一种星表材料双向散射分布函数测试方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术取得了方法合理、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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及卫星等航天器整星状态下光学载荷杂散光测试方法。
技术介绍
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ABg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。
技术实现思路
为了解决光学卫星整星状态下地面杂散光测试问题，本专利技术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。为了达到上述专利技术目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种星表材料的双向散射分布函数测试方法，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。步骤A中，选用光谱范围为400～1000nm的氙灯，并采用单色仪分成10nm的谱段间隔，并经准直系统入射至被测材料表面。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。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，(θi，Φi)表示某特定波长入射光源的天顶角和方位角，(θr，Φr)表示探测器观测方向的天顶角和方位角，λi表示入射光源的波长，Vs(θi，Φi，θr，Φr)为测试实际材料的反射亮度或电压；为0°入射的标准板反射亮度或电压，ρ(λi)为该谱段范围内的标准板反射率。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°。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BRDF。所述异性高斯模型数学表达式如下：fr=(θi,φi,θr,φr)=ρdπ+ρs1cosθicosθr14π(axkλ)(aykλ)exp[-2(h^x^ax/kλ)+(h^y^ay/kλ)1+h^n^]]]>其中：式中fr(θi,φi,θr,φr)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，ρd为漫反射系数，ρs为镜面反射系数，ax为方向上的表面斜率均方根，ay为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。本专利技术带来以下有益效果：本专利技术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。附图说明图1为本专利技术测试方法流程图；图2为本专利技术BRDF几何关系示意图；图3为本专利技术BRDF整星二维测量装置示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术技术方案做进一步详细的描述。本专利技术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：(1)输入条件光谱范围：400～1000nm，谱段间隔10nm；入射角度：方位：0°；俯仰：0°～60°，间隔5°出射角度：方位：0°；俯仰：-70°～70°，间隔5°(2)技术要求实验中，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随波长变化的半球反射率可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，(θi，Φi)表示某特定波长入射光源的天顶角和方位角，(θr，Φr)表示探测器观测方向的天顶角和方位角，λi表示入射光源的波长，Vs(θi，Φi，θr，Φr)为测试实际材料的反射亮度或电压；为0°入射的标准板反射亮度或电压，ρ(λi)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：1)实际材料测量亮度或电压值；2)标准板0°入射的反射亮度或电压值；3)标准板反射率；4)实际材料BRDF测试计算值。图1为本专利技术的测试方法流程，图2为本专利技术的BRDF几何关系示意图，图3为本专利技术BRDF二维测量装置示意图。1)基于二维转动测量系统的数据采集按图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。2)改进型各向异性高斯模型建立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：a、模型结构合理，参数物理意义明确；b、能够很好地拟合实际测量得到的数据；c、计算速度快，适合计算机仿真。改进型各向异性高斯模型数学表达式如下：fr=(θi,φi,θr,φr)=ρdπ+ρs1cosθicosθr14π(axkλ)(aykλ)exp[-2(h^x^ax/kλ)+(h^y^ay/kλ)1+h^n^]]]>其中：式中fr(θi,φi,θr,φr)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)，ρd为漫反射系数，ρs为镜面反射系数，ax为方向上的表面斜率均方根，ay为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。3)优选实施例测试得到不同波长、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、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，计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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400～1000nm的氙灯，并采用单色仪分成10nm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，(θi，Φi)表示某特定波长入射光源的天顶角和方位角，(θr，Φr)表示探测器观测方向的天顶角和方位角，λi表...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪少林，马文佳，杨春燕，何军，
申请(专利权)人：上海卫星工程研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31