不同涂層飛機蒙皮半球空間激光偏振特性

李 偉, 王 偉, 崔 冬, 閆 煒

(機電動態控制重點實驗室,陜西 西安 710065)

不同涂層飛機蒙皮半球空間激光偏振特性

李 偉, 王 偉, 崔 冬, 閆 煒

(機電動態控制重點實驗室,陜西 西安 710065)

準后向測量不能反映目標半球空間的散射特性,只能描述后向小區域內的散射特性,偏振成像應用于引信探測尚難已實現,針對激光引信對空中目標空間激光偏振特性探測需求,提出了采用散射光強和消偏比來描述飛機蒙皮涂層激光偏振散射特性,并基于雙向反射分布函數測量系統對飛機基底材料碳纖維、鋁不同涂層樣品的半球空間激光偏振散射特性進行測量。測試結果表明：飛機蒙皮樣品激光偏振散射光強、消偏比和涂層顏色密切相關,與基底材料基本無關,即樣品表面是面散射,單一入射角時偏振散射光強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

0 引言

激光引信探測的目標散射光強和相位信息容易受到背景環境干擾。目標散射光的偏振特征不隨入射光強的改變而變化,這一特性有助于目標探測和識別［1,2］。雙向反射分布函數(BRDF)能夠較為全面地描述探測目標的空間散射分布特性［2,3］。近年來,國內外學者相繼采用準后向測量和偏振成像等方法測量土壤、植被、人工目標的偏振光散射特性,從中獲取目標光學偏振信息［4-11］。然而,準后向測量不能反映目標在整個空間上的散射特性,只能描述后向小區域內的散射特性,偏振成像應用于引信探測尚難已實現。為解決這兩點不足,本文利用BRDF測量系統對涂覆了不同軍用涂層的飛機蒙皮樣品進行了空間散射光偏振特性測試,采用散射光強和消偏比兩個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［7,8］,此參量不但可以反映光的強度信息,還可以描述光的偏振信息。斯托克斯參量包含I、Q、U、V四個參量分別代表不同狀態的偏振態光強［8-9,12］。其中:I為光波的總強度,當光波沿著z軸方向傳播,光強在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差;U為+45°方向與―45°方向上的線偏振光的強度差;V為圓偏光強。針對線偏振光對不同目標/背景的影響,假設測試中表示圓偏光強的V=0,確定I、Q、U三個參量,就可以描述散射光的偏振狀態。

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的方向上進行觀測所得到的光強為

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°,即與設定坐標系的x軸平行。此時,I(a,β,δ)成為參數β的方程。通過旋轉相位延遲器和偏振片,測量出三個不同角度的線偏振分量光強,即可解得斯托克斯參量I、Q、U。

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

式中:I(0°)為與入射同偏振方向的散射偏振光強;I(90°)為垂直入射偏振方向的散射偏振光強。實際測量時入射光經起偏器后變為線偏振光入射,探測系統只測量I(0°)、I(90°),即與入射同偏振方向散射偏振光強和垂直入射偏振方向的散射偏振光強即可。

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

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

2 散射偏振光探測系統與定標

2.1 探測系統

圖2為半球空間激光偏振特性測試系統原理示意圖。

圖2 半球空間激光偏振特性測試系統示意圖

系統由主控設備、運動控制設備、發射設備、接收設備和信號處理設備組成。測量時,樣品處于球心位置,靜止不動,0.94μm激光束經擴束、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。運動控制設備控制光源在一個固定平面內按設定的入射分辨率沿圓弧運動逐一實現不同角度入射,在某一個固定入射角度下,控制光電探測器在半球空間運動,即實現代表半球空間經、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上半球空間進行離散化探測。通過調節1/2波片和檢偏器,形成不同組合以測量不同偏振態的散射強度,實現目標樣品的上半球空激光偏振散射特性測量。

2.2 測試系統定標

為確保測量數據的精度和可靠性,采用朗伯體對系統進行定標。從光電子學理論知道朗伯體的光強具有余弦分布,對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分布、退偏比曲線,分析它與理論曲線的吻合程度,實現系統定標。

圖3對比了朗伯體歸一化實測曲線(去掉了后向遮擋點)和理論余弦曲線,從圖3(a)中能看到歸一化后的實測光強曲線明顯比理論值小,左右對稱性稍差,但曲線整體趨勢還是呈現明顯的余弦特性;圖3(b)中朗伯體實測退偏比在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探測精度及測量過程中的誤差,實測數據不可能和理論數據完全一致。在實際測量中,也是看曲線的整體趨勢是否和余弦特性相吻合。由圖3(a)標準板實測數據計算的測量值相對誤差的方差是0.05。

3 測試結果及分析

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)對不同樣品進行數據處理得出光強幅度、消偏比曲線如圖4、圖5、圖6和圖7所示。由于測試系統本身結構的限制,測量存在后向遮擋問題,但并不影響其對光在空間散射特性測量。因此,在繪制偏振光散射光強曲線時將遮擋點剔除。針對激光引信的應用,測試探測方位角設置為0°。從測試曲線上,可以看到曲線直觀地反映了目標樣品在上半球空間的散射情況。下面對目標樣品的測量結果作具體分析。

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,探測天頂角從―70°～+70°,按照5°分辨率探測,散射光強幅度分布在以鏡向為軸很窄的橢圓形區域內,主要集中鏡向附近30°,區域內的光強幅度近似滿足高斯分布,光強分布峰值很高,方差很小,鏡向時散射光強值最大,其散射類似于鏡面反射。這種鏡向效應是由于相對于入射光波長而言,本次測試樣片屬于小粗糙度目標。大入射角時散射光強值除了呈現鏡向特性外,還表現出較明顯的漫反射特性,如60°入射時的曲線。消偏比以鏡向處為中心,呈現類反余弦曲線變化趨勢。在鏡向方向,消偏比達到最小值,接近0。說明在鏡向方向,樣品對激光散射的保偏性能最好,消偏最弱;而隨著入射角的遞增,樣品目標散射激光的消偏比逐漸增大。分析圖4、5光強和消偏比曲線,說明不同涂層飛機蒙皮材料以面散射為主,碳纖維、鋁基底材料對樣品散射、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和消偏比曲線

圖6、7偽裝綠涂層散射光強值相對于其他涂層樣品值較小,散射光強分布基本還在以鏡向為軸的橢圓形區域內,區域內的光強幅度也近似滿足高斯分布,但光強幅度分布的區域較大主要集中鏡向附近80°范圍,光強分布峰值逐漸降低,方差很大,鏡向效應強烈減弱,表現出非常明顯的漫反射特性。相對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,且退偏效應空間范圍較大。偽裝綠涂層相對于其他涂層呈現一定的特殊性,從散射曲線可分析其漫散射退偏效應要強于其它涂層,這是為滿足偽裝隱身需要做的特殊處理,其較強的退偏效應由涂層本身物理特性決定,散射機理有待于進一步研究。

圖6 綠涂層硝基碳纖維蒙皮樣品偏振激光散射特性

4 結束語

本文采用散射光強和消偏比來分析飛機蒙皮激光偏振散射特性,雙向反射分布函數測量系統對碳纖維、鋁基底材料飛機蒙皮不同涂層樣品的空間激光散射偏振特性進行了測量。測量結果表明:樣品散射光強值、退偏比和樣品涂層顏色相關;不同底材料、不同涂層飛機蒙皮以面散射為主。單一入射角入射時散射光強主要分布在以鏡向橢圓形區域內,區域內的光強度近似滿足高斯分布,光強分布峰值很高,鏡向散射光強值最大,其散射類似于鏡面反射。大入射角時散射光強值除了呈現鏡向特性外,還表現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出一定的特殊性。在大入射角下呈現出的漫反射特性,是否存在體散射有待于進一步研究。

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,主要從事目標特性測試技術研究。