環(huán)境相對濕度對光學鏡面散射特性的影響

　　摘要：在成像光學系統(tǒng)中，環(huán)境相對濕度會影響光學鏡面污染粒子散射特性，進而對成像光學系統(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。在此基礎上，結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對光學鏡面散射特性的影響。結果表明，污染粒子造成光學鏡面的雙向散射分布函數(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，光學鏡面散射損耗越強。隨著光學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。

　　關鍵詞：散射特性;光學鏡面;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的細粒物源(大氣環(huán)境粉塵污染的背景)和短距離懸移搬運的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，大口徑光學系統(tǒng)通常傾向于使用敞開式結構，導致大量元件表面曝露于復雜外界環(huán)境中。大氣降塵粒子在重力作用下會沉降到光學表面而造成鏡面污染，進而影響光學系統(tǒng)性能[2]。在鏡面散射特性研究中，常采用Mie理論。

　　然而，現有Mie理論多針對干燥粒子進行分析[2]，而真實應用環(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常數，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)境中的大型光學系統(tǒng)，忽略環(huán)境濕度的影響將難以準確評估其光學系統(tǒng)性能。光學元件表面散射特性的相關研究已有諸多報道。國內外學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];也有學者對受濕度影響的單粒子散射特性進行了深入研究[6~8]。目前，鮮有報道有關外界環(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特性時通常采用Mie理論[2]。大多數鏡面散射研究，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鏡面散射特性分析模型。

　　1.2鏡面潔凈度表征

　　在實際應用中，通常使用表面潔凈度來度量光學元件的污染程度。根據美國軍用標準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)，受到亞熱帶季風影響降水充沛。針對南京當地污染粒子成分分析[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)降塵量遠遠高于其它地區(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，進而會導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)污染粒子的相關數據進行實地測量。

　　遙感論文投稿刊物：《遙感學報》(雙月刊)創(chuàng)刊于1997年，由中國科學院遙感應用研究所，中國環(huán)境遙感學會主辦。結合中國遙感事業(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，對中國遙感科學技術的發(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領域最有影響的學術期刊。

　　4總結

　　本文在考慮環(huán)境濕度影響的情況下，對Mie理論進行了修正。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鏡面散射特性的影響。結果表明，環(huán)境濕度的升高會導致污染粒子的粒徑增加，進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致其散射效率因子明顯增大，散射損耗增強。在相同的濕度條件下，親水性粒子占比越大，光學鏡面散射越大。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)境中的光學系統(tǒng)性能進行分析與評估。

　　參考文獻：

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　　[3]ZhangZ,WangWH,WangHM,etal.Effectsofhumidityonabsorbingaerosolindex[J].JournalofRemoteSensing,2019,23(6);1177-1185張卓,王維和,王后茂,等.相對濕度對吸收性氣溶膠指數的影響[J].遙感學報,2019,23(6):1177-1185.

　　作者：陳壯，田博宇，繆麟，孫年春，張彬

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