CN112149310A - 一种空间质子辐照环境下材料表面brdf建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间质子辐照环境下材料表面BRDF建模方法。步骤1：选择一种经过验证且没有考虑质子辐照的空间目标材料表面BRDF模型作为基础模型；步骤2：根据步骤1所述基础模型建立空间质子辐照环境下材料表面BRDF模型；步骤3：利用质子辐照量及对应的BRDF测量数据对步骤2的模型进行拟合，确定模型中的待定参数集合Ω中的所有待定参数，即完成了空间质子辐照环境下材料表面BRDF的建模。本发明能有效分析不同在轨时间内不同量的质子辐照对BRDF特性的影响规律，支撑空间辐照环境下空间目标反射特性仿真、分析及相关应用。

Description

一种空间质子辐照环境下材料表面BRDF建模方法

技术领域

本发明属于材料表面散射特性领域；具体涉及一种空间质子辐照环境下材料表面BRDF建模方法。

背景技术

空间目标表面的包覆材料一般为聚酰亚胺镀铝薄膜，也称Kapton/Al薄膜二次表面镜，是一种复合表面，常用作空间目标表面包覆的热控材料。

材料表面BRDF是影响空间目标反射特性的主要因素，是空间目标探测、识别的数据基础及源头，是该领域的核心研究内容。近些年来，在BRDF建模方面开展了诸多研究工作，但主要还是在地面光照条件下的BRDF测量与建模。

然后，空间目标处于太空辐照环境下，质子辐照对空间目标表面BRDF特性的影响不可忽略。因此，为了体现质子辐照对材料表面BRDF的影响，需要将质子辐照注量作为BRDF模型中的变量，建立质子辐照对BRDF的影响模型，进而对空间目标光度信号的仿真、分析和应用提供有效支撑。

发明内容

本发明提供了一种空间质子辐照环境下材料表面BRDF建模方法，有效分析不同在轨时间内不同量的质子辐照对BRDF特性的影响规律，支撑空间辐照环境下空间目标反射特性仿真、分析及相关应用。

本发明通过以下技术方案实现：

一种空间质子辐照环境下材料表面BRDF建模方法，所述建模方法包括以下步骤：

步骤1：选择一种经过验证且没有考虑质子辐照的空间目标材料表面BRDF模型作为基础模型；

步骤2：根据步骤1所述基础模型f₁(θ_i,θ_r,φ_i,φ_r,Ω₁)建立空间质子辐照环境下材料表面BRDF模型，

f(θ_i,θ_r,φ_i,φ_r,Ω)＝f₁(θ_i,θ_r,φ_i,φ_r,Ω₁)f₂(I_P,θ_r,Ω₂)

其中，θ_i、

分别为入射天顶角、入射方位角；θ_r、

分别为反射天顶角、反射方位角；Ω₁为基础模型的待定参数集合；

表示质子辐照对BRDF的影响模型；I_P表示质子辐照注量；Ω₂为影响模型的待定参数集合，Ω₂＝{A,B,C,D,E,F}，Ω为整体模型的待定参数集合；

步骤3：利用质子辐照量及对应的BRDF测量数据对步骤2的模型进行拟合，确定模型中的待定参数集合Ω中的所有待定参数，即完成了空间质子辐照环境下材料表面BRDF的建模。

进一步的，所述步骤1的基础模型具体可为以下模型中的一种，Torrance-Sparrow五参数模型、Phong模型、Cook/Torrance模型、Ward模型或经过验证的基础模型。

进一步的，所述步骤1的基础模型选择为

其中，θ_i、

分别为入射天顶角、入射方位角；θ_r、

分别为反射天顶角、反射方位角；Ω₁为基础模型的待定参数集合；D为微面元分布函数，D＝exp[c(1-cosγ)^d]，

为入射方位角与反射方位角的夹角，即

G为几何衰减因子，

F(θ_i,λ)为菲涅尔反射系数，F(θ_i)＝exp[a(b-cosθ_i)²]；k_s为镜面反射系数；k_d为漫反射系数；可调参数集合Ω₁＝{a,b,c,d,k_s,k_d}。

进一步的，所述步骤2中的空间质子辐照环境下材料表面BRDF模型具体为，

其中，Ω为整体模型的待定参数集合，Ω＝{a,b,c,d,k_s,k_d,A,B,C,D,E,F}。

本发明的有益效果是：

(1)本发明考虑空间质子辐照，建立了含有质子辐照注量的空间目标材料表面的BRDF模型，可描述质子辐照条件下材料表面BRDF的演变规律。

(2)本发明的模型包含两部分，一部分为基础模型，一部分为辐照影响模型，二者融合即可建立质子辐照条件下的材料表面BRDF模型。

(3)本发明的基础模型可以采用任何一种能够表征非质子辐照条件下的材料表面BRDF的典型模型形式，因此融合模型是一种通用BRDF表征模型。

(4)本发明中引入的质子辐照对BRDF的影响模型，采用多待定参数形式，可以有效拟合测量数据。

附图说明

附图1本发明的建模流程。

附图2本发明入射角30度时BRDF测量结果与建模结果的比对示意图，图2-(a)入射角30度时BRDF测量结果与建模结果未辐伏示意图，图2-(b)入射角30度时BRDF测量结果与建模结果辐照注量为5×10¹⁴cm^-2示意图，图2-(c)入射角30度时BRDF测量结果与建模结果辐照注量5×10¹⁵cm^-2示意图，图2-(d)入射角30度时BRDF测量结果与建模结果辐照注量为1×10¹⁵cm^-2示意图，图2-(e)入射角30度时BRDF测量结果与建模结果辐照注量1×10¹⁶cm^-2示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种空间质子辐照环境下材料表面BRDF建模方法，所述建模方法包括以下步骤：

步骤1：选择一种经过验证且没有考虑质子辐照的空间目标材料表面BRDF模型作为基础模型；

步骤2：根据步骤1所述基础模型f₁(θ_i,θ_r,φ_i,φ_r,Ω₁)建立空间质子辐照环境下材料表面BRDF模型，

f(θ_i,θ_r,φ_i,φ_r,Ω)＝f₁(θ_i,θ_r,φ_i,φ_r,Ω₁)f₂(I_P,θ_r,Ω₂)

其中，θ_i、

分别为入射天顶角、入射方位角；θ_r、

分别为反射天顶角、反射方位角；Ω₁为基础模型的待定参数集合；

表示质子辐照对BRDF的影响模型；I_P表示质子辐照注量；Ω₂为影响模型的待定参数集合，Ω₂＝{A,B,C,D,E,F}，Ω为整体模型的待定参数集合；

步骤3：利用质子辐照量及对应的BRDF测量数据对步骤2的模型进行拟合，确定模型中的待定参数集合Ω中的所有待定参数，即完成了空间质子辐照环境下材料表面BRDF的建模。

进一步的，所述步骤1的基础模型具体可为以下模型中的一种，如Torrance-Sparrow五参数模型、Phong模型、Cook/Torrance模型、Ward模型或经过验证的基础模型。

进一步的，所述步骤1的基础模型选择为

其中，θ_i、

分别为入射天顶角、入射方位角；θ_r、

分别为反射天顶角、反射方位角；Ω₁为基础模型的待定参数集合；D为微面元分布函数，D＝exp[c(1-cosγ)^d]，

为入射方位角与反射方位角的夹角，即

G为几何衰减因子，

F(θ_i,λ)为菲涅尔反射系数，F(θ_i)＝exp[a(b-cosθ_i)²]；k_s为镜面反射系数；k_d为漫反射系数；可调参数集合Ω₁＝{a,b,c,d,k_s,k_d}。

进一步的，所述步骤2中的空间质子辐照环境下材料表面BRDF模型具体为，

其中，Ω为整体模型的待定参数集合，Ω＝{a,b,c,d,k_s,k_d,A,B,C,D,E,F}。

实施例2

选160keV质子进行辐照试验，选择试验注量为5×10¹⁴个/cm²、1×10¹⁵个/cm²、5×10¹⁵个/cm²及1×10¹⁶个/cm²。测量得到材料表面的光谱BRDF，针对532nm波段的测量结果进行建模，采用神经网络拟合方法求解待定参数集合中的所有待定参数，求解结果见表1所示，入射角30度时BRDF测量结果与建模结果的比对示意图如图2所示，可见建模方法具有较高的精度。

可见，辐照注量增大时，材料表面BRDF下降；相对无质子辐照条件，辐照注量为1×10¹⁶cm^-2时，BRDF的峰值下降超过50％，说明了质子辐照对材料表面的BRDF有较严重的影响。同时，说明了本发明建立的质子辐照条件下的BRDF参数模型可较好的表征材料表面BRDF特性。

表1空间质子辐照条件下的材料表面BRDF建模结果

Claims (4)

1.一种空间质子辐照环境下材料表面BRDF建模方法，其特征在于，所述建模方法包括以下步骤：

步骤1：选择一种经过验证且没有考虑质子辐照的空间目标材料表面BRDF模型作为基础模型；

步骤2：根据步骤1所述基础模型f₁(θ_i,θ_r,φ_i,φ_r,Ω₁)建立空间质子辐照环境下材料表面BRDF模型，

f(θ_i,θ_r,φ_i,φ_r,Ω)＝f₁(θ_i,θ_r,φ_i,φ_r,Ω₁)f₂(I_P,θ_r,Ω₂)

其中，θ_i、

分别为入射天顶角、入射方位角；θ_r、

分别为反射天顶角、反射方位角；Ω₁为基础模型的待定参数集合；

表示质子辐照对BRDF的影响模型；I_P表示质子辐照注量；Ω₂为影响模型的待定参数集合，Ω₂＝{A,B,C,D,E,F}，Ω为整体模型的待定参数集合；

步骤3：利用质子辐照量及对应的BRDF测量数据对步骤2的模型进行拟合，确定模型中的待定参数集合Ω中的所有待定参数，即完成了空间质子辐照环境下材料表面BRDF的建模。

2.根据权利要求1所述一种空间质子辐照环境下材料表面BRDF建模方法，其特征在于，所述步骤1的基础模型具体可为以下模型中的一种，Torrance-Sparrow五参数模型、Phong模型、Cook/Torrance模型、Ward模型或经过验证的基础模型。

3.根据权利要求2所述一种空间质子辐照环境下材料表面BRDF建模方法，其特征在于，所述步骤1的基础模型选择为

其中，θ_i、

分别为入射天顶角、入射方位角；θ_r、

分别为反射天顶角、反射方位角；Ω₁为基础模型的待定参数集合；D为微面元分布函数，D＝exp[c(1-cosγ)^d]，

为入射方位角与反射方位角的夹角，即

G为几何衰减因子，

F(θ_i,λ)为菲涅尔反射系数，F(θ_i)＝exp[a(b-cosθ_i)²]；k_s为镜面反射系数；k_d为漫反射系数；可调参数集合Ω₁＝{a,b,c,d,k_s,k_d}。

4.根据权利要求1所述一种空间质子辐照环境下材料表面BRDF建模方法，其特征在于，所述步骤2中的空间质子辐照环境下材料表面BRDF模型具体为，

其中，Ω为整体模型的待定参数集合，Ω＝{a,b,c,d,k_s,k_d,A,B,C,D,E,F}。

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