几种典型材料表面的双向反射特性建模与实验测量研究

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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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