基于拒绝采样法的BRDF模型散射光线追迹方法

针对现有散射光线追迹概率模型方案受限于解析解难以获取的问题，提出利用拒绝采样法设计基于双向反射分布函数（BRDF）的散射光线追迹概率模型，通过设置检验条件规避了积分求解过程，进而筛选出有效角度坐标，实现散射光线追迹，该方案具有适用范围广的优势。对于具有平移不变性的BRDF模型，进一步提出对称采样方案，通过将采样区域减半后再镜像提升速率。设置表面属性、入射角与追迹光线数量等仿真条件相同，编制了本文方案的仿真程序，对不同光机结构材料进行建模仿真后从重复性和精确度方面与LightTools软件运算结果作对比验证，基于拒绝采样法编制程序的仿真结果可以与软件模型结果相媲美。最后对软件中未包含的BRDF模型进行建模仿真以进一步验证上述方案的普适性。     

任意折射率的三维离散空间光线追迹方法研究

介绍了Runge-Kutta光线追迹方法,并以此作为任意折射率介质中光线追迹基本手段;针对具有折射率任意分布性质并且离散的三维流场空间,建立了流场空间任意点的折射率和折射率梯度计算方法;在追迹过程中,提出了追迹步长根据当地折射率梯度和网格几何尺寸自适应调节的思想和方法,用于提高追迹的精度和效率。结果表明,建立的光线追迹方法适用于三维离散空间折射率任意分布的光线追迹,具有较高的精度和效率。     

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     

变折射率介质中光线追迹通用算法的研究

基于几何光学的光线折射和反射原理提出了变折射率介质中的光线追迹算法,给出了在光线追迹过程中进行递推的反射光线和折射光线的方向余弦方程;解决了空间中法线的确定和光线回转等问题。最后通过对多种不同的存在解析解的特殊折射率分布的数值解值和解析解值的比较,验证了算法的正确性,并且讨论了应用算法时应该注意的问题和算法中还有待解决的问题。该算法不但具有广泛的适用性,基本不受折射率分布的制约,而且其数值解精度达10^-5。该算法在变折射率介质的光学设计和空间成像补偿等方面有着广阔的应用前景。     

基于元胞自动机的气动光学光线追迹算法

对于含激波等大密度脉动结构气动光学流场,沿着直线路径对折射率积分会带来较大的光程误差.因此,数值求解光线方程进行光线追迹是必要的.与数值求解光线方程不同,元胞自动机(cellular automata,CA)通过给定光线位置和方向变换规则来模拟光线在介质中传输路径.本文基于已有的实验测量、数值仿真所获得的高超声速流场密度场数据,分别采用数值求解光线方程法和CA光线追迹算法进行光线追迹,进而得到光线出射流场后的光程差.结果表明, CA算法对于二维气动光学流场中光线追迹的适用性,且较数值求解光线方程方法具有更高的效率.     

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。     

基于子曲面分割和迭代的自由曲面光线追迹方法

根据光学自由曲面数学描述复杂,但面形较为平滑的特点,提出一种新的基于子曲面分割和迭代的自由曲面光线追迹方法。通过离散点分割形成子曲面阵列,根据三角形内角和定理确定目标子曲面,对目标子曲面进行切平面迭代完成光线追迹。通过数值仿真,采用所提方法分别对偶次非球面、双圆锥曲面、扩展多项式面和单透镜无像散系统进行光线追迹,并与ZEMAX追迹结果进行比对。结果表明:该方法在离散点采样密度很低的情况下（降低了计算机的内存消耗和运算时间）仍然可以保证光线追迹的精确性,与ZEMAX中光线和自由曲面交点的偏差达到10-3（nm）量级,出射光线角度的偏差达到10-3（）量级。     

星载激光测距大气校正算法与模型研究

考虑大气折射对星载激光测距的影响,研究了基于光线追迹理论的激光程差计算方法.综合利用气象探空数据和高层大气模式数据,拟合得到了全国46个典型地区的年度平均大气折射率模数高度分布廓线.据此,比较分析了光线追迹算法结果与Marini-Murray模型计算结果,给出了激光程差的全国性分布状况.最后,分析了激光程差与海拔高度和...     

基于神经网络的粗糙表面双向反射分布函数建模

分析粗糙表面双向反射分布函数的测量方法,提出一种使用人工神经网络技术建立目标表面材料双向反射分布函数模型的方法。给出测量样品多个入射角度下的BRDF随散射角变化的曲线,从中选取部分曲线输入到神经网络,使用贝叶斯正则化方法训练网络,最终获取双向反射分布函数和入射角、散射角的映射关系模型。使用网络模型计算参与训练和未参与训练的输入角度的散射分布曲线,与实验测量曲线进行比较,结果表明：建立的模型正确,具有应用价值。     

随机折射率分布参数对梯度折射率棒状透镜阵列轨迹的影响

通过统计线性化研究梯度折射率棒状透镜的离散分布参数对光线追迹的影响,介绍了获得平均值和方差的一种方法。根据所研究的例子,发现光线轨迹明显地受到离散参数的影响。     

自由曲面零补偿计算全息图离散相位的B样条拟合

在设计自由曲面光学元件零补偿检测的计算全息图(CGH)时,利用光线追迹可得到散乱分布的离散相位点,需通过插值得到连续的相位分布函数,以计算CGH刻线位置。采用双三次B样条插值法,对散乱分布的离散相位点进行拟合并用较少的采样点满足精度要求。利用双三次B样条的矩阵表达式及CGH加工相位函数在所加载频方向单调递增的性质,简化了求解插值曲面与x-y平行平面精确交线的方法,高精度地求取了相位型CGH的上下沿刻线位置。最后给出了一例用于自由曲面干涉零补偿检测的CGH图样。     

用于空间相机设计的高精度光线追迹方法

空间光学系统在应用需求牵引下,向着大尺度、高精度、复杂化等方向发展,像差随着焦距与口径的增大呈幂指数增长,微小的误差扰动就会引起像质的大幅退化,因此对光线追迹算法的精度和稳定性提出了更严苛要求.本文从误差分析理论出发,提出了光线追迹精度表示模型,依据模型分析了计算过程误差来源,并设计了高精度光线追迹算法.数值仿真实验和典型空间相机设计案例结果表明,本文方法在精度上较原有方法提高了5—6个数量级,残差平均比Zemax小近3个数量级,数值稳定性也得到了极大提升.     

飞尘气溶胶粒子散射特性分析:对比实验和米散射方法

采用Mie散射理论计算了可见光波段等效球飞尘气溶胶粒子的Stokes散射矩阵,并与实验得到的空间随机取向的非球形飞尘气溶胶粒子结果进行了对比分析;由理论与实验方法得到的散射相函数,采用离散坐标法计算了两者的双向反射函数(BRDF),并对此结果进行了分析研究。结果表明:实验测量的非球形飞尘气溶胶粒子群的散射矩阵和基于球形粒子假设的Mie散射理论计算结果在大多数散射角上都不相同,但是不对称因子却大致相同;球形-非球形粒子群的BRDF随反射角的变化趋势基本一致,但是球形粒子群的BRDF曲线分布具有更大的波动趋势;随着光学厚度的增加,球形-非球形粒子群的BRDF曲线分布均趋于平坦,计算结果趋于一致。因此在飞尘气溶胶粒子散射特性研究中,当光学厚度较小时,用球形假设的方法会造成一定的误差,BRDF相对误差最大可以达到60%,需考虑粒子非球形特性造成的影响;而当光学厚度较大时,BRDF相对误差一般不会超过10%,采用球形假设的方法具有一定的适用性。     

小入射角条件下气动光学成像偏移

针对超声速飞行器在大气中飞行时由于气动光学效应产生的成像偏移,推导了光线偏折角和流场折射率梯度之间的关系,给出了小入射角情况下,离散折射率场光线偏折角的一种计算方法;利用不同流场的计算流体力学数据计算出对应的折射率场;使用光线追迹法得到光线通过不同流场后的偏折角和传播路径上的折射率梯度分布。仿真结果表明,新的偏折角计算方法所得结果在入射角小于30°时与Runge-Kutta和Snell光线追迹法具有很好的一致性;同一高度下小入射角时,光线的偏折角并不随着飞行速度的增加而增加,而是基本保持稳定;光线通过流场的偏折是正负折射率梯度区域共同作用的结果,负的折射率梯度区域可以减少光线偏折,起到部分"校正"作用。     

ASAP模拟变焦系统中鬼像的研究

 非成像光束在光学系统内表面的多次折射反射容易在像面附近形成光晕或鬼像,变焦系统由于镜片多,机构复杂等往往难以进行全面的分析模拟。利用ASAP软件模拟每个透射面作为部分透射、部分反射的表面,对变焦光学系统非轴上光进行分析,模拟出变焦系统的光学元件表面和光机内壁,实行实际光线追迹,然后以像面为研究对象,进一步实施实际光线追迹,模拟出全部散射光在像面上的能量分布,找出鬼像形成的原因,并在此基础上通过改变二次反射所在面的曲率或改变所在面的折射率两种方法对变焦光学系统进行优化,减小鬼点数目,以提高系统的成像质量。     

机械刻划光栅的光线追迹方法

为了评价光栅的光谱质量,完成所设计光栅的光线追迹,针对机械刻划光栅的光线追迹提出了一种改进方法.在费马原理的基础上利用光程函数法得到入射光通过光栅后的光谱分布情况,再使用传输矩阵的计算方法构造出光谱的点列图.该方法适用于刻划在平面、球面和非球面基坯上的等间距和变间距光栅,光栅的光谱面可以为平面或者二次曲面. 通过刻划在非球面基坯上的凹面光栅验证了光线追迹方法的可靠性.     

激光半主动制导导引头光学系统的设计

根据四象限探测器的工作原理,激光半主动导引头光学系统所成光斑需均匀分布在探测器靶面上。首先分析此类光学系统像差特点,提出像差的设计方案,然后通过使用CODE V设计一套光学系统,利用痕迹图、包围能量等定性评价系统光斑质量。在不同视场时,通过LightTools光机分析软件追迹1106根光线,得到探测器靶面的光线分布,利用Matlab处理数据并绘制角度-输出响应曲线,利用该曲线可精确评价探测器靶面的光斑性能。     

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。     

用蒙特卡罗光子追迹方法分析闪光灯的结构设计

闪光灯反光罩结构设计的目标是使得所拍摄视场内的光能量分布尽量均衡。不同于基于几何光学理论的闪光灯计算和设计方法,采用了蒙特卡罗光子追迹法来分析闪光灯的结构设计。通过对照相机闪光灯几何结构的分析,引入余弦随机变量等方法,建立了闪光灯系统中光源、反光罩、菲涅耳透镜等部件的数学模型。先用蒙特卡罗光子追迹法模拟了单光子在闪光灯中飞行的各种可能状态,再通过产生大量光子仿真真实的情况。并对一个具体的闪光灯结构进行了计算,计算得到了光强和光子方向矢量在水平、垂直两个方向的投影角之间的分布曲线图。仿真结果符合设计要求并与实测曲线很接近,从而验证了蒙特卡罗光子追迹法在闪光灯结构设计中的可行性。     

基于散射光谱加和性的金属漆颜料制品的光谱双向反射分布函数重建研究

金属漆颜料制品的光谱双向反射分布函数(BRDF)与其组成成分有关,快速准确重建出成分相近的金属漆颜料制品的光谱BRDF数据,对指导金属漆颜料制品的光谱BRDF建模,减少其光谱BRDF数据采集的人力物力成本具有重要意义。基于散射光谱加和性原理,提出了一种使用少数金属漆颜料制品的光谱BRDF数据重建出具有不同成分比例金属漆颜料制品的光谱BRDF数据的方法。该方法将金属漆颜料制品的光谱BRDF视为其各组成部分光谱BRDF的线性组合,通过求解线性方程组得出各组成部分的光谱BRDF,然后通过赋予各组成部分光谱BRDF不同的权重,采用加权求和方法重构出成分比例不同的金属漆颜料制品的光谱BRDF数据。实验中,以潘通金属色系列色卡中亮黄色系列的6个不同组成比例色卡为研究对象,使用比较测量方法测量得到了其在45°入射角度下,380～760 nm波长范围的半球反射空间的光谱双向反射分布函数(BRDF)值。然后选择其中两个色卡求解出该系色卡的基础成分的光谱BRDF数据,再通过赋予其基础成分的光谱BRDF数据不同的权重,重建出其他四个成分比例不同的色卡的光谱BRDF数据。实验结果表明,在45°入射角度和半球反...