一种目标光谱辐射亮度的计算方法
【专利摘要】一种目标光谱辐射亮度的计算方法，包括以下步骤：对目标进行构成分解，将目标根据表面材料的物理属性分不同的子单元；获取目标各子单元材料的光学辐射特征参数；建立目标的空间三维几何模型，对目标的几何模型进行子面元划分，并对材料表面进行消隐处理；计算目标的每个子面元的辐射亮度；在入射波照射区域内对子面元进行遮蔽判定；将未被遮蔽的各子面元的辐射亮度值进行累加计算目标的光谱辐射亮度。本发明的计算方法结合了材料反射率的光谱信息，克服了目标光谱亮度建模中不反映波长信息的缺点，可以得到适用范围更广泛的目标的光谱亮度的计算结果。
【专利说明】一种目标光谱辐射亮度的计算方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光辐射测量【技术领域】，尤其涉及一种计算目标的光谱辐射亮度的方法。
【背景技术】
[0002]目标的光谱辐射特性在目标的探测及识别研究领域中具有十分重要的应用，近年来基于多种建模方法的光学目标辐射模型已经有了相当广泛的应用，并且发展前景可观。对目标的光谱辐射特性进行计算的关键技术问题是如何保证模型的准确性及快速有效性。
[0003]对目标进行光谱辐射特性的计算的基础是对组成目标的各个材料样片及其子面元剖分后的子面元材料样片进行光谱散射及辐射特性建模计算。目前基于材料自身材料的光谱建模方法有以下几种:
[0004]I )BRDF光谱模型。通过测量材料在某些角度的BRDF数据，得到统计建模后的材料BRDF光谱模型，这种BRDF模型又称为基于材料实验测量数据的半经验半统计BRDF光谱模型。BRDF模型的典型代表有:五参数BRDF模型、六参数BRDF模型及七参数BRDF模型。其中五参数BRDF模型的特点是适用范围较广，对粗糙样片及较为光滑的材料样片都能成立，并且建模中既考虑了材料的镜像分量，也考虑了材料的漫反射分量，具有一定的物理意义，但不满足互易性及能量守恒定理。六参数BRDF模型主要针对弱散射特性材料表面，该模型只适用于特定的弱散射条件，当满足其弱散射条件后，该模型具有误差小，满足互易性等优点等，但适用性差。七参数BRDF模型适用于对紫外波段的材料，考虑了体散射及回程散射对材料BRDF的影响，该模型在与实验数据的拟合效果上较五参数BRDF模型更好，但也存在着待定参数多，拟合多重参数的拟合过程较为复杂的缺点。
[0005]以上几种基于采样实测数据的BRDF统计建模方法，无论是引入几个参数模型，其建模过程都是基于对实验数据的统计分析，即需要先进行材料样片的BRDF实验测量，并尽可能的得到至少四组以上的不同入射角度下的实验测量数据，且最好这些实验数据中的入射角度在0度到90度之间的分布较为分散，才能更好的利用最优化方法，结合多参数的BRDF数学模型，得到BRDF的统计模型。目前影响模型准确性的一个突出问题是小角度入射情况下的BRDF建模计算结果不能完全反应目标材料的光学特性。
[0006]2)朗伯表面体模型。朗伯表面体模型的光谱计算中将材料的表面看作是具有理想的余弦函数的各向同性的朗伯体，直接将目标简化为均匀粗糙表面的朗伯表面体模型，这种模型的优点是不需要实验测量，但是缺点很明显:对粗糙度不能达到理想条件的一般材料表面其准确程度与实际情况相差很大。
[0007]3)基于电磁波与物质相互作用特征的BRDF模型。这种BRDF光谱建模方法是从经典的电磁波与物质相互作用的物理机理出发，如DavisBRDF模型，利用材料的粗糙特性描述参量如均方根高度及材料表面自相关长度，以及反射率及波长信息，进行目标材料的光谱特性的建模计算。但该模型在光谱辐射亮度的计算模拟方面仍存在着很多问题。现有文献中在应用Davis模型进行材料的光谱特性计算中，通常采用的是固定数值的材料的反射率谱，这对单一波长的入射波源来说是没有问题的，但当面临目标的光谱探测时，材料本身的上半空间反射率的谱分布是波长的函数，如果不考虑不同材料反射率的光谱分布，得到的目标整体的光谱散射模型无法反映实际目标的光谱模型。
【发明内容】
[0008]针对上述技术的不足，本发明的目的在于提供一种可以真实反映材料表面特性的目标光谱辐射亮度的计算方法。
[0009]为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案:
[0010]一种目标光谱辐射亮度的计算方法，包括以下步骤:
[0011]步骤1、对目标进行构成分解，将目标根据表面材料的物理属性分成不同的子单元;
[0012]步骤2、获取目标各子单元材料的光学辐射特征参数，所述参数包括材料表面的粗糙度均方根高度O、材料表面的自相关长度￡以及随波长变化的材料上半空间半球反射率的光谱分布函数PU);
[0013]步骤3、建立目标的空间三维几何模型，对目标的几何模型进行子面元划分，并对材料表面进行消隐处理；
[0014]步骤4、计算目标的每个子面元的辐射亮度dLjei，Cti, 0r, ^r, A)；
[0015]dLr( 0 i, (J)i, 0 r, 4) r,入)=fr ( 0 i,小 i, 0 r, r，入)ClEi ( 0 i, 4) i,入)，
[0016]其中，0 i为入射波的入射天顶角，为入射波的入射方位角，吣为散射波的散射天顶角，?为散射波的散射方位角，、为入射波波长，(!Ei ( 0 i, i, A )为入射至子面兀的入射波的辐射照度，f；( 9 i，^i, 9r, ^r, A)为双向反射分布函数；
[0017]
【权利要求】
1.一种目标光谱辐射亮度的计算方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1、对目标进行构成分解，将目标根据表面材料的物理属性分成不同的子单元；步骤2、获取目标各子单元材料的光学辐射特征参数，所述参数包括材料表面的粗糙度均方根高度O、材料表面的自相关长度￡以及随波长变化的材料上半空间半球反射率的光谱分布函数P(X); 步骤3、建立目标的空间三维几何模型，对目标的几何模型进行子面元划分，并对材料表面进行消隐处理； 步骤4、计算目标的每个子面元的辐射亮度dLrP” Cti, 0r, ^r, A)； dLrPi，t，0r，Ctr，入)=fr(0i，t，0r，Ctr，入)dEiPi，Cti，入)， 其中，9 i为入射波的入射天顶角，为入射波的入射方位角，吣为散射波的散射天顶角，?为散射波的散射方位角，X为入射波波长，(!Ei ( 0 i, i, A )为入射至子面兀的入射波的辐射照度，f；( 9i，(^，0r, ^r, A)为双向反射分布函数；
2.根据权利要求1所述的目标光谱辐射亮度的计算方法，其特征在于:在所述步骤2中利用白光干涉仪测量每一种材料的粗糙程度，得到材料表面的粗糙度均方根高度0及材料表面的自相关长度e ;利用分光光度计测量每一种材料的上半空间半球反射率的光谱分布数据，得到入射波波长从X1变化至X2时的材料上半空间半球反射率的光谱分布函数P (入)。
3.根据权利要求2所述的目标光谱辐射亮度的计算方法，其特征在于:所述步骤2中在利用分光光度计得到测量数据的基础上结合内插法或线性外推法建立随波长变化的材料上半空间半球反射率的光谱分布函数P (入)。
4.根据权利要求3所述的目标光谱辐射亮度的计算方法，其特征在于:所述内插法为:将通过分光光度计测量获得的单变量离散数据在n+1个节点X。，X1, X2，...，Xn对应的测量值表示为P k=f (入k)，k=0,1,2,3,...n，对于所求的差值区间
【文档编号】G01J1/00GK103646175SQ201310660637
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】白璐, 吴振森, 曹运华, 李艳辉, 李海英, 邹喜仁 申请人:西安电子科技大学