BRDF测量
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航空航天热物理研究所
双向反射分布函数—ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱRDF 测量简介
谈和平 戴景民 谢鸣
表面辐射与双向反射 分布函数
1 概论
2 国外双向反射分布函数研究概况 3 国内双向反射分布函数研究概况
4 尚待开展的研究内容和关键技术
1 概论
表面辐射传递主要涉及两个方面：
辐射传递系数 双向光谱反射分布函数
1 概论
2000年DIEZ【单位13】介绍了用于HIFI
亚毫米吸收度层的BRDF测量。测量波长 为：96.5μm，118.8μm，184.3μm，496μm， 889μm。
3 国内双向反射分布函数研究概 况
国内的研究比较落后，只在可见光的 某个波长下，设计了测试装置。 中国科学院地理科学与资源研究所拥 有测定太阳反射辐射的双向反射分布函数 的成套自动化装置。
探测与控制系统
4 尚待开展的研究内容 和关键技术
高温下材料表面BRDF测试理论研究；
高温试样加热技术研究，对一薄片加热，在
1000℃左右，要保持较好的温度均匀性很难；
宽波段、高能量辐射源研制；
4 尚待开展的研究内容和关键技术
强背景干扰下低噪检测技术研究，由于高
温目标的辐射比反射能量要高几个数量级， 在强背景下探测信号有较大的难度；
Montana
[3] Lockheed Missile & Space Company
[4] Hughes Aircraft Company Space
and Communications Group
2 国外双向反射分布函数研究概况 [5] TRW Space and Technology Group [6] University of science and Technology of Lille, France（法国） [7] Technical Research Center of Finland （芬兰） [8] Aerojet Electron-system Company [9] NASA Goddard
光学散射测量系统，对铜及钢等板材表面 进行了BRDF 测量。
2 国外双向反射分布函数研究概况
1991 年 DROLEN【单位 4】用 7 种激光作为
光源，对 12 种航天热控材料表面的 BRDF 进行了测量。针对镜、漫混合反射模型， 提出了一种由 BRDF 计算镜反射率的方法。
1993 年 SCHIFF 等【单位 2 、 9】研制了从
2 国外双向反射分布函数研究概况
1990年CADY【单位2】等研制了多通道三
维散射仪。光源由5个波长的激光器组成， 采用球面反射系统；对全部入射光偏振的 控制和使用潜望反射镜使小角度测量成为 可能；转角机构 0.02°；重复性和线性度为 1%。
1991年MIETTINEN 【单位7】采用可见光
1999 年 BECKER【 单 位 11】 通 过 分 析 其
BRDF 数据，描述和估计了 LCD 器件的可 视特性。
2 国外双向反射分布函数研究概况
1999年SATOSHI【单位10】等用光谱辐射
计和 CCD 数码相机设计了在线测量大地表 面BRDF的装置，该装置对BRDF的空间不 稳定性进行了矫正
4 尚待开展的研究内容 和关键技术
整体上分：在线测量和实验室测量两大
类
在线测量以卫星测量为主，标定测量为
辅，卫星测量以CCD相机为主要探测器
实验室测量大都采用单探测器，由角度
扫描机构实现半球空间内的测量。
4 尚待开展的研究内容 和关键技术
一般来说，实验室测量装置，由以下三
大部分来实现：
光源系统 转角系统
主要对常温和低温下物体的 BRDF 进行测
量，与实际应用有较大差异。如弹道导弹 飞行中段表面温度为400~500K；空间卫星 向阳面温度也在400~600K。
主要用激光作光源， BRDF 数据只是几个
波长的数据。这对于红外探测、红外仿真、 红外遥感、目标识别、空间系统的方案论 证和设计等是远远不够的。
1996 年吴振森、魏庆农【西安电子科技大
学、中科院安光所】等讨论了不同表面的 激光BRDF测量实验。
2000 年唐玉国等人【中科院长春光机所】，
在紫外波段，建立了由紫外光源、光谱仪、 反射率计及电子计算机组成的变角测试系 统。利用该系统进行漫反射余弦特性、双 向反射分布函数测试。
3 国内双向反射分布函数研究概况
宽波段汇聚光学系统设计； 高精度三维扫描系统研制。
1 概论 航天领域
光学表面污染检测 表面材料特性检测 外表面热控材料散射检测
材料的模拟和仿真
光学组件表面散射测量
特殊材料的表面散射测量
地质学测量等
1 概论
自 1970 年 F.E. Nicodemus 提出 BRDF 的概念以来，各国学者在理论上、仪器设 备研制的应用上进行了大量的研究。仅由 EI 检索，从 1980 年起已有 200 多篇论文， 其中仪器研制占10％。
bozemanmontanalockheedmissilespacecompanyhughesaircraftcompanyspacecommunicationsgroup国外双向反射分布函数研究概况国外双向反射分布函数研究概况trwspacetechnologygrouptrwspacetechnologygrouplillefrancelillefrance法国法国technicalresearchcentertechnicalresearchcenterfinland芬兰芬兰aerojetelectronaerojetelectronsystemcompanysystemcompanynasagoddardnasagoddard国外双向反射分布函数研究概况国外双向反射分布函数研究概况10geologicalsurveyjapan10geologicalsurveyjapan日本日本地质勘测中心1111autoautomelchersgmbhmelchersgmbhkarlsruhekarlsruhegermanygermany德国德国1212universitysydneyuniversitysydneyaustraliaaustralia澳大利亚澳大利亚1313delftuniversitytechnologydelftuniversitytechnologynetherlandsnetherlands荷兰荷兰国外双向反射分布函数研究概况国外双向反射分布函数研究概况1977年scheele单位4研制了测量透明材料的三色测量仪采用四种波长的激光源06328339106106m测量了20种材料的前后散射
2 国外双向反射分布函数研究概况
1977 年 SCHEELE【单位 4】研制了测量透
明材料的三色测量仪，采用四种波长的激 光源（0.6328，3.39，1.06，10.6μm），测 量了20种材料的前后散射。
1979年KALE【单位8】在10－8 托，77K真
空环境和低温环境下，测量了镜反射方向 60° 范 围 内 ， 太 空 环 境 下 光 学 系 统 表 面 BRDF，考察了光学表面的污染情况。
2 国外双向反射分布函数研究概况 [10] Geological Survey of Japan
（日本地质勘测中心）
[11] Auto-Melchers Gmbh，Karlsruhe，
Germany （德国）
[12] University of Sydney，Australia （澳大利亚） [13] Delft University of Technology， Netherlands （荷兰）
哈工大工程热物理研究室已建立了双向
反射分布函数测试，采用4种波长的激光
源（ 0.6328 ， 1.15 ， 3.39 ， 10.6 ），覆盖
波长0.63—10.6μm。
双 向 反 射 率 测 试 台
双向反射率测试台
双向反射率测试台
3 国内双向反射分布函数研究概况
综上所述，目前国内外测试装置：
2 国外双向反射分布函数研究概况
1986年DAVIS【单位3】采用1000瓦高压有
弧氙灯为光源。
1990 年 FOLKMAN【单位 5】研制了空间
光学表面散射和污染程度的测量装置。该 装置在室温离线，低温真空在线下可测 BRDF、BTDF（透射率）。光源包括：Ar 离子、HeNe、Na、YAG和CO2激光器，覆 盖 波 长 0.351—10.6μm 。 试 样 温 度 可 在 20K—373K变化。
辐射传递系数与角系数不同，角系数 仅考虑了一次投射，且要求表面为漫发射。 若考虑多次反射，需引入有效辐射概念。 实际工程中，常遇到复杂系统，需考 虑多次反射。
1 概论
已知光谱双向反射分布函数，可求出 方向光谱发射率和方向光谱吸收率。 因此，双向反射分布函数（ BRDF ） 是材料表面的重要参数，是航天遥感、地 质测量、精密制导、目标仿真的基础。其 测量技术是国际上近年来的研究热点。
3 国内双向反射分布函数研究概况
1996 年魏庆农【中科院安徽光机所】采用
HE-NE 激光器，波长为 0.633μm ，接收器
为光电倍增管。测量时探测器的观察方向
不变，3个电机带动样品和光源转动来实现
半球空间内的 BRDF 测量。电机的转动精
度由码盘控制，其精度可达到0.1°。
3 国内双向反射分布函数研究概况
2 国外双向反射分布函数研究概况
1980 年 BROOKS 和 WOLFE【单位 1】选
择6种波长的激光源，特别是用CO2远红外 波导激光器实现了41.7和118.8μm远红外波 段的测量。
杂散光问题是限制最小测量角度的最主要
因素，1986年LEE【单位8】讨论了在小角 度BRDF/BTDF测量中杂散光的分析和压缩 问题。
紫外到红外波段的高精度散射测量仪。用 于大气臭氧及航天飞机测试标定标准的 BRDF测量。
2 国外双向反射分布函数研究概况
1995年DESCLOITRES【单位6】介绍了由
CCD相机构成的具有9个光谱和偏振滤光片 的云反射测量。
1996 年 SHEPPARD【单位 12】介绍了粗糙
表面BRDF简化表示方法。
近年来空间材料 BRDF 测试的迫切需 求，从某种程度上促进了 BRDF 测试技术 的飞速发展。
2 国外双向反射分布函数 研究概况
[1] Optical Science Center, University of
Arizona （美国亚利桑那大学）
[2] TMA Technology Inc., Bozeman,
双向反射分布函数—ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱRDF 测量简介
谈和平 戴景民 谢鸣
表面辐射与双向反射 分布函数
1 概论
2 国外双向反射分布函数研究概况 3 国内双向反射分布函数研究概况
4 尚待开展的研究内容和关键技术
1 概论
表面辐射传递主要涉及两个方面：
辐射传递系数 双向光谱反射分布函数
1 概论
2000年DIEZ【单位13】介绍了用于HIFI
亚毫米吸收度层的BRDF测量。测量波长 为：96.5μm，118.8μm，184.3μm，496μm， 889μm。
3 国内双向反射分布函数研究概 况
国内的研究比较落后，只在可见光的 某个波长下，设计了测试装置。 中国科学院地理科学与资源研究所拥 有测定太阳反射辐射的双向反射分布函数 的成套自动化装置。
探测与控制系统
4 尚待开展的研究内容 和关键技术
高温下材料表面BRDF测试理论研究；
高温试样加热技术研究，对一薄片加热，在
1000℃左右，要保持较好的温度均匀性很难；
宽波段、高能量辐射源研制；
4 尚待开展的研究内容和关键技术
强背景干扰下低噪检测技术研究，由于高
温目标的辐射比反射能量要高几个数量级， 在强背景下探测信号有较大的难度；
Montana
[3] Lockheed Missile & Space Company
[4] Hughes Aircraft Company Space
and Communications Group
2 国外双向反射分布函数研究概况 [5] TRW Space and Technology Group [6] University of science and Technology of Lille, France（法国） [7] Technical Research Center of Finland （芬兰） [8] Aerojet Electron-system Company [9] NASA Goddard
光学散射测量系统，对铜及钢等板材表面 进行了BRDF 测量。
2 国外双向反射分布函数研究概况
1991 年 DROLEN【单位 4】用 7 种激光作为
光源，对 12 种航天热控材料表面的 BRDF 进行了测量。针对镜、漫混合反射模型， 提出了一种由 BRDF 计算镜反射率的方法。
1993 年 SCHIFF 等【单位 2 、 9】研制了从
2 国外双向反射分布函数研究概况
1990年CADY【单位2】等研制了多通道三
维散射仪。光源由5个波长的激光器组成， 采用球面反射系统；对全部入射光偏振的 控制和使用潜望反射镜使小角度测量成为 可能；转角机构 0.02°；重复性和线性度为 1%。
1991年MIETTINEN 【单位7】采用可见光
1999 年 BECKER【 单 位 11】 通 过 分 析 其
BRDF 数据，描述和估计了 LCD 器件的可 视特性。
2 国外双向反射分布函数研究概况
1999年SATOSHI【单位10】等用光谱辐射
计和 CCD 数码相机设计了在线测量大地表 面BRDF的装置，该装置对BRDF的空间不 稳定性进行了矫正
4 尚待开展的研究内容 和关键技术
整体上分：在线测量和实验室测量两大
类
在线测量以卫星测量为主，标定测量为
辅，卫星测量以CCD相机为主要探测器
实验室测量大都采用单探测器，由角度
扫描机构实现半球空间内的测量。
4 尚待开展的研究内容 和关键技术
一般来说，实验室测量装置，由以下三
大部分来实现：
光源系统 转角系统
主要对常温和低温下物体的 BRDF 进行测
量，与实际应用有较大差异。如弹道导弹 飞行中段表面温度为400~500K；空间卫星 向阳面温度也在400~600K。
主要用激光作光源， BRDF 数据只是几个
波长的数据。这对于红外探测、红外仿真、 红外遥感、目标识别、空间系统的方案论 证和设计等是远远不够的。
1996 年吴振森、魏庆农【西安电子科技大
学、中科院安光所】等讨论了不同表面的 激光BRDF测量实验。
2000 年唐玉国等人【中科院长春光机所】，
在紫外波段，建立了由紫外光源、光谱仪、 反射率计及电子计算机组成的变角测试系 统。利用该系统进行漫反射余弦特性、双 向反射分布函数测试。
3 国内双向反射分布函数研究概况
宽波段汇聚光学系统设计； 高精度三维扫描系统研制。
1 概论 航天领域
光学表面污染检测 表面材料特性检测 外表面热控材料散射检测
材料的模拟和仿真
光学组件表面散射测量
特殊材料的表面散射测量
地质学测量等
1 概论
自 1970 年 F.E. Nicodemus 提出 BRDF 的概念以来，各国学者在理论上、仪器设 备研制的应用上进行了大量的研究。仅由 EI 检索，从 1980 年起已有 200 多篇论文， 其中仪器研制占10％。
bozemanmontanalockheedmissilespacecompanyhughesaircraftcompanyspacecommunicationsgroup国外双向反射分布函数研究概况国外双向反射分布函数研究概况trwspacetechnologygrouptrwspacetechnologygrouplillefrancelillefrance法国法国technicalresearchcentertechnicalresearchcenterfinland芬兰芬兰aerojetelectronaerojetelectronsystemcompanysystemcompanynasagoddardnasagoddard国外双向反射分布函数研究概况国外双向反射分布函数研究概况10geologicalsurveyjapan10geologicalsurveyjapan日本日本地质勘测中心1111autoautomelchersgmbhmelchersgmbhkarlsruhekarlsruhegermanygermany德国德国1212universitysydneyuniversitysydneyaustraliaaustralia澳大利亚澳大利亚1313delftuniversitytechnologydelftuniversitytechnologynetherlandsnetherlands荷兰荷兰国外双向反射分布函数研究概况国外双向反射分布函数研究概况1977年scheele单位4研制了测量透明材料的三色测量仪采用四种波长的激光源06328339106106m测量了20种材料的前后散射
2 国外双向反射分布函数研究概况
1977 年 SCHEELE【单位 4】研制了测量透
明材料的三色测量仪，采用四种波长的激 光源（0.6328，3.39，1.06，10.6μm），测 量了20种材料的前后散射。
1979年KALE【单位8】在10－8 托，77K真
空环境和低温环境下，测量了镜反射方向 60° 范 围 内 ， 太 空 环 境 下 光 学 系 统 表 面 BRDF，考察了光学表面的污染情况。
2 国外双向反射分布函数研究概况 [10] Geological Survey of Japan
（日本地质勘测中心）
[11] Auto-Melchers Gmbh，Karlsruhe，
Germany （德国）
[12] University of Sydney，Australia （澳大利亚） [13] Delft University of Technology， Netherlands （荷兰）
哈工大工程热物理研究室已建立了双向
反射分布函数测试，采用4种波长的激光
源（ 0.6328 ， 1.15 ， 3.39 ， 10.6 ），覆盖
波长0.63—10.6μm。
双 向 反 射 率 测 试 台
双向反射率测试台
双向反射率测试台
3 国内双向反射分布函数研究概况
综上所述，目前国内外测试装置：
2 国外双向反射分布函数研究概况
1986年DAVIS【单位3】采用1000瓦高压有
弧氙灯为光源。
1990 年 FOLKMAN【单位 5】研制了空间
光学表面散射和污染程度的测量装置。该 装置在室温离线，低温真空在线下可测 BRDF、BTDF（透射率）。光源包括：Ar 离子、HeNe、Na、YAG和CO2激光器，覆 盖 波 长 0.351—10.6μm 。 试 样 温 度 可 在 20K—373K变化。
辐射传递系数与角系数不同，角系数 仅考虑了一次投射，且要求表面为漫发射。 若考虑多次反射，需引入有效辐射概念。 实际工程中，常遇到复杂系统，需考 虑多次反射。
1 概论
已知光谱双向反射分布函数，可求出 方向光谱发射率和方向光谱吸收率。 因此，双向反射分布函数（ BRDF ） 是材料表面的重要参数，是航天遥感、地 质测量、精密制导、目标仿真的基础。其 测量技术是国际上近年来的研究热点。
3 国内双向反射分布函数研究概况
1996 年魏庆农【中科院安徽光机所】采用
HE-NE 激光器，波长为 0.633μm ，接收器
为光电倍增管。测量时探测器的观察方向
不变，3个电机带动样品和光源转动来实现
半球空间内的 BRDF 测量。电机的转动精
度由码盘控制，其精度可达到0.1°。
3 国内双向反射分布函数研究概况
2 国外双向反射分布函数研究概况
1980 年 BROOKS 和 WOLFE【单位 1】选
择6种波长的激光源，特别是用CO2远红外 波导激光器实现了41.7和118.8μm远红外波 段的测量。
杂散光问题是限制最小测量角度的最主要
因素，1986年LEE【单位8】讨论了在小角 度BRDF/BTDF测量中杂散光的分析和压缩 问题。
紫外到红外波段的高精度散射测量仪。用 于大气臭氧及航天飞机测试标定标准的 BRDF测量。
2 国外双向反射分布函数研究概况
1995年DESCLOITRES【单位6】介绍了由
CCD相机构成的具有9个光谱和偏振滤光片 的云反射测量。
1996 年 SHEPPARD【单位 12】介绍了粗糙
表面BRDF简化表示方法。
近年来空间材料 BRDF 测试的迫切需 求，从某种程度上促进了 BRDF 测试技术 的飞速发展。
2 国外双向反射分布函数 研究概况
[1] Optical Science Center, University of
Arizona （美国亚利桑那大学）
[2] TMA Technology Inc., Bozeman,