便携式双向反射分布函数测量系统研究

双向反射分布函数(BRDF)是对材料表面的散射和反射特性进行描述,鉴于目前BRDF测量系统具有结构复杂、不易拆卸、光路调试困难等特点,设计了一套便携式双向反射分布函数测量系统。该测量系统主要是由光源系统、探测系统以及转角装置3个部分组成,其中对转角装置和探测部分在机械结构上进行了优化。为了验证所设计的测量系统的综合性能,利用该测量系统对典型涂层材料表面进行实验测量,分析了入射角度对物体表面反射特性的影响。实验结果表明典型涂层材料石英、氧化铝及氧化锆的表面粗糙度越大,其镜反射所占比例越小,在0°~60°的入射角之间,随着入射角度的增加,表面BRDF值也不断增加。再利用改进的Torrance-Sparrow模型所预测得测量数据与实验数据进行拟合分析,拟合结果表明测量的实验数据与理论模型预测数据拟合程度较好,最小拟合度大于96%。

水下珊瑚双向反射率观测技术的研究

遥感作为一种高效海洋环境监测手段,可以对海底各种底质类型分布及其状态变化进行同步大面积监测。目前,海底底质反射率观测技术主要为单个角度观测,开展底质多角度光反射特性观测技术的研究,分析不同底质双向反射分布函数(BRDF)特征,对于遥感高精度监测浅水海区底质具有重要意义,在满足遥感对复杂底质类型精确区分的同时能做到对底质更细微的动态变化监测。采用双通道同步测量的方法,设计了一套简便的海底底质双向反射率测量系统,获取了水下珊瑚及细沙底质的反射率特征数据。在大亚湾海域开展了现场测量,数据分析表明:(1)岸上沙质的BRDF特征:在400~700 nm内,当天顶角不变时(θ=20°,40°或60°),不同方位角(θ=0°,45°,135°,180°,225°和315°)所测得的反射率值标准偏差小于1.5%;当方位角不变时(θ=0°,45°,135°,180°,225°或315°),不同天顶角上的反射率值标准偏差均不大于1.7%,表明岸上沙质的BRDF变化较小,具有朗伯体特性;水下沙质的BRDF特征:在400~700 nm内,当天顶角不变时,不同方位角所测得的反射率值标准偏差随着波长的增大而增大;在400 nm时,反射率值的标准偏差为3.8%,在700 nm时,反射率值标准偏差递增至12%。水下沙质的BRDF表现为各向同性特征。(2)水下珊瑚BRDF特征:在天顶角不变时,不同方位角上所测得的反射率值标准偏差随着波长的增加呈现先增加后减小,而后激增的趋势。从400到605 nm,标准偏差从1%升至2%,而后从605到675 nm,标准偏差从2%降至1.2%,在675~700 nm,标准偏差从1.2%增至4.9%。现场测试数据分析结果表明本套水底双向反射测量系统能有效测量多种海底底质的反射光谱。通过现场获取的测量数据,对沙质和珊瑚两种典型底质的反射率光谱及BRDF进行了初步分析,为后续采用遥感手段反演浅水区底质及动态变化(如,珊瑚生长状态)提供多种底质多观测角度的反射率光谱特征。

偏振微面双向反射分布函数建模与仿真研究

偏振双向反射分布函数(p-BRDF)可以描述物体表面反射光的空间偏振特性,在许多领域得到了应用。基于微面理论,由微面和物体表面的角度关系以及微面上的菲涅耳反射,对任意偏振状态入射光和反射光的电场振动矢量进行分解与合成,得到偏振反射率pjk,将其作为菲涅耳反射项代入Cook-Torrance BRDF模型中,建立偏振微面BRDF模型。在几何光学模型中引入偏振,模型简单且有明确的物理意义。利用粒子群优化算法,结合黄铜表面的面内BRDF实验数据拟合模型中的参数,参数选取的标准均方误差为0.2820~5.7049%,最佳校正决定系数为0.9957。结果表明,偏振微面BRDF模型用于描述偏振反射特性的准确性和可行性。

浅述植被双向反射模型

探讨了植被双向反射函数的基本概念和物理意义,并对现有的几种植被双向反射模型,几何光学模型,混浊介质模型,混合模型及计算机模拟模型的理论作简要的论述,并比较各类模型的特点。

偏振双向反射分布函数模型研究进展

对国内外偏振双向反射分布函数模型进行了归纳总结,认为:目前各个模型都依赖基于实验测量的任意角度下的穆勒矩阵,导致偏振双向反射分布函数缺乏按照电磁理论推导的物理来源。从物理本质出发,提出了未来偏振双向反射分布函数模型的发展趋势,通过理论推导研究所有影响目标偏振特性的内部本质属性和外界环境因素,找出他们对偏振特性产生影响的规律,进而揭示产生目标偏振特性的最本质原因。

双向反射分布函数模型的对比分析研究

在双向反射分布函数基本概念的基础上对比分析了三种常用模型:各项异性Phong模型、T-S模型和Davis模型。通过使用MATLAB仿真,指出各模型的优缺点及适用领域,为建立光度曲线选择模型提供依据。将各向异性Phong模型解析为镜面反射和漫反射两类分量,并将反射率分解成漫反射率和镜面反射率两部分,以应用于较高精度的视星等计算。由T-S模型中的粗糙度参数可以快速鉴别出材料的镜面反射和漫反射分量,模型简练,适用于快速计算目标视星等以及建立偏振双向反射分布函数模型。探查Davis模型中所含有的波长参数,可用以分析目标的光谱特性。

单子叶植物叶片双向反射分布的测量与分析

作物的生物含量与作物的光学特性有直接的关系,而植物叶片的双向反射分布函数(BRDF)又直接影响植物的光学特性。植物叶片的BRDF体现了叶片在各个方向不同的能量反射能力,直接影响植物叶片的光谱检测结果,也是植被冠层宏观光学特征的影响因素之一。对植物叶片的BRDF光学特性及表现出的规律性展开研究和讨论,能够有效提高植物无损检测光谱模型的稳定性和可靠性,提升利用作物光谱模型反演理化特性的准确性和可靠性。首先介绍了植物叶片的BRDF快速获取方法及自主研发的方向性光谱检测仪器,该仪器能够在入射光的方位角和天顶角、接收探头的方位角和天顶角这四个维度进行调整,实现多入射角和反射角的反射光谱数据采集。单子叶植物的叶脉呈纵向分布,因而体现出较为显著的各向异性,玉米和小麦是两种较为典型的单子叶农作物。通过自主研发仪器获取不同波段范围下的玉米和小麦的反射光谱信息,并分析总结其反射分布规律。采用文中所介绍的BRDF计算方法对光谱数据以及白板校正数据进行计算,再结合MATLAB程序对光谱反射数据的图像映射,对反射结果与叶绿素含量和叶片含水量这两个叶片典型理化参数的相关性进行分析,最后探讨了采用ANIX系数对叶片的各向异性进行量化分析的方法。选取小麦在可见光波段以及玉米在近红外波段的数据,结果表明,小麦和玉米在各波段下的fr分布均关于入射天顶角两侧微小空间对称,在相同波段下,不同入射天顶角下的fr值大小基本一致;在相同入射天顶角下,小麦在800nm波段下的fr值最大,680nm波段下的fr值最小,这是由于680nm波长附近是叶绿素强吸收的特征波段,而800nm附近是叶绿素反射的特征波段,且在相同波段下,叶绿素浓度的升高会导致fr值的增大;在水的强吸收特征波段1450nm下,玉米的fr值随着含水量的升高而增长。分析表明,作物的BRDF特性能够有效反映叶片主要生物含量的变化,同时计算所得到的各向异性指数也体现出一致的变化规律,为建立稳定且可靠的作物光谱定量分析模型提供了理论和实践基础。

花岗岩表面双向反射分布函数实验研究

本文介绍了双向反射分布函数(BRDF)的概念及测量方法。首先对典型建筑材料中的某种花岗岩表面进行了表面粗糙度的测量,并在现有条件内通过转动样片和探测器,实现了空间BRDF的测量,测量波段分别为0.6328 μm和1.34 μm,分析了表面粗糙度对BRDF的影响。

基于六轴串联机械手的双向反射分布函数测量装置

由于现有的双向反射分布函数（BRDF）测量装置多为3轴系统,不能完全实现样品表面以上2π空间的全角度BRDF测量,本文研制了新型BRDF测量装置.该新型装置采用高精密六轴串联机械手作为待测目标的定位机构,使待测目标在测点进行三维转动;采用竖转台作为探测器探头的定位机构,使探头指向绕测点进行一维转动,从而形成4维转动以构建BRDF测量所需的4角几何关系.研制的装置可测量的入射和反射光束角度为：方位角0～360°、天顶角0～70°;光谱可扫描区350～2 500 nm.BRDF测量过程由测控软件控制,可高精度、无遮挡、全自动、快速地构建BRDF测量几何关系,一次待测目标和探测器定位以及光谱扫描、传输、显示、存储平均用时约8 s,测量不确定度优于2.5％（k=2）.

基于双向反射分布函数实验测量的目标散射特性的分析

介绍了一种用双向反射分布函数(BRDF)测定仪进行目标双向反射分布函数测量的方法。以聚四氟乙烯(F4)粉压制板作为反射标准板,给出了F4标准板及所测样品在双向反射分布函数测定仪上的测量数据。被测样片的反射光强度经标定过的漫反射标准板传递,最终在较高分辨率的半球空间内分析计算出了样品在红外(1.06μm和0.86μm)波段的双向反射分布函数。实验结果表明,该方法是一种分析目标散射特性的可行性方法。

材料表面偏振双向反射分布函数模型修正

为表征物体表面偏振散射特性对目标偏振信息提取的影响,基于微面元散射模型结合KubelMunk理论,综合考虑镜面散射和漫散射,构建一种改进的偏振双向反射分布函数(pBRDF)模型,得到物体表面散射光的偏振度与材料复折射率、方位角、探测角和入射波长等因素的数学模型,并利用该模型对基础材料的复折射率进行反演.结合实际应用利用FD-1665偏振成像仪在不同影响因子条件下对目标表面进行了一系列偏振探测实验.最后将数值模拟结果和实测数据进行比较,其材料偏振特性曲线与实测数据吻合,表明修正后的模型有较高的精确度,该模型可以为后续的偏振监测和目标识别工作提供理论支持.

双向反射分布函数在空间目标可见光反射特性建模中的应用

针对空间目标可见光反射特性提出了一种建模方法。双向反射分布函数(BRDF)可以有效地描述目标表面材料的空间反射特性和光谱特性。根据目标表面状况及背景辐射环境,选取合适的双向反射分布函数模型,利用辐射理论在可见光波段建立了空间目标反射特性的数学模型。基于轨道参数进行了仿真计算。计算结果表明太阳帆板与卫星主体相比,其在探测器入瞳处的辐照度只小一个数量级,在目标光学特性分析时不可忽略。而且,空间目标反射特性不仅与太阳、地球和目标三者之间的实时位置有关,还与其几何形状、表面材料等有关。仿真分析结果验证了建模的正确性。

涂层表面偏振双向反射分布函数的多参量混合模型

为了表征不同涂层表面的偏振光学散射特性,在基于微面元理论的偏振双向反射分布函数模型的基础上,针对不同涂层样品提出了一种适用范围更广的多参量偏振双向反射分布函数模型.采用遗传算法对实验数据进行模型参量拟和.实验结果表明,对几种不同的涂层样品,这种多参量模型的模拟计算结果与测量结果均能较好吻合,可以为后续的目标偏振特征提取与识别工作提供参考.

航天消光黑漆双向反射分布函数的测量与应用

为了了解经过消光黑漆(Z306)喷涂处理后航天相机遮光罩表面对杂散光的散射特性,对喷涂了Z306的铝板样品进行了双向反射分布函数(BRDF)测量和建模分析。通过测量获得了黑漆样片在0.65μm波段的BRDF值。结合Z306黑漆测量数据的散射特征,选择了适合粗糙黑漆表面的Microfacet-based模型,并对模型进行了修正。使用修正的Microfacet-based模型对测量数据处理并建模,得到了样片整个半球空间的BRDF数据,弥补了测量数据量少和测量误差带来的缺陷。将黑漆的BRDF数据代入软件,分析并进行了光学系统杂散光测试验证。结果表明:采用修正的Microfacet-based模型处理黑漆的BRDF后,分析光学系统杂散光(点扩散函数,PST)得到的结果与实际测量的杂散光(PST)的一致性很高,实测值与分析值比值的对数精度优于0.5。得到的结果证明了BRDF建模的必要性和数据处理的准确性,为光学系统的杂散光抑制提供了重要的保障。

基于混合遗传算法的偏振双向反射分布函数优化建模

为了表征复杂涂层表面的光学散射特性,在微面元理论的基础上,建立了典型涂层样片的偏振双向反射分布函数模型。由于实验数据与模型参数之间存在复杂的非线性关系,采用了遗传算法对模型参数进行反演。针对遗传算法收敛速度慢及易限于局部极小的特点,在传统遗传算法参数反演的基础上,在适应度计算中引入了模拟退火算法对偏振双向反射分布函数模型进行优化建模。实验结果表明:模型的计算结果与实验结果吻合较好。从误差收敛曲线来看,这种混合遗传算法优化方法不仅可以有效避免目标函数陷入局部极小,而且可以有效缩短目标函数的收敛时间。这可以为后续的目标特征提取与识别工作提供参考。

非分辨空间目标光谱双向反射分布函数的实验室平行测量

为了克服非分辨空间目标识别研究中外场观测和计算机仿真手段的局限性,采用实验方法模拟了天基光照场景,用仪器和技术平行类比望远镜观测时光源-目标-探测器方位,并测量了某高保真卫星模型的光谱双向反射分布函数.分析了空间目标光谱散射模型、实验场旋转轴系和环境模拟设备布局.根据在轨卫星的轨道和姿态建立了外场观测几何到室内5轴旋转系统的角度映射关系.利用该关系控制旋转系统实现了对某卫星过境观测的平行模拟,并对目标混合光谱进行了测量和定标.实验结果发表明:目标光谱数据中存在"闪光"和峰值波长迁移现象;旋转系统各轴定位精度为0.5°,光谱数据相对测量误差为0.018%.该方法能实现空间目标观测的全角度平行模拟,测量结果为非分辨目标外形、材料、旋转等特性的识别提供参考.

用双向反射法测量漆层的红外发射率

介绍了一种常温红外发射率测量方法。利用双向反射分布函数测量系统，通过对物体表面双向反射分布的测量来获得其方向发射率。给出了测量原理、实验和分析。并对４种掺有隐身材料的灰、绿、草绿和黑色漆层进行了２．５～１４．５μｍ波段的方向发射率测量。

高精度星上定标漫射板双向反射分布函数绝对测量系统研究

星上定标漫射板双向反射分布函数(BRDF)的测量不确定度直接影响着星上绝对辐射定标的精度。现有的BRDF测量装置难以在功能和测量精度等方面满足星上定标漫射板BRDF测量的要求,在这样的背景下,建立了BRDF绝对测量系统。该测量系统以高亮度、高均匀性积分球辐射源为照明光源、高精度串联式六轴机器人和中空分度盘为BRDF转角主体、宽光谱大动态范围辐射计为光电信号探测单元,通过几何、电子等相关物理量的高精度溯源及标校,实现了星上定标漫射板BRDF小于1%的测量不确定度。

雪粒径对积雪双向反射率的影响

雪粒径大小影响着积雪反照率的高低,从而影响着局地或全球能量收支平衡和气候变化,其影响程度取决于积雪本身的微物理特征和光学特性.在研究550～1030和1 640nm波长处积雪光学特性的基础上,采用辐射传输方程模拟并分析了雪粒径对积雪双向反射率的影响.模拟结果表明近红外通道1 030 nm是反演雪粒径的敏感波长,积雪双向反射率在该波段随粒径和观测角度变化明显,多角度遥感信息可以更有效地体现积雪的微物理特征和光学特性,为利用多角度遥感数据反演雪粒径提供理论基础.

星载石英漫反射板双向反射分布函数实验测量研究

石英漫反射板用于星载大气痕量气体差分吸收光谱仪测量太阳参考谱的观测系统中,太阳光谱的测量精度将会直接影响痕量气体反演的精度,为保证载荷全视场太阳光谱的测量精度,石英漫反射板需具有良好的朗伯特性,在仪器观测视场内能够提供均匀的光源。为此,在实验室利用双向反射分布函数(BRDF)测量仪,选取F4(聚四氟乙烯)粉压制板作为标准板,采用相对测量法对研制的四种石英漫反射板样品进行了朗伯特性测量,得出了四种样品在波长180~880nm、观测角度-70°^+70°范围内的BRDF。通过对样品BRDF的分析,筛选出了两种工艺下的朗伯特性较好的石英漫反射板作为初选样品,并测量比较了石英漫反射板和F4标准板对太阳光的漫反射光谱,石英漫反射板对太阳光的反射特性较好,可以作为测量用漫反射板获取太阳参考谱。为进一步的紫外辐照、原子氧侵蚀等试验以及对比试验提供了数据支持。