复杂空间目标光散射建模方法技术

本发明专利技术涉及复杂空间目标光散射建模方法，属于航天空间目标建模技术领域，本发明专利技术首先根据材料的综合光散射强度，建立材料光散射经验模型；采用平行投影变换获得空间目标的入射截面，并判断选出有效入射截面；根据材料光散射经验模型，统计绘制的有效入射截面上像素的反射率均值得到平均反射率；根据有效入射截面像素总个数与绘制窗口的面积比例关系，求得有效入射截面面积；建立复杂空间目标光散射模型；本发明专利技术在考虑了材料非相干散射特性和相干散射特性的基础上，根据光线实际传播特性，将三维空间的复杂计算投影到二维平面，并利用计算机图形学理论实现了有效入射截面和截面平均反射率的快速确定，较好的解决了复杂空间目标的光散射计算问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于航天空间目标建模

技术介绍
空间目标的光学特性分析，是目标的光学探测、识别的前提，空间目标光散射特性 是光学特性的重要内容，正受到越来越多的关注。很多学者在这方面开展了大量研究工作， 综合起来，其方法集中在以下两个方面一是将空间目标看成由几种典型形状的漫反射朗 伯表面，根据辐射理论和朗伯余弦定律，计算其在空间的光照度；二是利用实际测量的材料 样片精确的双向反射分布函数(BRDF)，基于物理模型的方法来计算目标的光散射特性。第 一种方法模型简单，计算结果与实际情况相差较大，只能用于光散射特性的估算；第二种方 法可以精确计算材料的光散射特性，但获取、表示与计算的复杂性，限制了其在工程领域的 应用。已有的研究工作，大多都将空间目标假设成简单形状，而对于具有复杂几何形体的空 间目标的光散射的计算，都没有提出很好的解决方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种，以解决现有复杂空间目 标建模方法精确度与计算复杂性矛盾的问题。为实现上述目的，本专利技术的的步骤如下(1)根据材料的综合光散射强度，建立材料光散射经验模型；(2)采用平行投影变换获得空间目标的入射截面，并判断选出有效入射截面；(3)根据材料光散射经验模型，统计绘制的有效入射截面上像素的反射率均值得到平 均反射率P ；(4)根据有效入射截面像素总个数与绘制窗口的面积比例关系，求得有效入射截面面 积I;(5)建立复杂空间目标光散射模型P=式中I13为太阳在空间目标处的照度；^ 为有效入射截面的面积；P为截面上的平均反射率。进一步的，所述步骤(1)中材料的综合光散射强度为漫反射分量和镜面反射总和， 表示为f-l^ljeosS+ficc^a,其中&为物体的漫反射系数，与物体表面性质有关J1 是光源的光强；$为光线入射角；为物体的镜面反射系数，^为视线与反射方向的夹角。进一步的，所述步骤(1)中材料光散射经验模型为 其中/%为综合反射率，是当光线以■角入射到某材 料表面上时,在Of方向上的反射光强与入射光强之比。进一步的，所述步骤(2)中空间目标入射截面的获得是在OpenGL中，利用 函数810汁1!0(1，1~，133，11，《完成平行投影变换，函数参数为平行投影的左右、上下4和远近裁剪面，用这些参数计算投影区域的实际面积 再用函数 glViewport(x, y, w, h)将投影变换后的左边变换到屏幕像素坐标，参数(x，y)为视口左下 角坐标，(w，h)为窗口大小，取x=y=0，则整个显示窗口的像素总数为 进一步的，所述步骤(2)，在绘制入射截面时，在GPU片元着色器中，进行有效截面 判断，剔除不满足判断条件的截面点；对满足有效截面条件的点，根据材料的材质属性，在 GPU着色器中对每一个像素代表的截面元反射率经验模型进行计算，形成反射率分布图。进一步的，所述有效截面是在入射截面中能反射光线到观测方向的部分，当光源 方向L与观测方向V确定时，当面元dA的法线N满足于L和V的夹角都小于90度时，该 面被光线照射，并且能反射光线到观测设备，该有效截面的判断条件用向量内积表示为进一步的，所述反射率分布图由空间目标有效入射截面上每一个像素的反射率 构成的二维图像，用模型数据中的漫反射与镜面反射参数为每一个三角形的材质赋值，在 OpenGL片元着色器中根据光源属性、材质属性以及几何关系，利用式 完成对入射截面上每一个像素反射率的计算，模型绘制完毕后，就构成了整个空间目标的反射率分布图。进一步的，所述步骤(3)中平均反射率P是将反射率分布图上每一个像素的反射 率求和，并除以有效像素总数得到。进一步的，所述步骤(4)中有效入射截面面积S的计算公式如下 其中有效像素总数为 本专利技术的方法在考虑了材料非相干散射特性和相干散射特性的基础上，根据光线 实际传播特性，提出了一种，将三维空间的复杂计算投影到 二维平面，并利用计算机图形学理论实现了有效入射截面和截面平均反射率的快速确定， 较好的解决了复杂空间目标的光散射计算问题。本专利技术所建立的材料光散射经验模型比单纯采用漫反射模型来表示空间目标材 料更具有合理性，其中，漫反射系数镜面反射系数^、镜面反射指数Λ与材料本身特性 有关，可以用这三个参数近似表达材料的光散射特性，并且相对于基于物理模型的BRDF方 法，在效果接近的情况下，简化了表示与计算的复杂性，使其更加灵活方便。所述P为有效截面上每一个(IS对应的目标表面微元dl的反射率的均值，由于II 标具有复杂的构型，入射截面上的一个微元ds可能是多个II标表面微面元M的投影，而 不同由于材料不同，反射率As也不同，这为dS的反射率1%的确定造成了困难，考察光 的传播过程发现，当一条光线入射到空间目标表面时，在光线传播方向上第一个与光线相 交的面为受晒面，其后的面都会由于遮挡产生阴影，即对于一条入射光线，只有距离光源最 近的面才对反射能量有贡献，因此本专利技术dil取距离光源最近的面元，既确定了 dS的反射 率A^又有效防止了被遮挡的阴影部分参与计算。附图说明图1是本专利技术的复杂空间目标光散射建模流程图； 图2是入射、反射、视线方向示意图3是镜面反射曲线图； 图4是Qiuckbird-2卫星几何外形结构图； 图5是观测条件曲线图； 图6 (a)是总入射截面图； 图6(b)是有效入射截面图； 图7是有效入射截面与总入射截面比较图； 图8是目标反射率图； 图9是目标平均反射率变化曲线图； 图10是反射光通量变化曲线图。具体实施例方式本专利技术的实施例的流程图如图1所示，步骤如下(1)根据材料的综合光散射强度，建立材料光散射经验模型；(2)采用平行投影变换获得空间目标的入射截面，并判断选出有效入射截面；(3)根据材料光散射经验模型，统计绘制的有效入射截面上像素的反射率均值得到平 均反射率-；(4)根据有效入射截面像素总个数与绘制窗口的面积比例关系，求得有效入射截面面 积I;(5)建立复杂空间目标光散射模型P=式中Ici为太阳在空间目标处的照度 ’S为有效入射截面的面积为截面上的平均反射率。1材料光散射经验模型无论是空间目标主体包覆材料还是太阳能板的光散射一般均存在非相干散射分量(又 称漫反射)和相干散射分量(又称镜面反射)。因此，要实现空间目标光散射特性的精确计 算，必须建立空间目标表面材料的漫反射与镜面反射特性模型。由于光线满足叠加性，因 此，在假设目标表面的散射特性与波长无关的前提下，将漫反射光与镜面反射光分别考虑。1. 1漫反射模型当入射光从一个完全不光滑的表面向所有方向等量散射时出现漫反射现象。假设材料 中漫反射光的空间分布是均勻的，根据Lambert余弦定律，反射光强与入射角的余弦成正比。因此，反射光强Ij可以表示为Ii = IlIiWS乡，式中Ι。为物体的漫反射系数，与物体表面性质有关。i|是光源的光强。沒为光线入射角，如图2所示。1.2镜面反射模型对于材料的镜面反射模型，学者们提出了基于物理的镜面反射模型(如BRDF)和基于 经验的镜面反射模型，由于基于物理的模型计算复杂，实现难度大，且通过调整经验模型 的参数，可获得比基于物理的模型更好的效果。本专利技术采用经验镜面反射模型，可表示为 Ij = K5I1 cos1 S,式中&为物体的镜面反射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复杂空间目标光散射建模方法，其特征在于，该方法的步骤如下：（１）根据材料的综合光散射强度，建立材料光散射经验模型；（２）采用平行投影变换获得空间目标的入射截面，并判断选出有效入射截面；（３）根据材料光散射经验模型，统计绘制的有效入射截面上像素的反射率均值得到平均反射率ρ；（４）根据有效入射截面像素总个数与绘制窗口的面积比例关系，求得有效入射截面面积Ｓ；（５）建立复杂空间目标光散射模型Ｐ＝ρＥ↓［０］Ｓ，式中Ｅ↓［０］为太阳在空间目标处的照度；Ｓ为有效入射截面的面积；ρ为截面上的平均反射率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蓝朝桢，徐青，孙伟，李建胜，周杨，邢帅，何钰，张衡，施群山，靳国旺，马东洋，王栋，
申请(专利权)人：中国人民解放军信息工程大学，
类型：发明
国别省市：41