基于高温黑体辐射源的红外宽带双向反射分布函数(BRDF)测量方法研究

为解决红外宽带(3–14 μm)BRDF测量中光源选择的难题，研究人员创新性地采用高温黑体辐射源作为照明光源，通过引入入射投影因子和结合方向半球反射率(DHR)校准，实现了高效连续的光谱测量。实验表明，该方法虽重复性误差略高于单波长激光测量，但显著降低了测量时间和数据存储需求，相对标准不确定度为4.53%，为红外遥感与辐射测温提供了实用化解决方案。

　　

在红外遥感、环境监测和辐射测温等领域，材料表面的双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF)是表征其空间散射特性的核心光学参数。尤其在3–14 μm大气红外窗口波段，宽带BRDF能更真实反映物体热辐射特性，对提升卫星影像解译精度至关重要。然而，现有技术面临两大瓶颈：传统单波长激光测量法无法表征连续光谱分布，而太阳辐射又因波段吸收强、稳定性差难以适用。更棘手的是，中长波红外(MWIR/LWIR)缺乏标准BRDF样品，导致测量结果难以溯源。

针对这一挑战，中国计量科学研究院的研究团队提出了一种革命性解决方案——利用高温黑体辐射源作为宽带红外光源，结合方向半球反射率(Directional-Hemispherical Reflectance, DHR)的溯源方法，在《Optics》发表了创新性研究成果。该研究通过构建黑体辐射BRDF测量模型，引入入射投影因子替代难以直接测量的辐照度，并推导出基于DHR的校准公式，巧妙规避了传统绝对测量对光源强度的依赖。关键技术包括：采用1000℃高稳定性黑体(温度波动<0.2℃)作为辐射源，通过会聚光路优化能量传输；结合六自由度机械臂实现多角度反射信号采集；利用红外带通滤波器(3–5 μm/8–14 μm)进行光谱选择；最后通过标准样品的DHR值完成系统校准。

BRDF测量模型基于黑体辐射源
研究团队建立了包含黑体辐射特性、光学传输效率和探测器响应等参数的物理模型。其中入射投影因子将难以直接测量的黑体辐照度转化为可溯源的相对量，使系统仅需测量反射辐射亮度即可反演BRDF。

基于DHR的入射投影因子校准
通过测量标准样品在半球空间的反射分布，结合其已知DHR值(不确定度<2%)，实现了无需测量入射光强的绝对BRDF标定。实验采用耐高温合金标准样品，在1000℃黑体温度下完成校准，验证了方法的溯源性。

系统搭建与仿真验证
搭建的系统采用BBZ5-30W1000型黑体(发射率0.990)，配合机械臂和汞镉碲(MCT)探测器。仿真显示，宽带BRDF与理论值的偏差在5%内，而单波长测量因忽略光谱连续性会导致10%以上的系统误差。

实验对比与不确定度评估
与3.39 μm He-Ne激光测量对比，新方法将单次测量时间从8小时缩短至30分钟，数据量减少90%。虽然重复性误差从2.1%增至3.5%，但组合标准不确定度仍控制在4.53%，主要来源于DHR传递(2.8%)和温度波动(1.5%)。

该研究首次实现了3–14 μm波段的快速宽带BRDF测量，其创新性体现在三方面：一是突破红外光源限制，将黑体辐射的高能量特性应用于BRDF测量；二是通过DHR溯源解决标准样品缺失问题；三是建立完整的测量不确定度评估体系。研究成果为卫星红外载荷定标、军事目标识别等应用提供了关键技术支撑，未来可通过优化机械臂定位精度(目前±0.1°)和增加低温黑体(扩展至14 μm以上波段)进一步提升性能。这项来自中国的研究团队的工作，标志着红外光学计量领域的重要突破。