双向反射分布函数在空间目标可见光反射特性建模中的应用

针对空间目标可见光反射特性提出了一种建模方法.双向反射分布函数(BRDF)可以有效地 描述目标表面材料的空间反射特性和光谱特性.根据目标表面状况及背景辐射环境,选取合 适的双向反射分布函数模型,利用辐射理论在可见光波段建立了空间目标反射特性的数学模 型.基于轨道参数进行了仿真计算.计算结果表明太阳帆板与卫星主体相比,其在探测器入 瞳处的辐照度只小一个数量级,在目标光学特性分析时不可忽略.而且,空间目标反射特性 不仅与太阳、地球和目标三者之间的实时位置有关,还与其几何形状、表面材料等有关.仿真分析结果验证了建模的正确性.     

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.     

粗糙目标样片光谱双向反射分布函数的实验测量及其建模

实验测量了紫红色和白色涂漆板在400～780 nm内的光谱双向反射分布函数(光谱BRDF),分析了光谱双向反射分布函数随波长及散射角的变化趋势与目标样片光学特性的关系.应用改进的粒子群算法,结合双向反射分布函数五参量模型,获得了测量光谱范围内各波长(间隔1 nm)对应的共381组五参量值.利用五参量模型计算了目标样片的光谱双向反射分布函数及其方向半球反射率(DHR),并与实验测量数据相比较,两者吻合良好,表明目标光谱双向反射分布函数建模方法与结果的可行性和可靠性.目标样片的光谱双向反射分布函数可以用来研究目标的光谱散射特性,对目标的探测、跟踪、识别和特征提取等具有重要的应用价值.     

典型卫星表面材料可见光偏振特性分析

对典型卫星表面材料进行了可见光偏振测试,基于测试数据完成了表面材料的可见光反射特性分析;推导分析了基于偏振双向反射分布函数的可见光反射偏振传输模型,并基于测试数据对模型的模拟计算精度进行了评价。结果表明:模型计算的反射偏振度与实测结果有较好的一致性,且在镜面反射情况下,典型卫星表面常用的主体包覆材料偏振度最小,但偏振角有最大值。即材质表面组成成份不同,其可见光反射偏振特性有较大差异。结合考虑目标表面的偏振特性更有助于区分目标的物质组成,研究成果可为改善典型卫星目标探测的有效性提供基础数据支撑。     

基于场地高光谱BRDF模型的绝对辐射定标方法

提出了一种基于场地地表高光谱双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法,摆脱了对卫星过境时刻同步观测的依赖,提高了遥感器在轨绝对辐射定标的效率与频次.利用无人机测量系统对敦煌辐射校正场进行了地表方向特性测量,基于半经验核驱动模型反演了敦煌场地的高光谱双向反射分布函数模型参数.用地表双向反射分布函数模型直接计算的卫星观测方向的地表高光谱反射率数据替代卫星过境时刻场地的地表同步测量数据,结合中分辨率成像光谱仪大气产品数据,实现了对Landsat-8卫星的陆地成像仪(OLI)在可见光至近红外波段的高频次绝对辐射定标.Landsat-8/OLI第1～6波段的卫星观测表观辐亮度值与模型计算表观辐亮度值的相对偏差均小于5%,标准差小于2%.基于无人机场地双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法的定标结果与卫星观测结果具有较高的一致性和稳定性.     

目标表面可见光谱BRDF的实验测量及优化建模

介绍了一种用双向反射分布函数测定仪进行目标双向反射分布函数测量的方法。运用该测量系统在可见光谱区域对样片进行了实验测量,然后对BRDF实验数据进行谱积分预处理,结合BRDF五参数半经验统计模型,利用遗传模拟退火算法,获取样片的BRDF模型参数,并获得了三维空间的BRDF分布。结果表明,获得的可见光谱BRDF模型能准确反映材料的光散射特性,符合工程要求。     

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。     

基于高次余弦散射分布的空间卫星可见光特性

基于几何光学和辐射理论,研究了空间卫星的可见光散射特性.空间卫星的背景辐射主要包括太阳的直接辐射和地球及大气的散射辐射,根据目标的结构特性与背景特性建立了空间卫星的几何模型和光照模型.分析目标表面状况,入射到目标表面的光线近似服从高次余弦散射分布,根据能量守恒定理及表面材料的高次余弦散射分布特性建立了目标散射特性的数学模型.通过矢量坐标变换确定太阳、地球、观测卫星在目标本体坐标系下的相对位置关系.根据给定的几何尺寸和表面物性参量仿真获得了目标在探测器入瞳处的能量分布及星等特征,目标本体与太阳帆板在探测器入瞳处的辐照度最大量级均为10-12 W/m2.仿真结果表明太阳帆板在目标特性分析时不可忽略,为空间目标的可见光探测提供参考数据.     

双向反射分布函数模型参量的优化及计算

从涂层材料双向反射分布函数的参量理论出发，通过参量迭代和优化，建立了几种典型漆层样片双向反射分布函数的参量模型，其参量优化计算结果和实验测量结果吻合得很好，该方法描述的粗糙表面双向反射分布函数的形式简洁，更适于工程应用。     

基于三维重建理论的目标光谱散射特性研究

根据三维重建理论,基于目标的多角度视图,重建了目标表面的三维点云。利用德洛奈三角剖分法结合可见性原理,得到了目标的曲面和曲面面元的法线方向。根据粗糙面散射理论和目标表面的双向反射分布函数(BRDF),结合大气传输软件Modtran计算的某时间、地点的背景光谱辐射亮度,数值分析了目标光谱散射亮度分布特性。以覆盖车衣的汽车为例,重建的三维几何模型误差为4.11%,数值计算了目标在三个波段的光谱散射亮度分布。上述方法可以进一步用于卫星和其他空间目标的光谱辐射、散射特性研究。     

中段目标的可见光辐射特性计算研究

中段目标的可见光辐射特性对目标的探测、跟踪与打击具有重要的指导意义。提出计算中段目标可见光辐射特性的方法,计算了目标表面的二向性反射,并考虑太阳的可见光辐射和云层背景反射太阳的可见光辐射情况下,计算了白天从同步卫星、低轨卫星和中轨卫星观测中段目标在可见光波段的辐射特性。研究结果表明：在可见光波段,目标对同步卫星辐射的光谱变化规律与太阳直射辐射的光谱变化一致,低轨卫星上观测目标的光谱辐射热流比同步卫星上观测的结果大3个数量级,中轨卫星上观测目标的光谱辐射热流比同步卫星上观测的结果大1个数量级。     

基于双向反射分布函数的卫星表面光散射研究

基于双向反射分布函数(BRDF),从太阳辐射理论出发,分析了表面漫反射率与入射波长的关系,卫星、太阳及观测站三者的相互位置关系.推导了卫星表面为朗伯表面和以BRDF模型为基础的随机粗糙表面的散射光照度表达式.然后以FY-1D卫星为例,计算了一段观测时间内,卫星地面照度值和视星等值的变化情况.最后比较了这两种条件下的地面...     

太阳天顶角对反演高光谱地表反射率影响分析

为了满足星上载荷高频次的在轨定标需求,常使用场地自动化定标技术将多光谱反射率反演为高光谱反射率,所以提升光谱的反演精度对提高自动化定标精度尤为重要。使用布设在敦煌辐射校正场的通道式自动化观测仪器计算从2018年9月至2019年9月的反射率;根据测量过程中太阳天顶角的不同将数据分为6组,并使用双向反射分布函数模型对不同太阳天顶角下的光谱形状进行一致性分析。实验结果表明,双向反射分布函数模型校正不同入射角度是有效的。     

星上定标漫射板远紫外BRDF测量方法

针对星载漫射板远紫外波段(140~240nm)的双向反射分布函数测量过程中,探测器响应线性问题和紫外光源稳定性差的问题,提出一种采用光源监测比例补偿的相对测量方法.根据测量方法设计了一种基于六自由度转台结构形式的测量系统,该系统采用漫射板两维平移+两维转动、探测器两维转动的组合运动形式,可实现漫射板半球空间内任意点、任意方位的双向反射分布函数测量.用所提方法进行测量实验,并对影响系统测量结果的主要因素进了不确定度分析,结果表明总测量不确定度约为5.5%.     

内陆河道表层水体反射光谱的走航观测研究

现场水体光谱观测是水体光学性质、水色遥感反演建模等研究不可或缺的基础性工作之一。常规的倾斜观测方法受其较为严格的观测几何条件限制, 需要依据船体位置、太阳方位等不断调整观测角度,特别是针对河道水体光谱观测时,还须考虑河道走向、岸线遮蔽物等情况,因此,只能设置若干站点进行离散样点的观测,难以在岸线环境较为复杂的河道水体开展连续走航快速观测。而现场水体光谱连续走航快速观测能够获取不同地方时的大样本水体反射光谱,丰富对水体二向反射特征的认识,并建立更精确的反演模型,在水色遥感研究中具有极其重要的作用。鉴于此,设计了一种基于垂直观测几何方式的内陆河道表层水体反射光谱连续走航快速观测方法,并通过时空匹配技术获取整个河道的全波长遥感反射率数据。在杭州西小江部分河段的试验表明,该方法获取的遥感反射率与同步实测的叶绿素浓度、浊度等水色组分的相关性较强,选取的特征波段获得的确定系数R2均大于0.855。Sentinel-2的观测天顶角接近于0,近乎于垂直观测。该研究使用Sentinel-2B的光谱响应函数对实测光谱进行等效光谱模拟,转换为相应波段的等效遥感反射率,反演结果与基于Sen2Cor的大气校正后的遥感反射率数据进行建模,分析结果表明,基于Sen2Cor的大气校正后的遥感反射率数据存在高估现象,同时又用Sentinel-2B的大气表观反射率反推辐射亮度,然后用FLAASH大气校正获取Sentinel-2B的遥感反射率数据,经与实测等效遥感反射率建模分析发现,基于FLAASH的大气校正后的遥感反射率数据在小于0.02 sr-1时也存在高估现象,在大于0.02 sr-1时则存在明显低估现象。研究表明,用该方法所获取的大样本实测遥感反射率数据具有对卫星反射率产品进行真实性验证的应用潜力。     

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。     

基于改进非线性劈窗算法的VIIRS中红外海面耀斑区反射率计算

传感器入瞳处接收到的中红外波段(3~5 μm)能量包含反射的太阳能量与地物自身的发射能量。通常该波段反射的太阳能量很弱,但在海面太阳耀斑区等特定情况下,被中红外通道探测到的反射太阳能量是比较可观的,且其对大气影响的敏感性较低,同时,对于搭载有在轨定标系统的卫星传感器,使用黑体定标后的中红外波段的在轨辐射性能相当稳定的。因此,考虑将中红外波段的海面耀斑区反射率作为用于反射太阳波段交叉定标的基准。基于这个想法,构建了改进的、适用于VIIRS(visible infrared imaging radiometer)中红外波段的非线性劈窗模型来计算南印度洋海面耀斑区中红外反射率。首先统计得到VIIRS M12和M13波段海面反射率的限定关系,然后使用非线性劈窗算法模拟计算海面反射率,模拟模型的不确定度为0.83%。在此基础上使用VIIRS的M12波段(中心波长为3.697 μm)太阳耀斑区数据计算选取的样本区的海面反射率。然后使用两种方法对反射率精度进行验证,精度分别为0.29%和0.23%,假设M12和M13波段海面反射率相等的反射率计算结果精度分别为2.48%和1.03%。该计算模型大大提高了精度,说明该模型用于VIIRS M12中红外波段计算海洋耀斑区反射率是有效可行的,其精度能够满足中红外波段海面反射率作为波段间定标基准的需求。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪定标系统中铝漫反射板实验测量研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪采用太阳辐射与漫反射板组合方式进行在轨光谱定标,以天底推扫方式对地观测,拥有114°的大视场. 为保证全视场光谱定标精度,此星载仪器的在轨光谱定标系统中的铝漫反射板需具有良好的朗伯特性,以保证在仪器观测视场内能够提供均匀的光源. 在实验室中利用双向反射分布函数测量仪,采用相对测量法对研制的铝漫反射板进行了朗伯特性测量. 分析结果表明,在波长180–880 nm、观测角度-70°–+70°范围内,铝漫反射板双向反射分布函数近似成余弦分布,具有较好的朗伯特性;并采用地面模拟在轨定标方法对星载仪器进行了光谱定标,定标结果表明最大偏差值为0.022 nm,满足定标精度优于0.05 nm的要求. 通过对实验测量的分析可知,研制的铝漫反射板可选作在轨定标系统的定标板. 关键词： 在轨光谱定标系统 铝漫反射板 双向反射分布函数 星载差分吸收光谱仪器     

冬小麦冠层光谱的方向性特征分析

二向性反射因入射和观测的角度变化而变化,合理选择遥感观测角度、太阳天顶角等为提高遥感应用精度提供可能。通过采用各向异性因子和各向异性指数定量分析了冬小麦冠层窄波段二向性反射率及NDVI的方向性特征。分析结果表明：主平面内二向性反射率的各向异性最强,垂直主平面最弱,其他平面介于前两者之间;可见光波段反射率随观测天顶角的敏感性大于近红外波段;反射率对太阳天顶角的敏感性随着观测天顶角的增大而增大。前向NDVI整体上大于后向,且NDVI随着太阳天顶角的增大呈增大趋势。为了减少观测方式所带来的不确定性,应尽量选择近红外波段和小太阳天顶角,估算结构参数时应尽量选择主平面进行遥感观测,在利用NDVI估算生物物理参数时尽量远离“热点”区域。