颗粒污染光学反射镜面散射特性建模与验证

发布时间：2017-10-13 10:50

  本文关键词：颗粒污染光学反射镜面散射特性建模与验证

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【摘要】：光学反射镜面在其装调、使用时容易受到颗粒附着造成污染。颗粒污染会对镜面的散射性能造成影响,污染严重时还会产生较多的杂散光,降低光学系统的信噪比。本文对颗粒污染反射面的散射特性进行研究,并利用BRDF(双向反射分布函数)定量描述镜面的散射性能。首先,列举了描述粗糙表面的几种散射模型。认为用理论方法求解颗粒散射时有颗粒直径和颗粒间距的约束,因而选择数值解法。对有限元法、时域有限差分法和矩量法做出比较分析后,最终选择有限元法进行数值计算。对电磁波与辐射量的关系做了探讨,给出了电场强度矢量和辐照度的数学关系式。其次,颗粒污染镜面总BRDF由干净镜面与随机分布颗粒两部分BRDF组合得到。干净镜面BRDF由经验模型求得,随机分布颗粒BRDF通过电磁有限元分析软件COMSOL建模求解,推导了通过电场强度矢量计算BRDF的数学公式。本文针对短波和中波红外波段作为研究波段,颗粒尺寸选择在瑞利散射和米氏散射都不适用的?/10到10?。选取入射平面作为观察平面,对计算结果进行了分析说明。论文对影响颗粒散射的因素进行了计算研究,讨论了颗粒散射与入射波长、颗粒直径和分布密度的关系。论文还利用颗粒在各个角度的大量散射数据拟合出ABg模型中的待定参数,得到颗粒的完整BRDF分布,从而得到了污染镜面的总BRDF。最后,设计了验证实验。选择粒径为2.5μm的氧化铝抛光粉作为污染颗粒,通过光学显微镜定量观察得到颗粒分布密度,对污染载玻片和干净载玻片分别BRDF测量后相减得到随机均匀分布颗粒的散射曲线。对实验样品进行了理论建模仿真,结果表明理论预测曲线与实验测量值的量级与趋势均一致,理论结果合理地预测了污染表面上的颗粒散射特性。
【关键词】：颗粒污染镜面 光散射 双向反射分布函数(BRDF) 电磁有限元分析
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH74;O436.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-19
• 1.1 课题背景及研究目的和意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-17
• 1.2.1 颗粒污染面BRDF研究现状9-14
• 1.2.2 颗粒散射数值求解研究现状14-16
• 1.2.3 国内外发展现状简析16-17
• 1.3 本文主要研究内容和研究思路17-19
• 第2章 光散射基本理论与研究方法19-30
• 2.1 双向反射分布函数BRDF19-20
• 2.2 粗糙表面散射模型20-22
• 2.3 颗粒散射研究方法22-27
• 2.3.1 理论研究22-25
• 2.3.2 数值研究25-27
• 2.4 电磁波与辐射能关系探讨27-28
• 2.5 本章小结28-30
• 第3章 颗粒污染镜面BRDF建模30-46
• 3.1 引言30
• 3.2 干净镜面BRDF模型30-33
• 3.2.1 材料物性对镜面光学特性的影响30-31
• 3.2.2 干净镜面BRDF求解31-33
• 3.3 污染颗粒BRDF模型33-37
• 3.3.1 模型建立33-36
• 3.3.2 BRDF计算方法36-37
• 3.4 仿真结果及分析37-43
• 3.4.1 波长与BRDF的关系37-40
• 3.4.2 颗粒直径与BRDF的关系40-41
• 3.4.3 颗粒密度与BRDF的关系41-43
• 3.5 颗粒污染镜面BRDF43-45
• 3.6 本章小结45-46
• 第4章 实验验证与结果分析46-57
• 4.1 引言46
• 4.2 实验总体方案46-49
• 4.2.1 实验设备46-48
• 4.2.2 实验方案与流程48-49
• 4.3 BRDF测量49-53
• 4.3.1 测量方法49-50
• 4.3.2 测量结果50-53
• 4.4 实验与仿真的比对分析53-56
• 4.4.1 结果比对53-54
• 4.4.2 误差分析54-56
• 4.5 本章小结56-57
• 结论57-59
• 参考文献59-62
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果62-64
• 致谢64

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本文编号：1024442