溫度對(duì)材料雙向反射分布函數(shù)影響的理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、目標(biāo)與環(huán)境光輻射特性反映的是光同目標(biāo)與環(huán)境相互作用而產(chǎn)生的物理現(xiàn)象，揭示了目標(biāo)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(yīng)用于航天遙感、地質(zhì)測(cè)量、精密制導(dǎo)和目標(biāo)仿真等領(lǐng)域。目前，由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的原因，對(duì)材料表面BRDF的研究主要局限在室溫條件下。然而，現(xiàn)實(shí)中的空間飛行器、導(dǎo)彈和衛(wèi)星等由于表面溫度的變化，導(dǎo)致它們外表面的BRDF與在常溫時(shí)的不一樣。所以，本論文開展了溫度對(duì)材料表面BRDF影

2、響的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作。課題來源于國(guó)家自然科學(xué)基金的重點(diǎn)項(xiàng)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(cè)量系統(tǒng)，通過該裝置實(shí)現(xiàn)溫度對(duì)材料雙向反射分布函數(shù)影響的理論和實(shí)驗(yàn)研究，提供不同溫度下的材料雙向反射分布函數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)。
　　論文研究圍繞建立不同溫度下雙向反射分布函數(shù)測(cè)量方法及其實(shí)驗(yàn)標(biāo)定這一特殊性要求，結(jié)合可控溫雙向反射分布函數(shù)測(cè)量?jī)x的研制，對(duì)該儀器研制中所涉及的雙向反射分布函數(shù)測(cè)量原理、測(cè)量方

3、法、光散射理論、測(cè)量模型參數(shù)優(yōu)化及測(cè)量不確定度評(píng)價(jià)方法等內(nèi)容進(jìn)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(dǎo)出FBM粗糙面的電磁散射場(chǎng)和散射截面的計(jì)算公式，數(shù)值計(jì)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(jì)參量，模擬了該表面的BRDF值，并同實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行了比較與分析。

4、　?、不陔p向反射分布函數(shù)的相對(duì)測(cè)量原理，研制了一套集光、機(jī)、電于一體的可控溫雙向反射分布函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)?？紤]測(cè)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(zhǔn)直、反射、光調(diào)制、匯聚及光電信號(hào)接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)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(zhǎng)為0.6328μm、1.34μm、3.39μm和10.6μm的四個(gè)激光器，可實(shí)現(xiàn)試樣在不同溫度條件下的多光譜BRDF測(cè)量。
　?、忱脺y(cè)量裝置對(duì)幾種典型材料

5、表面的雙向反射分布函數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的形成機(jī)理進(jìn)行了深入分析。
　　⒋基于遺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(biāo)表面的BRDF模型以及各模型的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍；通過對(duì)幾種有代表性的材料進(jìn)行BRDF實(shí)驗(yàn)測(cè)量，建立了相應(yīng)的BRDF參

6、數(shù)模型；應(yīng)用遺傳算法對(duì)模型參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了研究；分別利用遺傳算法和最小二乘法對(duì)銅模型進(jìn)行參數(shù)反演，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了比較分析。
　?、惦p向反射分布函數(shù)測(cè)量的不確定度分析以及實(shí)驗(yàn)標(biāo)定方法的研究。在理論上，分析了測(cè)量過程中產(chǎn)生不確定度的原因，對(duì)影響系統(tǒng)測(cè)量精度的因素進(jìn)行了定量分析，使用整體均方根誤差計(jì)算方法，提供了一個(gè)雙向反射分布函數(shù)測(cè)量的不確定度分析方法；同時(shí)，利用實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的方法對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　本論文的研究?jī)?nèi)容為不同