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变温下材料表面近红外双向反射分布函数的测量研究

马王杰慧 刘彦磊 陈志影 刘玉芳

马王杰慧, 刘彦磊, 陈志影, 刘玉芳. 变温下材料表面近红外双向反射分布函数的测量研究[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2019-0256
引用本文: 马王杰慧, 刘彦磊, 陈志影, 刘玉芳. 变温下材料表面近红外双向反射分布函数的测量研究[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2019-0256
MA Wang-jiehui, LIU Yan-lei, CHEN Zhi-ying, LIU Yu-fang. Near-infrared BRDF study of material surfaces at varying temperatures[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2019-0256
Citation: MA Wang-jiehui, LIU Yan-lei, CHEN Zhi-ying, LIU Yu-fang. Near-infrared BRDF study of material surfaces at varying temperatures[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2019-0256

变温下材料表面近红外双向反射分布函数的测量研究

doi: 10.37188/CO.2019-0256
基金项目: 国家自然科学基金(No.61627818,No.61675065,No.U1804261,No.61905068);河南省高等学校重点科研项目(No.20A140015)
详细信息
    作者简介:

    马王杰慧(1996—),女,河南许昌人,硕士研究生,2018年于河南师范大学获得学士学位,主要从事目标表面双向反射分布函数测量与应用方面的研究。E-mail:mwmw9691@163.com

    刘玉芳(1963—),男,河南三门峡人,博士,教授,1987于河南师范大学获得学士学位,1990年于四川大学获得硕士学位,2004年于大连理工大学获得博士学位,主要从事红外物理与技术方面的研究。E-mail:yf-liu@htu.cn

  • 中图分类号: O433.1

Near-infrared BRDF study of material surfaces at varying temperatures

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No.61627818, No.61675065, No.U1804261, No.61905068); Key Scientific Research Projects of Henan Province Colleges and Universities (No.20A140015)
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  • 摘要: 基于自行研制的双向反射分布函数(BRDF)测量装置,采用绝对测量方法在20~800 ℃的温度范围内测量了粗糙黄铜表面在近红外波段下的光谱偏振双向反射分布函数,分析了温度对BRDF的影响。结果表明,温度对黄铜表面的BRDF有明显的影响,随着温度的升高,BRDF整体呈现出稳定-增大-减小的变化趋势。对不同温度下材料表面的场扫描电镜、粗糙度和X射线衍射测试表明,温度对样品表面BRDF产生影响的主要原因是表面形貌和化学成分的改变。
  • 图  1  双向反射分布函数几何关系图

    Figure  1.  Geometric relationship diagram of incident and reflected beams for BRDF

    图  2  BRDF测量装置设计图

    Figure  2.  Design scheme of the BROF measurement apparatus

    图  3  平板加热器示意图。(a)加热器和温控器;(b)样品腔

    Figure  3.  Schematic diagram of plate heater. (a) heater and thermostat; (b) sample cavity

    图  4  θi=45°,λ=2 000 nm时,样品的面内BRDF。(a)和(b)分别为s偏振和p偏振测量结果

    Figure  4.  The BRDF of sample at θi=45° and λ=2 000 nm. (a) s-polarized (b) p-polarized

    图  5  样品镜面反射方向的s偏振BRDF,(a)~(d)依次为入射角15°、30°、45°和60°的测量结果

    Figure  5.  The s-polarized BRDF of sample at the different specular reflection directions: (a) θi=15° (b) θi=30° (c) θi=45° (d) θi=60°

    图  6  样品镜面反射方向的p偏振BRDF。(a)~(d)依次为入射角15°、30°、45°和60°的测量结果

    Figure  6.  The p-polarized BRDF of sample at different specular reflection directions. (a) θi=15° (b) θi=30° (c) θi=45° (d) θi=60°

    图  7  λ=2000 nm时,样品镜面反射方向的反射率和BRDF。(a)~(d)依次为s偏振反射率、s偏振BRDF、p偏振反射率和p偏振BRDF

    Figure  7.  The polarized reflectivity and BRDF of sample at the specular reflection direction and λ=2000 nm. (a) s-polarized reflectivity; (b) s-polarized BRDF; (c) p-polarized reflectivity; (d) p-polarized BRDF

    图  8  不同温度下样品表面的显微照片

    Figure  8.  Scanning electron micrographs of sample surface at different temperatures

    图  9  不同温度下样品表面的X射线衍射图和表面成分

    Figure  9.  X-ray diffraction pattern and chemical composition of sample surface at different temperatures

    表  1  不同温度下的升温时间和测量时间

    Table  1.   Heating time and measuring time at different temperatures

    目标温度/℃升温时间/min测量时间/min
    1002.715.2
    2003.015.2
    3003.115.2
    4003.415.2
    5003.715.2
    6004.115.2
    7004.615.2
    8005.115.2
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    表  2  不同温度下样品表面的粗糙度

    Table  2.   Roughness values of the sample surface at different temperatures

    温度/℃Ra/μmRz/μmRq/μm
    200.1551.2230.202
    2000.1591.2540.207
    3000.1581.2490.210
    3500.1611.2430.208
    4000.1851.3030.240
    5000.1871.4790.247
    6000.2231.5930.288
    7000.2581.7690.333
    8000.3562.2940.445
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-13
  • 修回日期:  2020-02-19
  • 网络出版日期:  2020-09-10

变温下材料表面近红外双向反射分布函数的测量研究

doi: 10.37188/CO.2019-0256
    基金项目:  国家自然科学基金(No.61627818,No.61675065,No.U1804261,No.61905068);河南省高等学校重点科研项目(No.20A140015)
    作者简介:

    马王杰慧(1996—),女,河南许昌人,硕士研究生,2018年于河南师范大学获得学士学位,主要从事目标表面双向反射分布函数测量与应用方面的研究。E-mail:mwmw9691@163.com

    刘玉芳(1963—),男,河南三门峡人,博士,教授,1987于河南师范大学获得学士学位,1990年于四川大学获得硕士学位,2004年于大连理工大学获得博士学位,主要从事红外物理与技术方面的研究。E-mail:yf-liu@htu.cn

  • 中图分类号: O433.1

摘要: 基于自行研制的双向反射分布函数(BRDF)测量装置,采用绝对测量方法在20~800 ℃的温度范围内测量了粗糙黄铜表面在近红外波段下的光谱偏振双向反射分布函数,分析了温度对BRDF的影响。结果表明,温度对黄铜表面的BRDF有明显的影响,随着温度的升高,BRDF整体呈现出稳定-增大-减小的变化趋势。对不同温度下材料表面的场扫描电镜、粗糙度和X射线衍射测试表明,温度对样品表面BRDF产生影响的主要原因是表面形貌和化学成分的改变。

English Abstract

马王杰慧, 刘彦磊, 陈志影, 刘玉芳. 变温下材料表面近红外双向反射分布函数的测量研究[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2019-0256
引用本文: 马王杰慧, 刘彦磊, 陈志影, 刘玉芳. 变温下材料表面近红外双向反射分布函数的测量研究[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2019-0256
MA Wang-jiehui, LIU Yan-lei, CHEN Zhi-ying, LIU Yu-fang. Near-infrared BRDF study of material surfaces at varying temperatures[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2019-0256
Citation: MA Wang-jiehui, LIU Yan-lei, CHEN Zhi-ying, LIU Yu-fang. Near-infrared BRDF study of material surfaces at varying temperatures[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2019-0256
    • 双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)是表征目标表面空间光学反射特性的物理量,能够有效描述目标表面的光学反射特性[1]。因此,BRDF在目标光散射计算、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[2-5]。近几十年来关于BRDF的研究工作从未间断,这些工作主要集中在BRDF测量装置的研制、材料BRDF的测量、BRDF模型的建立和BRDF的应用等方面[6-12]

      BRDF不是材料的本征物理特性,容易受诸多因素的影响,其中温度是重要的影响因素之一。目前,关于BRDF测量工作的研究报道大多是在室温下完成[13-16],而对变温下测量的研究较少:戴景民等人[17]设计了一套变温下BRDF测量装置,并使用此装置测量了25~500 ℃温度范围内、632.8 nm波长下铜表面的BRDF,并分析了温度对BRDF的影响及其形成机理;关洪宇等人[18]测量了钛合金表面在25~500 ℃温度范围内、1.55 μm波长下的光学常数,模拟了不同粗糙度和不同温度下的偏振BRDF,并详细分析了粗糙度、入射光偏振和温度对BRDF的影响;Albert W. Bailey等人[19]采用1.06 μm高能激光对样品进行加热,测量了不同温度下不锈钢和铜表面的BRDF,发现未熔化材料表面的BRDF峰值随温度的升高呈先增加后减小趋势。他们认为导致BRDF峰值增加的原因是激光束燃烧污染物清洁表面,BRDF峰值减小的原因是表面氧化,同时,他们发现熔融的不锈钢表面BRDF镜面峰值的位置随温度的升高会发生变化,认为这是由于样品表面的形变导致的。然而,以上关于变温下BRDF的测量工作主要集中在单波长下,不能够体现变温下材料表面偏振BRDF在近红外波段随波长的变化情况。材料在近红外波段特定波长处的光谱反射吸收特性取决于材料的化学成分和组成结构,目标材料在近红外波段的光谱偏振BRDF能够反映材料的本征属性,为物质成分的定性和定量分析、隐身材料的设计和伪装效果的评估方法等提供数据。因此,变温下近红外光谱偏振BRDF的测量不仅有利于描述不同温度下材料表面完整光谱偏振反射特性,而且对变温下近红外光谱偏振BRDF模型的建立和相关领域的发展具有推动作用。

      本文基于自行研制的BRDF测量装置测量了变温下黄铜表面的近红外光谱偏振BRDF,并对影响测量结果的因素做了分析。论文的结构如下:第二部分主要介绍本文所采用的测量原理与装置,第三部分介绍样品的制备和测量过程;第四部分给出测量结果与讨论;第五部分对全文的工作进行总结。

    • Nicodemus将双向反射分布函数fr定义为光辐射的反射辐亮度dLr与入射辐照度dEi的比值[1]

      $${f_{\rm{r}}}({\theta _{\rm{i}}},{\phi _{\rm{i}}},{\theta _{\rm{r}}},{\phi _{\rm{r}}},\lambda ) = \frac{{{\rm{d}}{L_{\rm{r}}}({\theta _{\rm{i}}},{\phi _{\rm{i}}},{\theta _{\rm{r}}},{\phi _{\rm{r}}},\lambda )}}{{{\rm{d}}{E_{\rm{i}}}({\theta _{\rm{i}}},{\phi _{\rm{i}}},\lambda )}},$$ (1)

      其中,θφ分别表示天顶角和方位角,下标i和r分别表示入射和反射,λ为波长。图1给出了BRDF定义的几何关系。

      图  1  双向反射分布函数几何关系图

      Figure 1.  Geometric relationship diagram of incident and reflected beams for BRDF

      本文采用一种改进的BRDF绝对测量方法[16],其表达式为:

      $${f_{\rm{r}}}({\theta _{\rm{i}}},{\phi _{\rm{i}}},{\theta _{\rm{r}}},{\phi _{\rm{r}}},\lambda ) = \frac{{{L_{\rm{r}}}({\theta _{\rm{i}}},{\phi _{\rm{i}}},{\theta _{\rm{r}}},{\phi _{\rm{r}}},\lambda )}}{{{L_o}(0,0,0,0,\lambda )}} \cdot \frac{1}{{{\Omega _{\rm{r}}}\cos {\theta _{\rm{i}}}}}.$$ (2)

      对于均匀性、稳定性和准直性较好的光源,Lo(0,0,0,0,λ)是与波长有关的函数,通过在安放样品前测量光源就可以得到;对于固定的测量装置,探测立体角Ωr是常数,可以根据探测器的孔径尺寸和探测距离计算得到;角度因子cosθi由入射天顶角决定。因此,根据测量原理可知,测得反射辐亮度Lr(θi,φi,θr,φr,λ)即可得到待测目标的BRDF。

    • 本文的测量工作基于一套自主设计的BRDF测量装置展开[16]图2给出了测量装置的设计图。其中ARM1和ARM2为转臂,TAB 1和TAB 2为转台。

      图  2  BRDF测量装置设计图

      Figure 2.  Design scheme of the BROF measurement apparatus

      为了实现高温下目标表面BRDF的测量,本文对现有的测量装置进行了改进,添加了自主设计和加工组装的圆柱形平板加热器示意图如图3(a)所示。加热器放置于转台TAB2上。入射和反射天顶角的测量范围与加热器样品腔的设计有关,主要由样品腔的直径、保温层厚度和样品厚度决定。图3(b)给出了样品腔的示意图,图中Rdh分别为样品半径、保温层厚度和样品厚度,通过tanθimax=tanθrmax=R/(dh)可以计算得到最大入射和反射天顶角。文中的测量目标是直径为50 mm、厚3 mm的圆片状样品,即R=25 mm、h=3 mm,加热器保温层的厚度d=8 mm,通过计算得到最大入射和反射天顶角为:θimax=θrmax=78°。由此可知,高温下入射和反射天顶角的测量范围为−78°~78°。加热器的温控系统主要由日本岛电公司生产的高精度的PID温度控制器(SR23)和北京希曼顿公司生产的调功调压器(SHIMADEN PAC01A)组成,温控精度可达0.1级,能够有效减小温控精度对测量结果的影响。改进后的BRDF测量装置能够实现变温下目标表面的BRDF测量,温度范围为室温至800 ℃。需要说明的是,在室温下,采用样品台替代加热器,此时入射和反射天顶角的测量范围为:−90°~90°。

      图  3  平板加热器示意图。(a)加热器和温控器;(b)样品腔

      Figure 3.  Schematic diagram of plate heater. (a) heater and thermostat; (b) sample cavity

    • 首先需要说明的是,本文中的BRDF测量装置属于传统测量装置。采用传统测量装置测量目标表面的空间光学反射特性十分耗时,长时间加热会导致测量开始和测量完成时样品表面的热氧化程度发生变化,从而影响测量结果的准确性和可靠性。为了减小加热时间对测量结果的影响,本文仅对黄铜表面的面内光谱偏振BRDF进行了测量。在测量过程中,波长范围为1100~2300 nm,间隔5 nm;温度范围为20 ℃~800 ℃;入射天顶角为5°~75°,间隔5°;入射和反射方位角分别为0°和180°;入射光为非偏振光,测量了反射光分别为s偏振和p偏振的BRDF。

      在实验中选择直径为50 mm、厚度为3 mm圆片形状的商用黄铜作为样品,采用240目、400目、800目、1000目、1500目和2 000目的碳化硅砂纸依次对每一块样品进行机械打磨,再用600目的碳化硅砂纸进行手动均匀打磨;接下来,分别采用丙酮和无水乙醇对样品进行清洗后,将样品放入纯净水中并使用超声波清洗机进行进一步的清洗,以确保样品表面无污垢残留。完成样品的加工后,对样品表面的面内光谱偏振BRDF进行测量。具体测量过程如下:首先,将处理好的样品放置在样品腔的中心位置;然后,打开加热器并输入目标温度,当样品被加热至目标温度并达到稳定后开始BRDF测量;该温度下的测量完成后,更换样品重复上述过程,依次实现不同温度下的BRDF测量。

      如前文所述,样品表面的加热时间对测量结果有一定的影响,给定温度下样品的加热时间主要由两部分组成:一是样品从室温加热至目标温度并达到稳定所需要的升温时间;二是样品面内光谱偏振BRDF的测量时间,主要取决于设备转臂的转动速度,与设备的优化设计相关。表1给出了不同温度下的升温时间和测量时间。

      表 1  不同温度下的升温时间和测量时间

      Table 1.  Heating time and measuring time at different temperatures

      目标温度/℃升温时间/min测量时间/min
      1002.715.2
      2003.015.2
      3003.115.2
      4003.415.2
      5003.715.2
      6004.115.2
      7004.615.2
      8005.115.2
    • 为了研究黄铜的偏振BRDF随温度的变化情况,图4给出了入射天顶角为45°、波长为2000 nm时的面内偏振BRDF。从图4(a)能够看出,在反射天顶角一定的情况下,T≤300 ℃时,BRDF在温度升高时比较稳定,几乎不受温度的影响;300 ℃<T≤400 ℃时,温度对BRDF有积极影响;T≥400 ℃时,温度对BRDF有消极影响。也就是说,随着温度的升高BRDF呈现稳定-增大-减小的变化趋势,并且这一变化趋势几乎不受反射天顶角的影响。在给定温度下,BRDF随反射天顶角的增加先增大后减小,在镜面反射方向达到最大值,这一趋势几乎不受温度的影响。观察图4(b)能够发现,p偏振BRDF随温度和反射天顶角的变化与s偏振BRDF的变化规律相似。对比图4中的两幅图可以发现,黄铜表面BRDF随反射天顶角和温度的变化均不受入射光偏振态的影响。

      图  4  θi=45°,λ=2 000 nm时,样品的面内BRDF。(a)和(b)分别为s偏振和p偏振测量结果

      Figure 4.  The BRDF of sample at θi=45° and λ=2 000 nm. (a) s-polarized (b) p-polarized

      为了清楚地展示黄铜表面BRDF随波长的变化,图5(a)~(d)给出了入射天顶角分别为15°、30°、45°和60°时镜面反射方向的s偏振光谱BRDF。从图5(a)能看出,在给定波长下,BRDF随着温度的升高呈现稳定-增大-减小的变化趋势,这一趋势不受波长的影响。给定温度下,镜面BRDF随着波长的增大而增大,这种变化趋势几乎也不受温度的影响。这是因为对于给定的光学表面,随着波长的增加,相对粗糙度σ/λ减小,待测表面相对于入射光波长趋近于光滑,镜面反射方向的反射强度增大,从而导致BRDF增大。通过观察图5(b)~5(d)能够发现,入射天顶角θi分别为30°、45°和60°时,s偏振BRDF随温度和波长的变化趋势与θi=15°时的一致。对比4幅子图能够看出,样品镜面反射方向的s偏振BRDF随着入射天顶角的增加而逐渐增大。

      图  5  样品镜面反射方向的s偏振BRDF,(a)~(d)依次为入射角15°、30°、45°和60°的测量结果

      Figure 5.  The s-polarized BRDF of sample at the different specular reflection directions: (a) θi=15° (b) θi=30° (c) θi=45° (d) θi=60°

      图6给出了入射天顶角分别为15°、30°、45°和60°时,p偏振镜面BRDF的测量结果。从图6可以看出,p偏振BRDF随温度、波长和入射天顶角的变化趋势与图5中的s偏振基本一致。由图56能够得知,入射光偏振态对BRDF随温度、波长和入射角的变化趋势影响不大。

      根据图5图6的测量结果可得出以下结论,镜面BRDF随入射角的增加而增大,这一趋势的产生可归因于两个方面:(1)随着入射角的增大,镜面反射方向的反射率增大;(2)根据测量原理式,角度因子cosθi位于分母上且随入射角的增大而减小,从而导致BRDF增大。为了进一步研究反射率和角度因子对BRDF的影响,图7(a)7(b)7(c)7(d)分别给出了波长为2 000 nm时,不同温度下样品镜面反射方向的s偏振的反射率和BRDF与p偏振的反射率和BRDF。从图7(a)7(c)可看出,在给定入射天顶角和偏振态的情况下,反射率随波长的变化曲线受温度的影响。在给定温度下,样品的反射率随入射角度的增加而逐渐增大。这一趋势表明,增大入射天顶角能够有效增加镜面反射方向的反射率。对比图7(a)7(b)7(c)7(d)能够发现,同一温度和偏振态下,反射率和BRDF均随入射角的增大而增大,但是两者的增长速率明显不同,这主要归因于角度因子。测量结果表明,BRDF随入射角的增加而增大,其增长趋势同时受样品表面反射率和角度因子的影响。

      图  6  样品镜面反射方向的p偏振BRDF。(a)~(d)依次为入射角15°、30°、45°和60°的测量结果

      Figure 6.  The p-polarized BRDF of sample at different specular reflection directions. (a) θi=15° (b) θi=30° (c) θi=45° (d) θi=60°

      图  7  λ=2000 nm时,样品镜面反射方向的反射率和BRDF。(a)~(d)依次为s偏振反射率、s偏振BRDF、p偏振反射率和p偏振BRDF

      Figure 7.  The polarized reflectivity and BRDF of sample at the specular reflection direction and λ=2000 nm. (a) s-polarized reflectivity; (b) s-polarized BRDF; (c) p-polarized reflectivity; (d) p-polarized BRDF

      根据第4部分的测量结果可知,温度对黄铜样品表面的BRDF造成影响的原因可归纳为:(1)样品表面形貌的改变;(2)化学成分的改变;(3)表面应力的变化。鉴于场发射扫描电镜测试能够表征样品表面的微观形貌[20-22]。为了验证以上猜想,对不同温度下的样品表面做了场发射扫描电镜测试,如图8所示。从图8可以看出:温度低于400 ℃时,样品表面形貌随着温度的升高无明显变化;在400 ℃,表面形貌发生变化;温度高于400 ℃时,表面形貌的变化随温度的升高而更加明显。

      图  8  不同温度下样品表面的显微照片

      Figure 8.  Scanning electron micrographs of sample surface at different temperatures

      表2给出了不同温度下样品表面的粗糙度。其中RaRzRq分别为算术平均粗糙度、轮廓最大高度和均方根粗糙度。从表2可看出,T<400 ℃时,样品表面粗糙度几乎不变;T≥400 ℃时,样品表面粗糙度随着温度的升高而逐渐增大。结合图8表2可知,当温度高于400 ℃时,随着温度的升高,样品表面形貌发生明显改变,粗糙度逐渐增大,镜面反射方向的反射强度减弱,从而导致BRDF减小。测量结果表明,表面形貌的改变是温度对样品表面BRDF造成消极影响的原因之一。

      表 2  不同温度下样品表面的粗糙度

      Table 2.  Roughness values of the sample surface at different temperatures

      温度/℃Ra/μmRz/μmRq/μm
      200.1551.2230.202
      2000.1591.2540.207
      3000.1581.2490.210
      3500.1611.2430.208
      4000.1851.3030.240
      5000.1871.4790.247
      6000.2231.5930.288
      7000.2581.7690.333
      8000.3562.2940.445

      X射线衍射能够分析样品表面的化学成分[20-21],本文对不同温度下的样品进行X射线衍射测试,结果如图9所示。从图9可看出,样品表面的化学成分随着温度的升高出现了不同程度的增长和改变;T<400 ℃时,样品表面的化学成分几乎不变;T≥400 ℃时,出现了ZnO和CuAlO2。这说明T≥400 ℃时,氧化物的出现导致样品表面形貌改变、粗糙度增大,从而对BRDF造成影响。当T<400 ℃时,样品表面未发生氧化,表面形貌和粗糙度均无明显变化。但是当300 ℃≤T<400 ℃时,温度对BRDF有明显的积极影响,这可能是由于表面应力改变导致的,具体原因尚有待进一步研究。

      图  9  不同温度下样品表面的X射线衍射图和表面成分

      Figure 9.  X-ray diffraction pattern and chemical composition of sample surface at different temperatures

    • 本文测量了变温下黄铜表面近红外波段的光谱偏振BRDF,并分析了温度、入射角度、波长和偏振等因素对测量结果的影响,详细讨论了温度对BRDF造成影响的主要原因。结果表明:(1)BRDF随着温度的升高呈现稳定-增大-减小的变化趋势,这一变化趋势不受入射天顶角、反射天顶角、波长和偏振态的影响;(2)镜面反射方向的BRDF随着波长的增大而增大,该变化趋势几乎不受温度、入射角和偏振态的影响;(3)镜面反射方向的BRDF随着入射天顶角的增大而增大,这一趋势同时受样品表面反射率和角度因子的影响;(4)在400~800 ℃,温度对样品表面BRDF产生消极影响的主要原因是表面形貌和化学成分的改变。该实验对不同温度下材料表面空间反射特性的研究、建模和应用具有重要意义。

参考文献 (22)

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