環(huán)境相對濕度對光學(xué)鏡面散射特性的影響

　　摘要：在成像光學(xué)系統(tǒng)中，環(huán)境相對濕度會影響光學(xué)鏡面污染粒子散射特性，進(jìn)而對成像光學(xué)系統(tǒng)性能造成影響。利用鏡面污染粒子的光散射模型，分析了親水性粒子散射效率因子隨環(huán)境濕度的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合親水性和疏水性污染粒子的統(tǒng)計模型，分析了多粒子污染下，不同種類粒子占比和鏡面潔凈度等參數(shù)對光學(xué)鏡面散射特性的影響。結(jié)果表明，污染粒子造成光學(xué)鏡面的雙向散射分布函數(shù)(BRDF)和全積分散射值(TIS)均隨著環(huán)境相對濕度的增加而增大。并且，親水性粒子比例越高，光學(xué)鏡面散射損耗越強(qiáng)。隨著光學(xué)鏡面潔凈度等級的減小，環(huán)境相對濕度對鏡面散射損耗的影響有所減小。

　　關(guān)鍵詞：散射特性;光學(xué)鏡面;米氏理論;相對濕度

　　0引言

　　降塵作為大氣氣溶膠的主要組成成分，是指在空氣動力作用下自然沉降到地面的大氣懸浮顆粒物。大氣降塵的兩個主要來源是降塵粒徑小于10μm的細(xì)粒物源(大氣環(huán)境粉塵污染的背景)和短距離懸移搬運(yùn)的10~50μm粗粒自然源[1]�？紤]到大口徑封窗的制造難度以及封窗對紅外波段的截止特性，大口徑光學(xué)系統(tǒng)通常傾向于使用敞開式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致大量元件表面曝露于復(fù)雜外界環(huán)境中。大氣降塵粒子在重力作用下會沉降到光學(xué)表面而造成鏡面污染，進(jìn)而影響光學(xué)系統(tǒng)性能[2]。在鏡面散射特性研究中，常采用Mie理論。

　　然而，現(xiàn)有Mie理論多針對干燥粒子進(jìn)行分析[2]，而真實應(yīng)用環(huán)境中的環(huán)境濕度會對其有所影響。以南京地區(qū)著名的紫金山天文望遠(yuǎn)鏡為例，南京市全年相對濕度維持在一個較高水平，相對濕度范圍在40%以上的時間占全年的93.48%，夏季相對濕度最大而冬季相對濕度最小。受環(huán)境濕度的影響，降塵粒子的粒徑和形狀會發(fā)生改變[3]。同時，吸附在降塵粒子外的水層也會改變降塵粒子的光學(xué)常數(shù)，從而影響降塵的散射特性[3]。

　　對于這類暴露在濕度較高環(huán)境中的大型光學(xué)系統(tǒng)，忽略環(huán)境濕度的影響將難以準(zhǔn)確評估其光學(xué)系統(tǒng)性能。光學(xué)元件表面散射特性的相關(guān)研究已有諸多報道。國內(nèi)外學(xué)者基于理論和實驗分析了不同鏡面污染顆粒對鏡面散射分布的影響[4,5];也有學(xué)者對受濕度影響的單粒子散射特性進(jìn)行了深入研究[6~8]。目前，鮮有報道有關(guān)外界環(huán)境濕度變化對多污染粒子鏡面散射特性造成的影響。本文首先在考慮相對濕度影響情況下，給出了Mie理論修正模型，并以濕度較大的南京地區(qū)為例，分析了環(huán)境濕度對光學(xué)鏡面散射特性的影響。

　　1理論模型

　　1.1修正的Mie理論

　　空氣中的各種懸浮顆粒附著在鏡面上形成表面污染物，這些顆粒污染物可近似視作球形粒子，因而在分析鏡面污染粒子光學(xué)特性時通常采用Mie理論[2]。大多數(shù)鏡面散射研究，沒有考慮環(huán)境濕度對污染粒子散射特性的影響，但實際系統(tǒng)中，污染粒子不可避免的會遭受早晚濕度變化、季節(jié)降水變化的影響，致使其光學(xué)特性會發(fā)生變化。為更好地描述污染粒子隨環(huán)境濕度的變化，我們基于Mie理論和不同吸濕粒子模型，獲得了環(huán)境相對濕度影響下的光學(xué)鏡面散射特性分析模型。

　　1.2鏡面潔凈度表征

　　在實際應(yīng)用中，通常使用表面潔凈度來度量光學(xué)元件的污染程度。根據(jù)美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-209D，鏡面的污染程度可用表面潔凈度來表征。

　　2環(huán)境濕度對單污染粒子散射特性的影響

　　本節(jié)利用修正的Mie散射模型分析了濕度變化對單個污染粒子散射效率因子的影響。

　　3環(huán)境濕度對光學(xué)鏡面散射特性的影響

　　近海地區(qū)受海洋影響沉積區(qū)域上空大氣顆粒物以海鹽為主，受人類活動和大氣環(huán)流影響，不同區(qū)域降塵粒子成分占比不同[12]。根據(jù)近海氣溶膠成分和各地降塵成分綜合分析，在不同環(huán)境條件下，親水性污染粒子占比大約在30%~80%之間。本文中親疏水粒子統(tǒng)計模型適用于受海洋影響較大的近海地區(qū)污染粒子分布。南京市地處中國東部近海地區(qū)，受到亞熱帶季風(fēng)影響降水充沛。針對南京當(dāng)?shù)匚廴玖Ｗ映煞址治鯷1,14]，本文計算分析了親水性粒子占比為30%~80%條件下的光學(xué)鏡面散射情況。

　　對南京市降塵粒子成分分析[1]，在南京市鋼鐵工業(yè)區(qū)降塵量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它地區(qū)，主要是因為工業(yè)污染區(qū)的降塵主要是由于工業(yè)燃煤飛灰引起的。因此，南京市鋼鐵工業(yè)區(qū)降塵成分中親水性粒子占比大約為30%，疏水性粒子占比大約為70%。結(jié)合對不同環(huán)境條件下鏡面散射特性分析，南京市鋼鐵工業(yè)區(qū)在環(huán)境相對濕度為60%時鏡面散射的TIS值為7.54×10-5。由于不同地區(qū)的污染粒子種類、分布、吸濕特性均有所差異，進(jìn)而會導(dǎo)致鏡面的散射特性各不相同。為了更精確地分析不同地區(qū)不同的環(huán)境濕度對鏡面散射特性的影響，需要對不同地區(qū)污染粒子的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實地測量。

　　遙感論文投稿刊物：《遙感學(xué)報》(雙月刊)創(chuàng)刊于1997年，由中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所，中國環(huán)境遙感學(xué)會主辦。結(jié)合中國遙感事業(yè)不同時期的重點和需要，刊登了大量國內(nèi)最新科研成果和國家重點支持的研究項目的成果論文，對中國遙感科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人才培養(yǎng)發(fā)揮了巨大作用，成為目前中國遙感和地理信息科學(xué)領(lǐng)域最有影響的學(xué)術(shù)期刊。

　　4總結(jié)

　　本文在考慮環(huán)境濕度影響的情況下，對Mie理論進(jìn)行了修正。以濕度較大的南京地區(qū)為例，分析了環(huán)境相對濕度對單個污染粒子以及多粒子條件下光學(xué)鏡面散射特性的影響。結(jié)果表明，環(huán)境濕度的升高會導(dǎo)致污染粒子的粒徑增加，進(jìn)而使其折射率實部與虛部均隨著相對濕度的增加而減小。對于親水性污染粒子而言，相對濕度的增加會導(dǎo)致其散射效率因子明顯增大，散射損耗增強(qiáng)。在相同的濕度條件下，親水性粒子占比越大，光學(xué)鏡面散射越大。在不同的鏡面潔凈度等級條件下，散射損耗隨著潔凈度等級增大而明顯增大。本文研究成果有助于對不同濕度環(huán)境中的光學(xué)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析與評估。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　作者：陳壯，田博宇，繆麟，孫年春，張彬

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