二维粗糙表面光散射特性模拟与实验研究

论文摘要

表面散射是最重要的自然现象之一,有着十分广泛的应用。本文结合数值模拟和实验测量对粗糙表面光散射特性进行了研究,主要研究工作如下:1.在几何光学近似下,建立起Monte Carlo法求解二维粗糙表面散射的模型,考虑了光线入射过程中的遮蔽效应和多次反射以及面散射求解中的去偏振,改进了传统的光线追踪算法,提高了模拟效率,为粗糙表面散射特性模拟奠定基础。2.实验研究若干典型表面散射特性:研究了卫星热控涂层表面散射特性;分析了温度对铜,聚四氟乙烯,石墨等几种材料表面散射特性的影响;实验测量了花岗岩表面在干、湿状况下的BRDF,发现表面散射特性受干湿状态的影响很大,在表面润湿状况下出现明显的镜反射分量。3.基于原子力扫描探针显微镜(AFM)获得的花岗岩表面粗糙度形貌数据,分析实际表面的形貌特征,发现该实际表面粗糙度整体分布比较平缓,高度并非完全Gauss分布,呈现轻微各向异性;基于花岗岩表面粗糙度形貌数据模拟了在0.6328μm下的双向反射分布函数(BRDF),并同实验测量值进行比较,结果表明在适当误差内能够较好的吻合。4.从光线入射到粗糙表面所经历的物理过程着手,对影响粗糙表面发射率的几个因素:入射遮蔽、多次反射以及局部入射角分布等作出系统分析。研究发现:单一均匀介质在理想平面下发射率由介质本身物理性质和入射角决定;实际表面由于粗糙度的影响,光线会在粗糙形貌间经历多次反射,使得吸收率改变,进而影响发射率大小;入射角和粗糙度的变化,会影响光线的入射遮蔽几率,造成多次反射概率的改变,同时使光线局部入射角分布发身变化,各种因素共同作用造成发射率随入射角增大呈现先减小后增加以及随粗糙度增加而增加的变化关系。通过数值模拟和实验测量,本文对粗糙表面光散射特性进行了研究,系统的分析和讨论了粗糙表面光散射特性的主要影响因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 实验测量
• 1.2.2 理论研究
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 BRDF实验测量
• 2.1 辐射物性参数
• 2.1.1 双向反射分布函数
• 2.1.2 反射比
• 2.1.3 反射比因子
• 2.2 实验装置及测量原理
• 2.2.1 实验装置
• 2.2.2 测量原理
• 2.3 测量误差分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 几何光学散射模型
• 3.1 粗糙表面统计描述
• 3.1.1 高度分布函数（HDF）
• 3.1.2 自相关函数（ACF）
• 3.1.3 斜率分布函数（SDF）
• 3.1.4 功率谱密度（PSD）
• 3.2 随机粗糙表面模型
• 3.2.1 随机表面生成算法
• 3.2.2 表面网格划分
• 3.3 Monte Carlo模型描述
• 3.4 光线追踪算法改进
• 3.4.1 光线三角形求交
• 3.4.2 光线跨越算法
• 3.5 去偏振的考虑
• 3.6 本章小结
• 第4章 典型表面散射特性实验研究
• 4.1 卫星热控涂层BRDF研究
• 4.1.1 不同角度下测量结果
• 4.1.2 结果分析
• 4.2 温度对材料BRDF影响研究
• 4.2.1 不同温度下测量结果
• 4.2.2 结果分析
• 4.3 干湿状态对材料BRDF影响
• 4.3.1 润湿性理论
• 4.3.2 测量结果
• 4.3.3 结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 粗糙表面散射特性数值模拟
• 5.1 花岗岩表面形貌特征
• 5.2 花岗岩表面双向反射特性模拟
• 5.2.1 网格间距的影响
• 5.2.2 表面尺寸的影响
• 5.2.3 花岗岩表面散射分布
• 5.3 Gauss随机表面发射率数值模拟
• 5.3.1 模拟结果验证
• 5.3.2 发射率随波长变化关系
• 5.3.3 发射率随角度变化关系
• 5.3.4 发射率随粗糙度变化关系
• 5.3.5 分析与讨论
• 5.4 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢