强光辐照下主镜表面散射引起的视场内杂光分布

在强光辐照情况下,主镜表面粗糙度产生的散射是引起反射系统视场内杂散光的主要因素之一。本文针对主镜的散射,提出了一种简单的处理方法。采用双向散射分布函数(BSDF)描述散射的角分布特性,推导了平行光平行于光轴入射时主镜焦平面上的散射光强分布表达式,并将其与衍射光强分布表达式联立,得到了焦平面上以几何像点为中心,散射与衍射强度相等时的特征半径。该特征半径将焦平面上的光强分布分为两个区域,在强光辐照下这两个区域的饱和效应机理不同:特征半径以内,衍射强度大于散射强度,饱和效应主要由衍射贡献;特征半径以外,散射强度大于衍射强度,散射是该区域饱和的主要因素。仿真实验表明,对于半径为115 mm,焦距为-757 mm,入射波长为550 nm时表面粗糙度为10 nm的主镜,其特征半径约为0.843 mm,该结果与表达式计算结果相符,说明了计算表达式的正确性。

R-C系统中由表面散射引起的视场内杂散光分布

推导了R-C系统焦平面上由主镜和次镜表面散射引起的视场内杂散光分布的近似解析表达式。针对典型R-C系统的视场内杂散光分布,由近似表达式得到的计算结果与利用商业光学仿真软件得到的模拟结果具有较好的一致性,说明了近似表达式的正确性。与焦平面上无像差衍射光分布相比较,可以方便地分析强光入射时R-C系统焦平面上不同区域的饱和机制。研究结果表明,对于典型的R-C系统,探测器表面上以几何像点为中心,半径为2.5mm的范围内,衍射光是引起探测器饱和的主要因素;在此范围外,表面散射造成探测器的饱和。该结果为进一步研究强光饱和实验,解释有关现象提供理论分析基础。

半透明物体漫散射效果的实时绘制与材质编辑

半透明物体透明效果的真实感绘制是近年来研究的热点,提出一种针对半透明物体漫散射效果的实时真实感绘制与材质动态编辑方法——基于双向表面散射反射率函数(BSSRDF)的Dipole近似.通过主元分析将Dipole近似中的漫散射材质函数分解为与形状相关函数和与半透明材质相关函数的乘积形式;利用该分解表示,在预辐射传输的实时真实感绘制框架下,通过对散射传输的预计算来实现在多种光源环境下对半透明物体材质的实时编辑.此外,还提出一种对预计算辐射传输数据在空域上进行二次小波压缩的方法,利用表面点在空间分布位置的相关性,在保证绘制质量的前提下,大大压缩了数据,提升了绘制效率.实验结果表明,文中方法可以生成具有高度真实感的半透明效果并保证实时的绘制速度.

复杂地区地震资料低信噪比的原因及对策(二)——表层散射波的基本性质及形态特征

为了对散射波有进一步的认识以及为压制技术提供基础依据,采用从散射源与对应散射波都比较简单、直观的记录入手,由简单到复杂、由个别到一般的基本方法,对其基本性质及形态特征进行研究。对三维空间而言,当散射源位于测线或离测线很近时,单个散射波形态是线性或近于线性的,且可分为正向散射、反向散射和双向散射;当散射源距离测线较远时,散射波形态是双曲型的;散射波的顶点位于散射源在测线的投影点;两翼趋势线与面波平行或基本平行。散射波主要分布于面波所夹的三角区内;散射波频率多为几个赫兹到约30Hz;速度与面波速度相当。实际记录的复杂干扰背景主要是众多单个散射波的叠加结果。在复杂地区,散射干扰是导致记录低信噪比的根本原因。上述结论是对干扰波(散射波)认识的重大进展,对散射波的压制有指导意义。

基于次表面散射的肝脏高真实感实时渲染的研究与实现

针对人体肝脏的高真实感实时渲染问题,提出了一种采用表面反射和次表面散射两种光照模型组合的解决方法。首先对表面反射光照模型采用环境照明、漫反射照明、高光照明、法线贴图和阴影贴图等技术模拟表面光照视觉效果;利用次表面散射和透射结合的方法模拟光在肝脏组织中传播和穿透,并用两个一维卷积来呈现次表面散射,以减少执行时间与内存消耗,从而得到一个基于次表面散射模型的真实感呈现。实验结果表明,所提出的方法能实现肝脏高真实感渲染,并可达到90帧每秒的帧渲染速率。

基于杂散光抑制要求的光学表面粗糙度控制方法研究

光学表面加工误差引起的散射是影响光学系统成像性能的重要因素.描述表面总散射能量的均方根粗糙度是评定光学表面粗糙度的通用指标,但因其未能体现散射能量的空间分布,在表征光学表面散射对具体光学系统杂散光性能影响时存在准确度不足的局限.本文基于全积分散射及双向散射分布函数理论,针对杂散光抑制要求提出一种光学表面粗糙度控制的新方法.首先通过分析确定光学表面纹理中影响系统杂散光的空间频率范围,然后度量该频率带限范围内的表面均方根粗糙度,作为控制光学表面粗糙度的指标.以太阳磁场望远镜(MFT)为例进行方法验证,确定主镜表面纹理有效频率范围为0—18 mm^(-1),分析了主镜表面带限均方根粗糙度对MFT杂散光性能的影响.结果表明,带限均方根粗糙度与MFT杂散光性能之间的关系稳定性能大幅提高,由此验证了采用带限均方根粗糙度描述光学表面粗糙度,能更为准确地控制其对具体光学系统杂散光性能的影响.

一种简化杂光分析方法的数理模型

杂散光分析是研制空间光学系统不可缺少的一个重要环节．本文提出了一种简化的杂光分析方法，在考虑了适当的假设条件后，建立了六种简化杂光分析物理模型，并给出了相应的数学模型．

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪基于太阳的在轨辐射定标

基于整机双向散射分布函数(Bi-directional scattering distribution function, BSDF),星载大气痕量气体差分吸收光谱仪(Environmental trace gases monitoring instrument, EMI)在轨可完成基于太阳的辐射定标,整机BSDF表征了EMI观测光路和定标光路辐射特性的关系。观测光路辐射定标已在地面完成,定标光路辐射特性定标在轨基于太阳完成,进而得到了整机BSDF参数,基于此实现了EMI在轨基于太阳的辐射定标。结果表明在可比光谱范围内,与TROPOMI(Tropospheric ozone-monitoring instrument)载荷交叉比对结果的差异在5%～6.5%以内。

应用薄膜干涉模型进行蝴蝶彩色效果物理绘制

针对当前蝴蝶彩色效果绘制方法的真实感问题,提出一种应用薄膜干涉模型的真实感绘制方法.首先根据蝴蝶表面脊突结构构造多层薄膜模型;然后利用多层薄膜干涉原理模拟光在薄膜内部的多次反射、透射形成的混合散射特性,其中,菲涅尔公式被引入以解释反射或透射波的幅值变化,微表面散射因子被创造性地引入来模拟蝴蝶粗糙表面的各向异性特性;最后通过全波长光谱建模增强干涉效果,在此基础上还将该算法与光线追踪渲染框架相结合,构建了可应用于光线追踪器的波动双向散射分布函数干涉模型,以精确地模拟光的幅值和相位变动.实验结果表明,该模型能够有效地绘制出较为逼真的蝴蝶彩色效果.

建筑棱镜膜采光系统室内眩光模拟分析研究

利用双向分散分布模型(Bidirectional Scattering Distribution Function,BSDF)来研究复合开窗系统天然采光情况是近年来天然采光研究中一个热点。本研究介绍了利用BSDF模型对棱镜膜采光系统室光环境及眩光进行模拟分析。通过一个在建筑东、南、西墙分别安装了棱镜膜采光系统的大空间实际案例,采用Radiance软件对研究案例进行模拟分析,比较了棱镜膜玻璃和普通玻璃在不同季节、不同朝向、不同时间点,在天然采光条件下朝向窗户的视野中不舒适眩光几率(Daylight Glare Probability,DGP)与不舒适眩光指数(Daylight Glare Index,DGI)。研究结果表明,在采用棱镜膜侧窗采光系统时需要注意在不同季节和时间点不舒适眩光可能发生在不同的朝向。如在夏热冬冷的中纬度地区应注意室内人员夏季下午面向西窗、春秋季中午面向南窗与西窗、冬季面向南窗时可能产生的不舒适眩光。

动态非均质半透明物体的实时绘制算法

现有的对半透明物体的绘制算法中大部分都是为均质材质设计的,虽然有少数算法可以绘制非均质材质,但效率不高,为此提出一种图形硬件加速的动态非均质半透明物体的实时绘制算法.首先将模型的采样点组织成八叉树的形式,将双向次表面散射反射函数(BSSRDF)表达绑定为顶点属性,同时充分利用图形硬件的并行性来实现八叉树的快速建立和遍历;然后以树的结点之间的空间距离和材质的相似度为准则提出一种新的采样方法来提高表面积分的效率.由于整个过程不需要任何预计算,因此该算法可以很容易地扩展到动画场景或者变化的材质,并且还可以灵活地选择BSSRDF的表达方式.实验结果表明,文中算法可以达到实时的绘制帧率和良好的视觉效果.

临近空间高空气球光学散射特性研究

基于应用光学中基本辐射理论,研究了临近空间高空气球的光散射特性。利用计算几何学的坐标转换以及网格划分建模思想,对高空气球球面进行网格面元划分。根据高空气球等透明类物体几何结构和物体光学特性,推导出透明类物体双向散射分布函数（BSDF）镜反射/折射、近镜反射/折射、漫反射/折射、理想漫反射/折射相结合的计算模型,最终得出高空气球散射背景辐射在地面产生辐射亮度的计算模型。利用MODTRAN软件在3～5μm和8～14μm波段仿真计算临近空间高空气球的背景辐射亮度,在0.24～2.4μm波段仿真计算气球自身亮度。仿真结果表明：利用BSDF模型计算得到高空气球亮度为2.28×10^-3W/（cm^2·μm·sr）,计算结果误差为10.6%,精度相对双向反射分布函数（BRDF）模型提高2%。在分析高空气球等类透明体散射特性时,可参考此模型来进行计算。

镜面散射对离轴三反系统成像质量的影响

针对天文望远镜光学系统中镜面散射对成像质量的影响,提出了一种基于反射镜表面功率谱密度计算离轴三反成像系统像面环围能量比的方法。基于Harvey-Shack散射模型,提出了像面光强分布与反射镜表面功率谱密度的关系,描述了离轴三反系统中的散射在各个反射面的传播过程,并给出了像面光强分布与反射镜表面有效均方根相对于工作波长的比值的关系。通过多手段测量获取1.5m口径加工样件在不同空间频率频段内的表面功率谱密度,利用k-相关模型拟合其全频段一维功率谱密度和二维功率谱密度,加工样件的面形精度有效均方根(在1/D到1/λ范围内)为13.7nm。对比了离轴三反系统在不同工作波长下像面环围能量比的分布,给出在我国某大型空间天文望远镜在考虑散射情况下的加工要求,镜面的有效均方根为10.3nm,其中低频误差均方根小于8nm。

一种新的单光源多波长双向量子密钥分发系统

针对"即插即用"双向量子密钥分发系统传输效率低的实际问题,详细分析了系统低效的原因和当前的解决方案,提出了一种单光源多波长双向量子密钥分发方案.该方案采用波分复用器件作为滤波器来产生量子密钥分发所需的多波长信号.与其他多波长方案相比,该方案的优点是在实现高速多波长量子密钥分发时,不再受外界控制源调制速率和精度等性能的影响,不再带来多激光器引入的边信道攻击的缺陷,且整体系统易于集成.该方案为"即插即用"量子密钥分发系统的高效研究提供了一个新的参考方案.

星载激光雷达系统杂散光分析与抑制

针对全球范围CO2浓度和气溶胶检测的星载激光雷达系统的可行性进行研究。由于大气后向散射信号很弱,故星载激光雷达对杂散光很敏感。激光雷达系统由Ritchey-Chretien接收望远镜、多波段中继光学系统以及光电探测系统构成,因此,相比于传统成像光学系统,其杂散光的分析与抑制技术得到改进。对光机结构建模,基于杂散光来源分类和大量光线追迹,提出了一种位于激光雷达后光学系统中,而非接收望远镜中的杂散光抑制方法。仿真结果表明,位于后光学系统中准直器镜筒上的挡光环极大地抑制了杂散光。因此,可以舍去接收望远镜上的挡光环。