溫度對材料雙向反射分布函數(shù)影響的理論及實驗研究.pdf

1、目標與環(huán)境光輻射特性反映的是光同目標與環(huán)境相互作用而產(chǎn)生的物理現(xiàn)象，揭示了目標與環(huán)境的固有本性。雙向反射分布函數(shù)(BRDF)是用于描述材料表面空間反射特性的基本物理量，廣泛應用于航天遙感、地質(zhì)測量、精密制導和目標仿真等領域。目前，由于實驗技術(shù)的原因，對材料表面BRDF的研究主要局限在室溫條件下。然而，現(xiàn)實中的空間飛行器、導彈和衛(wèi)星等由于表面溫度的變化，導致它們外表面的BRDF與在常溫時的不一樣。所以，本論文開展了溫度對材料表面BRDF影

2、響的理論和實驗研究工作。課題來源于國家自然科學基金的重點項目(50336010)，其目的是研制不確定度優(yōu)于15％的可控溫雙向反射分布函數(shù)測量系統(tǒng)，通過該裝置實現(xiàn)溫度對材料雙向反射分布函數(shù)影響的理論和實驗研究，提供不同溫度下的材料雙向反射分布函數(shù)測量數(shù)據(jù)庫。
　　論文研究圍繞建立不同溫度下雙向反射分布函數(shù)測量方法及其實驗標定這一特殊性要求，結(jié)合可控溫雙向反射分布函數(shù)測量儀的研制，對該儀器研制中所涉及的雙向反射分布函數(shù)測量原理、測量方

3、法、光散射理論、測量模型參數(shù)優(yōu)化及測量不確定度評價方法等內(nèi)容進行了深入地研究，主要完成了以下幾方面的研究工作：
　?、辈牧媳砻骐姶派⑸涮匦缘难芯?。結(jié)合分形理論，利用基爾霍夫近似理論推導出FBM粗糙面的電磁散射場和散射截面的計算公式，數(shù)值計算了散射截面，并與高斯相關(guān)分布和指數(shù)相關(guān)分布粗糙面的散射結(jié)果作了比較；根據(jù)FBM函數(shù)選取了花崗巖表面合適的分形維數(shù)和統(tǒng)計參量，模擬了該表面的BRDF值，并同實驗測得的結(jié)果進行了比較與分析。

4、　?、不陔p向反射分布函數(shù)的相對測量原理，研制了一套集光、機、電于一體的可控溫雙向反射分布函數(shù)測量系統(tǒng)?？紤]測量過程中雜散輻射的影響，光路采用離軸結(jié)構(gòu)，完成了準直、反射、光調(diào)制、匯聚及光電信號接收系統(tǒng)的設計；設計了用于試樣加熱的加熱裝置，溫控采用模糊PID控制；光源分別采用波長為0.6328μm、1.34μm、3.39μm和10.6μm的四個激光器，可實現(xiàn)試樣在不同溫度條件下的多光譜BRDF測量。
　　⒊利用測量裝置對幾種典型材料

5、表面的雙向反射分布函數(shù)進行了實驗研究。在室溫條件下，研究了幾種材料表面BRDF隨表面粗糙度、波長等的變化規(guī)律；在25℃～500℃的溫度范圍內(nèi)，研究了金屬銅以及非金屬聚四氟乙烯和石墨表面BRDF隨溫度的變化規(guī)律；最后，對實驗現(xiàn)象的形成機理進行了深入分析。
　?、椿谶z傳算法的雙向反射分布函數(shù)模型參數(shù)優(yōu)化研究。研究了目標表面的BRDF模型以及各模型的優(yōu)缺點和適用范圍；通過對幾種有代表性的材料進行BRDF實驗測量，建立了相應的BRDF參

6、數(shù)模型；應用遺傳算法對模型參數(shù)優(yōu)化進行了研究；分別利用遺傳算法和最小二乘法對銅模型進行參數(shù)反演，并對結(jié)果進行了比較分析。
　　⒌雙向反射分布函數(shù)測量的不確定度分析以及實驗標定方法的研究。在理論上，分析了測量過程中產(chǎn)生不確定度的原因，對影響系統(tǒng)測量精度的因素進行了定量分析，使用整體均方根誤差計算方法，提供了一個雙向反射分布函數(shù)測量的不確定度分析方法；同時，利用實驗標定的方法對理論分析結(jié)果進行了驗證。
　　本論文的研究內(nèi)容為不同