李 偉, 王 偉, 崔 冬, 閆 煒

(機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065)

不同涂層飛機(jī)蒙皮半球空間激光偏振特性

李 偉, 王 偉, 崔 冬, 閆 煒

(機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065)

準(zhǔn)后向測量不能反映目標(biāo)半球空間的散射特性,只能描述后向小區(qū)域內(nèi)的散射特性,偏振成像應(yīng)用于引信探測尚難已實(shí)現(xiàn),針對(duì)激光引信對(duì)空中目標(biāo)空間激光偏振特性探測需求,提出了采用散射光強(qiáng)和消偏比來描述飛機(jī)蒙皮涂層激光偏振散射特性,并基于雙向反射分布函數(shù)測量系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)基底材料碳纖維、鋁不同涂層樣品的半球空間激光偏振散射特性進(jìn)行測量。測試結(jié)果表明：飛機(jī)蒙皮樣品激光偏振散射光強(qiáng)、消偏比和涂層顏色密切相關(guān),與基底材料基本無關(guān),即樣品表面是面散射,單一入射角時(shí)偏振散射光強(qiáng)主要集中在鏡向且鏡向消偏比最小。

激光偏振特性；消偏比；雙向反射分布函數(shù)

0 引言

激光引信探測的目標(biāo)散射光強(qiáng)和相位信息容易受到背景環(huán)境干擾。目標(biāo)散射光的偏振特征不隨入射光強(qiáng)的改變而變化,這一特性有助于目標(biāo)探測和識(shí)別［1,2］。雙向反射分布函數(shù)(BRDF)能夠較為全面地描述探測目標(biāo)的空間散射分布特性［2,3］。近年來,國內(nèi)外學(xué)者相繼采用準(zhǔn)后向測量和偏振成像等方法測量土壤、植被、人工目標(biāo)的偏振光散射特性,從中獲取目標(biāo)光學(xué)偏振信息［4-11］。然而,準(zhǔn)后向測量不能反映目標(biāo)在整個(gè)空間上的散射特性,只能描述后向小區(qū)域內(nèi)的散射特性,偏振成像應(yīng)用于引信探測尚難已實(shí)現(xiàn)。為解決這兩點(diǎn)不足,本文利用BRDF測量系統(tǒng)對(duì)涂覆了不同軍用涂層的飛機(jī)蒙皮樣品進(jìn)行了空間散射光偏振特性測試,采用散射光強(qiáng)和消偏比兩個(gè)特征量來獲取樣品的空間激光偏振特性。

1 偏振探測原理

偏振光測量常采用斯托克斯(Stokes)參量表示光的偏振狀態(tài)［7,8］,此參量不但可以反映光的強(qiáng)度信息,還可以描述光的偏振信息。斯托克斯參量包含I、Q、U、V四個(gè)參量分別代表不同狀態(tài)的偏振態(tài)光強(qiáng)［8-9,12］。其中:I為光波的總強(qiáng)度,當(dāng)光波沿著z軸方向傳播,光強(qiáng)在x軸方向或y軸方向的分量分別為Ix、Iy;Q為x方向與y方向上的線偏振光強(qiáng)差;U為+45°方向與―45°方向上的線偏振光的強(qiáng)度差;V為圓偏光強(qiáng)。針對(duì)線偏振光對(duì)不同目標(biāo)/背景的影響,假設(shè)測試中表示圓偏光強(qiáng)的V=0,確定I、Q、U三個(gè)參量,就可以描述散射光的偏振狀態(tài)。

斯托克斯參量測量原理如圖1所示。在xoy平面,在與x軸的夾角為a的方向上進(jìn)行觀測所得到的光強(qiáng)為

式中:δ為波片的相位延遲;β為波片快軸同參考軸x軸的夾角;a為偏振片透光軸和參考軸的夾角。

圖1 斯托克斯參量測量示意圖

當(dāng)δ選定為π/2,即波片為1/2波片,偏振器的檢偏角a恒為0°,即與設(shè)定坐標(biāo)系的x軸平行。此時(shí),I(a,β,δ)成為參數(shù)β的方程。通過旋轉(zhuǎn)相位延遲器和偏振片,測量出三個(gè)不同角度的線偏振分量光強(qiáng),即可解得斯托克斯參量I、Q、U。

針對(duì)激光引信的工程應(yīng)用,本文中只測量斯托克斯參量中光強(qiáng)I參量,取β=0°、90°,即測量I(0°)、I(90°)后,通過式(2)可得到光強(qiáng)參量為

式中:I(0°)為與入射同偏振方向的散射偏振光強(qiáng);I(90°)為垂直入射偏振方向的散射偏振光強(qiáng)。實(shí)際測量時(shí)入射光經(jīng)起偏器后變?yōu)榫€偏振光入射,探測系統(tǒng)只測量I(0°)、I(90°),即與入射同偏振方向散射偏振光強(qiáng)和垂直入射偏振方向的散射偏振光強(qiáng)即可。

消偏比或退偏比(Depolarization ratio)的計(jì)算式為［12］

式中:I//表示與入射同偏振方向散射偏振光強(qiáng); I⊥表示垂直入射偏振方向的散射偏振光強(qiáng)。D= 0時(shí)表示散射為線偏振光,D=1時(shí)表示散射為完全非偏振光,0＜D＜1時(shí)表示散射為部分偏振光。

2 散射偏振光探測系統(tǒng)與定標(biāo)

2.1 探測系統(tǒng)

圖2為半球空間激光偏振特性測試系統(tǒng)原理示意圖。

圖2 半球空間激光偏振特性測試系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)由主控設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備、發(fā)射設(shè)備、接收設(shè)備和信號(hào)處理設(shè)備組成。測量時(shí),樣品處于球心位置,靜止不動(dòng),0.94μm激光束經(jīng)擴(kuò)束、起偏后成為線偏光照射樣品表面,且在任何入射角下均被完全照射。運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備控制光源在一個(gè)固定平面內(nèi)按設(shè)定的入射分辨率沿圓弧運(yùn)動(dòng)逐一實(shí)現(xiàn)不同角度入射,在某一個(gè)固定入射角度下,控制光電探測器在半球空間運(yùn)動(dòng),即實(shí)現(xiàn)代表半球空間經(jīng)、緯方向的探測方位角、探測天頂角按照一定的探測分辨率對(duì)上半球空間進(jìn)行離散化探測。通過調(diào)節(jié)1/2波片和檢偏器,形成不同組合以測量不同偏振態(tài)的散射強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)樣品的上半球空激光偏振散射特性測量。

2.2 測試系統(tǒng)定標(biāo)

為確保測量數(shù)據(jù)的精度和可靠性,采用朗伯體對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)。從光電子學(xué)理論知道朗伯體的光強(qiáng)具有余弦分布,對(duì)偏振光的散射是完全退偏,即退偏比為1。因此,可以通過繪制所測朗伯體的光強(qiáng)分布、退偏比曲線,分析它與理論曲線的吻合程度,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定標(biāo)。

圖3對(duì)比了朗伯體歸一化實(shí)測曲線(去掉了后向遮擋點(diǎn))和理論余弦曲線,從圖3(a)中能看到歸一化后的實(shí)測光強(qiáng)曲線明顯比理論值小,左右對(duì)稱性稍差,但曲線整體趨勢還是呈現(xiàn)明顯的余弦特性;圖3(b)中朗伯體實(shí)測退偏比在0.8～1之間,并非與理論退偏比1吻合,由于朗伯體本身和系統(tǒng)探測精度及測量過程中的誤差,實(shí)測數(shù)據(jù)不可能和理論數(shù)據(jù)完全一致。在實(shí)際測量中,也是看曲線的整體趨勢是否和余弦特性相吻合。由圖3(a)標(biāo)準(zhǔn)板實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算的測量值相對(duì)誤差的方差是0.05。

3 測試結(jié)果及分析

測量的四種樣品如表1所示。

表1 測試樣品表

按照式(2)、式(3)對(duì)不同樣品進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得出光強(qiáng)幅度、消偏比曲線如圖4、圖5、圖6和圖7所示。由于測試系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)的限制,測量存在后向遮擋問題,但并不影響其對(duì)光在空間散射特性測量。因此,在繪制偏振光散射光強(qiáng)曲線時(shí)將遮擋點(diǎn)剔除。針對(duì)激光引信的應(yīng)用,測試探測方位角設(shè)置為0°。從測試曲線上,可以看到曲線直觀地反映了目標(biāo)樣品在上半球空間的散射情況。下面對(duì)目標(biāo)樣品的測量結(jié)果作具體分析。

圖4 灰褐硝基碳纖維蒙皮樣品偏振激光散射光強(qiáng)和消偏比曲線

圖4、5碳纖維、鋁基底材料、不同顏色硝基涂層樣品在單一入射角入射時(shí),探測天頂角從―70°～+70°,按照5°分辨率探測,散射光強(qiáng)幅度分布在以鏡向?yàn)檩S很窄的橢圓形區(qū)域內(nèi),主要集中鏡向附近30°,區(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)幅度近似滿足高斯分布,光強(qiáng)分布峰值很高,方差很小,鏡向時(shí)散射光強(qiáng)值最大,其散射類似于鏡面反射。這種鏡向效應(yīng)是由于相對(duì)于入射光波長而言,本次測試樣片屬于小粗糙度目標(biāo)。大入射角時(shí)散射光強(qiáng)值除了呈現(xiàn)鏡向特性外,還表現(xiàn)出較明顯的漫反射特性,如60°入射時(shí)的曲線。消偏比以鏡向處為中心,呈現(xiàn)類反余弦曲線變化趨勢。在鏡向方向,消偏比達(dá)到最小值,接近0。說明在鏡向方向,樣品對(duì)激光散射的保偏性能最好,消偏最弱;而隨著入射角的遞增,樣品目標(biāo)散射激光的消偏比逐漸增大。分析圖4、5光強(qiáng)和消偏比曲線,說明不同涂層飛機(jī)蒙皮材料以面散射為主,碳纖維、鋁基底材料對(duì)樣品散射、退偏影響微乎其微。

圖5 綠褐硝基鋁皮樣品偏振激光散射光強(qiáng)和消偏比曲線

圖6、7偽裝綠涂層散射光強(qiáng)值相對(duì)于其他涂層樣品值較小,散射光強(qiáng)分布基本還在以鏡向?yàn)檩S的橢圓形區(qū)域內(nèi),區(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)幅度也近似滿足高斯分布,但光強(qiáng)幅度分布的區(qū)域較大主要集中鏡向附近80°范圍,光強(qiáng)分布峰值逐漸降低,方差很大,鏡向效應(yīng)強(qiáng)烈減弱,表現(xiàn)出非常明顯的漫反射特性。相對(duì)于其涂層樣品偽裝綠涂層鏡向消偏比值也較小,其值為0.3。消偏比曲線也呈現(xiàn)反余弦變化趨勢,但與其它涂層樣品相比較其變化趨勢平緩,說明偽裝綠涂層鏡向方向保偏性較差,且退偏效應(yīng)空間范圍較大。偽裝綠涂層相對(duì)于其他涂層呈現(xiàn)一定的特殊性,從散射曲線可分析其漫散射退偏效應(yīng)要強(qiáng)于其它涂層,這是為滿足偽裝隱身需要做的特殊處理,其較強(qiáng)的退偏效應(yīng)由涂層本身物理特性決定,散射機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。

圖6 綠涂層硝基碳纖維蒙皮樣品偏振激光散射特性

4 結(jié)束語

本文采用散射光強(qiáng)和消偏比來分析飛機(jī)蒙皮激光偏振散射特性,雙向反射分布函數(shù)測量系統(tǒng)對(duì)碳纖維、鋁基底材料飛機(jī)蒙皮不同涂層樣品的空間激光散射偏振特性進(jìn)行了測量。測量結(jié)果表明:樣品散射光強(qiáng)值、退偏比和樣品涂層顏色相關(guān);不同底材料、不同涂層飛機(jī)蒙皮以面散射為主。單一入射角入射時(shí)散射光強(qiáng)主要分布在以鏡向橢圓形區(qū)域內(nèi),區(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)度近似滿足高斯分布,光強(qiáng)分布峰值很高,鏡向散射光強(qiáng)值最大,其散射類似于鏡面反射。大入射角時(shí)散射光強(qiáng)值除了呈現(xiàn)鏡向特性外,還表現(xiàn)出較明顯的漫反射特性。偽裝涂層由于本身的物理特性,其空間偏振散射特性呈現(xiàn)出一定的特殊性。在大入射角下呈現(xiàn)出的漫反射特性,是否存在體散射有待于進(jìn)一步研究。

圖7 綠涂層聚氨酯碳纖維蒙皮樣品偏振激光散射特性

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Hemishere Space Laser Polarization Characteristic of Aero Different Coat Cover

LI Wei, WANG Wei, CUI Dong, YAN Wei
(Science and Technology on Electromechnical Dynamic Control Laboratory, Xi'an Shaanxi 710065,China)

Semibackside measurement can only describe scattering characteristic in a small back area,not for the hemishere space,it is hard to use polarization imaging for fuze detection.Aimming at target space laser polarization characteristic detection need of laser fuze in space,it is raised to describe laser polarization characteristic of aero different coat cover by scattering intensity and clear polarization scale,and hemishere space polarization characteristic of carbon fibre,aero aluminum floor and different coat cover is measured based on bidireflection distributing function(BRDF)system.The result shows that areo cover's polarization scattering intensity and clear polarization scale are correlative with coat color nearly,not the floor material,means that the test sample's scattering is area,under single angle of incidence,scattering intensity is enantiomorphous mainly,and clear polarization scale is least.

laser polarization characteristic;clear polarization scale;bidireflection distributingfunction

TN011

A

1671-0576(2014)04-0045-05

2014-09-12

李 偉(1976―),男,碩士研究生,主要從事目標(biāo)特性測試技術(shù)研究。