本發(fā)明涉及一種測試及建立11種航天航空包覆材料的雙向反射分布函數(shù)(以下簡稱brdf)數(shù)據(jù)庫的方法和系統(tǒng)，尤其涉及一種測試及建立航天航空包覆材料brdf數(shù)據(jù)庫的方法和系統(tǒng)，屬于光學(xué)設(shè)計方面的雜散光測試以及分析技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在衛(wèi)星或飛機上工作的光學(xué)系統(tǒng)，例如航天航空相機、導(dǎo)航、避障相機、太陽敏感器等光學(xué)器件工作時，一些非成像光線，如太陽直射光線，或經(jīng)月球表面反射的光線，或經(jīng)地球表面以及大氣層等反射的光線，經(jīng)過不同的表面，多次反射或散射，會進入航天航空相機、導(dǎo)航、避障相機和太陽敏感器等光學(xué)系統(tǒng)，在像面上形成雜散輻射，給正常的成像造成影響。這些工作在航天航空環(huán)境下的光學(xué)系統(tǒng)在不同的工況下其表面包覆材料對應(yīng)不同的反射散射特征，這些特征沒有公式化的變化規(guī)律，需要通過實驗測試，掌握表面包覆材料反射面或散射面的材料的雙向反射分布函數(shù)，才能對其進行有效的雜散光分析與計算。目前該領(lǐng)域還沒有系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)庫以及將大量數(shù)據(jù)應(yīng)用到雜散光分析軟件的方法，研究者主要依靠少量的brdf數(shù)據(jù)，通過公式求解，得到brdf的abg模型，然后將abg模型數(shù)據(jù)手動輸入到tracepro中進行仿真分析。這種方法依賴原始數(shù)據(jù)量較少，擬合得到的abg模型不能精確反應(yīng)材料散射特征，且操作過程繁瑣低效，影響雜散輻射研究的仿真精度和工作效率。

航天航空工程領(lǐng)域迫切需要測試相應(yīng)的航天航空包覆材料的雙向反射分布函數(shù)，建立相應(yīng)的雙向反射分布函數(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，掌握把數(shù)據(jù)高效應(yīng)用到雜散光分析軟件的方法，這樣才能順利地開展雜散光輻射領(lǐng)域的相關(guān)研究。本發(fā)明的目的是給雜散光輻射領(lǐng)域研究者提供一個提高仿真精度，使用方便的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和一種提高brdf數(shù)據(jù)應(yīng)用效率的方法，幫助研究者更精確更高效地對相關(guān)光學(xué)機構(gòu)進行雜散輻射仿真分析，找出相應(yīng)的雜散輻射防護應(yīng)對措施。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對航天航空包覆材料雜散輻射分析領(lǐng)域缺乏原始雙向反射分布函數(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)應(yīng)用方法的現(xiàn)狀，測試了11種航天航空包覆材料的雙向反射分布函數(shù)，提出了一種測試及建立航天航空包覆材料brdf數(shù)據(jù)庫的方法和系統(tǒng)。

本發(fā)明一種測試及建立航天航空包覆材料brdf數(shù)據(jù)庫的方法和系統(tǒng)包括一整套雙向反射分布函數(shù)的測試方法和關(guān)于數(shù)據(jù)處理以及應(yīng)用方法的系統(tǒng)；具體提供了11種航天航空包覆材料的雙向反射分布函數(shù)的數(shù)據(jù)，并且提供數(shù)據(jù)提取轉(zhuǎn)換、自由查詢、圖形化觀察、導(dǎo)出數(shù)據(jù)文件和應(yīng)用數(shù)據(jù)于雜散光分析軟件為主的一整套應(yīng)用方案。

關(guān)于數(shù)據(jù)處理以及應(yīng)用方法的系統(tǒng)又包括航天航空包覆材料雙向反射分布函數(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和雙向反射分布函數(shù)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用到雜散輻射分析軟件的方法；

其中，航天航空包覆材料雙向反射分布函數(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)繪圖模塊和數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊；

其中，數(shù)據(jù)庫模塊包括的11種航天航空包覆材料的brdf數(shù)據(jù)，材料名稱如下：

1.雙面鍍鋁聚酯薄膜單面壓敏膠帶；

2.星用隔熱屏不銹鋼箔耐高溫高輻射熱控涂層；

3.鎳箔；

4.聚酰亞胺薄膜；

5.低溫多層；

6.高溫多層；

7.導(dǎo)電型聚酰亞胺薄膜鍍鋁二次表面鏡；

8.雙面鍍鋁聚酯打孔薄膜；

9.單面鍍鋁聚酰亞胺薄膜；

10.雙面鍍鋁聚酯膜；

以及11.帶導(dǎo)電層f46鍍銀二次表面鏡；

這11種航天航空包覆材料囊括了目前為止所有的航天航空包覆材料；在測試這些包覆材料的雙向反射分布函數(shù)時，選擇了如下15種波長：

380nm、430nm、480nm、530nm、580nm、600nm、630nm、680nm、700nm、730nm、780nm、958nm、968nm、978nm、988nm

測試時，針對每種包覆材料，測試了如下8個入射天頂角：

0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°；

測試了如下4種入射方位角：

0°、10°、20°、30°；

測試了如下15種出射天頂角：

-70°、-60°、-50°、-40°、-30°、-20°、-10°、0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°；

測試了如下4種出射方位角：

0°、10°、20°、30°；

這些屬性參數(shù)的組合，最終形成了316800個雙向反射分布函數(shù)(brdf)數(shù)據(jù)，并建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫模塊；

數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊包含用戶數(shù)據(jù)導(dǎo)入模式和本數(shù)據(jù)庫模式；

數(shù)據(jù)查詢模塊包括單個查詢及組合查詢；

數(shù)據(jù)顯示模塊包括文本顯示和表格顯示兩種顯示形式，也可取消表格顯示；

數(shù)據(jù)繪圖模塊包括二維繪圖、三維直角坐標(biāo)繪圖以及球坐標(biāo)繪圖；

數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊包括導(dǎo)出至excel及txt和導(dǎo)出至tracepro及l(fā)ighttools兩類形式；

航空包覆材料雙向反射分布函數(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中各模塊的連接關(guān)系是：

數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊將儀器測試到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫模塊，為其他模塊提供用戶自定義數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)查詢模塊從數(shù)據(jù)庫中提取所需brdf數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)顯示模塊顯示，或者送到數(shù)據(jù)繪圖模塊繪制圖像，或者送到數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊導(dǎo)出為特定文件；

航天航空包覆材料雙向反射分布函數(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中各模塊的功能是：

數(shù)據(jù)庫模塊中的雙向反射分布函數(shù)數(shù)據(jù)可以進行航天航空研究領(lǐng)域雜散輻射防護設(shè)計和仿真；

數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊可以從測試儀器輸出的brdf數(shù)據(jù)文件中提取數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中，即：用戶可不使用本系統(tǒng)自帶數(shù)據(jù)庫，自行用儀器測試brdf數(shù)據(jù)，然后導(dǎo)入本系統(tǒng)，形成用戶數(shù)據(jù)庫，繼續(xù)使用本系統(tǒng)其他模塊提供的功能；

數(shù)據(jù)查詢模塊提供數(shù)據(jù)庫模塊數(shù)據(jù)的單個查詢或多個組合查詢的功能：用戶可通過下拉列表框選擇波長、角度等各項參數(shù)，或者直接在編輯框輸入?yún)?shù)，進行單個條目查詢；當(dāng)需要對大量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算或者繪圖時，用戶可以點選組合查詢模式，通過復(fù)選框選擇多種參數(shù)，然后進行查詢；

數(shù)據(jù)顯示模塊包括文本顯示和表格顯示兩種顯示形式，表格顯示可取消。用戶查詢到的數(shù)據(jù)可以直觀的顯示在界面上，所顯示的文本可直接復(fù)制用作其他用途。

數(shù)據(jù)繪圖模塊提供數(shù)據(jù)的二維繪圖和三維直角坐標(biāo)、球坐標(biāo)繪圖功能，用戶可直觀地觀察數(shù)據(jù)變化。當(dāng)組合查詢的數(shù)據(jù)是二維數(shù)據(jù)時，軟件自動繪制二維折線圖。當(dāng)數(shù)據(jù)是三維時，軟件繪制一個三維直角坐標(biāo)圖形和一個球坐標(biāo)示意圖。在三維直角坐標(biāo)圖形中，z軸是雙向反射分布函數(shù)(brdf)值，圖像經(jīng)過插值平滑處理。在球坐標(biāo)示意圖中，當(dāng)入射光線的入射天頂角和入射方位角一定時，以brdf為半徑，畫出了不同出射天頂角和出射方位角的球坐標(biāo)射線圖和球坐標(biāo)曲面圖。

數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊包括導(dǎo)出至excel、txt和導(dǎo)出至tracepro、lighttools兩類形式。用戶查詢到的數(shù)據(jù)可以輸出為xls、csv或txt格式編輯查看，也可以輸出為雜散光分析軟件tracepro、lighttools可直接加載的特殊格式brdf數(shù)據(jù)文件，用作仿真分析。

雙向反射分布函數(shù)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用到雜散輻射分析軟件的方法，通過以下步驟實現(xiàn)：

步驟1：識別需要導(dǎo)出數(shù)據(jù)的材料和波長為主的屬性信息；

使用本發(fā)明數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組合查詢得到的數(shù)據(jù)，是一個元胞數(shù)組，帶有用戶查詢數(shù)據(jù)時選定的各項屬性信息，這些各項屬性信息通過字符匹配來識別；

步驟2：計算對應(yīng)數(shù)據(jù)在brdf數(shù)據(jù)元胞數(shù)組中的位置；

其中，對應(yīng)數(shù)據(jù)是指步驟1中的需要導(dǎo)出數(shù)據(jù)；步驟2實現(xiàn)時根據(jù)步驟1輸出的屬性信息，結(jié)合brdf數(shù)據(jù)在元胞數(shù)組中的排列規(guī)律，計算每條brdf數(shù)據(jù)在元胞數(shù)組中的偏移量；

步驟3：轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的角度模式為仿真軟件的角度模式；

本發(fā)明的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，角度模式是經(jīng)典brdf定義模式，輸出到tracepro時需要進行轉(zhuǎn)換，以θb為數(shù)據(jù)庫角度坐標(biāo)系中的出射方位角，θt為tracepro角度坐標(biāo)系中的出射方位角，出射方位角轉(zhuǎn)換關(guān)系為：數(shù)據(jù)庫的出射天頂角角度為負(fù)時，θt＝270°-θb；數(shù)據(jù)庫的入射天頂角角度不為負(fù)時，出射方位角轉(zhuǎn)換關(guān)系為：θt＝90°-θb；輸出到lighttools時，角度模式轉(zhuǎn)換為哈維brdf模型模式；

步驟4：數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊編碼數(shù)據(jù)到tracepro和lighttools；

其中，寫入到外部文件需選擇輸出文件類型，按照所選文件類型要求的編碼格式，將brdf屬性、brdf數(shù)據(jù)和所選格式特有的格式字符排列到一個元胞數(shù)組之中，當(dāng)導(dǎo)出到tracepro時，編碼為scattermasterfile類型文件；導(dǎo)出到lighttools時，編碼為harveyshack類型文件；

步驟5：數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊導(dǎo)出數(shù)據(jù)到外部文件，具體為：

數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊調(diào)用matlab的文件流函數(shù)將步驟4排列完成的元胞數(shù)組逐行輸出到對應(yīng)后綴的文件，并按照brdf數(shù)據(jù)的材料和波長屬性給文件命名。

步驟6：tracepro和lighttools讀取導(dǎo)出的文件；

6.1tracepro讀取導(dǎo)出的文件時，需借助tracepro軟件的bsdfconventer插件加載文件，填入文件名包含的信息，選擇求解類型為brdf，即可輸出數(shù)據(jù)到tracepro；

6.2lighttools讀取導(dǎo)出的文件時，需借助lighttools軟件的harvey-shack插件加載文件，設(shè)置參數(shù)，輸出數(shù)據(jù)到lighttools；

至此，經(jīng)過步驟1到步驟6，完成了雙向反射分布函數(shù)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用到雜散輻射分析軟件的方法。

有益效果

一種測試及建立航天航空包覆材料brdf數(shù)據(jù)庫的方法和系統(tǒng)，與現(xiàn)有brdf數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)應(yīng)用方法相比，具有如下有益效果：

1.本系統(tǒng)是目前國內(nèi)第一個航天航空包覆材料雙向反射分布函數(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可以有效地解決雜散分析計算領(lǐng)域基礎(chǔ)雙向反射分布函數(shù)數(shù)據(jù)缺乏的問題，可很好的滿足航天航空科學(xué)研究的需要；

2.本系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)將使分析更精確，系統(tǒng)提供的圖形化查詢顯示界面將使數(shù)據(jù)使用更便捷，數(shù)據(jù)觀察更形象直觀；

3.本系統(tǒng)可以將brdf數(shù)據(jù)導(dǎo)出為xls、csv和txt格式，滿足用戶多樣化使用需求；

4.本系統(tǒng)提供的應(yīng)用方法可生成雜散光分析計算軟件可識別的材料表面雙向反射分布函數(shù)特性數(shù)據(jù)文件，用軟件讀入即可，無需用戶計算abg模型并手動錄入軟件，提高科研效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種測試及建立航天航空包覆材料brdf數(shù)據(jù)庫的方法和系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明一種測試及建立航天航空包覆材料brdf數(shù)據(jù)庫的方法和系統(tǒng)及實施例1中數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件界面示意圖；

圖3為本發(fā)明一種測試及建立航天航空包覆材料brdf數(shù)據(jù)庫的方法和系統(tǒng)實施例繪制的三維直角坐標(biāo)圖；

圖4為本發(fā)明一種測試及建立航天航空包覆材料brdf數(shù)據(jù)庫的方法和系統(tǒng)實施例繪制的球坐標(biāo)圖；

其中，圖2中1-單個條目查詢選擇區(qū)，2-單個條目查詢按鈕，3-單個條目查詢輸入?yún)^(qū)，4-綜合信息顯示區(qū)，5-表格顯示區(qū)，6-組合條目查詢按鈕，7-組合條目勾選面板，8-組合查詢確認(rèn)區(qū)，9-繪圖按鈕，10-導(dǎo)出數(shù)據(jù)按鈕，11-軟件狀態(tài)面板，12-菜單欄；

圖3中x軸-出射方位角，y軸-出射天頂角，z軸-brdf值；

圖4中1-間斷直線網(wǎng)格狀球體，2-輔助坐標(biāo)軸，3-黑色實線，4-帶灰度曲面。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明和詳細描述。

實施例1

本實施例詳細闡述了本發(fā)明“一種測試及建立航天航空包覆材料brdf數(shù)據(jù)庫的方法和系統(tǒng)”在需要鎳箔這種材料在530nm波長、60度入射天頂角和10度入射方位角的光線照射情況下具體實施時的brdf數(shù)據(jù)查詢、繪圖和導(dǎo)出到tracepro的完整過程。

圖1(a)是本發(fā)明航天航空包覆材料brdf數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，由圖1(a)可見，數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊將儀器測試到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫模塊，數(shù)據(jù)查詢模塊從數(shù)據(jù)庫中提取所需brdf數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)顯示模塊用于顯示，或者輸出到數(shù)據(jù)繪圖模塊繪制圖像，或者輸出到數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊，編碼導(dǎo)出為特定格式文件。

圖1(b)是本發(fā)明數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用方法的流程圖，由圖1(b)可見，本方法先判斷導(dǎo)出類型，當(dāng)類型為excel、txt時，數(shù)據(jù)經(jīng)過識別屬性、定位brdf、編碼元胞，最后輸出為所需文件；當(dāng)類型為tracepro、lighttools時，繼續(xù)判斷，如果數(shù)據(jù)文件類型為lighttools，數(shù)據(jù)經(jīng)過識別屬性、定位brdf、角度系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、編碼元胞，輸出brdf文件，最后借助harvey-shack插件導(dǎo)入lighttools軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，如果數(shù)據(jù)文件類型為tracepro，數(shù)據(jù)經(jīng)過識別屬性、定位brdf、角度系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、編碼元胞，輸出brdf所需文件，最后借助bsdfconventer插件導(dǎo)入tracepro軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)庫。

圖2(a)和圖2(b)是本發(fā)明的軟件界面示意圖。軟件有兩層界面，圖2(a)界面為軟件默認(rèn)界面，圖2(b)所示界面是專供組合查詢模塊選擇角度等信息的界面，其中1-單個條目查詢選擇區(qū)，2-單個條目查詢按鈕，3-單個條目查詢輸入?yún)^(qū)，4-綜合信息顯示區(qū)，5-表格顯示區(qū)，6-組合條目查詢按鈕，7-組合條目勾選面板，8-組合查詢確認(rèn)區(qū)，9-繪圖按鈕，，11-軟件狀態(tài)面板，12-菜單欄。

實施例1使用軟件自帶的數(shù)據(jù)，不需要外部導(dǎo)入數(shù)據(jù)，整個過程將從數(shù)據(jù)查詢開始，點擊6-組合條目查詢按鈕后，界面切換到圖2(b)所示，在7-組合條目勾選面板中依次勾選鎳箔、530nm波長、60度入射天頂角和10度入射方位角，出射天頂角和出射方位角全選，點擊8-組合查詢確認(rèn)區(qū)的“確定”按鈕，數(shù)據(jù)即顯示到4-綜合信息顯示區(qū)和5-表格顯示區(qū)，點擊9-繪圖按鈕，將繪制如圖3所示的三維直角坐標(biāo)圖和圖4所示的球坐標(biāo)圖，點擊10-導(dǎo)出數(shù)據(jù)按鈕后，將彈出選擇導(dǎo)出類型的窗口，依次選擇“tracepro、lighttools”和“tracepro”，選擇文件保存位置后，軟件會把查詢到的brdf數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)對應(yīng)屬性組成的數(shù)組，按照tracepro的scattermasterfile文件字符排列格式重新編碼，形成brdf數(shù)據(jù)文件，打開tracepro的bsdfconventer插件，讀取這些文件，選擇“export”命令即可將數(shù)據(jù)最終導(dǎo)入tracepro。

圖3為本實施例繪制的三維直角坐標(biāo)圖，標(biāo)題就是本例查詢項目的縮寫代稱，x軸是出射方位角，單位是度，y軸是出射天頂角，單位是度，z軸是brdf值，無單位。數(shù)據(jù)的灰度代表對應(yīng)坐標(biāo)brdf值的大小。

圖4為本實施例繪制的球坐標(biāo)圖，標(biāo)題是本例所查詢項目的縮寫代稱，球坐標(biāo)內(nèi)x軸、y軸、z軸只為區(qū)分背景標(biāo)度，無實際意義。x軸正方向為方位角0度方向，z軸正方向為天頂角零度的方向。其中，1-間斷直線網(wǎng)格狀球體，是半徑為1的單位球體，球體只保留網(wǎng)狀輪廓，2-輔助坐標(biāo)軸，平行于坐標(biāo)軸的輔助軸線，3-黑色實線，為入射光線，4-帶灰度曲面，是不同散射角度的brdf值形成的曲面，每個值對應(yīng)的天頂角就是出射天頂角，對應(yīng)的方位角就是出射方位角，對應(yīng)的球半徑，就是brdf的值。

以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實施例和附圖所公開的內(nèi)容。凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護的范圍。