一種測試及建立航天航空包覆材料BRDF資料庫的方法和系統與流程

2023-12-04 03:56:06

本發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(以下簡稱brdf)資料庫的方法和系統，尤其涉及一種測試及建立航天航空包覆材料brdf資料庫的方法和系統，屬於光學設計方面的雜散光測試以及分析技術領域。

背景技術：

在衛星或飛機上工作的光學系統，例如航天航空相機、導航、避障相機、太陽敏感器等光學器件工作時，一些非成像光線，如太陽直射光線，或經月球表面反射的光線，或經地球表面以及大氣層等反射的光線，經過不同的表面，多次反射或散射，會進入航天航空相機、導航、避障相機和太陽敏感器等光學系統，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境下的光學系統在不同的工況下其表面包覆材料對應不同的反射散射特徵，這些特徵沒有公式化的變化規律，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，才能對其進行有效的雜散光分析與計算。目前該領域還沒有系統化的資料庫以及將大量數據應用到雜散光分析軟體的方法，研究者主要依靠少量的brdf數據，通過公式求解，得到brdf的abg模型，然後將abg模型數據手動輸入到tracepro中進行仿真分析。這種方法依賴原始數據量較少，擬合得到的abg模型不能精確反應材料散射特徵，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。

航天航空工程領域迫切需要測試相應的航天航空包覆材料的雙向反射分布函數，建立相應的雙向反射分布函數資料庫系統，掌握把數據高效應用到雜散光分析軟體的方法，這樣才能順利地開展雜散光輻射領域的相關研究。本發明的目的是給雜散光輻射領域研究者提供一個提高仿真精度，使用方便的資料庫系統和一種提高brdf數據應用效率的方法，幫助研究者更精確更高效地對相關光學機構進行雜散輻射仿真分析，找出相應的雜散輻射防護應對措施。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對航天航空包覆材料雜散輻射分析領域缺乏原始雙向反射分布函數資料庫系統和數據應用方法的現狀，測試了11種航天航空包覆材料的雙向反射分布函數，提出了一種測試及建立航天航空包覆材料brdf資料庫的方法和系統。

本發明一種測試及建立航天航空包覆材料brdf資料庫的方法和系統包括一整套雙向反射分布函數的測試方法和關於數據處理以及應用方法的系統；具體提供了11種航天航空包覆材料的雙向反射分布函數的數據，並且提供數據提取轉換、自由查詢、圖形化觀察、導出數據文件和應用數據於雜散光分析軟體為主的一整套應用方案。

關於數據處理以及應用方法的系統又包括航天航空包覆材料雙向反射分布函數資料庫系統和雙向反射分布函數資料庫應用到雜散輻射分析軟體的方法；

其中，航天航空包覆材料雙向反射分布函數資料庫系統包括資料庫模塊、數據查詢模塊、數據顯示模塊、數據繪圖模塊和數據導出模塊；

其中，資料庫模塊包括的11種航天航空包覆材料的brdf數據，材料名稱如下：

1.雙面鍍鋁聚酯薄膜單面壓敏膠帶；

2.星用隔熱屏不鏽鋼箔耐高溫高輻射熱控塗層；

3.鎳箔；

4.聚醯亞胺薄膜；

5.低溫多層；

6.高溫多層；

7.導電型聚醯亞胺薄膜鍍鋁二次表面鏡；

8.雙面鍍鋁聚酯打孔薄膜；

9.單面鍍鋁聚醯亞胺薄膜；

10.雙面鍍鋁聚酯膜；

以及11.帶導電層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°；

這些屬性參數的組合，最終形成了316800個雙向反射分布函數(brdf)數據，並建立了相應的資料庫模塊；

數據導入模塊包含用戶數據導入模式和本資料庫模式；

數據查詢模塊包括單個查詢及組合查詢；

數據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；

數據繪圖模塊包括二維繪圖、三維直角坐標繪圖以及球坐標繪圖；

數據導出模塊包括導出至excel及txt和導出至tracepro及lighttools兩類形式；

航空包覆材料雙向反射分布函數資料庫系統中各模塊的連接關係是：

數據導入模塊將儀器測試到的數據導入資料庫模塊，為其他模塊提供用戶自定義資料庫，數據查詢模塊從資料庫中提取所需brdf數據，這些數據送到數據顯示模塊顯示，或者送到數據繪圖模塊繪製圖像，或者送到數據導出模塊導出為特定文件；

航天航空包覆材料雙向反射分布函數資料庫系統中各模塊的功能是：

資料庫模塊中的雙向反射分布函數數據可以進行航天航空研究領域雜散輻射防護設計和仿真；

數據導入模塊可以從測試儀器輸出的brdf數據文件中提取數據，把數據應用到本系統中，即：用戶可不使用本系統自帶資料庫，自行用儀器測試brdf數據，然後導入本系統，形成用戶資料庫，繼續使用本系統其他模塊提供的功能；

數據查詢模塊提供資料庫模塊數據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，或者直接在編輯框輸入參數，進行單個條目查詢；當需要對大量數據進行統計計算或者繪圖時，用戶可以點選組合查詢模式，通過複選框選擇多種參數，然後進行查詢；

數據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。用戶查詢到的數據可以直觀的顯示在界面上，所顯示的文本可直接複製用作其他用途。

數據繪圖模塊提供數據的二維繪圖和三維直角坐標、球坐標繪圖功能，用戶可直觀地觀察數據變化。當組合查詢的數據是二維數據時，軟體自動繪製二維折線圖。當數據是三維時，軟體繪製一個三維直角坐標圖形和一個球坐標示意圖。在三維直角坐標圖形中，z軸是雙向反射分布函數(brdf)值，圖像經過插值平滑處理。在球坐標示意圖中，當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射線圖和球坐標曲面圖。

數據導出模塊包括導出至excel、txt和導出至tracepro、lighttools兩類形式。用戶查詢到的數據可以輸出為xls、csv或txt格式編輯查看，也可以輸出為雜散光分析軟體tracepro、lighttools可直接加載的特殊格式brdf數據文件，用作仿真分析。

雙向反射分布函數資料庫應用到雜散輻射分析軟體的方法，通過以下步驟實現：

步驟1：識別需要導出數據的材料和波長為主的屬性信息；

使用本發明資料庫系統組合查詢得到的數據，是一個元胞數組，帶有用戶查詢數據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：計算對應數據在brdf數據元胞數組中的位置；

其中，對應數據是指步驟1中的需要導出數據；步驟2實現時根據步驟1輸出的屬性信息，結合brdf數據在元胞數組中的排列規律，計算每條brdf數據在元胞數組中的偏移量；

步驟3：轉換資料庫系統的角度模式為仿真軟體的角度模式；

本發明的資料庫系統，角度模式是經典brdf定義模式，輸出到tracepro時需要進行轉換，以θb為資料庫角度坐標系中的出射方位角，θt為tracepro角度坐標系中的出射方位角，出射方位角轉換關係為：資料庫的出射天頂角角度為負時，θt＝270°-θb；資料庫的入射天頂角角度不為負時，出射方位角轉換關係為：θt＝90°-θb；輸出到lighttools時，角度模式轉換為哈維brdf模型模式；

步驟4：數據導出模塊編碼數據到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數據和所選格式特有的格式字符排列到一個元胞數組之中，當導出到tracepro時，編碼為scattermasterfile類型文件；導出到lighttools時，編碼為harveyshack類型文件；

步驟5：數據導出模塊導出數據到外部文件，具體為：

數據導出模塊調用matlab的文件流函數將步驟4排列完成的元胞數組逐行輸出到對應後綴的文件，並按照brdf數據的材料和波長屬性給文件命名。

步驟6：tracepro和lighttools讀取導出的文件；

6.1tracepro讀取導出的文件時，需藉助tracepro軟體的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，即可輸出數據到tracepro；

6.2lighttools讀取導出的文件時，需藉助lighttools軟體的harvey-shack插件加載文件，設置參數，輸出數據到lighttools；

至此，經過步驟1到步驟6，完成了雙向反射分布函數資料庫應用到雜散輻射分析軟體的方法。

有益效果

一種測試及建立航天航空包覆材料brdf資料庫的方法和系統，與現有brdf資料庫與數據應用方法相比，具有如下有益效果：

1.本系統是目前國內第一個航天航空包覆材料雙向反射分布函數資料庫系統，可以有效地解決雜散分析計算領域基礎雙向反射分布函數數據缺乏的問題，可很好的滿足航天航空科學研究的需要；

2.本系統提供的數據將使分析更精確，系統提供的圖形化查詢顯示界面將使數據使用更便捷，數據觀察更形象直觀；

3.本系統可以將brdf數據導出為xls、csv和txt格式，滿足用戶多樣化使用需求；

4.本系統提供的應用方法可生成雜散光分析計算軟體可識別的材料表面雙向反射分布函數特性數據文件，用軟體讀入即可，無需用戶計算abg模型並手動錄入軟體，提高科研效率。

附圖說明

圖1是本發明一種測試及建立航天航空包覆材料brdf資料庫的方法和系統的系統結構圖和方法的流程圖；

圖2是本發明一種測試及建立航天航空包覆材料brdf資料庫的方法和系統及實施例1中資料庫系統軟體界面示意圖；

圖3為本發明一種測試及建立航天航空包覆材料brdf資料庫的方法和系統實施例繪製的三維直角坐標圖；

圖4為本發明一種測試及建立航天航空包覆材料brdf資料庫的方法和系統實施例繪製的球坐標圖；

其中，圖2中1-單個條目查詢選擇區，2-單個條目查詢按鈕，3-單個條目查詢輸入區，4-綜合信息顯示區，5-表格顯示區，6-組合條目查詢按鈕，7-組合條目勾選面板，8-組合查詢確認區，9-繪圖按鈕，10-導出數據按鈕，11-軟體狀態面板，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-間斷直線網格狀球體，2-輔助坐標軸，3-黑色實線，4-帶灰度曲面。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發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明「一種測試及建立航天航空包覆材料brdf資料庫的方法和系統」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數據查詢、繪圖和導出到tracepro的完整過程。

圖1(a)是本發明航天航空包覆材料brdf資料庫系統的系統結構圖，由圖1(a)可見，數據導入模塊將儀器測試到的數據導入資料庫模塊，數據查詢模塊從資料庫中提取所需brdf數據，這些數據輸出數據顯示模塊用於顯示，或者輸出到數據繪圖模塊繪製圖像，或者輸出到數據導出模塊，編碼導出為特定格式文件。

圖1(b)是本發明資料庫系統數據應用方法的流程圖，由圖1(b)可見，本方法先判斷導出類型，當類型為excel、txt時，數據經過識別屬性、定位brdf、編碼元胞，最後輸出為所需文件；當類型為tracepro、lighttools時，繼續判斷，如果數據文件類型為lighttools，數據經過識別屬性、定位brdf、角度系統轉換、編碼元胞，輸出brdf文件，最後藉助harvey-shack插件導入lighttools軟體內部資料庫，如果數據文件類型為tracepro，數據經過識別屬性、定位brdf、角度系統轉換、編碼元胞，輸出brdf所需文件，最後藉助bsdfconventer插件導入tracepro軟體內部資料庫。

圖2(a)和圖2(b)是本發明的軟體界面示意圖。軟體有兩層界面，圖2(a)界面為軟體默認界面，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，2-單個條目查詢按鈕，3-單個條目查詢輸入區，4-綜合信息顯示區，5-表格顯示區，6-組合條目查詢按鈕，7-組合條目勾選面板，8-組合查詢確認區，9-繪圖按鈕，，11-軟體狀態面板，12-菜單欄。

實施例1使用軟體自帶的數據，不需要外部導入數據，整個過程將從數據查詢開始，點擊6-組合條目查詢按鈕後，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-組合查詢確認區的「確定」按鈕，數據即顯示到4-綜合信息顯示區和5-表格顯示區，點擊9-繪圖按鈕，將繪製如圖3所示的三維直角坐標圖和圖4所示的球坐標圖，點擊10-導出數據按鈕後，將彈出選擇導出類型的窗口，依次選擇「tracepro、lighttools」和「tracepro」，選擇文件保存位置後，軟體會把查詢到的brdf數據和數據對應屬性組成的數組，按照tracepro的scattermasterfile文件字符排列格式重新編碼，形成brdf數據文件，打開tracepro的bsdfconventer插件，讀取這些文件，選擇「export」命令即可將數據最終導入tracepro。

圖3為本實施例繪製的三維直角坐標圖，標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。數據的灰度代表對應坐標brdf值的大小。

圖4為本實施例繪製的球坐標圖，標題是本例所查詢項目的縮寫代稱，球坐標內x軸、y軸、z軸只為區分背景標度，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-間斷直線網格狀球體，是半徑為1的單位球體，球體只保留網狀輪廓，2-輔助坐標軸，平行於坐標軸的輔助軸線，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，每個值對應的天頂角就是出射天頂角，對應的方位角就是出射方位角，對應的球半徑，就是brdf的值。

以上所述為本發明的較佳實施例而已，本發明不應該局限於該實施例和附圖所公開的內容。凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發明保護的範圍。