一种光散射测量系统和方法与流程

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种光散射测量系统和方法。

背景技术：

目前，现有的光散射测量方案是保持目标不动、令辐射源绕目标移动实现辐射照射角的变化，令探测设备绕目标移动实现探测角的变化。在以往全向测量时，特别是对大尺寸目标进行测量时，所需的辐射源规模比较大，此时若采用传统的测量方案(即目标不动，辐射源和探测器绕目标移动)来实现角度变化，存在辐射源和探测器的升降范围过大的问题。进而，导致实际光散射测量系统复杂、实现难度大、耗资巨大等问题。另外，对于辐射源和探测器较重的情况，传统的光散射测量方法存在辐射源和探测器移动难度很大的问题。

因此，针对以上不足，需要提供一种新的光散射测量系统和方法。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有光散射测量方案存在的测量距离大、辐射源和探测器移动难度大等问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种光散射测量系统。

本发明的光散射测量系统包括：辐射源、待测目标、探测器、控制器；所述辐射源固定设置，用于向所述待测目标发射入射光；所述探测器朝向所述待测目标，且所述探测器能够在所述控制器的控制下水平运动至指定位置，以在所述指定位置对所述待测目标的反射光进行探测；所述控制器，用于根据设置的辐射源的入射角和探测器的探测角确定待测目标的运动姿态信息，根据所述探测器的探测角确定探测器的行进距离信息；还用于根据所述运动姿态信息控制所述待测目标调整运动姿态，并根据所述探测器的行进距离信息控制所述探测器水平运动至指定位置。

可选地，所述辐射源、所述待测目标以及所述探测器位于同一水平高度。

可选地，所述系统还包括：周向测试车；所述周向测试车设置在圆形导轨上，用于在控制器的控制下沿所述圆形导轨进行水平运动；所述探测器安装在所述周向测试车上，并能够跟随所述周向测试车一起运动。

可选地，所述辐射源的入射角包括入射方位角和入射俯仰角，所述探测器的探测角包括探测方位角和探测俯仰角；所述控制器根据设置的辐射源的入射角和探测器的探测角确定待测目标的运动姿态信息包括：将设置的入射方位角、入射俯仰角、探测方位角和探测俯仰角输入如下对应关系，以得到待测目标的运动姿态信息：

cosδ＝sinφ21；

cosζ＝cosφ21cosφ22cosφ11sinφ12-cosφ21sinφ22cosφ11cosφ12

其中，cosδ、cosε和cosζ为待测目标的运动姿态信息，φ11为探测俯仰角，φ12为探测方位角，φ21为入射俯仰角，φ22为入射方位角。

可选地，所述控制器根据所述探测器的探测角确定探测器的行进距离信息包括：所述控制器根据所述探测器的探测方位角和圆形导轨半径确定探测器的行进距离信息。

为了解决上述技术问题，另一方面，本发明还提供了一种光散射测量方法。

本发明的光散射测量方法包括：控制器根据设置的辐射源的入射角和探测器的探测角确定待测目标的运动姿态信息，并根据所述探测器的探测角确定探测器的行进距离信息；控制器根据所述运动姿态信息控制待测目标调整运动姿态，并根据所述探测器的行进距离信息控制探测器水平运动至指定位置；探测器在所述指定位置对所述待测目标的反射光进行探测；其中，所述辐射源固定设置，用于向所述待测目标发射入射光；所述探测器朝向所述待测目标，且所述探测器能够在所述控制器的控制下水平运动至指定位置，以在所述指定位置对所述待测目标的反射光进行探测。

可选地，所述方法还包括：预先将所述辐射源、所述待测目标以及所述探测器置于同一水平高度。

可选地，所述方法还包括：预先将周向测试车设置在圆形导轨上，并将所述探测器安装在所述周向测试车上；以及，所述控制器根据所述探测器的行进距离信息控制所述探测器水平运动至指定位置的步骤包括：控制器根据所述探测器的行进距离信息控制周向测试车沿圆形导轨运动，以使所述探测器跟随所述周向测试车一起运动至指定位置。

可选地，所述辐射源的入射角包括入射方位角和入射俯仰角，所述探测器的探测角包括探测方位角和探测俯仰角；所述控制器根据设置的辐射源的入射角和探测器的探测角确定待测目标的运动姿态信息的步骤包括：将设置的入射方位角、入射俯仰角、探测方位角和探测俯仰角输入如下对应关系，以得到待测目标的运动姿态信息：

cosδ＝sinφ21；

cosζ＝cosφ21cosφ22cosφ11sinφ12-cosφ21sinφ22cosφ11cosφ12

其中，cosδ、cosε和cosζ为待测目标的运动姿态信息，φ11为探测俯仰角，φ12为探测方位角，φ21为入射俯仰角，φ22为入射方位角。

可选地，所述控制器根据所述探测器的探测角确定探测器的行进距离信息的步骤包括：所述控制器根据所述探测器的探测方位角和圆形导轨半径确定探测器的行进距离信息。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案至少具有如下优点之一：

1、通过使辐射源固定不动、使探测器水平探测、以及通过改变待测目标的运动姿态实现辐射源入射角和探测器探测角的变化，能够有效解决现有光散射测量方案存在的测量距离大、辐射源和探测器移动难度大等问题。

2、本技术方案能够使系统的高度大大降低，也容易实现远距离的照明和探测，尤其适用于大尺寸目标的全向光散射测量。

3、通过将探测器和辐射源设置在同一水平高度，对于更大的待测目标，也无需升高探测器和辐射源。

附图说明

图1是本发明实施例一的光散射测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例二的光散射测量系统的结构示意图；

图3是本发明实施例二中光散射测量角度全向模拟示意图之一；

图4是本发明实施例二中光散射测量角度全向模拟示意图之二；

图5是本发明实施例四中光散射测量方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在详细介绍本发明的实施例之前，首先对本发明实施例涉及的测量原理进行说明。

本发明的实施例涉及的测量原理包括：由辐射源产生入射光，该入射光被待测目标反射形成反射光，通过探测设备对该反射光进行探测，以得到光散射测量所需的特征。通过改变辐射源的入射角(即入射光的入射角)以及探测设备的探测角，能够得到目标在不同条件下的散射特性。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的光散射测量系统包括：辐射源101、待测目标102、控制器103、探测器104。

辐射源101固定设置，用于向待测目标102发射入射光。示例性地，辐射源101可以为太阳模拟器等光源。具体实施时，可将辐射源101固定设置在地面上。

待测目标102，可架设在转台上，其可在控制器103的控制下改变运动姿态。

探测器104朝向待测目标102，且探测器104能够在控制器103的控制下水平运动至指定位置，以在所述指定位置对待测目标102的反射光进行探测。示例性地，探测器104可以为可见光成像仪等探测设备。

控制器103，用于根据设置的辐射源的入射角和探测器的探测角确定待测目标的运动姿态信息，根据所述探测器的探测角确定探测器的行进距离信息；还用于根据所述运动姿态信息控制待测目标102调整运动姿态，并根据探测器的行进距离信息控制探测器104水平运动至指定位置。

在本发明实施例的系统中，通过使辐射源固定不动、使探测器水平探测、以及通过改变待测目标的运动姿态实现辐射源入射角和探测器探测角的变化，能够有效解决现有光散射测量方案存在的测量距离大、辐射源和探测器移动难度大等问题。另外，本发明实施例能够使系统的高度大大降低，也容易实现远距离的照明和探测，尤其适用于大尺寸目标的全向光散射测量。

实施例二

如图2所示，本发明实施例提供的光散射测量系统包括：辐射源201、待测目标202、探测器203、圆形轨道204、周向测量车205、控制器(图中未示出)。

辐射源201固定设置，用于向待测目标202发射入射光。示例性地，辐射源201可以为太阳模拟器等光源。具体实施时，可将辐射源201固定设置在地面上。

待测目标202，可通过支撑杆架设在转台上，其可在控制器的控制下改变运动姿态。

探测器203朝向待测目标202，且探测器203能够在控制器的控制下水平运动至指定位置，以在所述指定位置对待测目标202的反射光进行探测。具体来说，探测器203安装在周向测试车205上，周向测试车205设置在圆形导轨204上。当周向测试车205在控制器的控制下沿圆形导轨204进行水平运动时，探测器203可跟随周向测试车205一起运动，以运动至指定位置对待测目标202的反射光进行探测。在本发明实施例中，通过令探测器沿圆形导轨进行水平运动，能够实现探测方位角的变化。

进一步，在本发明实施例中，辐射源201、待测目标202以及探测器202位于同一水平高度。在本发明实施例中，通过将探测器和辐射源设置在同一水平高度，对于更大的待测目标，也无需升高探测器和辐射源。

控制器，用于根据设置的辐射源的入射角和探测器的探测角确定待测目标的运动姿态信息，根据所述探测器的探测角确定探测器的行进距离信息；还用于根据所述运动姿态信息控制待测目标202调整运动姿态，并根据探测器的行进距离信息控制探测器203水平运动至指定位置。

其中，所述辐射源的入射角包括入射方位角和入射俯仰角，所述探测器的探测角包括探测方位角和探测俯仰角。

在一可选实施方式中，所述控制器根据设置的辐射源的入射角和探测器的探测角确定待测目标的运动姿态信息包括：将设置的入射方位角、入射俯仰角、探测方位角和探测俯仰角输入如下对应关系，以得到待测目标的运动姿态信息：

cosδ＝sinφ21；

cosζ＝cosφ21cosφ22cosφ11sinφ12-cosφ21sinφ22cosφ11cosφ12；

其中，cosδ、cosε和cosζ为待测目标的运动姿态信息，φ11为探测俯仰角，φ12为探测方位角，φ21为入射俯仰角，φ22为入射方位角。

在一可选实施方式中，所述控制器根据所述探测器的探测角确定探测器的行进距离信息包括：所述控制器根据所述探测器的探测方位角和圆形导轨半径确定探测器的行进距离信息。

本发明实施例的系统至少具有如下优点：通过使辐射源固定不动、使探测器水平探测、以及通过改变待测目标的运动姿态实现辐射源入射角和探测器探测角的变化，能够有效解决现有光散射测量方案存在的测量距离大、辐射源和探测器移动难度大等问题；能够使系统的高度大大降低，也容易实现远距离的照明和探测，尤其适用于大尺寸目标的全向光散射测量；通过将探测器和辐射源设置在同一水平高度，对于更大的待测目标，也无需升高探测器和辐射源。

下面结合图3和图4对本发明实施例二中的所述对应关系的求解流程进行示例性说明。该求解流程包括：

步骤a、构建待测目标的本体坐标系，并在该坐标系中定义入射方位角、入射俯仰角、探测方位角和探测俯仰角。

在该步骤中，构建的待测目标的本体坐标系oxyz如图4所示。并且，将目标本体向量(即图2中的目标主轴)设为(0,0,1)。其中，φ11为探测俯仰角，φ12为探测方位角，φ21为入射俯仰角，φ22为入射方位角

步骤b、确定入射方向单位矢量(也可称为辐射照射单位矢量)、探测方向单位矢量(也可称为探测器观测单位矢量)在待测目标的本体坐标系中的值。

其中，入射方向单位矢量a在待测目标的本体坐标系oxyz中的值为(cosφ21cosφ22,cosφ21sinφ22,sinφ21)，探测方向单位矢量b在待测目标的本体坐标系oxyz中的值为(cosφ11cosφ12,cosφ11sinφ12,sinφ11)。

步骤c、构建测量坐标系，并确定测量坐标系中的坐标轴向量在待测目标的本体坐标系中的值。

在该步骤中，构建的测量坐标系为oxbybzb，如图3所示。其中，xb轴向量为入射方向单位矢量，zb轴向量为垂直于辐射源与探测器组成平面且指向上方的向量，yb轴向量为与xb轴向量、zb轴向量满足右手定则的向量。

在确定入射方向单位矢量a、探测方向单位矢量b在待测目标的本体坐标系中的值以后，可根据如下公式计算坐标轴向量在待测目标的本体坐标系中的值：

xb＝a；

zb＝a×b；

yb＝zb×xb

其中，运算符“×”表示矢量叉乘运算。

步骤d、计算目标本体向量与测量坐标系三个坐标轴向量的夹角余弦值，并将所述夹角余弦值的计算结果作为所述对应关系。

在该步骤中，假设目标本体向量与测量坐标系三个坐标轴向量的夹角余弦值分别为cosδ、cosε和cosζ，则所述夹角余弦值的计算结果为：

cosδ＝sinφ21；

cosζ＝cosφ21cosφ22cosφ11sinφ12-cosφ21sinφ22cosφ11cosφ12；

其中，cosδ、cosε和cosζ为待测目标的运动姿态信息，φ11为探测俯仰角，φ12为探测方位角，φ21为入射俯仰角，φ22为入射方位角。

实施例三

本发明实施例提供了一种光散射测量方法。该方法应用了本发明提供的光散射测量系统，该系统包括辐射源、待测目标、控制器和探测器。其中，所述辐射源固定设置，用于向所述待测目标发射入射光；所述探测器朝向所述待测目标，且所述探测器能够在所述控制器的控制下水平运动至指定位置，以在所述指定位置对所述待测目标的反射光进行探测。

如图5所示，本发明实施例提供的光散射测量方法包括以下步骤：

步骤s501、控制器根据设置的辐射源的入射角和探测器的探测角确定待测目标的运动姿态信息，并根据所述探测器的探测角确定探测器的行进距离信息。

其中，所述辐射源的入射角包括入射方位角和入射俯仰角，所述探测器的探测角包括探测方位角和探测俯仰角。在一可选实施方式中，所述控制器根据设置的辐射源的入射角和探测器的探测角确定待测目标的运动姿态信息的步骤包括：将设置的入射方位角、入射俯仰角、探测方位角和探测俯仰角输入如下对应关系，以得到待测目标的运动姿态信息：

cosδ＝sinφ21；

cosζ＝cosφ21cosφ22cosφ11sinφ12-cosφ21sinφ22cosφ11cosφ12

其中，cosδ、cosε和cosζ为待测目标的运动姿态信息，φ11为探测俯仰角，φ12为探测方位角，φ21为入射俯仰角，φ22为入射方位角。

在一可选实施方式中，所述控制器根据所述探测器的探测角确定探测器的行进距离信息的步骤包括：所述控制器根据所述探测器的探测方位角和圆形导轨半径确定探测器的行进距离信息。

步骤s502、控制器根据所述运动姿态信息控制待测目标调整运动姿态，并根据所述探测器的行进距离信息控制探测器水平运动至指定位置。

进一步，本发明实施例的方法还包括以下步骤：预先将周向测试车设置在圆形导轨上，并将所述探测器安装在所述周向测试车上。进而，所述控制器根据所述探测器的行进距离信息控制所述探测器水平运动至指定位置的步骤包括：控制器根据所述探测器的行进距离信息控制周向测试车沿圆形导轨运动，以使所述探测器跟随所述周向测试车一起运动至指定位置。

步骤s503、探测器在所述指定位置对所述待测目标的反射光进行探测。

进一步，本发明实施例的方法还可包括以下步骤：预先将所述辐射源、所述待测目标以及所述探测器置于同一水平高度。

本发明实施例的方法至少具有如下优点：通过使辐射源固定不动、使探测器水平探测、以及通过改变待测目标的运动姿态实现辐射源入射角和探测器探测角的变化，能够有效解决现有光散射测量方案存在的测量距离大、辐射源和探测器移动难度大等问题；能够使系统的高度大大降低，也容易实现远距离的照明和探测，尤其适用于大尺寸目标的全向光散射测量；通过将探测器和辐射源设置在同一水平高度，对于更大的待测目标，也无需升高探测器和辐射源。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。