球空间的部分光束能量收集于光电探测器，视场光阑调节光电探测器光敏面的视场大小，消光陷阱用于收集因待测样品表面产生的镜面反射光束，经过待测样品表面调制进入光电探测器的光能量包含了待测样品表面的散射特性信息，经数据处理系统获得待测样品散射特性的分布和大小。除信号解调模块和数据处理系统外，整个系统置于消光暗室中。光源角度扫描机构采用电动调节方式控制入射到待测样品表面的入射角度，样品调整机构可手动调节或者电动调节，对待测样品在六个维度方向进行调节对准，探测器角度扫描机构在半球空间按预设的轨迹收集待测样品散射到半球空间的能量。该散射特性测量系统具有宽波长、高动态范围、高精度、可进行偏振调制等优点。
其中，光源模块包含但不限于激光光源、led光源、卤素光源等，可根据实际测量需求选择，激光光源可在波长370nm～980nm、1.0μm～100.0μm光源中选择1种至4种波长光源；卤素光源可选择范围400nm～1700nm。
其中，信号调制模块可采用机械调制、电学调制和光学调制等方式，与信号解调模块配合，以提高系统的测量灵敏度。
其中，能量衰减模块可采用多级能量衰减片，每级能量衰减片使能量减小至少两个数量级，测量时根据光电探测器响应的能量大小从而选择合适的能量衰减量级，以提高系统的测量动态范围。
其中，偏振模块包括起偏器、二分之一波片、四分之一波片等，以提供不同偏振模式照明光束，满足不同测量需求。
其中，光源角度扫描机构采用电动调节方式控制入射到待测样品表面的入射角度，待测样品包括光学元件、机械元件等待测样品表面和其六维调整机构，该调整机构可以手动调节，也可电动调节，探测器角度扫描机构在半球空间按预设的轨迹收集待测样品散射到半球空间的能量。
其中，测量系统中设计有消光陷阱，以消除待测样品引起的镜面反射，有效抑制镜面反射背景光对测量结果的干扰。
其中，除信号解调模块和数据处理系统外，整个系统位于消光暗室中，以减小背景光的影响，提高测量精度。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、该测量系统覆盖的波长范围宽，光源模块包含但不限于激光光源、led光源、卤素光源等，可根据实际测量需求选择(激光光源可在波长370nm～980nm、1.0μm～100.0μm光源中选择1种至4种波长光源；卤素光源可选择范围400nm～1700nm)。
2、该测量系统具有测量灵敏度高，通过信号调制模块、信号解调模块以及精密光学系统设计，系统的测量灵敏度可达到10-8sr-1。
3、该测量系统具有高动态范围，通过多级能量衰减模块，每级能量衰减片使能量减小至少两个数量级，可将系统的动态范围提高到1013及以上。
4、该测量系统测量精度高，系统采用了先进的光学设计与仿真技术，并设置了消光陷阱以及在消光暗室中进行测量，对提高系统的测量精度起着至关重要的作用。
5、该测量系统可进行偏振调制，系统研制过程中加入了偏振模块，可实现不同偏振照明的需求。
附图说明
图1为高动态范围精密散射特性测量系统示意图；
图2为光源模块示意图；
图3为能量衰减模块示意图；
图4为偏振模块示意图；
图5为散射空间位置关系几何示意图；
标号说明：1为光源模块，2为信号调制模块，3为能量衰减模块，4为准直扩束模块，5为偏振模块，6为会聚镜组，7为针孔，8为聚焦镜组，9为待测样品，10为可变光阑，11为耦合镜组，12为视场光阑，13为光电探测器，14为消光陷阱，15为数据处理系统，16为信号解调模块，17为消光暗室，18为光源角度扫描机构，19为样品调整机构，20为探测器角度扫描机构，1-1为第一光源，1-2为第二光源，1-3为第三光源，1-4为第四光源，1-5为第一反射镜，1-6为第二反射镜，1-7为第三反射镜，1-8为第四反射镜，3-1为第一衰减片，3-2为第二衰减片，3-3为第三衰减片，5-1为起偏器，5-2为二分之一波片，5-3为四分之一波片。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1为高动态范围精密散射特性测量系统示意图，该测量系统主要包括光源模块1、信号调制模块2、能量衰减模块3、准直扩束模块4、偏振模块5、会聚镜组6、针孔7、聚焦镜组8、待测样品9、可变光阑10、耦合镜组11、视场光阑12、光电探测器13、消光陷阱14、数据处理系统15、信号解调模块16、消光暗室17、光源角度扫描机构18、样品调整机构19、探测器角度扫描机构20。光源模块1发出的光波经信号调制模块2和信号解调模块16进行信号处理，经过能量衰减模块3保证系统具有高动态范围，再经准直扩束模块4使光束变为准直光束，偏振模块5对准直光束进行偏振态变换操作，以提供不同偏振模式照明，满足不同应用需求。会聚镜组6将经偏振模块5调制的光束会聚为细光束，再经针孔7滤波，通过聚焦镜组8将经过针孔7滤波的光束变换为会聚光束，照射到待测样品9表面，聚焦镜组8焦面落在可变光阑10孔径平面上，经待测样品9散射到半球空间的光束通过可变光阑10控制入射到耦合镜组11表面光斑的大小，耦合镜组11将待测样品9散射到半球空间的部分光束能量收集于光电探测器13，视场光阑12调节光电探测器13光敏面的视场大小，消光陷阱14用于收集因待测样品9表面产生的镜面反射光束，经过待测样品9表面调制进入光电探测器13的光能量包含了待测样品9表面的散射特性信息，经数据处理系统15获得待测样品9表面散射特性的分布和大小。除信号解调模块16和数据处理系统15外，整个系统置于消光暗室17中。光源角度扫描机构18对光源模块1、信号调制模块2、能量衰减模块3、准直扩束模块4、偏振模块5、会聚镜组6、针孔7、聚焦镜组8进行整体角度扫描控制，采用电动调节方式控制入射到待测样品9表面的入射角度。样品调整机构19可手动调节或者电动调节，对待测样品9在六个维度方向进行调节对准。探测器角度扫描机构20对可变光阑10、耦合镜组11、视场光阑12、光电探测器13进行整体角度扫描控制，在半球空间按预设的轨迹收集待测样品9散射到半球空间的能量。
图2为光源模块示意图，光源模块1包含但不限于激光光源、led光源、卤素光源等，该模块主要包括第一光源1-1、第二光源1-2、第三光源1-3、第四光源1-4、第一反射镜1-5、第二反射镜1-6、第三反射镜1-7、第四反射镜1-8，可根据实际测量需求选择(激光光源可在波长370nm～980nm、1.0μm～100.0μm光源中选择1种至4种波长光源；卤素光源可选择范围400nm～1700nm)。根据待测样品9实际使用波长，选择合适的波长对待测样品9进行散射特性测量。当选择第一光源1-1时，关闭第二光源1-2、第三光源1-3、第四光源1-4，同时移开第二反射镜1-6、第三反射镜1-7、第四反射镜1-8。当选择第二光源1-2时，关闭第一光源1-1、第三光源1-3、第四光源1-4，移开第三反射镜1-7、第四反射镜1-8。当选择第三光源1-3时，移开第四反射镜1-8。当选择第四光源1-4时，不用移开任何反射镜。
图3为能量衰减模块示意图，能量衰减模块3包括第一衰减片3-1、第二衰减片3-2、第三衰减片3-3，该能量衰减模块3为无源衰减器，采用三块能量衰减片，每块能量衰减片使能量减小至少两个数量级，除了调整光信号大小的功能之外，还可以直接测量光路中对被测信号衰减值的读取，测量时根据光电探测器13响应的能量大小从而选择合适的能量衰减量级，以提高系统的测量动态范围。
图4为偏振模块示意图，偏振模块5包括-起偏器5-1、二分之一波片5-2、四分之一波片5-3。起偏器5-1使通过偏振片后的光束成为线偏振光，光的振动方向与起偏器5-1的偏振方向一致。波片是能使互相垂直的两光振动间产生附加的光程差(位相差)的光学器件，通常由具有精确厚度的石英、方解石或者云母等双折射晶片制成，其光轴与晶片表面平行。当线偏振光垂直入射到波片时，其光轴方向与波片光轴夹角为θ角。线偏振光穿过二分之一波片5-2后仍为线偏振光，只是一般情况下振动方向要转过一角度，利用此功能可以使输入光波在s光、p光之间相互切换。当以线偏振光入射到四分之一波片5-3时，且θ＝45°，则穿过四分之一波片5-3后的光束变为圆偏振光。二分之一波片5-2和四分之一波片5-3按待测样品9的测试需求选择不同的偏振模式，以适应不同的测量需求。
图5为散射坐标系示意图，散射面元位于xoy平面内，θi、φi表示入射光的入射角和方位角，θs、φs表示散射光的散射角和方位角，ls表示散射面元的辐射亮度，e表示散射面元的辐射照度，双向散射分布函数(bsdf)定义为某一散射面元处的散射辐射亮度与入射辐射照度的比值，该比值所确定的表面散射特性仅和材料表面本身的特性有关，而与接收立体角等测量因素无关，此时有：
它表示不同入射角条件下物体表面在任意观测角的散射特性，其单位是球面度的倒数(sr-1)。
全积分散射(tis)是bsdf在半球空间内的二重积分,表达式如下：
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例变化，变型都将落在本发明权利要求书的范围内。