一种星表材料双向散射分布函数测试方法
【专利摘要】本发明提供一种星表材料双向散射分布函数测试方法，解决整星状态下星表材料对杂散光测试的影响问题。包括：步骤A：采用单色仪将氙灯光谱按要求分出多个波长；步骤B：选取特定波长光谱和特定出入射角度进行整星状态下标准板和星表材料的输出电压测试，以及标准板随波长变化的半球反射率测试；步骤C：通过单色仪改变光谱波长，利用二维转动测量系统精确改变卫星空间角度，从而改变光线出入射角度，并重复步骤B；步骤D：建立改进的各向异性高斯模型；步骤E：采用基于各向异性的改进型高斯模型进行BRDF计算。本发明取得了方法合理、操作可行、快速高效、适应性强、数据准确可靠等有益效果，适用于光学卫星整星状态下的杂散光测试。
【专利说明】
_种星表材料双向散射分布函数测试方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及卫星等航天器整星状态下光学载荷杂散光测试方法。
【背景技术】
[0002] 整星状态下的杂散光与卫星布局设计和星表材料散射特性密切相关，载荷的光学 系统杂散光抑制设计、整星布局合理性分析、杂散光的测试方案设计都需要进行杂散光分 析仿真，因此，在进行整星状态下的杂散光测试前必须对整星状态下星表材料进行散射特 性测试，从而代入杂散光仿真软件进行更加精确的整星状态下杂散光仿真和分析。对杂散 光的测试结果也可通过杂散光软件逆向追迹确定敏感杂散源，从而进行星表材料的调换和 控制，并对关键散射表面提出散射特性要求。而散射表面的散射特性一般采用双向散射分 布函数(BRDF)描述，现有大多数的测试方法为直接测量星表材料样件的散射特性，其忽略 了样件在装星后的状态变化而引发的散射特性变化。且大多杂散光分析软件采纳ABg模型 数学表征的BRDF，然而六取模型计算量大且误差精度不高，寻求更快捷精准的计算模型是有 必要的。
【发明内容】
[0003] 为了解决光学卫星整星状态下地面杂散光测试问题，本发明提供一种星表材料的 双向散射分布函数测试方法，基于新型模型的整星状态下星表材料BRDF测试计算，也是卫 星光学载荷杂散光精确分析和杂散光验证测试的前提。
[0004] 为了达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0005] -种星表材料的双向散射分布函数测试方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤A:采用单色仪将氙灯光谱按要求分出多个波长；
[0007] 步骤B:选取波长光谱和入射角度进行整星状态下标准板和星表材料的输出电压 测试、以及标准板随波长变化的半球反射率测试；
[0008] 步骤C:改变光谱波长和卫星的出、入射角度和方位角，并重复步骤B;
[0009] 步骤D:建立各向异性高斯模型；
[0010] 步骤E:利用模型进行双向反射分布函数仿真计算。
[0011] 步骤A中，选用光谱范围为400~1000 nm的氣灯，并采用单色仪分成IOnm的谱段间 隔，并经准直系统入射至被测材料表面。
[0012] 步骤B中，结合卫星实际的表面材料状态，采用整星状态下的输出电压测试，获得 数据。
[0013] 步骤B中，通过测量标准板和实际材料的输出电压以及标准板随波长变化的半球 反射率得至Il双向皮射分布函数如下：
[0014]
[0015] 对于理想漫射面而言，探测器输出电压值为：
[001 < ^ .....
u
[0017]式中，（θη (D1)表示某特定波长入射光源的天顶角和方位角，（ΘΤ，ΦΤ)表示探测器 观测方向的天顶角和方位角，Μ表示入射光源的波长,Vs(Q1A1J rAr)为测试实际材料的 反射亮度或电压;Φ?，θρ .(?)为0°入射的标准板反射亮度或电压，P(Ai)为该谱段 范围内的标准板反射率。
[0018] 步骤C中，基于二维转动测量系统调整卫星的空间角度，从而调整光线的出、入射 角和方位角，角分辨率大于0.001°。
[0019] 步骤D中，所述各向异性高斯模型中包含有波长因子，用于计算星表材料表面的 BRDF0
[0020] 所述异性高斯模型数学表达式如下：
[0024]式中Φ i，9r，(J)r)为双向反射分布函数，等式右边第一项为朗伯体分量即漫 反射分量，第二项为相干分量，即镜面反射分量，Pd为漫反射系数，Ps为镜面反射系数，ax为X 方向上的表面斜率均方根，ay为I方向上的表面斜率均方根，k为与波长相关的比例系数，用 于对改变波长而产生的数值影响的修正，λ为波长。
[0025]本发明带来以下有益效果：
[0026] 本发明所提供的星表材料的双向散射分布函数测试方法，方法合理、操作可行，快 速高效、适应性强、数据准确可靠等有益效果，适用于光学卫星整星状态下的杂散光测试， 应用前景广泛。
【附图说明】
[0027] 图1为本发明测试方法流程图；
[0028] 图2为本发明BRDF几何关系示意图；
[0029] 图3为本发明BRDF整星二维测量装置示意图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对本发明技术方案做进一步详细的描述。
[0031] 本发明采用整星状态下对星表材料进行测试，采用BRDF测试方法，即采用光源照 射材料表面测得各向散射强度与标准漫反板的同光源散射强度相比。针对光学卫星的测试 要求如下：
[0032] (1)输入条件
[0033] >光谱范围：400~lOOOnm，谱段间隔IOnm;
[0034] >入射角度:方位:0° ;俯仰:0°~60°，间隔5°
[0035] >出射角度:方位:0° ;俯仰:-70°~70°，间隔5°
[0036] (2)技术要求
[0037] 实验中，用单色仪将氙灯光谱按要求分出各个波长，通过测量标准板和实际材料 的输出电压以及标准板贿被长夺化的半球应射銮可得至丨丨双向应射分布函数如下：
[0038]
[0039]
[0040]
[0041] 式中，（Θ,，(D1)表示某特定波长入射光源的天顶角和方位角，（0r，(Dr)表示探测器 观测方向的天顶角和方位角表示入射光源的波长,V s(Q1A1JrAr)为测试实际材料的 反射亮度或电压;V〇(0i，Φ?，θρ (pr)为0°入射的标准板反射亮度或电压，P(Ai)为该谱段 范围内的标准板反射率。因此，需提供测试过程中所有原始数据及计算出的BRDF。数据包括 但不限于：
[0042] 1)实际材料测量亮度或电压值；
[0043] 2)标准板0°入射的反射亮度或电压值；
[0044] 3)标准板反射率；
[0045] 4)实际材料BRDF测试计算值。
[0046] 图1为本发明的测试方法流程，图2为本发明的BRDF几何关系示意图，图3为本发明 BRDF二维测量装置示意图。
[0047] 1)基于二维转动测量系统的数据采集
[0048]按图3在消光暗室10内搭建BRDF二维转动测量系统，根据测试要求，调节卫星1的 空间角度，改变方位角和出入射角，并通过编码器测得调节后的精确角度。其中光源3采用 氙灯光源，单色仪5选用OL 750-M-S，光谱分辨率优于5nm，准直系统4为单透镜系统，不平行 度优于0.5°，编码器选用工业级欧姆龙编码器，测角精度优于0.001°，探测器2由球面反射 镜和硅光电探测器组成，试验时根据不同角度工况记录完整数据。
[0049] 2)改进型各向异性高斯模型建立
[0050] 根据各向异性高斯模型，结合波长因子，提出改进的各向异性高斯模型来计算星 表材料表面的BRDF，该模型属于几何光学模型，相对其它模型具有以下特点：
[00511 a、模型结构合理，参数物理意义明确；
[0052] b、能够很好地拟合实际测量得到的数据；
[0053] c、计算速度快，适合计算机仿真。
[0054]改进型各向异性高斯模型数学表达式如下：
[0058]式中<})i，9r，(J)r)为双向反射分布函数，等式右边第一项为朗伯体分量(漫反 射分量），第二项为相干分量(镜面反射分量），Pd为漫反射系数，Ps为镜面反射系数，ax为支方 向上的表面斜率均方根，a y为I方向上的表面斜率均方根，k为本文提出的与波长相关的比 例系数，用于对改变波长而产生的数值影响的修正，λ为波长。
[0059] 3)优选实施例
[0060] 测试得到不同波长、不同角度的原始数据后，可建立改进型各向异性高斯模型进 行BRDF仿真计算，设星表材料的漫反射系数、镜面反射系数、I方向上的表面斜率均方根、|· 方向上的表面斜率均方根分别为0.2、0.8、0.15、0.15，计算波长设为55011111，比例系数1^取 0.1。
[0061] 仿真计算后，可得BRDF二维曲线，并且数据可真实反映实际情况。
[0062] 通过试验及仿真证明，本发明一种星表材料的双向散射分布函数测试方法合理、 操作可行、快捷高效、数据真实的目的。该方法适应性强，较好地满足了光学卫星整星状态 下的杂散光测试要求，对于光学卫星研制过程中地面杂散光测试具有重大的意义，对于对 地遥感航天器具有借鉴作用。
【主权项】
1. 一种星表材料双向散射分布函数测试方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤A:采用单色仪将氙灯光谱按要求分出多个波长； 步骤B:选取波长光谱和入射角度进行整星状态下标准板和星表材料的输出电压测试、 以及标准板随波长变化的半球反射率测试； 步骤C:改变光谱波长和卫星的出、入射角度和方位角，并重复步骤B; 步骤D:建立各向异性高斯模型； 步骤E:利用模型进行双向反射分布函数仿真计算。2. 根据权利要求1所述的星表材料双向散射分布函数测试方法，其特征在于，步骤A中， 选用光谱范围为400~1000 nm的氙灯，并采用单色仪分成IOnm的谱段间隔，并经准直系统入 射至被测材料表面。3. 根据权利要求1所述的星表材料双向散射分布函数测试方法，其特征在于，步骤B中， 通过测量标准板和实际材料的输出电压以及标准板随波长变化的半球反射率得到双向反 射分布函数如下：对于理想漫射面而言，探测器输出电压值为：式中，（θηΦΟ表示某特定波长入射光源的天顶角和方位角，（0r，(Dr)表示探测器观测 方向的天顶角和方位角，M表不入射光源的波长，Vs(Θi，Φ i，0r，Φr)为测试实际材料的反射 亮度或电压；V〇(0i，€>i，θρ (pj·)为0°入射的标准板反射亮度或电压，P(Ai)为该谱段范围 内的标准板反射率。4. 根据权利要求1所述的星表材料双向散射分布函数测试方法，其特征在于，步骤C中， 基于二维转动测量系统调整卫星的空间角度，从而调整光线的出、入射角和方位角，角分辨 率大于0.001°。5. 根据权利要求1所述的星表材料双向散射分布函数测试方法，其特征在于，步骤D中， 各向异性高斯模型中包含有波长因子，用于计算星表材料表面的BRDF。6. 根据权利要求5所述的星表材料双向散射分布函数测试方法，其特征在于，所述异性 高斯模型数学表达式如下：其中：式中5(0,，(J)1Jr, (J)r)为双向反射分布函数，等式右边第一项为朗伯体分量即漫反射 分量，第二项为相干分量，即镜面反射分量，Pd为漫反射系数，ps为镜面反射系数，方向 上的表面斜率均方根，a ys免方向上的表面斜率均方根，k为与波长相关的比例系数，用于 对改变波长而产生的数值影响的修正，λ为波长。
【文档编号】G01N21/47GK105891156SQ201610189036
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月29日
【发明人】汪少林, 马文佳, 杨春燕, 何军
【申请人】上海卫星工程研究所