一种褶皱包覆材料可见光双向散射分布函数建模方法技术

本发明专利技术提供了一种褶皱包覆材料可见光双向散射分布函数建模方法，包括获得未经褶皱处理的包覆材料的BRDF数据；求解卫星表面包覆材料在平整条件下相对于褶皱条件下X、Y方向的长度缩小比例；建立褶皱碎片面积占比系数的分布统计分析函数；根据倾角对未经褶皱的BRDF进行偏转，得到针对基底坐标系的碎片反射率值；对倾角离散化并代入分析函数得到褶皱碎片的面积占比系数；任意朝向碎片的反射率乘以对应的面积占比系数得到该碎片的反射贡献率，然后累加得到所有褶皱碎片的反射贡献率。本方法利用平整条件下的BRDF模型，根据包覆条件计算得到经过褶皱后的BRDF特性，为目标光学散射特性仿真提供数据支撑。真提供数据支撑。真提供数据支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种褶皱包覆材料可见光双向散射分布函数建模方法


[0001]本专利技术属于建模仿真
，具体涉及一种褶皱包覆材料可见光双向散射分布函数建模方法。

技术介绍

[0002]现代通信卫星、侦查卫星、深空探测器等目标都会包覆一层防护材料，以保护设备在深空中的安全。防护材料的是一种复合多层材料，最外层是类似金属的高反射率材料，在太阳照射下具有极高的亮度，是决定目标可见度的重要影响因素。
[0003]包覆材料平整时的双向散射分布函数(BRDF)特性非常稳定而且很容易测量得到，但是包覆材料在使用时为了紧贴卫星表面，会做很多褶皱处理，褶皱的程度是随机的,这导致平整条件下获得的BRDF参数不能准确描述目标的表面反射特性。
[0004]针对褶皱表面的BRDF测试采用实际材料的方式进行测量，操作上先对材料进行人工揉搓，再将材料放在测量台上，测量当前状态下的BRDF特性，并作为褶皱表面的BRDF使用，这种简单的近似方法可以在一定精度要求范围内使用，但不利于高精度的数据仿真计算，且不同使用条件下褶皱的程度是不同的，同一组BRDF数据无法适应所有应用条件，反复测量又会带来巨大的经济成本和时间成本。
[0005]在进行有限元分析计算时，受限于几何模型构建的精度，无法准确的描述每一个褶皱的倾斜，同时在面源剖分时无法响应每一个倾斜面，面源计算时无法采用具体的反射率值，因此，需要专利技术一个褶皱包覆材料可见光双向散射分布建模方法，为褶皱后的随机表面提供BRDF参数值。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种卫星表面褶皱包覆材料BRDF特性建模方法，采用本方法，建模人员利用平整条件下测得的BRDF模型，根据材料的包覆条件就可以计算得到经过褶皱后材料的BRDF特性，为目标光学散射特性仿真提供数据支撑。
[0007]本专利技术利用平整条件下的准确BRDF测量值，通过褶皱碎片统计模型和包覆材料的使用方式，构建褶皱材料的BRDF模型。具体技术方案如下：
[0008]步骤1.将包覆材料附着的卫星表面设定为基底平面，包覆材料可理解为附着在基底平面上的无数小面片组成的复杂平面。以入射光与基底平面构建坐标系，基底法线为Z轴，基底平面内入射光线方向为X轴，根据右手法则确定Y轴；每个碎片的法线方向为(u，v)，u是褶皱碎片法向角与YZ面夹角的正切值，v是碎片法向角与XZ面夹角的正切值；
[0009]步骤2.对平整包覆材料的BRDF进行测量得到材料的标准BRDF数据或通过其他途径获得材料未经褶皱处理前BRDF数据，BRDF数据的格式为R(a，α，β)，其中，a为光线入射方向与Z轴的夹角，α为测量方向与步骤1中所述YZ面夹角，β为测量方向与步骤1中所述XZ面夹角；
[0010]步骤3.分析包覆材料的使用条件，得到包覆材料的褶皱前面积和褶皱后的正视面
积，求解卫星表面包覆材料在平整条件下相对于褶皱条件下X方向的长度缩小比例A，以及Y方向的长度缩小比例B，以A为例，记X方向上卫星表面褶皱包覆材料平整条件下的原始长度是L
o
，X方向上卫星表面褶皱包覆材料褶皱后的长度是L
n
，则有一般情况下，卫星包覆材料缩小比的取值范围介于[1,1.5]，B的计算方法与A相同，不同之处在于原始长度和褶皱后的长度为Y方向上的长度。
[0011]步骤4.材料褶皱碎片分布统计分析函数f(u，v)，u是褶皱碎片法向角与YZ面夹角的正切值，v是碎片法向角与XZ面夹角的正切值，根据统计规律f(u，v)满足二维正态分布其中，σ1，σ2是u和v在X，Y两个方向上分布概率标准差；
[0012]步骤5.根据碎片倾角，对未经褶皱的材料BRDF进行偏转，得到褶皱碎片的反射率r(a，α，β，u，v)，具体计算公式如下：
[0013]r(a，α，β，u，v)＝R(a，α
‑
2actan(u)，β
‑
actan(v))；
[0014]步骤6.对步骤4中，获得的概率分布函数进行离散化，以u＝
±
3σ1和v＝
±
3σ2为边界，在X，Y两个方向分别将u和v的取值离散化M和N份，分别按照u＝(m
‑
0.5*M)6σ1/M，v＝(n
‑
0.5*N)6σ1/N，(m，n)是XY方向上角度区间的序号，取值分别为1～M和1～N的整数。遍历m和n值，带入步骤4中提到的正太分布公式，计算得到u和v在
±
3σ1和
±
3σ2范围内所有褶皱碎片的面积占比系数F(m，n)；
[0015]步骤7.步骤5中计算得到的对应角度下面片的反射率值乘以步骤6中得到的面积占比系数，得到对应角度下的褶皱碎片的反射贡献率I
m，n
，再通过累加的方法得到褶皱后整个面片的反射率模型R
褶皱
(a，α，β)。
[0016]在步骤2中，绝大部分包覆材料是的反射率是各向同性的，入射光的角度a的取值范围为0
°
～90
°
，α的取值范围为
‑
90
°
～90
°
，β的取值范围为
‑
90
°
～90
°
；
[0017]在步骤3中，对材料的褶皱后两个方向长度的缩小比A和B是相互独立的，可以通过测量褶皱前材料的X和Y两个方向测量值除以褶皱后材料X和Y两个方向测量值得到；
[0018]在步骤4中，σ1，σ2是与步骤3中A和B的值相关，求解方程为：
[0019][0020][0021]有益效果
[0022]1)本专利技术提供了一种在已知BRDF系数的情况下准确估算目标褶皱条件下BRDF系数的方法；
[0023]2)它能为目标建模仿真和光散射分析提供数据支撑；
[0024]3)本专利技术不需要对材料的不同状态反复测量，即可准确预估目标褶皱后的材料BRDF参数；
[0025]4)对于u，v的取值范围进行限制有利于简化计算；
[0026]5)褶皱后材料的BRDF模型R
褶皱
(a，α，β)可以支撑转换成其他模型，方便使用，并且不影响散射结果。
[0027]6)本专利技术计算时间短、模型准确度高。
附图说明
[0028]图1材料褶皱结果剖面示意图
[0029]图2入射角及观测角示意图
[0030]图3褶皱碎片角度定义示意图
[0031]图4本专利技术方法流程图
具体实施方式
[0032]本专利技术提供一种褶皱包覆材料可见光双向散射分布函数建模方法，如图1所示平整的材料在所示剖面上经过褶皱后长度会变小，测量褶皱前和褶皱后的长度缩短比例L/l，假设随机揉搓下可默认所有方向的长度缩短比例相同；
[0033]如图2所示，101为入射光方向，102为探测方向，由于材料是各向同性，材料沿法线方向旋转不影响材料的整体散射特性，设入射方向与基底平本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种褶皱包覆材料可见光双向散射分布函数建模方法，其特征在于：包括以下步骤，1)获得未经褶皱处理的包覆材料的BRDF数据；2)分别求解卫星表面包覆材料在平整条件下相对于褶皱条件下X、Y方向的长度缩小比例A和B；3)建立材料褶皱碎片面积占比系数的分布统计分析函数f(u，v)，u是褶皱碎片法向角与YZ面夹角的正切值，v是碎片法向角与XZ面夹角的正切值；4)根据倾角u，v对未经褶皱的BRDF进行偏转，得到针对基底坐标系的碎片反射率值；5)对u，v离散化并代入分析函数f(u，v)得到所有褶皱碎片的面积占比系数F(m，n)；6)任意朝向碎片的反射率乘以对应的面积占比系数得到该碎片的反射贡献率I
m，n
，然后累加得到所有褶皱碎片的反射贡献率即整个包覆材料的反射率模型。2.根据权利要求1所述的一种褶皱包覆材料可见光双向散射分布函数建模方法，其特征在于：获得材料未经褶皱处理前的BRDF数据进一步包括以下步骤：步骤1.将包覆材料附着的卫星表面设定为基底平面，包覆材料为附着在基底平面上的无数小面片组成的复杂平面；以入射光与基底平面构建坐标系，基底法线为Z轴，基底平面内入射光线方向为X轴，根据右手法则确定Y轴；每个碎片的法线方向为(u，v)，u是褶皱碎片法向角与YZ面夹角的正切值，v是碎片法向角与XZ面夹角的正切值；步骤2.对平整包覆材料的BRDF进行测量得到材料的标准BRDF数据或通过其他途径获得材料未经褶皱处理前BRDF数据，BRDF数据的格式为R(a，α，β)，其中，a为光线入射方向与Z轴的夹角，α为观测方向与步骤1中所述XZ面夹角，β为观测方向与步骤1中所述YZ面夹角。3.根据权利要求1所述的一种褶皱包覆材料可见光双向散射分布函数建模方法，其特征在于：X方向的长度缩小比例A的计算方法为，记X方向上卫星表面褶皱包覆材料平整条件下的原始长度是L
o
，X方向上卫星表面褶皱包覆材料褶皱后的长度是L
n
，则有4.根据权利要求1或3所述的一种褶皱包覆材料可见光双向散射分布函数建模方法，其特征在于：B的计算方法与A相同，不同之处在于原始长度和褶皱后的长度为Y方向上的长度。5.根据权利要求1所述的一种褶皱包覆...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵华，修鹏，张延鑫，王淑华，朱肇昆，王放，韩晓磊，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三九二一部队，
类型：发明
国别省市：