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典型立体目标等效BRDF测试方法

王伟 李铁 侯亚丽

王伟, 李铁, 侯亚丽. 典型立体目标等效BRDF测试方法[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(4): 0403011-0403011-6. doi: 10.3788/IRLA202049.0403011
引用本文: 王伟, 李铁, 侯亚丽. 典型立体目标等效BRDF测试方法[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(4): 0403011-0403011-6. doi: 10.3788/IRLA202049.0403011
Wang Wei, Li Tie, Hou Yali. BRDF equivalent test method of typical stereo target[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(4): 0403011-0403011-6. doi: 10.3788/IRLA202049.0403011
Citation: Wang Wei, Li Tie, Hou Yali. BRDF equivalent test method of typical stereo target[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(4): 0403011-0403011-6. doi: 10.3788/IRLA202049.0403011

典型立体目标等效BRDF测试方法

doi: 10.3788/IRLA202049.0403011
详细信息
    作者简介:

    王伟(1982-),男,副研究员,主要从事目标特性光电测试方面的工作。Email:wwhero@126.com

  • 中图分类号: TN247

BRDF equivalent test method of typical stereo target

  • 摘要: 针对现有BRDF测试大多针对平面目标开展,缺乏有效立体目标测试手段,提出了一种典型立体目标等效BRDF测试方法,该方法利用不同反射率涂层的子块,通过不同子块组合成母块,等效相应典型立体目标光散射空间分布,利用BRDF测试系统获取了轴对称圆柱体目标和等效母块的BRDF数据,完成了两者之间测试结果曲线相关性分析。测试结果表明:该测试方法可测量入射角小于30°范围内轴对称立体目标BRDF,完成了小角度入射情况下典型立体目标等效BRDF测试。该方法通过平面目标构型,实现了轴对称立体目标的等效测试。
  • 图  1  BRDF的定义

    Figure  1.  Definition of BRDF

    图  2  BRDF测试系统图

    Figure  2.  BRDF test system diagram

    图  3  喷涂的不同反射率涂层表面母块图

    Figure  3.  Parent-block diagram with different reflectivities

    图  4  涂层母块样品测试照片

    Figure  4.  Test photo of coating parent-block sample

    图  5  0°入射绿色基底BRDF测试结果图

    Figure  5.  BRDF test results of green substrate at 0° incident angle

    图  6  10~40°入射绿色基底BRDF测试结果图

    Figure  6.  BRDF test results of green substrate at 10-40° incident angle

    图  7  10~40°入射蓝色基底BRDF 测试结果图

    Figure  7.  BRDF test results of blue substrate at 10-40° incident angle

    图  8  0~40°入射圆柱体立体目标BRDF测试结果图

    Figure  8.  BRDF test results of cylinder at 0-40° incident angle

    图  9  圆柱体BRDF等效母块实物图

    Figure  9.  BRDF equivalent parent-blocks of cylinder

    图  10  0~40°入射圆柱体等效母块BRDF测试结果图

    Figure  10.  BRDF test results of equivalent parent-blocks of cylinder at 0-40°incident angle

    图  11  0°入射绿内-蓝外母块与圆柱样品散射光强测试数据相关性对比图

    Figure  11.  Comparison of the accuracy of the scattering light intensity test data between the 0° incident green-blue-outer parent block and the cylindrical sample

    表  1  5种不同反射率涂料混合比列表

    Table  1.   List of mixed ratios of 5 different reflective coatings

    Base colorAqueous pigment layer/mLCatalytic layer/mLDistilled water/mLRemarks
    Green0302
    Yellow0.5302
    White1302
    Orange2302
    Blue3302
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  • [1] 高奇. 双向反射分布函数测量装置接收系统研究[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2014.

    Gao Qi. Study of the receiving system of the bidirectional reflectance distribution function measurement[D]. Xi'an: Xidian University, 2014. (in Chinese)
    [2] 刘丁瑜, 易加维, 张徐洲, 等. 单子叶植物叶片双向反射分布的测量与分析[J]. 光谱学与光谱分析, 2019, 39(7): 2100−2106. doi:  10.3964/j.issn.1000-0593(2019)07-2100-07

    Liu Dingyu, Yi Jiawei, Zhang Xuzhou, et al. Measurement and analysis of bidirectional reflectance distribution in monocotyledons [J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2019, 39(7): 2100−2106. (in Chinese) doi:  10.3964/j.issn.1000-0593(2019)07-2100-07
    [3] 李新, 郑小兵, 寻丽娜, 等. 室外高光谱BRDF自动测量系统的设计[J]. 光学技术, 2008, 34(2): 262−264. doi:  10.3321/j.issn:1002-1582.2008.02.032

    Li Xin, Zheng Xiaobing, Xun Lina, et al. Design of automated field hyperspectral BRDF measurement system [J]. Optical Technique, 2008, 34(2): 262−264. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1002-1582.2008.02.032
    [4] 刘若凡, 张宪亮, 苏红雨, 等. 光学双向反射分布函数的测量装置研究[J]. 红外, 2014, 35(1): 14−17. doi:  10.3969/j.issn.1672-8785.2014.01.003

    Liu Ruofan, Zhang Xianliang, Su Hongyu, et al. Study of setup for measuring optical bidirectional reflectance distribution function [J]. Infrared, 2014, 35(1): 14−17. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1672-8785.2014.01.003
    [5] 李俊麟, 张黎明, 陈洪耀, 等. 双向反射分布函数绝对测量装置研制[J]. 光学学报, 2014, 34(5): 0528002. doi:  10.3788/AOS201434.0528002

    Li Junlin, Zhang Liming, Chen Hongyao, et al. Development of BRDF absolute measuring device [J]. Acta Optica Sinica, 2014, 34(5): 0528002. (in Chinese) doi:  10.3788/AOS201434.0528002
    [6] 杨钰琦. 粗糙面散射的BRDF方法研究[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2012.

    Yang Yuqi. Study on electromagnetic scattering from rough surface based on BRDF[D]. Xi'an: Xidian University, 2012. (in Chinese)
    [7] 赵青, 赵建科, 徐亮, 等. 航天消光黑漆双向反射分布函数的测量与应用[J]. 光学 精密工程, 2016, 24(11): 2627−2635. doi:  10.3788/OPE.20162411.2627

    Zhao Qing, Zhao Jianke, Xu Liang, et al. BRDF measurement of matte coating and its application [J]. Optics and Precision Engineering, 2016, 24(11): 2627−2635. (in Chinese) doi:  10.3788/OPE.20162411.2627
    [8] 王伟, 李铁, 李伟, 等. 黑体屏蔽背景的低可探测目标测试方法[J]. 制导与引信, 2018(1): 6−10.

    Wang Wei, Li Tie, Li wei, et al. Test method of the low detectable target under the background shielded by blackbody [J]. Guidance & Fuze, 2018(1): 6−10. (in Chinese)
  • [1] 郑青泉, 王春阳, 王子硕, 王增, 康丁.  斜入射下液晶偏振光栅衍射特性研究 . 红外与激光工程, 2022, 51(7): 20210511-1-20210511-9. doi: 10.3788/IRLA20210511
    [2] 王晓艳, 徐高魁.  基于立体视觉与特征匹配的点云目标识别算法 . 红外与激光工程, 2022, 51(9): 20210596-1-20210596-7. doi: 10.3788/IRLA20210596
    [3] 李晓曼, 胡斌, 何嘉亮, 葛建云, 周吉, 徐冰.  点目标成像红外遥感器探测信噪比测试研究 . 红外与激光工程, 2022, 51(8): 20210929-1-20210929-6. doi: 10.3788/IRLA20210929
    [4] 范芯蕊, 刁晓飞, 吴剑威, 康岩辉.  高精度轴对称非球面反射镜轮廓测量方法(特邀) . 红外与激光工程, 2022, 51(9): 20220500-1-20220500-8. doi: 10.3788/IRLA20220500
    [5] 黄建鲁, 沈涛, 孙宾宾, 崔晓荣.  激光角度欺骗假目标干扰空域评估技术研究 . 红外与激光工程, 2021, 50(9): 20210008-1-20210008-7. doi: 10.3788/IRLA20210008
    [6] 李重阳, 张志飞, 吕宠, 朱永红, 边志峰, 张春瑞, 王蓉, 刘辉, 都晓寒.  高分七号双线阵立体测绘相机系统集成与测试 . 红外与激光工程, 2021, 50(1): 20200143-1-20200143-6. doi: 10.3788/IRLA20200143
    [7] 杨亮亮.  衍射光学元件斜入射衍射效率的测量 . 红外与激光工程, 2018, 47(1): 117003-0117003(5). doi: 10.3788/IRLA201847.0117003
    [8] 孙华燕, 郭惠超, 范有臣, 王帅.  激光主动成像中的BRDF特性 . 红外与激光工程, 2017, 46(S1): 18-23. doi: 10.3788/IRLA201746.S106004
    [9] 来颖, 沈正祥, 王占山, 谭天乐, 顾玥.  基于菲涅尔双棱镜的在轨小角度测量方法 . 红外与激光工程, 2016, 45(3): 317002-0317002(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0317002
    [10] 侯宇.  LED小角度照明透镜的设计 . 红外与激光工程, 2016, 45(5): 518004-0518004(3). doi: 10.3788/IRLA201645.0518004
    [11] 张彤, 代晓东, 陈春生, 陈亮, 代梦艳, 刘海锋, 任丽娜.  非全视场条件下目标红外发射率的测试和计算 . 红外与激光工程, 2015, 44(1): 1-5.
    [12] 万一龙, 柏连发, 韩静, 张毅.  低照度双目立体显著目标距离测定方法与实现 . 红外与激光工程, 2015, 44(3): 1053-1060.
    [13] 张瑞, 王志斌, 温廷敦, 王耀利, 李克武.  新型等效斜楔设计 . 红外与激光工程, 2015, 44(9): 2716-2720.
    [14] 袁良, 占春连, 李燕, 卢飞, 李正琪, 李涛.  红外目标光谱辐射亮度测试技术 . 红外与激光工程, 2015, 44(12): 3807-3811.
    [15] 邵士勇, 梅海平, 黄印博, 饶瑞中.  大气气溶胶等效吸收的研究 . 红外与激光工程, 2014, 43(4): 1057-1061.
    [16] 吕相银, 金伟, 杨莉.  地面目标红外立体特征 . 红外与激光工程, 2014, 43(9): 2810-2814.
    [17] 张乐, 梁冬明, 姚梅, 张曼菊, 张雷.  红外搜索跟踪系统作用距离等效折算 . 红外与激光工程, 2013, 42(1): 26-30.
    [18] 高翔, 方洋旺, 颜世权, 雍霄驹, 张磊.  仅有角度测量的双机协同机动目标跟踪定位路径规划 . 红外与激光工程, 2013, 42(10): 2805-2811.
    [19] 叶继飞, 洪延姬.  轴对称流场的彩色纹影密度场定量测量 . 红外与激光工程, 2013, 42(12): 3335-3338.
    [20] 张雷洪, 孙刘杰, 马秀华.  激光跟踪中目标卫星表面BRDF对回波信号的影响 . 红外与激光工程, 2012, 41(8): 2048-2052.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-15
  • 修回日期:  2020-03-20
  • 刊出日期:  2020-04-01

典型立体目标等效BRDF测试方法

doi: 10.3788/IRLA202049.0403011
    作者简介:

    王伟(1982-),男,副研究员,主要从事目标特性光电测试方面的工作。Email:wwhero@126.com

  • 中图分类号: TN247

摘要: 针对现有BRDF测试大多针对平面目标开展,缺乏有效立体目标测试手段,提出了一种典型立体目标等效BRDF测试方法,该方法利用不同反射率涂层的子块,通过不同子块组合成母块,等效相应典型立体目标光散射空间分布,利用BRDF测试系统获取了轴对称圆柱体目标和等效母块的BRDF数据,完成了两者之间测试结果曲线相关性分析。测试结果表明:该测试方法可测量入射角小于30°范围内轴对称立体目标BRDF,完成了小角度入射情况下典型立体目标等效BRDF测试。该方法通过平面目标构型,实现了轴对称立体目标的等效测试。

English Abstract

    • 双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)可以描述粗糙面的散射与辐射特性,在目标探测、跟踪、识别、特征提取和隐身技术等领域具有重要的应用价值[1]。实际应用中,人们除了测试平面目标BRDF外,对立体目标的BRDF也有相当迫切的研究需求[2]。目前BRDF测试方法主要利用相对测量法,通过测量已知反射率的标准板和未知的平面样片,经过对比计算得出测试样片的BRDF,测量的样品为平面样片[3]。刘若凡等[4]研制的双向反射仪通过转角装置实现对样品的半球空间光散射特性测量。李俊麟等[5]研制的BRDF高精度绝对测量装置,可快速、高精度、无遮挡、全自动地实现全角度BRDF绝对测量。杨钰琦[6]结合双向反射分布函数研究空间随机粗糙面的电磁散射特性。然而,上述测量装置和方法全部针对粗糙平面的散射与辐射特性进行测量研究,存在一定的局限性。对于立体目标的周向散射与辐射特性,上述测量装备和方法都不适用,具有无法避免的较大测试误差[7]。针对现有BRDF测试只是针对平面目标,无法测试立体目标的问题,文中提出了一种典型立体目标等效BRDF测试方法。

    • BRDF能够描述各向同性材料粗糙表面半球空间的光辐射特性和方向散射特性。在特定的条件下,包括均匀的照度、均匀且各向同性的平面和由于次平面散射而产生的边界效应,一个反射表面的几何反射特性是根据双向反射分布函数来确定的。

      图1所示,双向反射分布函数其定义为反射方向(θrΦr)小立体角的反射亮度的dLrθiΦiθrΦr)与入射方向(θiΦi)小立体角入射照度dEiθiΦi)的比值[8],其定义公式为:

      $${f_r}({\theta _i},{\varphi _i};{\theta _r},{\varphi _r}) \!=\! {{{\rm{d}}{L_r}({\theta _i},{\varphi _i};{\theta _r},{\varphi _r};{E_i})} / {{\rm{d}}{E_i}({\theta _i},{\varphi _i})\;[{\rm{sr}}^{ - {\rm{1}}}}]}$$ (1)

      图  1  BRDF的定义

      Figure 1.  Definition of BRDF

    • 测试系统如图2所示,主要由BRDF装置测量架及传动系统、光源及探测系统、数据采集及控制系统和数据库系统组成。该系统通过入射光源电机、探测器接收天顶角电机、水平方位电机3个电机的运动,得到测量样品在整个上半球空间中的光强分布情况。测量过程中,样片保持不动,且始终处于方位圆的圆心水平的载物平台上;入射光源的方向始终照射样片,入射角范围为(0~75°);探测器接收天顶角为(−70~+70°),接收方位角为(0~360°);从而实现在半球空间中不断变化入射和接收方向的目的。

      图  2  BRDF测试系统图

      Figure 2.  BRDF test system diagram

    • BRDF对立体目标测试受限于几何形体,为探索BRDF测量系统对立体目标的空间光散射特性测试,采用等效BRDF概念,即在小入射角度入射光照射目标时,任一轴对称立体目标在空间的光学散射特性表征,总能找到与之对应的平面目标表征,两者表征完全一致,该平面目标的空间光散射特性表征即可等效相应立体目标表征。按照等效的概念,首先制备不同反射率涂层的平面小区域块(称之为子块),测试已有典型立体目标的BRDF,根据测试结果将制备的子块按一定规律组合成可测试的平面大区域块(称之为母块),该母块即为等效的平面目标。利用BRDF测试系统测量母块,对两者测试结果曲线进行相关性分析,依据相关系数大小判断该平面目标等效程度,验证典型立体目标等效BRDF测试方法。需要说明的是,将典型立体目标等效成相应平面目标,则可以利用BRDF测试系统测量平面目标的能力对其进行测试,其测试结果也能真实反映对应典型立体目标的BRDF散射特性,完成典型立体目标的BRDF测试。

    • 测试系统入射光采用准直光源,入射光斑大于50 mm,考虑光斑大小,选取10 mm×10 mm尺寸的方块制作不同反射率涂层子块若干组,根据立体目标空间光散射特性将不同反射率涂层的子块依序排列,形成一个50 mm×50 mm的不同反射率涂层区域组成的母块,该母块即为等效立体目标的平面目标样品。

      涂料选用美国Avian Technologies公司的Avian系列漫反射涂料。该系列涂料适合温度、湿度条件苛刻的野外环境使用,主要用作校正板和遥感靶标,也可用于积分球内壁涂料。将水相色素层和催化层按照不同的比例混合,可得到不同反射率涂料。

      喷涂时,按照子块的底部颜色选取绿、黄、白、橙、蓝5种颜色基底,将涂料水相色素层和催化层根据不同比例混合成5种不同反射率涂料,具体比例划分如表1所示。

      表 1  5种不同反射率涂料混合比列表

      Table 1.  List of mixed ratios of 5 different reflective coatings

      Base colorAqueous pigment layer/mLCatalytic layer/mLDistilled water/mLRemarks
      Green0302
      Yellow0.5302
      White1302
      Orange2302
      Blue3302

      喷涂完成后的不同反射率涂层表面母块如图3所示,喷涂子块就可以作为立体目标等效BRDF测试模型的最小单元,将不同反射率涂层的各子块按照某一立体目标空间光散射特性分布规律组合拼接成图中的母块,其空间光散射特性即可等效为该立体目标BRDF。

      图  3  喷涂的不同反射率涂层表面母块图

      Figure 3.  Parent-block diagram with different reflectivities

    • 首先,对制作的5种反射率涂层样品进行测量标定,得出同一反射率涂层样品光散射空间分布特征,然后对某一典型立体目标样品进行BRDF测试,分析空间光散射特性分布规律,根据分布规律变化组合拼接不同反射率涂层子块,形成等效母板,等效典型立体目标的BRDF。

      验证该方法的可行性,其实就是验证制作的等效母板与对应典型立体目标空间光散射特性分布规律的相似程度,两者相似程度高,说明等效成功,该方法可行,反之则不可行。

    • 利用BRDF测试系统对喷涂的5种涂层(图3)母块进行BRDF测试,得出其不同涂层母块空间光散射特性。测试时,入射角0°、接收方位角0°、接收天顶角−70~70°,分辨率5°,镜向加密,入射光波长940 nm。测试样品放置于近似黑体内小型高低和水平可调的载物平台上,样品四周用黑绒布遮挡用以降低背景干扰。具体测试样品放置如图4所示。

      图  4  涂层母块样品测试照片

      Figure 4.  Test photo of coating parent-block sample

      测试的绿色基底涂层样品测量结果如图5所示。

      图  5  0°入射绿色基底BRDF测试结果图

      Figure 5.  BRDF test results of green substrate at 0° incident angle

      黄、白、橙、蓝4种颜色基底涂层样品测量结果曲线与之相似,不再一一罗列。由测试结果得出涂料中随着水相色素层含量的逐渐增多,喷涂的涂层BRDF测试回波幅值逐渐减小:绿(471 mV)>黄(423 mV)>白(384 mV)>橙(319 mV)>蓝(152 mV)。

      根据测试结果选取两个反射率涂层相差最大的样品,进行入射角10°、20°、30°和40°相同条件下的BRDF测量。其测试结果如图67所示。

      图  6  10~40°入射绿色基底BRDF测试结果图

      Figure 6.  BRDF test results of green substrate at 10-40° incident angle

      图  7  10~40°入射蓝色基底BRDF 测试结果图

      Figure 7.  BRDF test results of blue substrate at 10-40° incident angle

    • 选取金属圆柱体作为典型立体目标进行测试。选取的圆柱体直径50 mm,高70 mm,表面进行氧化发黑处理,并且涂覆了深蓝色涂层。测试结果如图8所示。

      图  8  0~40°入射圆柱体立体目标BRDF测试结果图

      Figure 8.  BRDF test results of cylinder at 0-40° incident angle

    • 根据图8测试结果曲线,分析空间光散射特性分布情况,组合不同反射率涂层区域目标样品母块,等效圆柱体目标。等效结果如图9所示。

      图  9  圆柱体BRDF等效母块实物图

      Figure 9.  BRDF equivalent parent-blocks of cylinder

      对上述等效母块按照立体目标的测试条件进行BRDF测试,所得测试结果如图10所示。

      图  10  0~40°入射圆柱体等效母块BRDF测试结果图

      Figure 10.  BRDF test results of equivalent parent-blocks of cylinder at 0-40°incident angle

    • 为了验证等效母块与对应典型立体目标空间光散射特性分布规律的相似程度,利用MATLAB软件分析上述测试结果数据曲线的相关性,得出相关系数。通过相关系数大小评价两者测试结果曲线相似程度,进而验证典型立体目标等效BRDF测试方法的可行性。

      利用MATLAB软件处理了圆柱体目标和绿内-蓝外基底涂层母块BRDF测试结果,按照入射角度不同(0°、10°、20°、30°和40°入射)对两者测试数据曲线的相关性进行了对比分析,得出两者的相关系数。其中0°入射分析相关性曲线如图11所示。

      图  11  0°入射绿内-蓝外母块与圆柱样品散射光强测试数据相关性对比图

      Figure 11.  Comparison of the accuracy of the scattering light intensity test data between the 0° incident green-blue-outer parent block and the cylindrical sample

      其他角度入射相关性曲线与0°入射大致相同,就不再一一罗列。由对比结果可以看出,五种典型入射角度下,圆柱体和绿内-蓝外涂层母块样品回波电压测试数据相关系数依次为:0.929 9、0.895 5、0.880 7、0.792 9和0.535 8。根据测试数据相关系数及等效的经验判据,设置等效成功时两者测试结果相关系数大于0.7(相关系数大于0.7的设置是一个经验数值,是专家认可的数值)。因此,绿内-蓝外母块等效圆柱体样品时在入射角度0°、10°、20°和30°时等效程度比较高,而入射角度40°时等效效果较差。分析原因:随着入射角度逐渐增大,圆柱体样品的侧面散射光强对测试结果的影响逐渐加大,以至于该方法只能等效出入射角30°内的圆柱体目标样品。随着入射角的增大,相关系数由0.929 9逐渐减小到0.535 8也说明了该问题。

      综上,绿内-蓝外基底涂层母块样品可以等效小角度内(30°入射角内)圆柱体样品的BRDF,但是入射角大于40°后,由于圆柱体侧面散射光强对测试结果的影响逐渐加大,该母块对圆柱体样品的等效效果较差,该测试方法误差变大。

    • 文中提出了一种典型立体目标等效BRDF测试方法。该方法利用不同反射率涂层的子块,通过不同子块组合成母块等效相应轴对称立体目标光散射空间BRDF分布,经BRDF测试系统测量了轴对称圆柱体目标和等效母块BRDF,完成了测试结果曲线相关性对比分析。测试结果表明:等效母块在入射角小于30°范围内可以有效表征圆柱体样品的BRDF,超出该范围时,由于目标侧面散射光强对测试结果的影响逐渐加大,等效效果变差,该测试方法误差变大。

参考文献 (8)

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