CN105891156B - 一种星表材料双向散射分布函数测试方法 - Google Patents

一种星表材料双向散射分布函数测试方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105891156B
CN105891156B CN201610189036.8A CN201610189036A CN105891156B CN 105891156 B CN105891156 B CN 105891156B CN 201610189036 A CN201610189036 A CN 201610189036A CN 105891156 B CN105891156 B CN 105891156B
Authority
CN
China
Prior art keywords
wavelength
distribution function
star catalogue
azimuth
gauge plate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610189036.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105891156A (zh
Inventor
汪少林
马文佳
杨春燕
何军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Satellite Engineering
Original Assignee
Shanghai Institute of Satellite Engineering
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Satellite Engineering filed Critical Shanghai Institute of Satellite Engineering
Priority to CN201610189036.8A priority Critical patent/CN105891156B/zh
Publication of CN105891156A publication Critical patent/CN105891156A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105891156B publication Critical patent/CN105891156B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4738—Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N2021/4704—Angular selective
    • G01N2021/4711—Multiangle measurement

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

本发明提供一种星表材料双向散射分布函数测试方法，解决整星状态下星表材料对杂散光测试的影响问题。包括：步骤A：采用单色仪将氙灯光谱按要求分出多个波长；步骤B：选取特定波长光谱和特定出入射角度进行整星状态下标准板和星表材料的输出电压测试，以及标准板随波长变化的半球反射率测试；步骤C：通过单色仪改变光谱波长，利用二维转动测量系统精确改变卫星空间角度，从而改变光线出入射角度，并重复步骤B；步骤D：建立改进的各向异性高斯模型；步骤E：采用基于各向异性的改进型高斯模型进行BRDF计算。本发明取得了方法合理、操作可行、快速高效、适应性强、数据准确可靠等有益效果，适用于光学卫星整星状态下的杂散光测试。

Description

一种星表材料双向散射分布函数测试方法
技术领域
本发明涉及卫星等航天器整星状态下光学载荷杂散光测试方法。
背景技术
整星状态下的杂散光与卫星布局设计和星表材料散射特性密切相关，载荷的光学系统杂散光抑制设计、整星布局合理性分析、杂散光的测试方案设计都需要进行杂散光分析仿真，因此，在进行整星状态下的杂散光测试前必须对整星状态下星表材料进行散射特性测试，从而代入杂散光仿真软件进行更加精确的整星状态下杂散光仿真和分析。对杂散光的测试结果也可通过杂散光软件逆向追迹确定敏感杂散源，从而进行星表材料的调换和控制，并对关键散射表面提出散射特性要求。而散射表面的散射特性一般采用双向散射分布函数(BRDF)描述，现有大多数的测试方法为直接测量星表材料样件的散射特性，其忽略了样件在装星后的状态变化而引发的散射特性变化。且大多杂散光分析软件采纳ABg模型数学表征的BRDF，然而ABg模型计算量大且误差精度不高，寻求更快捷精准的计算模型是有必要的。
发明内容
为了解决光学卫星整星状态下地面杂散光测试问题，本发明提供一种星表材料的双向散射分布函数测试方法，基于新型模型的整星状态下星表材料BRDF测试计算，也是卫星光学载荷杂散光精确分析和杂散光验证测试的前提。
为了达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种星表材料的双向散射分布函数测试方法，包括如下步骤：
步骤A：采用单色仪将氙灯光谱按要求分出多个波长；
步骤B：选取波长光谱和入射角度进行整星状态下标准板和星表材料的输出电压测试、以及标准板随波长变化的半球反射率测试；
步骤C：改变光谱波长和卫星的出、入射角度和方位角，并重复步骤B；
步骤D：建立各向异性高斯模型；
步骤E：利用模型进行双向反射分布函数仿真计算。
步骤A中，选用光谱范围为400～1000nm的氙灯，并采用单色仪分成10nm的谱段间隔，并经准直系统入射至被测材料表面。
步骤B中，结合卫星实际的表面材料状态，采用整星状态下的输出电压测试，获得数据。
步骤B中，通过测量标准板和实际材料的输出电压以及标准板随波长变化的半球反射率得到双向反射分布函数如下：
对于理想漫射面而言，探测器输出电压值为：
式中，(θi，Φi)表示某特定波长入射光源的天顶角和方位角，(θr，Φr)表示探测器观测方向的天顶角和方位角，λi表示入射光源的波长，Vs(θi，Φi，θr，Φr)为测试实际材料的反射亮度或电压；为0°入射的标准板反射亮度或电压，ρ(λi)为该谱段范围内的标准板反射率。
步骤C中，基于二维转动测量系统调整卫星的空间角度，从而调整光线的出、入射角和方位角，角分辨率大于0.001°。
步骤D中，所述各向异性高斯模型中包含有波长因子，用于计算星表材料表面的BRDF。
所述异性高斯模型数学表达式如下：
其中：
式中fr(θi,φi,θr,φr)为双向反射分布函数，等式右边第一项为朗伯体分量即漫反射分量，第二项为相干分量，即镜面反射分量，ρd为漫反射系数，ρs为镜面反射系数，ax为方向上的表面斜率均方根，ay为方向上的表面斜率均方根，k为与波长相关的比例系数，用于对改变波长而产生的数值影响的修正，λ为波长。
本发明带来以下有益效果：
本发明所提供的星表材料的双向散射分布函数测试方法，方法合理、操作可行，快速高效、适应性强、数据准确可靠等有益效果，适用于光学卫星整星状态下的杂散光测试，应用前景广泛。
附图说明
图1为本发明测试方法流程图；
图2为本发明BRDF几何关系示意图；
图3为本发明BRDF整星二维测量装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案做进一步详细的描述。
本发明采用整星状态下对星表材料进行测试，采用BRDF测试方法，即采用光源照射材料表面测得各向散射强度与标准漫反板的同光源散射强度相比。针对光学卫星的测试要求如下：
(1)输入条件
光谱范围：400～1000nm，谱段间隔10nm；
入射角度：方位：0°；俯仰：0°～60°，间隔5°
出射角度：方位：0°；俯仰：-70°～70°，间隔5°
(2)技术要求
实验中，用单色仪将氙灯光谱按要求分出各个波长，通过测量标准板和实际材料的输出电压以及标准板随波长变化的半球反射率可得到双向反射分布函数如下：
对于理想漫射面而言，探测器输出电压值为：
式中，(θi，Φi)表示某特定波长入射光源的天顶角和方位角，(θr，Φr)表示探测器观测方向的天顶角和方位角，λi表示入射光源的波长，Vs(θi，Φi，θr，Φr)为测试实际材料的反射亮度或电压；为0°入射的标准板反射亮度或电压，ρ(λi)为该谱段范围内的标准板反射率。因此，需提供测试过程中所有原始数据及计算出的BRDF。数据包括但不限于：
1)实际材料测量亮度或电压值；
2)标准板0°入射的反射亮度或电压值；
3)标准板反射率；
4)实际材料BRDF测试计算值。
图1为本发明的测试方法流程，图2为本发明的BRDF几何关系示意图，图3为本发明BRDF二维测量装置示意图。
1)基于二维转动测量系统的数据采集
按图3在消光暗室10内搭建BRDF二维转动测量系统，根据测试要求，调节卫星1的空间角度，改变方位角和出入射角，并通过编码器测得调节后的精确角度。其中光源3采用氙灯光源，单色仪5选用OL 750-M-S，光谱分辨率优于5nm，准直系统4为单透镜系统，不平行度优于0.5°，编码器选用工业级欧姆龙编码器，测角精度优于0.001°，探测器2由球面反射镜和硅光电探测器组成，试验时根据不同角度工况记录完整数据。
2)改进型各向异性高斯模型建立
根据各向异性高斯模型，结合波长因子，提出改进的各向异性高斯模型来计算星表材料表面的BRDF，该模型属于几何光学模型，相对其它模型具有以下特点：
a、模型结构合理，参数物理意义明确；
b、能够很好地拟合实际测量得到的数据；
c、计算速度快，适合计算机仿真。
改进型各向异性高斯模型数学表达式如下：
其中：
式中fr(θi,φi,θr,φr)为双向反射分布函数，等式右边第一项为朗伯体分量(漫反射分量)，第二项为相干分量(镜面反射分量)，ρd为漫反射系数，ρs为镜面反射系数，ax为方向上的表面斜率均方根，ay为方向上的表面斜率均方根，k为本文提出的与波长相关的比例系数，用于对改变波长而产生的数值影响的修正，λ为波长。
3)优选实施例
测试得到不同波长、不同角度的原始数据后，可建立改进型各向异性高斯模型进行BRDF仿真计算，设星表材料的漫反射系数、镜面反射系数、方向上的表面斜率均方根、方向上的表面斜率均方根分别为0.2、0.8、0.15、0.15，计算波长设为550nm，比例系数k取0.1。
仿真计算后，可得BRDF二维曲线，并且数据可真实反映实际情况。
通过试验及仿真证明，本发明一种星表材料的双向散射分布函数测试方法合理、操作可行、快捷高效、数据真实的目的。该方法适应性强，较好地满足了光学卫星整星状态下的杂散光测试要求，对于光学卫星研制过程中地面杂散光测试具有重大的意义，对于对地遥感航天器具有借鉴作用。

Claims (4)

1.一种星表材料双向散射分布函数测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：采用单色仪将氙灯光谱按要求分出多个波长；
步骤B：选取波长光谱和入射角度进行整星状态下标准板和星表材料的输出电压测试、以及标准板随波长变化的半球反射率测试；
步骤C：改变光谱波长和卫星的出、入射角度和方位角，并重复步骤B；
步骤D：建立各向异性高斯模型，各向异性高斯模型中包含有波长因子，用于计算星表材料表面的BRDF，数学表达式如下：
其中：
式中，(θi，Φi)表示某特定波长入射光源的天顶角和方位角，(θr，Φr)表示探测器观测方向的天顶角和方位角，fr(θi,φi,θr,φr)为双向反射分布函数，等式右边第一项为朗伯体分量即漫反射分量，第二项为相干分量，即镜面反射分量，ρd为漫反射系数，ρs为镜面反射系数，ax为方向上的表面斜率均方根，ay为方向上的表面斜率均方根，k为与波长相关的比例系数，用于对改变波长而产生的数值影响的修正，λ为波长，为入射光源矢量与探测器观测矢量的相干度，为在入射表面法线方向上的归一化分量，为在方向上的归一化分量，为在方向上的归一化分量；
步骤E：利用模型进行双向反射分布函数仿真计算。
2.根据权利要求1所述的星表材料双向散射分布函数测试方法，其特征在于，步骤A中，选用光谱范围为400～1000nm的氙灯，并采用单色仪分成10nm的谱段间隔，并经准直系统入射至被测材料表面。
3.根据权利要求1所述的星表材料双向散射分布函数测试方法，其特征在于，步骤B中，通过测量标准板和实际材料的输出电压以及标准板随波长变化的半球反射率得到双向反射分布函数如下：
对于理想漫射面而言，探测器输出电压值为：
式中，(θi，Φi)表示某特定波长入射光源的天顶角和方位角，(θr，Φr)表示探测器观测方向的天顶角和方位角，λi表示入射光源的波长，Vs(θi，Φi，θr，Φr)为测试实际材料的反射亮度或电压；为0°入射的标准板反射亮度或电压，ρ(λi)为该谱段范围内的标准板反射率。
4.根据权利要求1所述的星表材料双向散射分布函数测试方法，其特征在于，步骤C中，基于二维转动测量系统调整卫星的空间角度，从而调整光线的出、入射角和方位角，角分辨率大于0.001°。
CN201610189036.8A 2016-03-29 2016-03-29 一种星表材料双向散射分布函数测试方法 Active CN105891156B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610189036.8A CN105891156B (zh) 2016-03-29 2016-03-29 一种星表材料双向散射分布函数测试方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610189036.8A CN105891156B (zh) 2016-03-29 2016-03-29 一种星表材料双向散射分布函数测试方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105891156A CN105891156A (zh) 2016-08-24
CN105891156B true CN105891156B (zh) 2019-02-15

Family

ID=57014636

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610189036.8A Active CN105891156B (zh) 2016-03-29 2016-03-29 一种星表材料双向散射分布函数测试方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105891156B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109342329A (zh) * 2018-10-26 2019-02-15 长春理工大学 Brdf自动测试系统及测试方法
CN109932341B (zh) * 2019-03-11 2021-03-23 北京环境特性研究所 野外环境下典型目标的双向反射分布函数测量方法
CN110489851B (zh) * 2019-08-14 2023-08-08 上海卫星工程研究所 基于光线追迹理论的光学有效载荷外部杂散光抑制方法
CN110455720B (zh) * 2019-08-19 2021-04-27 电子科技大学 一种基于镜漫比模型的红外传感器波段优化方法
CN115184282B (zh) * 2022-09-13 2023-01-17 北京理工大学 一种包含对比板的成像式散射属性测量系统及测量方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102162751A (zh) * 2010-08-25 2011-08-24 中国计量科学研究院 空间光学分布函数测量方法
CN103646175A (zh) * 2013-12-06 2014-03-19 西安电子科技大学 一种目标光谱辐射亮度的计算方法
CN103745055A (zh) * 2014-01-03 2014-04-23 西安电子科技大学 一种基于光谱brdf的空间目标可见光成像方法
CN105095608A (zh) * 2015-09-21 2015-11-25 上海卫星工程研究所 一种卫星杂散光的测试方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102162751A (zh) * 2010-08-25 2011-08-24 中国计量科学研究院 空间光学分布函数测量方法
CN103646175A (zh) * 2013-12-06 2014-03-19 西安电子科技大学 一种目标光谱辐射亮度的计算方法
CN103745055A (zh) * 2014-01-03 2014-04-23 西安电子科技大学 一种基于光谱brdf的空间目标可见光成像方法
CN105095608A (zh) * 2015-09-21 2015-11-25 上海卫星工程研究所 一种卫星杂散光的测试方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"基于时序光度信号的目标卫星状态特性估计";曾诚宇;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20160215(第02期);论文全文
"目标紫外光谱散射特性研究";李拓;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20130415(第04期);论文正文第27-31、35-36、45-46页
"采用时序多谱段信号分析的空间目标运动状态辨识";侯晴宇 等;《光学学报》;20150430;第35卷(第4期);第0401001-1至0401001-7页

Also Published As

Publication number Publication date
CN105891156A (zh) 2016-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105891156B (zh) 一种星表材料双向散射分布函数测试方法
EP3066437B1 (en) Texture analysis of a coated surface using kepler's planetary motion laws
US8345252B2 (en) Method and system for enhanced formulation and visualization rendering
CN101184986B (zh) 使用空间欠采样双向反射分布功能测量表面的外观属性
US10698365B2 (en) Method and system for generating computer-generated hologram
CN103743349B (zh) 一种纳米薄膜的测量方法及装置
Zhang et al. Measurement and statistical modeling of BRDF of various samples
Li et al. Automated three-axis gonioreflectometer for computer graphics applications
CN105066889B (zh) 一种便携式薄膜测厚仪及其膜厚测量方法
CN105823756A (zh) 一种金属太赫兹至远红外复折射率的联合反演方法
CN105675455A (zh) 一种在粒度分析仪中降低随机系统噪声的方法及装置
Han et al. Analysis of influential factors on a space target's laser radar cross-section
CN109740288A (zh) 一种模拟高速流场中星光传输的气动光学效应的方法
Ballestrín et al. Diagnosis of a Lambertian target in solar context
Yang et al. Degree of polarization modeling based on modified microfacet pBRDF model for material surface
CN110455720A (zh) 一种基于镜漫比模型的红外传感器波段优化方法
CN114216559A (zh) 一种星上定标机构的部分孔径因子测量方法和装置
CN108106714A (zh) 一种高稳定性的动态光弹超声定量测量装置和方法
CN107247038B (zh) 一种获取河流冰凌红外波段散射特性的方法
Bitterling et al. Physical models of the bidirectional reflectance of solar receiver coatings
Ceolato et al. Supercontiuum laser-based instrument to measure hyperspectral polarized BRDF
Jafolla et al. Bidirectional reflectance measurements for high-resolution signature modeling
Ceolato et al. Probing optical properties of nanomaterials
Wang et al. Virtual ellipsometry on layered micro-facet surfaces
Earp et al. Simplified BRDF of a non-Lambertian diffuse surface

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant