基于racepro的空間目標(biāo)光學(xué)散射特性仿真分析

基于racepro的空間目標(biāo)光學(xué)散射特性仿真分析

0mcrt方法隨著空間技術(shù)的快速發(fā)展，空間目標(biāo)的數(shù)量不斷擴(kuò)大。目標(biāo)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、材料的異質(zhì)性、背景的時(shí)間變化、軌道多樣性等話題被提出為確定和識(shí)別平面目標(biāo)的新課題?？臻g目標(biāo)光學(xué)特性是精細(xì)測(cè)量系統(tǒng)感知的信息，是空間目標(biāo)測(cè)量和識(shí)別的基礎(chǔ)和基礎(chǔ)。空間目標(biāo)光學(xué)特性包括目標(biāo)波束特征和分散特征。由于基礎(chǔ)和天基空間目標(biāo)光束電氣系統(tǒng)主要集中在光束上，因此空間目標(biāo)光學(xué)特性作為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容越來(lái)越受到重視。空間目標(biāo)光學(xué)散射特性可通過(guò)目標(biāo)反射背景輻射在探測(cè)器入瞳面上產(chǎn)生的輻照度分布來(lái)描述.研究方法總體上可分為解析法和蒙特卡羅光線追跡法(MonteCarloRayTracing,MCRT)兩類(lèi).解析法通過(guò)分析問(wèn)題中各要素之間的關(guān)系,用語(yǔ)言或符號(hào)得出解決問(wèn)題所需的表達(dá)式,然后設(shè)計(jì)程序求解問(wèn)題.1967年,Lambert模型被建立起來(lái)用于模擬物體表面在光源直接照射下的漫反射光的分布.西安光學(xué)精密機(jī)械研究所等應(yīng)用Lambert理論研究了目標(biāo)光學(xué)散射特性與目標(biāo)尺寸、表面材料、觀測(cè)角、觀測(cè)距離之間的關(guān)系.隨著研究工作的不斷深入,發(fā)現(xiàn)雙向反射分布函數(shù)(BidirectionalReflectanceDistributionFunction,BRDF)能更形象、更精確地描述目標(biāo)表面的光學(xué)散射特性.BRDF由Nicodemus于1965年提出,是從輻射度學(xué)出發(fā)、在幾何光學(xué)的基礎(chǔ)上描述表面散射特性的物理量,定義為光輻射的反射輻亮度和入射輻照度的比值.法國(guó)圖盧茲第三大學(xué)、德國(guó)漢堡聯(lián)邦國(guó)防軍大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等測(cè)試和評(píng)估了多種材料的BRDF特性,結(jié)合目標(biāo)尺寸分析了目標(biāo)在不同觀測(cè)條件下的光學(xué)散射特性.當(dāng)前面臨的問(wèn)題是BRDF的建模與參量?jī)?yōu)化.目前研究者采用不同的BRDF模型進(jìn)行計(jì)算分析,得到的結(jié)論各有不同,不便于對(duì)研究成果進(jìn)行比對(duì)和評(píng)判.利用解析法分析目標(biāo)光學(xué)散射特性,表達(dá)直觀易懂、物理意義清晰明確.但分析過(guò)程中未考慮光線在目標(biāo)各表面之間的多次反射問(wèn)題,這種簡(jiǎn)化分析方法對(duì)于實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離.此外,在程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)上存在一定的難度.MCRT基本思路是將一個(gè)表面的輻射能看作是由大量獨(dú)立的能束組成,跟蹤每束發(fā)射光線在系統(tǒng)內(nèi)的傳播,當(dāng)其到達(dá)某個(gè)表面時(shí),光線的吸收、反射、散射、折射也是隨機(jī)過(guò)程,若被該表面吸收,則停止跟蹤該束光線,若被攔截表面反射、散射或折射,則繼續(xù)跟蹤光線的傳播,直至被系統(tǒng)內(nèi)表面吸收或進(jìn)入空間環(huán)境.芬蘭赫爾辛基大學(xué)、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院等基于隨機(jī)粗糙表面微面元模型,利用MCRT分析了散射光的傳輸問(wèn)題.利用MCRT分析目標(biāo)光學(xué)散射特性,概率模型適用于光線在多表面之間的傳輸.此外,在程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)上相對(duì)容易.但缺乏表面具體物性支撐,這種單純分析方法對(duì)于實(shí)際應(yīng)用同樣存在一定的局限.本文在綜合考慮目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特性、材料特性、背景特性及軌道特性的基礎(chǔ)上,利用TracePro對(duì)空間目標(biāo)光學(xué)散射特性進(jìn)行精確建模與仿真,為空間目標(biāo)光學(xué)探測(cè)與識(shí)別提供數(shù)據(jù)支持.1brdf的計(jì)算TracePro光學(xué)仿真軟件繼承和發(fā)揚(yáng)了解析法和MCRT兩種方法的優(yōu)點(diǎn).其核心思想是具有表面具體物性支撐的MCRT.TracePro將BRDF引入到目標(biāo)表面材料特性中,利用ABg模型描述不同波長(zhǎng)、不同角度的BRDF分布.此外,TracePro利用光線分裂(Raysplitting)和重點(diǎn)取樣(Importancesampling)用于指定光線產(chǎn)生和傳播的方向,可使用戶感興趣的某個(gè)表面(或多個(gè)表面)的光線數(shù)增加,但不改變實(shí)際結(jié)果.其具體計(jì)算過(guò)程包括建立幾何模型、設(shè)定材質(zhì)、設(shè)定光源、計(jì)算光線路徑等.式中:A、B、g為待定參數(shù);β為散射方向單位向量在目標(biāo)表面投影向量;β0為鏡反射方向單位向量在目標(biāo)表面投影向量.2不同目標(biāo)光學(xué)散射特性仿真分析以空間目標(biāo)天基紅外系統(tǒng)(Space-BasedInfraredSystem,SBIRS)為例,綜合考慮目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特性、材料特性、背景特性及軌道特性,通過(guò)TracePro中建立幾何模型、設(shè)定材質(zhì)、設(shè)定光源、計(jì)算光線路徑等環(huán)節(jié),對(duì)目標(biāo)光學(xué)散射特性進(jìn)行仿真分析,獲取目標(biāo)的光譜輻照度、等效光譜反射率分布.2.1幾何模型的構(gòu)建根據(jù)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)、尺寸等,利用SolidWorks建立目標(biāo)的幾何模型,主要包括目標(biāo)本體、太陽(yáng)帆板及探測(cè)載荷等,如圖1.2.2brdf測(cè)量結(jié)果對(duì)典型空間目標(biāo)表面材料(灰色包覆材料、砷化鎵電池片等)光譜BRDF進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量.測(cè)量裝置如圖2.波長(zhǎng)范圍為300~1000nm,分辨率為10nm.其中,灰色包覆材料在波長(zhǎng)630nm時(shí)的BRDF測(cè)量結(jié)果如圖3.不同的曲線代表不同的入射天頂角θi.反射天頂角為正值,表示該類(lèi)角度的φr-φi=0°(與入射天頂角在同一象限),反射天頂角為負(fù)值,表示該類(lèi)角度的φr-φi=180°(與入射天頂角在相對(duì)象限).砷化鎵電池片在波長(zhǎng)630nm時(shí)的BRDF測(cè)量結(jié)果如表1.從測(cè)量結(jié)果可以看出,BRDF極大值對(duì)應(yīng)的探測(cè)角在鏡反射方向左右.對(duì)于灰色包覆材料,BRDF值隨探測(cè)角變化平緩,近似成余弦分布,說(shuō)明材料表面漫反射特性較強(qiáng).而對(duì)于砷化鎵電池片,BRDF值隨探測(cè)角變化劇烈,在偏離鏡反射方向之后迅速減小,說(shuō)明材料表面鏡反射特性較強(qiáng).將測(cè)量得到的離散BRDF數(shù)據(jù)導(dǎo)入到TraceProBRDFConverter中,通過(guò)ABg模型曲線擬合,獲取不同波長(zhǎng)、不同角度相應(yīng)的A,B,g值,以文本形式輸出之后定義為目標(biāo)表面材料特性.受篇幅限制,本文這里僅給出砷化鎵電池片部分典型波長(zhǎng)、典型角度的A,B,g擬合結(jié)果,如表2.TracePro通過(guò)表單的延伸和內(nèi)插功能,實(shí)現(xiàn)BRDF連續(xù)分布.2.3地球化學(xué)和太陽(yáng)光譜太陽(yáng)輻射近似于5900K的黑體,由普朗克黑體輻射定律,太陽(yáng)光譜輻射出射度為式中:M(λ)為太陽(yáng)光譜輻射出射度(W·m-2·nm-1);T為熱力學(xué)溫度,T=5900K;c1為第一黑體輻射常數(shù),c1=3.741844×1020(W·nm4·m-2);c2為第二黑體輻射常數(shù),c2=1.4388×107(nm·K).地球表面太陽(yáng)光譜輻照度為式中:Rs為太陽(yáng)半徑,Rs=6.96×105km;Rs-e為日地平均距離,Rs-e=1.49×108km.此外,若獲取目標(biāo)的等效光譜反射率,則設(shè)定光源為光譜均一光源.2.4光譜輻照度及等效反射率SBIRS為GEO目標(biāo),天基觀測(cè)GEO目標(biāo)的典型位置為目標(biāo)進(jìn)出地球陰影前后,因此設(shè)定光線以8°入射角的方向入射到目標(biāo)表面,探測(cè)器在8°反射角的方向接收,獲取目標(biāo)在鏡反射時(shí)的光譜輻照度及等效光譜反射率.此外,在保持相位角16°不變的條件下,以5°角間隔旋轉(zhuǎn)目標(biāo),獲取目標(biāo)在各旋轉(zhuǎn)角度下相應(yīng)的等效光譜反射率.光線路徑如圖4.2.5目標(biāo)旋轉(zhuǎn)時(shí)目標(biāo)等效光譜反射率與覆合物的關(guān)系目標(biāo)在鏡反射時(shí)的光譜輻照度、等效光譜反射率及在各旋轉(zhuǎn)角度下相應(yīng)的等效光譜反射率仿真結(jié)果分別如圖5、6.由圖5可以看出,目標(biāo)的光譜輻照度曲線與太陽(yáng)一致,主要是由于目標(biāo)本身不發(fā)光,目標(biāo)光譜輻照度是目標(biāo)光譜反射特性和太陽(yáng)光譜輻照度綜合作用的結(jié)果,即目標(biāo)光譜輻照度是目標(biāo)光譜反射特性對(duì)太陽(yáng)光譜輻照度的“調(diào)制”.由圖6可以看出,鏡反射時(shí),目標(biāo)的等效光譜反射率曲線與砷化鎵電池片一致,主要是由于砷化鎵電池片較包覆材料鏡反射強(qiáng)且“可視”面積大的原故.隨著目標(biāo)旋轉(zhuǎn),目標(biāo)等效光譜反射率在數(shù)值和趨勢(shì)上均發(fā)生變化,當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到20°時(shí),目標(biāo)等效光譜反射率下降了2個(gè)量級(jí),趨勢(shì)開(kāi)始趨向于與包覆材料一致,而后保持不變,主要是由于偏離了鏡反射方向,砷化鎵電池片對(duì)目標(biāo)等效光譜反射率的貢獻(xiàn)逐漸減少而包覆材料對(duì)目標(biāo)等效光譜反射率的貢獻(xiàn)逐漸增加的原故.仿真結(jié)果準(zhǔn)確性受BRDF測(cè)量波長(zhǎng)間隔、角度間隔及測(cè)量精度影響,間隔越小,精度越