粗糙表面方向光谱发射率仿真和实验研究.pdf

摘要

发射率是表征物体对外辐射能力强弱的物理量，在特殊材料研发、辐射传热计算、

微尺度激光加工、红外遥感以及辐射测温等领域都有着重要的应用。然而，物体方向光

谱发射率受辐射波长、辐射角度、物体温度以及其表面形貌等因素的影响，难以准确测

量和预测。其中，复杂形貌表面发射率数据匮乏，且测量精度偏低。因此，研究粗糙表

面方向光谱发射率的预测模型和方向光谱发射率的变化规律具有重大的意义与实用价

值。

本文利用几何光学射线追踪方法和直接求解电磁场的有限元数值方法，通过设计相

应的仿真模型，预测了一系列具有不同粗糙度的高斯随机粗糙表面的辐射特性。针对实

验室中砂纸各向异性抛光的粗糙表面方向光谱发射率求解问题，首先，使用光学轮廓测

量技术和表面分析工具，对样品表面的复杂形貌进行了分析，并且通过数据统计获得粗

糙表面的重建参数。然后，利用重建的仿真模型预测了该表面方向光谱发射率，并讨论

了表面结构对其红外辐射特性的影响规律。搭建了真空环境下样品红外方向光谱发射率

测量装置，对粗糙表面方向光谱发射率进行了测量和分析。通过实验测量和仿真计算的

对比结果验证了所建立模型的可靠性和准确性。该模型的建立预期可以促进粗糙表面的

在线辐射测温技术与辐射传热计算的发展。本文主要包括以下四个研究内容：

1.为了仿真研究粗糙表面的辐射特性，首先阐述了粗糙表面的重建理论和有限元数

值方法与几何光学射线追踪方法的基本理论。然后，依据粗糙表面的数学统计模型和参

量，生成了具有不同粗糙度的高斯随机粗糙表面。

2.针对高斯随机粗糙表面，使用有限元数值方法求解了均方根粗糙斜率在0到2范

围之间的镍金属方向光谱发射率变化曲线。计算了随着波长的变化，粗糙表面的极化方

向光谱发射率对总发射率变化的贡献值，并分析了引起发射率改变的原因。利用几何光

学射线追踪方法预测了二维高斯随机粗糙铁表面的方向光谱发射率随着不同入射角和

粗糙度参数的变化趋势。详细分析了不同方向入射的电磁波结合特定粗糙表面，产生的

光线遮蔽和多次反射现象，以及导致金属角依赖性改变的情况，为粗糙表面的散射特性

模拟奠定了基础。

3.为了测量粗糙样品的辐射特性，使用实验室的傅里叶变换红外光谱仪、黑体、样

品炉等设备搭建了一套真空环境下样品的方向光谱发射率测量装置。实验测量了具有不

同表面形貌的镍样品的辐射特性，然后，将测量结果与其它文献中报导过的发射率测量

数据进行了对比，并分析了粗糙度对方向发射率的影响。

4.实验中为了处理样品表面形貌，经常使用自动金相抛光设备打磨样品。为了预测

这种方式打磨的粗糙样品的辐射特性，建立了特定的仿真模型。利用该模型预测了四个

不同粗糙度下的样品方向光谱发射率，并将拟合后的仿真结果与实验测量值进行对比。

结果表明，仿真和测量数据符合的很好，验证了该模型的可靠性和准确性。

关键词：方向光谱发射率，仿真模型，高斯随机表面，各向异性抛光

ABSTRACT

Emissivityisaphysicalquantitythatcharacterizestheexternalradiationabilityofanobject.Ithas

importantapplicationsinspecialmaterialresearchanddevelopment,radiationheattransfercalculation,

micro-scalelaserprocessing,infraredremotesensing,radiationtemperaturemeasurementandotherfields.

However,themeasurementandpredictionofthedirectionalspectralemissivityofanobjectareaffectedby

suchfactorsasradiationwavelength,radiationangle,objecttemperatureanditssurfacemorphology.Among

them,thecomplexmorphologyresultsinthelackofdataontheemis