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温度对材料双向反射分布函数影响的理论及实验研究

赵忠义  
【摘要】: 目标与环境光辐射特性反映的是光同目标与环境相互作用而产生的物理现象,揭示了目标与环境的固有本性。双向反射分布函数(BRDF)是用于描述材料表面空间反射特性的基本物理量,广泛应用于航天遥感、地质测量、精密制导和目标仿真等领域。目前,由于实验技术的原因,对材料表面BRDF的研究主要局限在室温条件下。然而,现实中的空间飞行器、导弹和卫星等由于表面温度的变化,导致它们外表面的BRDF与在常温时的不一样。所以,本论文开展了温度对材料表面BRDF影响的理论和实验研究工作。课题来源于国家自然科学基金的重点项目(50336010),其目的是研制不确定度优于15%的可控温双向反射分布函数测量系统,通过该装置实现温度对材料双向反射分布函数影响的理论和实验研究,提供不同温度下的材料双向反射分布函数测量数据库。 论文研究围绕建立不同温度下双向反射分布函数测量方法及其实验标定这一特殊性要求,结合可控温双向反射分布函数测量仪的研制,对该仪器研制中所涉及的双向反射分布函数测量原理、测量方法、光散射理论、测量模型参数优化及测量不确定度评价方法等内容进行了深入地研究,主要完成了以下几方面的研究工作: ⒈材料表面电磁散射特性的研究。结合分形理论,利用基尔霍夫近似理论推导出FBM粗糙面的电磁散射场和散射截面的计算公式,数值计算了散射截面,并与高斯相关分布和指数相关分布粗糙面的散射结果作了比较;根据FBM函数选取了花岗岩表面合适的分形维数和统计参量,模拟了该表面的BRDF值,并同实验测得的结果进行了比较与分析。 ⒉基于双向反射分布函数的相对测量原理,研制了一套集光、机、电于一体的可控温双向反射分布函数测量系统。考虑测量过程中杂散辐射的影响,光路采用离轴结构,完成了准直、反射、光调制、汇聚及光电信号接收系统的设计;设计了用于试样加热的加热装置,温控采用模糊PID控制;光源分别采用波长为0.6328μm、1.34μm、3.39μm和10.6μm的四个激光器,可实现试样在不同温度条件下的多光谱BRDF测量。 ⒊利用测量装置对几种典型材料表面的双向反射分布函数进行了实验研究。在室温条件下,研究了几种材料表面BRDF随表面粗糙度、波长等的变化规律;在25℃~500℃的温度范围内,研究了金属铜以及非金属聚四氟乙烯和石墨表面BRDF随温度的变化规律;最后,对实验现象的形成机理进行了深入分析。 ⒋基于遗传算法的双向反射分布函数模型参数优化研究。研究了目标表面的BRDF模型以及各模型的优缺点和适用范围;通过对几种有代表性的材料进行BRDF实验测量,建立了相应的BRDF参数模型;应用遗传算法对模型参数优化进行了研究;分别利用遗传算法和最小二乘法对铜模型进行参数反演,并对结果进行了比较分析。 ⒌双向反射分布函数测量的不确定度分析以及实验标定方法的研究。在理论上,分析了测量过程中产生不确定度的原因,对影响系统测量精度的因素进行了定量分析,使用整体均方根误差计算方法,提供了一个双向反射分布函数测量的不确定度分析方法;同时,利用实验标定的方法对理论分析结果进行了验证。 本论文的研究内容为不同温度下材料表面双向反射分布函数测量数据库的建立奠定了坚实的理论和技术基础。


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