双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)是表征目标表面空间反射特性的物理量,能够有效描述目标表面的空间反射特性。BRDF在目标光散射计算、杂光分析、计算机图像处理、地物遥感、目标识别和材料的光学性能研究等领域有着广泛的应用。BRDF受表面形态、波长、温度等诸多因素的影响,为测量工作带来了很大的困难。现阶段,BRDF测量大多集中在可见光波段,不能满足目标识别、航空航天等领域的需求。本文在国家自然科学基金的支持下,研究了BRDF测量技术,提出了一种绝对测量方法,并基于该方法搭建了一套BRDF实验系统。该实验系统能够实现380─2500 nm波段BRDF的测量。主要工作包括以下几个方面:1.全面分析了绝对测量和相对测量方法优缺点,指出高性能BRDF测量装置的研制中应该采用绝对测量法。本文基于辐射度学的相关定义提出了一种BRDF绝对测量方法,给出了测量原理的推导过程。文中对有效探测面积和入射光照亮面积的大小关系进行了讨论,在入射辐照度的测量向反射辐亮度的测量转变的过程中消除了“面积相等”的近似。最后,根据原理的推导过程分析了影响BRDF测量可靠性的主要因素。2.基于所提出的绝对测量方法设计了一套BRDF实验系统。1)根据设计目标和测量目的,本文为实验系统配备了激光光源、高压点燃氙灯和激光驱动白光光源三个光源系统;2)根据遮挡角、几何误差和积分误差等因素对转角装置各个部件的几何尺寸做了优化设计,并对转角装置的转动方案进行了详细描述;3)对探测系统的测量光路、探测器、信号处理系统做了详细描述,并给出了各个部分的主要技术参数;4)详细阐述了加热器和温控系统的设计,并根据设计参数计算了高温下的最大测量天顶角。3.对实验系统进行了不确定度分析和可靠性验证。1)分析了影响不确定度的因素,对各个因素进行了详细讨论和计算,得到实验系统的合成不确定度为4.79%;2)对测量中的噪声问题进行了详细讨论,根据不同情况提出了合理的解决方案;3)测量了标准白板的BRDF和商业保护金属膜反射镜在近红外波段的光谱反射率,通过与参考值的对比验证了实验系统的可靠性。4.基于设计的实验系统分别测量了低碳钢E235B在可见光和近红外波段的光谱偏振BRDF。光谱BRDF的测量结果表明:偏振BRDF随反射天顶角的变化趋势不受波长的影响,而且BRDF随波长的变化曲线,不受反射天顶角的影响。本章采用将光谱和空间分离的方法分析了影响BRDF测量的因素,即在单波长下分析空间反射特性,在镜面反射方向分析表面的光谱反射特性。5.研究了工业纯钛在加热过程中产生的颜色,并分析了颜色的产生机制。文中测量了不同颜色样品表面的BRDF,将测量结果与结构色和色素色的特性做了对比。结果表明:工业纯钛在加热过程中产生的颜色属于色素色。本文所提出的测量方法和搭建的实验系统能够实现不同条件下光谱BRDF的测量。实验系统的各个组成部分的独立性较强,能够根据研究需要进行改进。本文的工作将在BRDF的测量和应用研究中发挥作用。