基于随机表面微面元理论的二向反射分布函数几何衰减因子修正

现有几何光学方法的二向反射分布函数BRDF(bidirectional reflection distribution function)模型在计算阴影遮蔽效应时普遍应用Blinn几何衰减效应假设,其等倾角V形槽近似得出的分段折线形式的几何衰减因子导致BRDF曲线存在较大的误差.基于倾斜角随机高斯分布的微面元理论提出了一种新的几何衰减模型,得出了积分形式的几何衰减因子表达式,数值模拟比较了Blinn几何衰减因子与修正后的积分型衰减因子以及对应的BRDF模型曲线.结果表明:提出的几何衰减因子在物理合理性以及模拟精度方面都有明显提升,使BRDF模型曲线与已有BRDF数据之间的标准误差由0.0636减小到0.0084.

深部节理岩体塑性损伤耦合微面模型

采用微面模型理论和损伤力学方法,建立了节理岩体的弹塑性损伤耦合微面模型.在节理岩体的微面上,将岩体视为由节理面与岩石组成的二元介质,以节理连通率作为岩体沿该方向的面积损伤变量,考虑微面法向拉应力和压应力下的不同塑性变形和损伤耦合作用机制,基于塑性理论建立了节理岩体的微面塑性损伤增量本构关系.采用微面物理量与宏观物理量的几何约束模型,根据微面方向积分导出了节理岩体的宏观弹塑性增量本构关系.编制了节理岩体微面模型的MARC有限元子程序,对节理岩体的单轴拉伸、压缩试验和泥浆压力作用下的井壁稳定问题进行了数值模拟研究.数值计算结果表明,该模型能很好地揭示载荷作用下节理岩体的各向异性非弹性变形和次生节理演化过程.

基于微面有效应力矢量的各向异性屈服准则

基于微面模型,定义损伤变量为微面上有效承载面积的减少．将Kachanov的一维有效应力概念推广到三维,提出微面有效应力矢量的概念．根据微面的有效应力矢量,将无损材料的宏观应力张量及不变量与微面应力矢量的积分关系拓展到有损材料,得到了有损材料的宏观有效应力张量及其不变量与宏观名义应力张量、微面面积损伤组构张量之间的关系．将无损材料的以应力张量不变量表示的Drucker-Prager准则推广到有损材料,建立了含缺陷材料的各向异性屈服准则．对有损材料,宏观有效应力张量与Murakami的有效应力张量具有相同的形式,各向异性强度准则与Liu等提出的扩展Hill准则有相同的形式,当不考虑静水应力对屈服的影响时,它与Hill准则具有相同的形式．

斜交微面上的应力研究

本文用解析法和应力圆分析了用斜交微面表示的平面应力状态,分析表明,用解析法求解此类问题时,对直角三角形微元体列出平衡方程较为简便,而采用应力圆求解则有其独特的优越性。

微面形貌光电观测系统的光学结构

针对微小面积,特别是微小"盲孔"底面形貌的非接触精密检测,提出了一种基于直接成像原理的光学结构.采用内窥式镜头解决数值孔径受限问题;通过定变焦距镜头组合达到低倍定位和高倍分析要求;利用光学微扫描器实现扫描瞄准功能.针对FC、SC光纤连接器构造设计,探测头可深入内径2.5mm盲孔,设计分辨率达到600lp/mm,主要应用于光纤端面检测、精密制造和临床诊断等领域.

基于微面元理论的“猫眼”目标回波散射偏振特性研究

为了研究"猫眼"目标表面回波散射偏振特性,基于微面元理论建立了偏振双向反射分布函数模型,指出线偏振光在"猫眼"目标表面回波散射的偏振度与目标表面粗糙度、复折射率以及入射角、探测角有关。主要研究"猫眼"目标表面粗糙度对其回波散射偏振度的影响,利用Matlab仿真得到"猫眼"目标回波偏振度与目标表面粗糙度参数σ的关系曲线。选择经过不同砂纸打磨的硅片作为"猫眼"目标进行实验,当硅片表面均方根高度分别为0.067μm、0.554μm、0.726μm、1.651μm、1.893μm时,其表面回波散射偏振度的测量值依次为98.83%、98.16%、96.08%、94.91%、94.6%,表明"猫眼"目标回波散射的偏振度随其表面粗糙度的增大而减小。

微面形貌观测物镜的光学系统误差分析

提出了一种非接触内窥式微面形貌探测镜,分析了其光学系统的装配误差对实际成像位置的影响.利用几何光学原理,计算了三种装配误差与实际成像位移之间的关系.给出了满足CCD成像分辨率要求的位置调整范围,推导出透镜的装配误差范围,达到成像清晰、系统分辨率高的目的.

基于改进的微面元偏振BRDF模型的粗糙表面偏振反射特性分析

为了表征粗糙表面反射光的偏振特性,基于微面元偏振BRDF模型,综合考虑镜面反射和漫反射,提出一种改进的多参量微面元偏振BRDF模型,并基于斯托克斯矢量与穆勒矩阵的关系,建立反射光偏振度数学模型。根据所建模型,使用最小二乘法对绿漆和铝表面的偏振度测量值进行参量反演,确定参量的最优组合。在此基础上分析了入射角、表面粗糙度以及相对方位角对反射光偏振度的影响。结果表明,与参考模型相比,绿漆表面和铝表面的偏振度均方根误差分别减小了67.11%和77.54%,模型与实测数据的吻合程度更高,证实建模时考虑漫反射能够提高模型的准确性。该模型可为粗糙表面偏振特征的提取与识别提供理论指导。

基于多微面光纤面板的仿生复眼图像拼接及定位算法

为研究仿生复眼系统的图像拼接以及目标定位技术,使用三维设计制图软件Solid Works对9个光学透镜组成的仿生复眼系统镜头支架进行设计;使用尺度不变特征变换算法对特征点进行提取,通过采用欧氏距离法和随机抽样一致性算法对特征点对进行筛选;采用加权平均法对图像进行融合;根据子眼镜头之间相互交叠的信息,选用了双目测距原理对空间目标进行三维定位。搭建了一套视场角为74.3°的视觉系统,得到了一副大视场的仿生复眼拼接图像,对空间4个不同位置的目标进行了定位,证明此仿生复眼系统能够获取大视场的拼接图像,能够对空间目标进行定位。

斜交微面上应力合理的充要条件

文[1]认为应力互换定律不是斜交微面上应力合理的充要条件,笔者认为值得商榷.斜交微面上应力合理的涵义应该是斜交,微面上的应力应满足微体的全部有效的静力平衡方程.由文[2]所设立的楔形微体(图1)

斜交微面上应力合理的充要条件及其求解方法

论述了斜交微面上应力合理的充分与必要条件，提出了两种描述方法，指出了其实质是平衡条件；以楔形微体为例给出了描写应力互换定律的一般公式。为迅速检查斜交微面上的应力是否存在（即是否合理），给出了求应力分量的解析式。

基于微面斜率法的粗糙表面半透明介质层光谱散射特性分析

对具有一维高斯分布粗糙表面的半透明介质层光谱散射,基于微面斜率法建立了考虑遮蔽效应的粗糙表面光谱辐射传递概率模型,采用蒙特卡罗法模拟光谱辐射能束在粗糙表面、半透明介质层介质与镜反射基底之间的多次反射、折射和吸收等传递过程。通过数值模拟,分析了介质层表面粗糙度、光谱光学厚度、折射率和基底反射率对介质层双向反射分布函数(BRDF)的影响。结果表明,表面粗糙程度不同时,反射峰值随入射角度呈现不同的变化趋势;表面粗糙度增加或折射率增大都将导致漫反射份额增大;介质层光谱光学厚度和基底反射率主要影响BRDF的数值大小,而对BRDF的分布形态影响很小。

粗糙路面检测链路模型研究

粗糙路面的反射特性影响路面检测系统的性能和路面气象检测的准确性,根据传统微面元模型,提出了一种多参量半球形等效仿真模型,建立了基于无线激光的粗糙路面链路传输模型。通过采用蒙特卡洛统计方法,分析了反射光在不同入射角和粗糙度情况下接收光功率的变化以及光子的分布规律。基于该模型,设计并实现了一套850 nm波长的非接触式激光路面状况检测系统,并利用该系统验证模型的准确性。仿真及实验结果均显示,随着入射光与路面法线方向夹角(入射角)的增大,接收到的光功率逐渐减小。当入射角小于15°时,粗糙度的增加与接收的光功率负相关;入射角大于15°时,随着粗糙度的增加,接收到的光功率逐渐增加,粗糙度越大,接收光功率与入射角的衰减关系越接近线性;当入射角达到60°时,接收到的光功率趋于常数。实验结果与模型仿真结果相吻合,从而验证了粗糙路面光反射等效半球形模型的有效性,且接收的回波信号信噪比不受路面粗糙度影响。

粗糙基底上涂层的极化双向反射分布函数

为了有效检测光学基底和镀膜后的光学元件质量,根据微面元电磁散射理论建立了一阶极化光散射模型,推导求解出其极化双向反射分布函数,获得了极化双向反射分布函数PP项与散射角和方位角的三维关系。数值模拟分析了入射角、基底粗糙度及不同涂层厚度对极化双向反射分布函数的影响。数值结果表明:极化双向反射分布函数与入射角、相关长度、均方根高度及涂层厚度均成反比。P极化入射产生的P极化双向反射分布函数强烈依赖于入射角、散射角和方位角。布鲁斯特角的位置随着入射角的增加逐渐向散射方位角小的方向移动。

地球外层空间物体真实感成像建模与绘制研究

针对现有模型在地球外层空间物体真实感成像绘制中的局限性和不足,建立一种基于几何光学原理和光线追踪技术的BRDF微面元模型.该模型综合了微面元的朝向分布和表面反射率以及微面元之间遮挡关系对地球外层空间物体表面反射特性影响,以提高对空间物体表面反射光空间分布特征的建模精度,并把光学反射特性分解为微面元的漫反射特性和镜面反射特性两个分量,不仅能反映空间物体整体亮度特征,而且能描述空间物体局部高光特征.通过与实际测量数据比较,该模型曲线与测量结果基本一致.实验结果表明,采用该模型能够实现对地球外层空间物体真实感成像绘制效果.

利用选择性外延法生长单芯片双波长白光InGaN/GaN多量子阱结构

为了制备单芯片无荧光粉白光InGaN/GaN多量子阱发光结构,利用选择性外延生长法在SiO2条纹掩膜板上生长出具有梯形形貌的GaN微面结构,并在该GaN微面结构上生长InGaN/GaN多量子阱结构,最终在单芯片上获得了双波长发光.结果表明:梯形GaN微面由(0001)和(11-22)面组成,两者的表面能和极性不同,并且在InGaN/GaN多量子阱生长过程中,In原子和Ga原子迁移速率不同,从而使得(0001)和(11-22)面上的多量子阱具有不同的发光波长;该性质可以使(11-22)面的微面量子阱发出蓝光(峰值波长为420nm),而(0001)面的量子阱发出黄光(峰值波长为525nm),最终形成双波长的复合白光外延结构.

星载光子计数激光雷达海面点云仿真方法

星载光子计数激光雷达作为一种新的探测体制激光雷达,已开始应用于海面测量。然而受海风等多种因素的影响,海面存在一定的粗糙度和较大的起伏变化,因此光子计数激光雷达返回的信号点云在返回能量和信号光子分布上存在较大的变化,潜在的影响到了海面高程测量精度。本文基于JONSWAP海浪谱和微面元模型理论,结合蒙特卡洛方法建立了光子计数激光雷达海洋目标的仿真模型。以ICESat-2星载光子计数激光雷达的系统参数作为输入,仿真了不同风速条件下海面的信号光子分布,通过与ICESat-2实测结果对比证明了仿真方法的正确性。基于仿真模型,分析了不同风速条件下,光子计数激光雷达的测距误差分布。结果表明,光子计数激光雷达测得的海面高程小于实际参考海面,且测量偏差和标准差随风速增加而增大,当风速为10m/s,累计脉冲次数为100次时,测量偏差约为-2.5cm,标准差为3.6cm。所建立的仿真模型和分析结果对优化针对海面观测的星载光子计数激光雷达的系统参数设计和平均海面观测结果修正具有重要的参考意义。

复合制剂修复铬污染土的条件优化及微观特性

针对单一还原法和固化/稳定化技术处理铬污染土效果不佳的问题,提出还原-固化/稳定化联用方法,通过单掺试验和L_(9)(3^(4))正交试验,确定了还原剂、吸附剂、固化剂所组成的复合制剂的最佳配比,并采用扫描电镜对固化/稳定化铬污染土进行了微观表征。研究结果表明,复合制剂最佳配比为:CaS_(5)用量是污染土中Cr(VI)还原为Cr(Ⅲ)所需理论还原剂量的3倍;合成沸石掺量为15%;水泥掺量为20%。扫描电镜分析结果显示,复合制剂通过还原-吸附-固化联合作用,减小了Cr(VI)和Cr(Ⅲ)对水化反应和凝硬反应的阻碍作用,强化了固化/稳定化效果,对固化体的浸出浓度降低效果显著,毒性浸出满足相关标准要求。

舰船目标光学特性模型构建

为了给舰船光学特性研究和可探测性研究提供理论基础,建立舰船目标光学特性模型,采用BRDF理论分析和计算中的微面元分析法,利用3D MAX软件将舰船表面划分为许多可计算三角形微面;在计算每个三角形微面的散射特性时,选用双向分布函数中适合计算的Cook-Torrance模型,并通过坐标转换将太阳-目标-探测器统一到面元坐标系下以及利用面元几何可见性进行消隐简化了计算量;在计算入瞳处的辐亮度时,分析了大气中CO2分子、H2O分子和气溶胶粒子对可见光散射的影响;最后得到了大气通过率与波长的计算公式;通过分析每个三角形微面在入瞳处的辐亮度,得到了入瞳辐亮度与波长的关系;最后建立了舰船目标光学特性模型,并通过仿真,计算了不同波长下的大气透过率以及入瞳处辐亮度。