溢油海水双向反射分布函数的建模及仿真

溢油海水双向反射分布函数(BRDF)研究可为海水表面油膜及海水中溢油乳浊液检测提供理论基础,对保护海洋周边环境及海洋生态平衡具有重要的意义.本文基于蒙特卡罗方法及Mie散射理论建立了溢油海水模型,针对532 nm及355 nm激光研究了无溢油海水、漂浮油膜海水及乳浊液海水情况下海水的BRDF,并给出不同油膜厚度及溢油浓度下海水的BRDF.结果表明双向反射分布函数对水体的污染程度十分敏感,相同观测角下,溢油海水BRDF值明显小于无溢油海水BRDF值,海水的BRDF值随油膜厚度及溢油浓度的增加而减小.海水的BRDF值可作为海水是否发生溢油污染及污染程度判断依据之一.     

空间目标表面材料光谱双向反射分布函数测量与建模

介绍了双向反射分布函数（BRDF）的绝对测量原理和方法,选用光谱分辨率为3 nm的光谱辐射度计及精度为001°的三维转角系统,搭建了BRDF自动测量平台,对空间目标表面包覆材料在400—2500 nm的光谱BRDF进行了测量.结果表明,BRDF曲线极大值所对应的散射角度一般在镜反射方向左右,其余BRDF值随散射角变化很平缓,从中间向两边逐渐变小,近似成余弦分布.测量误差为495%.应用模拟退火算法,结合BRDF五参量统计模型,获得了测量光谱范围内各波长对应的共2101组五参量值,通过对比参量计算结果和 关键词： 双向反射分布函数 绝对测量 误差分析 参量模型     

BRDF表面对一维梯度折射率介质内辐射传热影响

辐射计算中的漫反射或镜反射假设并不足以完整地描述实际表面的特性.本文首次将BRDF、表面引入辐射传热分析。使用Minnaert模型模拟BRDF表面,通过遗传算法得到模型参数.用DRESOR法和逆蒙特卡洛法求解了含BRDF表面的-维梯度折射率介质中的辐射传热问题。计算结果显示了DRESOR法和逆蒙特卡洛法的准确性。虽然BRDF表面和相应的漫反射表面对应的温度偏差仅为±1.5%,但辐射热流偏差高达±10.5%,这足以引起很大的分析误差,实际辐射热分析中应引起重视。     

干湿状态对花岗岩表面双向反射特性影响实验研究

实验测量了0.328 靘和1.4 靘两种波段下花岗岩表面在干、湿条件下的BRDF.发现BRDF受表面干湿状态影响很大,润湿表面出现明显的镜反射分量.因花岗岩表面湿润程度不同,入射光在表面经历的反射过程大不相同.若表面形成一层稳定的水膜,该水膜在局部区域将起到半透明光滑界面的作用,导致材料表面的BRDF出现明显的镜反射分量.     

基于双旋延迟器结构的偏振BRDF测量系统的设计

偏振双向反射分布函数（BRDF）不仅可以表示物体散射光辐强度的空间分布情况,还包含了丰富的偏振信息。与标量BRDF相比,偏振BRDF可以更加精确地、全面地表示物体表面的光散射情况。设计了基于双旋延迟器结构的偏振BRDF测量系统,通过同步旋转波片调制入射光和散射光的偏振态,得到一系列变化的光强值,再由光强的Fourier分解系数计算获得样品的偏振BRDF值。系统内设计了一对正交反射镜,用以减小系统中器件后向散射光的影响。通过铝板偏振BRDF的测量,说明了该系统具有较高的准确性。     

基于表面生成法的粗糙基底上半透明涂层的光散射特性

针对光在半透明涂层和粗糙基底构成的两层粗糙面的散射过程,采用表面生成法,考虑入射遮蔽以及多次散射效应,构建表面散射的蒙特卡罗模型,得到粗糙基底上半透明涂层的反射光的能量分布,研究涂层厚度、表面粗糙度、入射光波长等对双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)的影响.结果表明,BRDF受表面的粗糙程度影响较大,其峰值随表面均方根斜率的增加线性递减;半透明涂层厚度影响BRDF峰值的大小,厚度为十分之一波长时,BRDF达最小值;近红外光入射时镜反射方向附近BRDF的局部分布曲线相对于可见光入射时有展宽趋势,且方向半球反射率相对于可见光入射时更大.     

基于场地高光谱BRDF模型的Suomi-NPP VIIRS长时序定标

为提升光学卫星遥感器的定标频次,提出一种基于场地高光谱BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)模型的高频次绝对辐射定标方法,实现了Suomi-NPP (Suomi-National Polar-Orbiting Partnership Spacecraft)VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)的长时序高频次绝对辐射定标。介绍了基于场地高光谱BRDF模型的绝对辐射定标原理,于2018年4月和8月利用场地高光谱BRDF手动测量系统分别对敦煌场的方向特性进行测量试验,并基于半经验核驱动反演敦煌场的地表高光谱BRDF模型参数。基于BRDF模型计算2018年全年VIIRS M1～M11波段的表观反射率,并与卫星观测表观反射率进行比对。结果表明:Suomi-NPP VIIRS遥感器2018年全年的有效定标频次为51次,其中M1～M7波段模型计算的表观反射率与卫星观测的相对偏差均小于3.23%。基于场地BRDF模型的高频次绝对辐射定标方法可有效地提高卫星载荷的定标频次,及时跟踪载荷的辐射特性变化。     

基于舍选抽样BRDF离散数值的散射光线追迹方法

提出了一种基于表面双向反射分布函数（BRDF）离散测量值直接追迹散射光线的方法，以各向同性表面为例，先对随散射角离散变化的表面BRDF离散测量数据组做空间坐标转换，由散射角半球空间转换到方向余弦空间；再通过等间距赋值插等值方式得到方向余弦空间内分布的BRDF数据；然后，利用舍选抽样法不受限于累积分布函数（CDF）求解过程的优点，设计新的散射概率模型，以方向余弦空间内BRDF数值比表示离散光线的概率分布，设定检验条件筛选出散射光线的空间坐标，实现散射光线追迹。为验证本文方法的准确性与适用性，设置相同的入射角、追迹光线数量等仿真参数，编制了本文光线追迹方法的仿真程序，对不同光机元器件建模仿真，对比商用LightTools软件的仿真结果，计算二者的通用质量指数UQI作为比对评价指标。结果表明，基于舍选抽样BRDF离散数值的散射光线追迹方法，运算结果数据准确，与商用LightTools软件的仿真结果相比，UQI值均在0.998以上，且波动范围小，本方法具有良好地适用性。     

空间相机常用金属材料表面的BRDF特性

为保证空间相机热设计中表面辐射换热计算准确可靠,基于两种金属材料的光学常数,结合Monte Carlo射线跟踪法应用几何光学近似对其粗糙表面的双向反射分布函数(BRDF)进行了研究。分析了不同入射光波长、不同入射角度及不同表面粗糙度对金属铝和钛材料粗糙表面的BRDF的影响。结果表明,金属铝和钛材料粗糙表面的BRDF分布具有明显的镜反射特征,入射平面内的BRDF峰值随入射光波长增加而增大,在本文研究的波长范围内,钛表面的BRDF随入射光波长增大的增幅最高达到41.0%,远高于铝表面的8.7%。当表面粗糙度较大时,光子在粗糙表面内会经历多次散射,粗糙表面内多次散射光子数比例随着表面粗糙度的增大而增加,并且随着入射角度的增大具有增加的趋势。     

在轨空间目标光学特性宏观表征模型的反演重构

为了在天基远距离条件下反演三轴稳定空间目标表面的光学特性参数,提出了基于可见光时序光度信号分析的光学特性宏观表征模型的反演重构方法.首先,综合考虑空间目标的结构特性、表面材料特性、帆板的对日指向运动特性、光照观测几何以及光学系统特性,完善了面向在轨观测的空间目标可见光时序光度建模方法;其次,将光度模型等效为双面模型,并利用双向反射分布函数(BRDF)的多级融合模型表征复杂材料表面的光学反射特性,将BRDF对应的面积反射率乘积作为待反演参数;最后,以时序光度信号的测量值与模型值之间的差异最小为优化目标,建立线性优化方法,实现模型参数的反演.仿真实验表明,提出的模型在轨重构方法对于近轨观测条件下的本体、帆板信号的重构精度达到97%以上,验证了方法的正确性.     

Remote sensing of surface reflective properties: Role of regularization and a priori knowledge

Linear kernel-driven bidirectional reflectance distribution function (BRDF) models have been used for mapping albedo with single field-of-view satellite measurements such as Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). Due to limited samplings and poor angular configurations available from these satellite remotely sensed data, BRDF models inversion is often plagued by numerical instability. In order to overcome the ill-posedness of the BRDF model inversion and robustly estimate terrestrial surface albedo, a regularization technique is employed for the cases where the number of observations is insufficient, or the angular distribution is poor. Emphasis is also placed on the combination of a priori knowledge with the regularized inversion. Numerical performances and case study results with ground measurements and MODIS observations suggest that the method is sound and robust for ill-posed BRDF inverse problems. The method presented in this study is promising for land surface reflective parameters retrieval even for regions where only sparse observations are available.     

A new approach to the retrieval of surface properties from earthshine measurements

Instruments such as the MODIS and MISR radiometers on EOS AM-1, and POLDER on ADEOS have been deployed for the remote sensing retrieval of surface properties. Typically, retrieval algorithms use linear combinations of semi-empirical bidirectional reflectance distribution function (BRDF) kernels to model surface reflectance. The retrieval proceeds in two steps; first, an atmospheric correction relates surface BRDF to top-of-atmosphere (TOA) reflectances, then regression is used to establish the linear coefficients used in the kernel combination. BRDF kernels may also depend on a number of physical or empirical non-linear parameters (e.g. ocean wind speed for a specular BRDF); such parameters are usually assumed known. A major source of error in this retrieval comes from lack of knowledge of planetary boundary layer (PBL) aerosol properties.In this paper, we present a different approach to surface property retrieval. For the radiative transfer simulations, we use the discrete ordinate LIDORT model, which has the capability to generate simultaneous fields of radiances and weighting functions in a multiply scattering multi-layer atmosphere. Surface-atmosphere coupling due to multiple scattering and reflection effects is treated in full; the use of an atmospheric correction is not required. Further, it is shown that sensitivities of TOA reflectances to both linear and non-linear surface BRDF parameters may be established directly by explicit analytic differentiation of the discrete ordinate radiative transfer equations. Surface properties may thus be retrieved directly and conveniently from satellite measurements using standard non-linear fitting methods. In the fitting for BRDF parameters, lower-boundary aerosol properties can either be retrieved as auxiliary parameters, or they can be regarded as forward model parameter errors. We present examples of simulated radiances and surface/aerosol weighting functions for combinations of multi-angle measurements at several different wavelengths, and we perform some examples of self-consistent non-linear fitting to demonstrate feasibility for this kind of surface property retrieval.     

Adaptive regularized filtering for BRDF model inversion and land surface albedo retrieval based on spectrum cutoff technique

A regularized inversion method is presented to invert the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) model for albedo calculations. It is known as discrete ill-posed inverse problem. Essential issues that must be considered include solution existence, solution uniqueness, instability of the solution process, and geophysical meanings of solution. In order to robustly estimate BRDF models parameters, a spectrum cutoff technique is employed to suppress spurious oscillations due to poor angular distribution, sparse sample size, or both. We studied difficulties in estimating BRDF parameters and analyzed the cause of the instability in the solution, and then presented a novel algorithm. The proposed RSC (Regularized Spectrum Cutoff) method is based on improving the spectrum of the BRDF kernel matrix and can always find suitable BRDF parameters for sparse satellite observations. The algorithm is compared with the MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) full retrieval (FR) algorithm, and it is tested to be suitable for the case of sufficient observations. Numerical experiments with POLDER (Polarization and Directionality of the Earth's Reflectances) BRDF datasets and MODIS images suggest that the developed spectrum cutoff method is adaptive and robust, and it is valuable for retrieving land surface BRDF and albedo.     

地表双向反射对天基矢量辐射探测的影响分析

矢量辐射传输方程定量描述了辐射在地表-大气耦合介质中的传输过程,是定量遥感的基础.在处理辐射和离散介质相互作用时,如何处理多次散射、辐射偏振效应和耦合地表模型是研究的重点,直接影响定量化遥感反演的精度.文中基于逐次散射近似法求解了矢量辐射传输方程,求解过程中耦合典型地表的非偏双向反射（BRDF）模型和偏振双面反射（BPDF）模型.采用相对误差因子定量分析了地表双向反射效应和大气偏振效应对天基矢量辐射的影响.为进一步研究地表-大气耦合介质系统的偏振特性及地表大气参数的定量遥感反演提供理论支持. 关键词： 矢量辐射传输方程 逐次散射近似 定量遥感 偏振遥感     

Bi-directional reflectance study on particulate layers: Effects of pore liquid absorption coefficient

We have made bi-directional reflectance distribution function (BRDF) measurements on particulate layers wetted by absorbing liquids. The measurement results indicate that the BRDF tends to become more Lambertian as the interstitial pore liquid becomes more absorbing. The directional hemispherical reflectance, or albedo, of such a layer decreases nonlinearly with a wetting liquid's absorption coefficient. This behavior may be fit by two empirical relationships which independently treat the reflectance from the front surface and reflectance from the bulk material.     

银薄膜对光学基底表面粗糙度及光散射的影响

为了研究金属银薄膜与光学基底表面粗糙度和光散射的关系,提出了通过对光学薄膜矢量散射公式积分来获得界面粗糙度完全相关模型和完全非相关模型下其表面的总反射散射的方法．理论计算了光学基底上两种模型在不同厚度银膜下的总反射散射和双向反射分布函数．结果表明,当沉积在光学基底上的银薄膜的厚度大于80nm后．两种模型下计算的银薄膜的表面总反射散射都等于基底的总积分散射,银薄膜能较好地复现出基底的粗糙度轮廓．实验研究表明为了复现基底的粗糙度,银薄膜的最佳厚度应在80～160nm之间．     

陆基条件下典型地物和伪装光谱影响因子分析

近年来,随着军事侦察识别技术的快速发展,用于侦察探测的军事装备已经逐步实现高精度化水平,拥有高技术侦察手段的一方往往可以对目标实施精准打击,大大降低战争胜利的成本。在高光谱成像方面,目前比较成熟的有卫星遥感和高空航空成像技术,这两种成像方式侦察时间大致相同,入射光方向基本一致,并且由于高光谱设备基本垂直于地面,因而反射光方向保持不变, 地物的BRDF系数比较固定。在陆军应用时,侦察时间随机,太阳的入射角度时刻变化,而且侦察的方向任意,高光谱在地面或者近地位置,探测方向变化无穷,地物在不同成像条件下的光谱曲线受到物体表面的BRDF系数影响凸显。通过展开不同的实验,挑选了绿地植被和三种人造伪装材料,细致的分析了太阳高度角、方位角和探测角对陆基条件下地物光谱的影响。实验结果表明,虽然四种材料的反射特性存在差异,但在不同的太阳高度角、探测角以及探测器与地物的方位角上呈现相似的规律。对于太阳高度角,当探测角一定时,人造伪装物光谱一般随着太阳高度角的变化整条光谱曲线都发生变化,反射比曲线呈现出平移的规律,而绿地植被在白光波段变化不很明显,在近红外波段的变化很明显,随着太阳高度角的升高先升然后降低;对于方位角而言,四种材料随着方位角的增大,光谱反射比一般先升高后降低,同时后向观测时的反射比一般比前向观测时大;对于探测角,三种材料的光谱反射比与探测角的关系并不很大,但三种材料均在不同的探测角度上出现了“热点”现象。最后,对绿地植被和迷彩伪装板的BRDF模型参数进行了分析,得到了其在不同方向上的反射规律。     

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%。     

硫酸钡漫反射板在250～400 nm光谱辐射亮度标定中的应用研究

表面喷涂硫酸钡的漫反射板正入射时是最接近朗伯特性的用于标定光谱辐射亮度的实用漫反射板。通过实验测量硫酸钡漫反射板 2 5 0～ 4 0 0nm的半球反射率和双向反射分布函数表明 ,实测的双向反射分布函数与假定漫反射板为朗伯表面根据测量的半球反射率计算的双向反射分布函数的相对差值为 6 7% ,实测的双向反射分布函数随散射角的变化可达 2 8%。为提高光谱辐射亮度标定的准确性 ,考虑双向反射分布函数的微小变化和漫反射板上的光谱辐射照度的不均匀性 ,通过对光谱仪视场内每一小面元积分 ,最后可精确求得所测光谱辐射亮度 ,并标定光谱仪的光谱辐射亮度     

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。