真实加工表面后向散射特性分析及表面参数反演

无合作目标激光绝对测距中,远距离、真实表面的后向散射特性机理不明朗,严重影响测距结果,是制约测距技术发展的重要瓶颈。以立铣、平铣、平磨等三种典型实际机械加工方式下的粗糙表面为研究对象,测量了在1 550 nm红外激光照射下形成的后向散射场,探究了不同加工方式下特殊后向散射场形成的原因,深入分析了表面纹理、入射方位角、入射角度、粗糙度对后向散射场分布的影响。实验结果分析表明,加工制造表面的后向散射光谱形态分布受加工方式的影响很大,且相互入射几何关系和粗糙度对每种加工方式下的实际粗糙表面均有规律性影响。为了能够获取足够的后向散射能量,对表面参数的识别反演显得十分重要。进一步构建了一种加工表面多维参数反演模型,采用另外一种加工方式(刨床)的样块数据进行验证,加工方式能够被准确区分,入射方位角和粗糙度反演的相对误差分别达到1.21%和1.03%,反演精度较高。经实验验证,通过表面参数的反演极大拓宽了无合作目标激光绝对测距的范围,有效降低了表面纹理、入射方位角、粗糙度等对测距范围的影响。这一研究结果还对具有纹理特征加工表面的后向散射光谱的研究和在其他领域的应用均具有一定的参考价值。     

空间目标表面材料反射率的测量北大核心

介绍了双向反射分布函数测量空间目标表面材料热特参数的原理和方法,搭建了双向反射分布函数光谱特性和激光散射特性测量平台,对空间目标的几种典型热控涂层反射率进行了测量。测量结果表明,在入射角为0°时,SR107白漆涂层的反射率为0.785;OSR,F46和聚酰亚胺薄膜对532 nm激光的反射率均大于90%。     

小斜率近似在粗糙面激光散射BRDF计算中的应用

基于小斜率近似法建立了粗糙面激光散射双向反射分布函数的数学模型,采用该模型计算了粗糙度参量已知的合金铝样片的双向反射分布函数值,计算结果与实测结果吻合良好,验证了模型的正确性.研究了粗糙度参量和样片光学常量对双向反射分布函数的影响,结果表明,粗糙面激光散射的双向反射分布函数与表面高度起伏均方根、自相关长度及样片光学常量相关.当入射波长一定时,高度起伏均方根越大,或者自相关长度越小,粗糙面粗糙度越大,入射激光的漫反射特性越强,双向反射分布函数峰值越小且分布越分散;当粗糙度一定时,样片光学常量对双向反射分布函数影响较大,粗糙面对入射激光复折射率的虚部越大,样片双向反射分布函数的峰值越小,当粗糙度参量增大时,样片光学参量对双向反射分布函数的影响逐步减弱.     

具有不同涂层的样品表面双向反射分布函数的三维测量

利用半球空间双向反射分布函数测量装置,采用样本比值法,实验测量了不同材质及涂层表面对激光束在整个半球空间内的双向反射分布函数.分析了漫反射板与无涂层铝板（裸板）表面,以及不同涂层和不同入射角下同一涂层对入射光的反射光强的空间分布,得出了所测几种样品在特定波长激光照射下的表面反射与散射特性.     

基于偏振双向反射分布函数的粗糙表面偏振特性

为了研究高斯粗糙表面偏振特性,基于微面元理论,综合考虑微面元的漫反射和镜面反射,建立偏振双向反射分布函数模型。对由偏振双向反射分布函数得到的穆勒矩阵进行分解、变换等处理,推导出表征粗糙表面二向色性、相位延迟和退偏的3个子矩阵及其对应的偏振特性表达式。针对典型的粗糙目标,对偏振特性进行理论计算。分析入射角、方位角,以及粗糙度对粗糙表面偏振特性的影响。结果表明:粗糙表面二向色性在入射角变化范围内有极大值,且随方位角的增大而增大;相位延迟随入射角的增大而减小,且在方位角变化范围内有极大值;退偏能力在入射角范围内有极小值,且随方位角的增大而减小;粗糙度对除退偏能力以外的偏振特性影响较小。     

透明基底表面双向反射分布函数及粗糙度特性研究

采用双向反射分布函数定量分析透明基底表面粗糙度,考虑到透明基底第二个界面的影响,从不透明基底双向反射分布函数入手,推导了实际测量的透明基底表面双向反射分布函数的表达式.依据此理论提出了通过分别测量两个表面的散射强度来联立求解透明基底实际表面反射分布函数和表面粗糙度谱的新方法.并将此结果与用原子力显微镜测量所获得的结果进行了比较,两者吻合较好.     

基于BRDF的光学表面疵病散射特性的仿真研究

为了研究精密光学元件表面微弱疵病的散射特性,基于矢量散射理论和双向反射分布函数,建立了光学表面微弱疵病的散射理论模型.通过仿真计算了双向反射分布函数随散射角的变化情况,分析了入射角度、入射光波长以及疵病自身尺寸等因素对疵病散射光特性的影响.基于仿真数据分析,针对光源参数对散射特性的影响进行仿真分析,为使用暗场成像法进行...     

光学元件亚表面缺陷偏振双向反射分布函数

 利用琼斯散射矩阵,借助右手正交基组来表示入射场和散射场,推导出光学元件亚表面缺陷或微粒在不同偏振状态下的双向反射分布函数的表达式。给出了亚表面缺陷在不同入射角条件下,不同偏振状态下的双向反射分布函数与散射方位角之间的关系,以及不同入射角下p偏振入射产生的p偏振双向反射分布函数的3维散射图。结果表明:p偏振入射产生的p偏振双向反射分布函数强烈依赖于入射角、散射角和方位角,且随着入射角的增加,其最小值点所对应的方位角逐渐减小。     

粗糙目标表面红外偏振特性研究

红外偏振成像可突显目标、识别真伪,准确掌握目标红外辐射偏振特性可有效提高目标的探测识别概率。针对现有目标红外辐射偏振特性模型未考虑粗糙表面导致的遮蔽效应的问题,本文基于微面元双向反射分布函数模型,利用穆勒矩阵构建出含有遮蔽函数的粗糙表面红外辐射偏振度的斯托克斯解析模型。针对光线表面粗糙度和入射角对金属和非金属目标红外辐射偏振度的影响进行定量分析。分析结果表明:无论是金属还是非金属,其红外自发辐射偏振度都随粗糙度的增大而减小,非金属自发辐射偏振度下降的幅度大于金属偏振度;当粗糙度及温度相同时,金属的红外辐射偏振度始终大于非金属;红外辐射偏振度先随入射角的增加而增加,而后在特定入射角下达到峰值,超过一定入射角后,偏振度大幅下降,金属和非金属的红外辐射偏振度间的差异在一定入射角度范围内将达到最大,这有助于区分金属与非金属。最后,利用长波红外微偏振成像系统和近红外偏振成像系统进行不同场景目标的图像采集,获取目标的红外辐射偏振特性,实验结果与理论分析结果基本吻合。本文对研究目标偏振特性、优化设计红外偏振系统以及后续偏振图像处理均具有重要意义。     

基于微面元理论的“猫眼”目标回波散射偏振特性研究

为了研究"猫眼"目标表面回波散射偏振特性,基于微面元理论建立了偏振双向反射分布函数模型,指出线偏振光在"猫眼"目标表面回波散射的偏振度与目标表面粗糙度、复折射率以及入射角、探测角有关。主要研究"猫眼"目标表面粗糙度对其回波散射偏振度的影响,利用Matlab仿真得到"猫眼"目标回波偏振度与目标表面粗糙度参数σ的关系曲线。选择经过不同砂纸打磨的硅片作为"猫眼"目标进行实验,当硅片表面均方根高度分别为0.067μm、0.554μm、0.726μm、1.651μm、1.893μm时,其表面回波散射偏振度的测量值依次为98.83%、98.16%、96.08%、94.91%、94.6%,表明"猫眼"目标回波散射的偏振度随其表面粗糙度的增大而减小。     

微粗糙硬铝表面双向反射特性实验研究

本文基于四波段双向反射分布函数测试平台,对微粗糙硬铝表面的光谱双向反射分布函数进行了实验测量,考察了微粗糙尺寸参数、入射角度和入射辐射波长对表面辐射特性的影响。测量结果显示了明显的镜反射特征,粗糙的表面结构还引起了后向反射增强现象,长波入射和大角度入射增强后向反射效应。     

黑松冠层反射光谱方向特征分析

松萎蔫病是松属树种的一种毁灭性病害，小范围甚至单木水平的森林病虫害的早期诊断对森林资源保护与可持续发展尤为重要。以感染松萎蔫病的黑松为研究对象，通过采集不同感病时期的黑松冠层的多角度光谱数据，分析不同特征波段的方向反射特征，总结不同感病程度黑松的冠层特征波段反射率的变化规律。结果显示：(1）在俯视观测时，在主平面方向的后向散射方向的反射率大于前向散射方向的反射率，并且在后向散射方向，四个波段的四个感病时期约在40°的观测天顶角出现热点效应；无论在主平面还是主垂面，蓝光波段（450 nm）与近红外波段（810 nm）的黑松冠层0°天顶角反射率呈现出感病初期＞健康＞感病中期＞感病末期的变化规律，红光波段（680 nm）和绿光波段（560 nm）的黑松冠层0°天顶角反射率呈现出健康≈感病初期＞感病中期≈感病末期的变化规律。在所有方位角，冠层反射率随着观测天顶角的增加而增大。(2）在仰视观测时，在主平面方向的后向散射方向的反射率小于前向散射方向的反射率，并且在方位角为0°时，4个波段反射率都是较大的；无论在主平面还是主垂面，蓝光波段（450 nm）绿光波段（560 nm）和红光波段（680 nm）的冠层反射率的大小呈现出感病初期＞健康>感病末期>感病中期的变化规律，近红外波段（810 nm）冠层反射率的大小呈现出感病初期＞健康>感病中期>感病末期的变化规律；在所有方位角，冠层反射率随着观测仰角的增加而减小。(3）黑松冠层反射光谱在俯视和仰视观测时，各个特征波段的二向性反射率的各向异性最强的是主平面，最弱的是主垂面，且主垂面的前向和后向反射率会呈现对称性，即“镜面反射”；各个特征波段在感病末期，黑松冠层反射率随观测天顶角的变化幅度较大，其他几个时期反射率随观测天顶角的变化幅度不明显。研究结果显示的树冠的不同角度的波段反射方向性特征为以后不同尺度的无人机监测的准确性与可靠性奠定基础，也为发展近地面便携式森林病虫害实时监测系统打下了基础。     

表面上方微粒及微粗糙度偏振光散射特性

为了区分由表面上方微粒和表面微粗糙度两种散射机理引起的散射光,利用偏振双向反射分布函数,并借助于由,■,■组成的正交右手基组表示了入射电场和散射电场。从理论上给出了两种不同散射机理在不同偏振状态下的双向反射分布函数与入射面外方位角之间的变化关系,并通过对这两种散射机理下的偏振双向反射分布函数的比较发现,利用p偏振入射产生的p偏振散射光(BRDFpp)可以将表面上方微粒和表面微粗糙度两种散射机理区分开来。     

Exploring the influence of a XeCl laser treatment on biocompatibility of polyethersulfone film

The effect of XeCl laser irradiation on biocompatibility of polyethersulfone (PES) film surface was investigated. For this purpose, the surface of PES film was irradiated with different number of pulses at different fluences. The treated surfaces were characterized by attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR), scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM) and contact angle measurements. The platelet adhesion and cell culture measurements were done on the treated surface for investigation of the biocompatibility. It was shown that, irradiation of surface with 500 pulses at a fluence of 25 mJ/cm² is the most optimal condition for improving the platelet adhesion on the PES surface with a XeCl laser.     

基于多角度偏振载荷数据的中国典型地物偏振特性研究

相对于传统的光学遥感, 多角度偏振遥感不仅可以获取辐射强度信息, 而且可以获取偏振强度信息. 基于多角度偏振卫星载荷观测的中国典型地物的偏振反射率数据, 获取了地表偏振双向反射模型——Nadal模型的中国区域模型参数值. 在此基础上, 基于修正的Nadal模型研究了中国区域森林、草地、沙漠三种典型地物的多角度偏振特性. 研究表明: 1)各地物的偏振反射率均随着散射角的增大而减小, 随着太阳天顶角和卫星观测天顶角的增大而增大; 2)森林、草地和沙漠三种典型地表偏振反射率存在明显差别, 森林的偏振反射率最低, 草地的偏振反射率次之, 沙漠的偏振反射率大约为森林的两倍; 3)不同地物之间的偏振反射率差值均随着卫星观测天顶角和太阳天顶角的增大而增大. 研究结果可为基于多角度偏振遥感数据探测地表偏振特性和反演气溶胶参数提供先验知识.     

可变温条件下材料表面的双向反射分布函数测量

基于双向反射分布函数单一参考测量法的测量原理,研制了一套测量温度最高可达500℃的双向反射分布函数测量系统。系统利用转角装置来实现不同角度位置的变换,用加热炉对试样进行加热,采用模糊PID控制器进行温度的控制。在25℃～500℃的温度范围内,对铜表面的双向反射分布函数进行了测量实验,光源采用可见光波长0.6328μm,功率约8mW的He-Ne激光器,选用Si1336-5BK光电探测器。实验表明：随着试样表面温度的升高,铜表面的BRDF测量值发生了改变;在温度上升或下降到同一温度时,铜表面的BRDF测量值不同。最后,对实验现象的形成机理进行了深入分析。上述实验结论对材料表面空间反射特性的研究具有重要意义。     

积雪性质与积雪表面双向偏振反射之间关系研究

积雪性质的变化会影响积雪的反射,从而遥感技术中可以利用反射信息的变化来确定积雪性质。由于反射过程中会产生偏振信息,在研究可见光近红外波段(350～2 500 nm)不同粒径大小积雪表面多角度反射特性的基础上,同时分析了粒径以及由干雪变成湿雪对积雪表面偏振反射特性的影响。通过野外测量结果表明,粒径大小对积雪表面偏振反射的影响在近红外波段1 500 nm附近比较明显,表现为在前向散射方向,随着粒径的增加对应的偏振度变大;这是由于在该波段附近,积雪对光的吸收很强,随着粒径的增加,吸收会变大,探测器获取的光大部分为单次散射光,而单次散射光是引起偏振信息的主要来源;在研究过程中发现从干雪变成湿雪这一过程会使偏振信息增加,这是由于湿雪表面水膜的存在,将相邻的雪粒粘连在一起,相当于使积雪粒径变大,但是这种影响主要体现在近红外波段。综上所述,将多角度偏振信息与反射信息结合可以为反演积雪性质提供可靠的方法与理论基础。