几种典型材料表面的双向反射特性建模与实验测量研究

摘要

随着太阳能利用、遥感测量、辐射测温以及半导体快速热处理等技术的发展，涌现出了一批热辐射起关键作用的表面辐射问题。双向反射分布函数（BRDF）是粗糙物体表面的基本特性，可以精确地描述物体表面的反射能量在空间内的分布情况。因此了解粗糙物体表面的BRDF对于辐射建模及传热分析来说至关重要。
　　本文首先对目前存在的多种BRDF建模理论进行了分析与总结，提出了一种基于微元粗糙表面理论的改进型BRDF模型。通过将改进型BRDF模型与其他模型进行对比，结果表明：针对各向同性物体表面，该模型不仅满足能量守恒定律，而且还可以避免大角度入射时BRDF模拟值失真的情况。因此该模型可以很好的描述物体表面的反射特性。
　　然后利用原子力显微镜（AFM）测量得到半导体硅材料的表面形貌分布数据，将其应用到利用时域有限差分（FDTD）方法和几何光学方法对半导体硅材料的BRDF模拟中。计算结果表明：在二维粗糙表面情况下，当物体表面呈现各向异性或物体表面十分光滑时，FDTD方法得到的结果可以更好的和实验测量数据拟合。
　　最后利用NIMS-Ⅲ型双向反射分布函数测量实验台，测量研究了刚玉、氧化锆等几种典型材料表面的BRDF分布情况。测量结果表明：随着入射角度的增大，BRDF的镜向峰值都有增大的趋势。在入射波长从380nm到2000nm的变化范围内，除碳化硅材料外，其他材料表面的BRDF分布随着入射波长的增大都呈现出逐渐增大的趋势。由于利用实验台测量物体表面半球空间内的所有角度的BRDF耗时较多，本文利用遗传算法将实验测量值与模型模拟值进行优化拟合，得到模型参数，结果表明本文提出的改进型BRDF模型可以很好的与实验数据相拟合。

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主要变量表

1绪 论

1.1课题背景

1.2双向反射分布函数的建模理论发展

1.3双向反射分布函数的测量装置发展

1.4本文的主要工作

2双向反射分布函数的理论模型及推导

2.1双向反射分布函数的定义

2.2双向反射分布函数的模型

2.3粗糙物体表面的描述

2.4随机粗糙物体表面的微元表面模型

2.5改进型的BRDF模型

2.6本章小结

3基于FDTD方法的二维粗糙物体表面的BRDF研究

3.1 FDTD方法求解BRDF

3.2 FDTD方法计算结果讨论

3.3本章小结

4典型材料表面的BRDF测量与研究

4.1 NIMS-III型双向反射分布函数(BRDF)测量实验台

4.2典型材料的BRDF实验测量与分析

4.3遗传算法拟合BRDF实验数据

4.4实验数据的拟合研究

4.5本章小结

5全文总结及建议

5.1全文总结

5.2后续工作建议

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果