太阳能电池板表面偏振双向反射分布函数

太阳能电池片是光伏发电系统的核心部件,其光学反射特性对光伏组件的发电效率和缺陷检测的研究有着重要的理论意义,但实际应用中难以对其直接观察与测量。本文依据菲涅尔定律与多层介质模型研究了光伏组件的光学传输过程。首先基于微面元理论建立太阳能电池片表面的双向反射传输模型;然后借助多层介质模型推导了太阳能电池板偏振双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function,BRDF) ,通过偏振相机搭建光伏组件光学偏振特性观测平台并开展偏振实验。在此基础上,利用遗传算法从实验测量数据中反演模型的参量数值,并得出偏振度信息随观测角变化的仿真曲线。通过实验表明,本文提出的光学传输模型仿真值与实验观测数据能够较好的吻合。该模型为太阳能电池板表面缺陷检测提供新的理论参考。     

不同粗糙度表面双向反射分布函数的实验研究

为了研究目标表面的激光散射特性,利用双向反射分布函数的方法,采用自行设计的双向反射分布函数测量装置对样品表面双向反射分布函数进行了实验测量研究。以BaSO4粉压制板作为漫反射标准板,通过样本比值法进行对比研究,得到了样品在不同粗糙度和不同入射角下反射光的空间分布。结果表明,粗糙度越小,样品表面镜像反射的双向反射分布函数峰值就越大,镜反射现象越明显;入射角度越小,样品表面镜像反射的双向反射分布函数峰值就越小,呈现出一定的漫反射特征;反之亦然。反映出不同粗糙度表面对激光散射程度不同。     

光学表面粒子污染物散射的单层薄膜调控特性

为了降低超精密低损耗光学元件表面粒子污染物的光散射损耗,文中提出通过在光学表面沉积单层薄膜来调控表面场强分布,从而降低散射损耗的方法。理论分析了K9玻璃超光滑光学表面不同厚度单层二氧化硅（SiO₂）和单层二氧化钛（TiO₂）薄膜表面上方半径为100 nm粒子污染物所在处的电场强度,理论分析结果发现,当SiO₂薄膜厚度为137.4 nm,TiO₂薄膜厚度为12.3 nm时,表面粒子污染物所在处的电场强度最小。在此基础上分别计算了光学元件表面沉积厚度为137.4 nm的单层SiO₂薄膜以及厚度为12.3 nm的单层TiO₂薄膜,表面粒子污染物的总散射损耗(S)和双向反射分布函数(BRDF),计算结果表明,在波长为632.8 nm的光垂直入射时,单层SiO₂薄膜和单层TiO₂薄膜可有效降低其表面粒子的BRDF,且可将K9玻璃表面的总散射分别降低12.40%和25.04%。实验验证了单层SiO₂薄膜对于表面粒子污染物散射降低的有效性。     

背景偏振光谱二向反射分布函数建模分析

通过分析偏振二向反射分布函数(BRDF)与实验探测角、波长间的关系,提出偏振度分量的多项式模型来定量化描述偏振度分量;强度分量采用现有的半经验模型,在可见光范围内(400～720 nm)实现偏振光谱BRDF建模,并将模型输出的结果和实验测量值进行分析比较.结果表明,对于土壤等各向性质较为均匀的背景,采用本文模型能较好地达到精度要求,因而可以将有限实验观测条件下测量得到的少数偏振光谱BRDF扩展到2π空间范围内,得到任意入射及观测条件下的偏振光谱BRDF值,且具有简单、计算量小等优点.     

基于半球空间光纤阵列的双向反射分布测量

提出了一种基于半球空间光纤阵列的双向反射分布函数(BRDF)测量方法与系统.将多根光纤组成的阵列均匀分布于一半球面上,使球心处物体表面反射的光在三维空间中的角分布转换为同一平面上的二维图像,经CCD采集及相应的数据处理,可实现对物体表面双向反射分布函数的快速测量.同时,利用光纤将照射激光束传输到物体表面待测点,并通过光纤的弯曲角度可改变光束的入射角.利用该测量系统对不同材质、不同加工工艺的物体表面的激光反射分布进行了初步的测量和分析.结果表明,相比传统的扫描式测量系统,该测量系统在提高测量速度的同时,避免了由于光源功率的起伏和探测器响应度的涨落所引起的测量误差,且结构简单,使用方便.     

涂漆金属1550 nm波长双向反射分布函数优化建模

利用双向反射分布函数描述目标表面的散射特性是最成熟和常用的方法,其关键在于如何快速准确地获取双向反射分布函数中的各特征参量。基于Cook-Torrance模型对目标表面散射进行建模,使用1550 nm激光对黑漆涂层金属进行探测,将测量数据用遗传-禁忌搜索混合算法进行反演,来获得模型中的未知参量。对比遗传算法和遗传-模拟退火混合算法可知,该算法优化了迭代次数,减小了计算误差,得到与实验值吻合的理论计算值。该研究提供了一种快速准确得到双向反射分布函数中未知参量的计算方法。     

基于混合遗传算法的偏振双向反射分布函数优化建模

为了表征复杂涂层表面的光学散射特性,在微面元理论的基础上,建立了典型涂层样片的偏振双向反射分布函数模型.由于实验数据与模型参数之间存在复杂的非线性关系,采用了遗传算法对模型参数进行反演.针对遗传算法收敛速度慢及易限于局部极小的特点,在传统遗传算法参数反演的基础上,在适应度计算中引入了模拟退火算法对偏振双向反射分布函数模型进行优化建模.实验结果表明:模型的计算结果与实验结果吻合较好.从误差收敛曲线来看,这种混合遗传算法优化方法不仅可以有效避免目标函数陷入局部极小,而且可以有效缩短目标函数的收敛时间.这可以为后续的目标特征提取与识别工作提供参考.     

双向反射分布函数测量系统的误差分析与标定

阐述了双向反射分布函数的定义及其测量原理.从理论上分析了产生误差的原因,对影响系统测量精度的误差因素进行了定量分析,使用均方根误差计算方法,提供了一个BRDF的误差分析方法.最后,利用实验标定的方法对理论分析结果进行了验证.实验标定的结果与理论分析结果相符,为解决对BRDF测量系统进行有效评估提出了新的思路和方法.     

光学双向反射分布函数的测量装置研究

介绍了双向反射分布函数的测量原理和方法,搭建了双向反射分布函数的测量装置。该装置可以测量可见光和红外两个波段的双向反射分布函数。在可见光波段采用卤钨灯作为光源,采用光纤光谱仪作为光接收器,以10 nm的波长间隔测量双向反射分布函数。在红外波段采用碳化硅作为红外光源,采用热释电探测器作为光接收器,采用标准板相对定标的方法测量待测样板的双向反射分布函数。可见光波段双向反射分布函数的测量重复性不大于1.5%;3μm~5μm红外波段双向反射分布函数的测量重复性分别小于或等于2.5%、8μm~12μm波段的小于或等于3.0%。测量结果表明,该测量装置的有效性较高。     

地球外层空间物体真实感成像建模与绘制研究

针对现有模型在地球外层空间物体真实感成像绘制中的局限性和不足,建立一种基于几何光学原理和光线追踪技术的BRDF微面元模型.该模型综合了微面元的朝向分布和表面反射率以及微面元之间遮挡关系对地球外层空间物体表面反射特性影响,以提高对空间物体表面反射光空间分布特征的建模精度,并把光学反射特性分解为微面元的漫反射特性和镜面反射...     

遗传算法在光散射模型参数反演中的应用

介绍了一种通过遗传算法参数反演获取目标样片BRDF模型参数的方法.根据样片在特定激光波长(0.86μm)下的BRDF实验数据,将遗传算法应用于样片表面BRDF数学模型的参数反演中,获取样片的BRDF模型参数.实验数据曲线表明,通过遗传算法参数反演所获得的拟合曲线与实验数据吻合得很好,结果表明,利用遗传算法所得到的结果具有较好的一致性.     

雪粒径对积雪双向反射率的影响

雪粒径大小影响着积雪反照率的高低,从而影响着局地或全球能量收支平衡和气候变化,其影响程度取决于积雪本身的微物理特征和光学特性。在研究550nm、1030nm和1640nm波长处积雪光学特性的基础上,采用辐射传输方程模拟并分析了雪粒径对积雪双向反射率的影响。模拟结果表明近红外通道1030nm是反演雪粒径的敏感波长,积雪双向反射率在该波段随粒径和观测角度变化明显,多角度遥感信息可以更有效地体现积雪的微物理特征和光学特性,为利用多角度遥感数据反演雪粒径提供理论基础。     

一种表面激光散射特性数据三维测量方法

激光双向反射分布函数(BRDF)数据测量是一种获得目标表面信息的重要手段。利用几何光学理论建立了目标表面BRDF模型,采用激光器、激光能量密度测量设备、转台、漫反射板等光电实验室常用测量设备,在相同的几何和物理条件下,分别测量样品和散射特性已知的漫反射板对激光能量的散射特性数据,推算出样品的BRDF数值;保持测量平面静止,通过翻转被照射表面获取样品表面的三维BRDF数据,推算了翻转过程中测量点的角度换算关系;利用测量结果,进行了目标表面BRDF模型的参数优化,建立了样品表面BRDF模型;实验环境容易构建,操作简便,为研究目标表面激光散射特性提供了一种新的研究思路。     

激光跟踪中目标卫星表面BRDF对回波信号的影响

通过双向反射分布函数(BRDF)公式,模拟了空间激光主动照明跟踪中,相同材料、不同粗糙度下卫星表面的BRDF,得出了随着卫星表面材料粗糙度的增加,镜面反射分量越小,漫反射分量越大,双向反射分布散射角越宽,接收到的回波信号对方向的敏感性减小。同时模拟了入射角度对卫星表面BRDF的影响,得出了照明光束小角度入射、接收信号方向与照明光束方向一致时,镜面反射分量的增加增强了反馈信号,当大角度入射时,反馈信号急剧减小。当入射角大于34°时,通过卫星表面BRDF计算得到的最小接收功率,比之前把卫星目标看成朗伯体,通过激光雷达公式计算得到的最小接收功率小。得出了增加照明光束的发射功率为原来的5倍,或者增大接收口径为原来的2.5倍,可以消除大入射角度带来的接收功率的减小,使得系统有4倍的功率余量。     

海面上舰船目标的紫外散射特性研究

基于粗糙面双向反射分布函数(BRDF)模型,考虑海面的影响,设计了海面舰船目标的紫外光散射亮度计算流程,讨论分析了海面上舰船目标对海天背景紫外辐射的散射特性.运用大气传输软件MODTRAN,计算了0.3～0.4μm波段太阳、天空背景的紫外辐射特性;根据粗糙面散射理论,分别对海面和目标表面进行BRDF建模,并讨论了面元的光散射特性;设计了海面舰船目标的紫外光散射亮度计算流程,并利用此流程计算分析了某舰船模型的紫外光散射亮度.结果显示探测时间、探测方位、舰船表面蒙皮材料、舰船形状、海面散射等因素,都对舰船目标的紫外光散射特性产生影响,为完善舰船目标紫外辐射特性数据库提供有效依据.     

目标表面BRDF统计建模中的遗传模拟退火算法

结合基本遗传算法与模拟退火算法,构造出了新的具有全局搜索优化特性的遗传模拟退火算法.根据卫星表面BRDF实验数据和统计模型,引用遗传模拟退火算法,获得样片BRDF模型参数的优化估计,从而获得了三维空间的BRDF分布,其优化参数后的模型在另一部分数据上也得到了很好的吻合验证.