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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。
如图1所示,双向反射分布函数其定义为反射方向(θr,Φr)小立体角的反射亮度的dLr(θi,Φi;θr,Φr)与入射方向(θi,Φi)小立体角入射照度dEi(θi,Φi)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) -
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。
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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。
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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 color Aqueous pigment layer/mL Catalytic layer/mL Distilled water/mL Remarks Green 0 30 2 Yellow 0.5 30 2 White 1 30 2 Orange 2 30 2 Blue 3 30 2 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。
BRDF equivalent test method of typical stereo target
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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。Abstract: In view of the existing BRDF tests are for planar targets, not for stereo targets, equivalent test method was proposed for stereo targets BRDF. By combining different reflectivity coating child-blocks into corresponding parent-block, stereo target spatial distribution of light scattering was equivalent. BRDF of axisymmetric cylinder target and its equivalent parent-block were tested by using the BRDF measuring system, and the curve correlation analysis was completed. The test results show that the BRDF equivalent method can measure the axisymmetric stereo targets and equivalent BRDF of stereo targets, when incident angle is small, or less than 30°. BRDF equivalent test method of axisymmetric stereo targets can be realized by founding planar ones.
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Key words:
- BRDF equivalent test /
- axisymmetric stereo target /
- small incident angle
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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 color Aqueous pigment layer/mL Catalytic layer/mL Distilled water/mL Remarks Green 0 30 2 Yellow 0.5 30 2 White 1 30 2 Orange 2 30 2 Blue 3 30 2 -
[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)