环境相对湿度对光学镜面散射特性的影响

　　摘要：在成像光学系统中，环境相对湿度会影响光学镜面污染粒子散射特性，进而对成像光学系统性能造成影响。利用镜面污染粒子的光散射模型，分析了亲水性粒子散射效率因子随环境湿度的变化规律。在此基础上，结合亲水性和疏水性污染粒子的统计模型，分析了多粒子污染下，不同种类粒子占比和镜面洁净度等参数对光学镜面散射特性的影响。结果表明，污染粒子造成光学镜面的双向散射分布函数(BRDF)和全积分散射值(TIS)均随着环境相对湿度的增加而增大。并且，亲水性粒子比例越高，光学镜面散射损耗越强。随着光学镜面洁净度等级的减小，环境相对湿度对镜面散射损耗的影响有所减小。

　　关键词：散射特性;光学镜面;米氏理论;相对湿度

　　0引言

　　降尘作为大气气溶胶的主要组成成分，是指在空气动力作用下自然沉降到地面的大气悬浮颗粒物。大气降尘的两个主要来源是降尘粒径小于10μm的细粒物源(大气环境粉尘污染的背景)和短距离悬移搬运的10~50μm粗粒自然源[1]。考虑到大口径封窗的制造难度以及封窗对红外波段的截止特性，大口径光学系统通常倾向于使用敞开式结构，导致大量元件表面曝露于复杂外界环境中。大气降尘粒子在重力作用下会沉降到光学表面而造成镜面污染，进而影响光学系统性能[2]。在镜面散射特性研究中，常采用Mie理论。

　　然而，现有Mie理论多针对干燥粒子进行分析[2]，而真实应用环境中的环境湿度会对其有所影响。以南京地区著名的紫金山天文望远镜为例，南京市全年相对湿度维持在一个较高水平，相对湿度范围在40%以上的时间占全年的93.48%，夏季相对湿度最大而冬季相对湿度最小。受环境湿度的影响，降尘粒子的粒径和形状会发生改变[3]。同时，吸附在降尘粒子外的水层也会改变降尘粒子的光学常数，从而影响降尘的散射特性[3]。

　　对于这类暴露在湿度较高环境中的大型光学系统，忽略环境湿度的影响将难以准确评估其光学系统性能。光学元件表面散射特性的相关研究已有诸多报道。国内外学者基于理论和实验分析了不同镜面污染颗粒对镜面散射分布的影响[4,5];也有学者对受湿度影响的单粒子散射特性进行了深入研究[6~8]。目前，鲜有报道有关外界环境湿度变化对多污染粒子镜面散射特性造成的影响。本文首先在考虑相对湿度影响情况下，给出了Mie理论修正模型，并以湿度较大的南京地区为例，分析了环境湿度对光学镜面散射特性的影响。

　　1理论模型

　　1.1修正的Mie理论

　　空气中的各种悬浮颗粒附着在镜面上形成表面污染物，这些颗粒污染物可近似视作球形粒子，因而在分析镜面污染粒子光学特性时通常采用Mie理论[2]。大多数镜面散射研究，没有考虑环境湿度对污染粒子散射特性的影响，但实际系统中，污染粒子不可避免的会遭受早晚湿度变化、季节降水变化的影响，致使其光学特性会发生变化。为更好地描述污染粒子随环境湿度的变化，我们基于Mie理论和不同吸湿粒子模型，获得了环境相对湿度影响下的光学镜面散射特性分析模型。

　　1.2镜面洁净度表征

　　在实际应用中，通常使用表面洁净度来度量光学元件的污染程度。根据美国军用标准MIL-STD-209D，镜面的污染程度可用表面洁净度来表征。

　　2环境湿度对单污染粒子散射特性的影响

　　本节利用修正的Mie散射模型分析了湿度变化对单个污染粒子散射效率因子的影响。

　　3环境湿度对光学镜面散射特性的影响

　　近海地区受海洋影响沉积区域上空大气颗粒物以海盐为主，受人类活动和大气环流影响，不同区域降尘粒子成分占比不同[12]。根据近海气溶胶成分和各地降尘成分综合分析，在不同环境条件下，亲水性污染粒子占比大约在30%~80%之间。本文中亲疏水粒子统计模型适用于受海洋影响较大的近海地区污染粒子分布。南京市地处中国东部近海地区，受到亚热带季风影响降水充沛。针对南京当地污染粒子成分分析[1,14]，本文计算分析了亲水性粒子占比为30%~80%条件下的光学镜面散射情况。

　　对南京市降尘粒子成分分析[1]，在南京市钢铁工业区降尘量远远高于其它地区，主要是因为工业污染区的降尘主要是由于工业燃煤飞灰引起的。因此，南京市钢铁工业区降尘成分中亲水性粒子占比大约为30%，疏水性粒子占比大约为70%。结合对不同环境条件下镜面散射特性分析，南京市钢铁工业区在环境相对湿度为60%时镜面散射的TIS值为7.54×10-5。由于不同地区的污染粒子种类、分布、吸湿特性均有所差异，进而会导致镜面的散射特性各不相同。为了更精确地分析不同地区不同的环境湿度对镜面散射特性的影响，需要对不同地区污染粒子的相关数据进行实地测量。

　　遥感论文投稿刊物：《遥感学报》(双月刊)创刊于1997年，由中国科学院遥感应用研究所，中国环境遥感学会主办。结合中国遥感事业不同时期的重点和需要，刊登了大量国内最新科研成果和国家重点支持的研究项目的成果论文，对中国遥感科学技术的发展和人才培养发挥了巨大作用，成为目前中国遥感和地理信息科学领域最有影响的学术期刊。

　　4总结

　　本文在考虑环境湿度影响的情况下，对Mie理论进行了修正。以湿度较大的南京地区为例，分析了环境相对湿度对单个污染粒子以及多粒子条件下光学镜面散射特性的影响。结果表明，环境湿度的升高会导致污染粒子的粒径增加，进而使其折射率实部与虚部均随着相对湿度的增加而减小。对于亲水性污染粒子而言，相对湿度的增加会导致其散射效率因子明显增大，散射损耗增强。在相同的湿度条件下，亲水性粒子占比越大，光学镜面散射越大。在不同的镜面洁净度等级条件下，散射损耗随着洁净度等级增大而明显增大。本文研究成果有助于对不同湿度环境中的光学系统性能进行分析与评估。

　　参考文献：

　　[1]ZhangBin.CharacteristicsandsoueceapportionmentofatmosphericdustfallinNanjingcity[D].NanjingUniversity,2013.张斌.南京市大气降尘特征及源解析[D].南京大学,2013.

　　[2]HuangCong,YouXinghai,ZhangBin.Influenceofsurfacecleanlinessofopticalelementonitssurfacescatteringcharacteristics[J].InfraredandLaserEngineering,2019,48(1):243-249黄聪,游兴海,张彬.光学元件表面洁净度对其表面散射特性的影响[J].红外与激光工程,2019,48(01):243-249

　　[3]ZhangZ,WangWH,WangHM,etal.Effectsofhumidityonabsorbingaerosolindex[J].JournalofRemoteSensing,2019,23(6);1177-1185张卓,王维和,王后茂,等.相对湿度对吸收性气溶胶指数的影响[J].遥感学报,2019,23(6):1177-1185.

　　作者：陈壮，田博宇，缪麟，孙年春，张彬

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