黑體屏蔽背景的低可探測目標測試方法

王 偉， 李 鐵， 李 偉， 侯亞麗

(機電動態控制重點實驗室, 陜西 西安 710065)

0 引言

雙向反射分布函數(Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF)能夠描述各種不同表面的空間反射分布特性[1]，在目標的探測、跟蹤、識別、特征提取和隱身技術等領域具有重要的應用價值[2]，隨著隱身技術的發展，低可探測目標的BRDF測試需求越來越迫切[3]。低可探測目標的空間反射分布特性作為BRDF測試的一項研究內容，一直未被國內外學者所關注。德國和美國等多個發達國家相繼建立了BRDF絕對測量裝置[4]，該裝置可實現樣品漫射板的高精度定標，樣品漫射板的測量不確定度在0.5%以內[5]，國內也研究了BRDF絕對測量裝置，其漫射板的測量不確定度優于1%[6]；在隱身材料的測試方面，進行了紅外隱身涂層的BRDF測試，測量結果表明測試精度較高，結果可信[7]。上述BRDF絕對測量裝置局限于測試精度提高；而隱身材料的研究也只是對紅外隱身涂層樣品進行了BRDF測試，該涂層樣品的散射信號在測試系統的測量靈敏度范圍之內，因而測試結果可信。然而查閱大量文獻發現，國內外對低可探測目標BRDF測試方面的研究較少，上述研究也均未涉及低可探測目標的BRDF測試。但是，對于光學波段的隱身涂料來說，降低其反射率是研究的重點之一，因此，如何實現低可探測目標的BRDF測試就變得尤為迫切。針對上述問題，本文提出了黑體屏蔽背景測試低可探測目標雙向反射分布函數(BRDF)的方法。

1 現有BRDF測試方案

1.1 BRDF函數

如圖1，在特定的條件下，包括均勻的照度、均勻且各向同性的平面和由于次平面散射而產生的邊界效應，一個反射表面的幾何反射特性是根據雙向反射分布函數BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)來確定的，雙向反射分布函數其定義為反射方向(θr,φr)小立體角的反射亮度dLr(θi,φi;θr,φr)與入射方向小立體角入射照度dEi(θi,φi)的比值，其定義公式為

(1)

式中：fr為BRDF值；下標“i”表示與入射通量相聯系的量；下標“r”表示與反射輻射通量相聯系的量；Ei為入射照度(W/m2)；Lr為反射輻亮度(W/(m2·sr))；θ、φ分別為標準球坐標下的天頂角和方位角。

BRDF是一個導數，也是一分布函數，它與給定方向的入射輻照度在另一方向上引起的反射輻亮度有關。從定義公式中可以看到BRDF僅和方向相關，是和入射天頂角、方位角，以及反射天頂角、方位角相關的函數，當這四個參數中有任何一個發生變化時，BRDF值都會改變。因此，采用BRDF可以很精確的描述目標隨機反射面的散射特性。

1.2 BRDF測試系統

測試系統如圖2所示，包括BRDF裝置測量架及傳動系統、光源及探測系統、數據采集及控制系統和數據庫系統。該系統通過入射光源電機、探測器接收天頂角電機、水平方位電機三個電機的運動，得到測量樣品在整個上半球空間中光強分布情況。測量過程中，樣片保持不動，且始終處于方位圓的圓心；入射光源的方向始終照射樣片，入射角范圍為(0°～70°)；探測器接收天頂角為(-70°～+70°)，從而實現在半球空間中不斷變化入射和接收方向的目的。該測試系統的探測器前加窄帶濾光片，只允許探測中心波長的散射光通過，對非信號的自然光起到隔斷作用，因此可以消除背景自然光對測試結果的影響。

BRDF測試系統對于低可探測目標無法測試是由于低可探測目標空間光散射信號與背景信號大小相近，測量的信號中包含有大量背景信號，且相對于目標來說背景信息無法忽略。因而，無法測試低可探測目標的BRDF。

2 基于黑體腔的BRDF測試方案的改進

2.1 黑體腔與目標輻射特性分析

利用BRDF測試系統測量低可探測目標需要消除或減小背景信號大小，只要背景信號遠小于測試目標信號，即可精確測量目標的BRDF特性。根據測試需求，入射光源為一面光源。測試時，入射光源有角度變化要求，光源的照射面積有一定范圍的變化。如果測試目標樣品面積遠大于入射光源變化范圍的面積，將測試樣品放在測試系統中心，照射光源全照射到目標表面，無背景信號產生，則測試為低可探測目標BRDF。

但是，大多數情況下目標不會完全覆蓋入射光源，對目標進行BRDF測量時會有大量背景信號進入，因此，測試的真實散射光強為

Eo=Eo+b-Eb

(2)

式中：Eo為真實目標的散射光強；Eo+b為包含背景的目標散射光強；Eb為測試時產生的背景散射光強。

由式(2)可知，測量低可探測目標的空間激光散射特性時，消除背景信號是關鍵。本文根據黑體光學全吸收原理屏蔽背景干擾信號，運用黑體屏蔽背景法測試低可探測目標BRDF。具體測試為：將背景換成充分覆蓋光源照射面積的黑體腔，測試時放置目標于黑體腔中心，以黑體腔為測試背景。這樣測試的背景信號就沒有或者減弱到可以忽略不計了。

2.2 黑體腔背景源設計

黑體屏蔽背景法需要一滿足光源全照射的黑體腔。黑體腔的具體設計流程如圖3所示。

按圖3所示流程制作一個黑體腔。首先制作一個完全密封的箱體，箱體高度與BRDF測試系統的原載物平臺高度一致。將箱體放置在BRDF測試系統中心(即原載物平臺中心所在位置)，在其中心放置測試目標的位置處開一個方孔，孔的尺寸大于光斑所能照射面積尺寸。將該箱體用低反射率黑天鵝絨黑布內外全面包裹，該箱體即可認為是一光學黑體腔，如圖4所示。最后，在黑體腔內部、方孔的中心位置放置一個光學支架，支架上面固定一塊水平可調節的小型光學平臺。該光學平臺面積小于BRDF測試樣品面積。支架/光學平臺高度是可以調節的，調節到與黑體腔上平面高度一致。將該支架和光學平臺四周都用黑布包裹。這樣，就完成了黑體屏蔽背景法的準備工作。

用該黑體腔及可調節的光學平臺替代BRDF測試系統原載物平臺，在可調節的光學平臺上放置待測目標樣品。樣品的水平調節通過光學平臺調整，由于待測樣品面積大于光學平臺面積，消除了測試時平臺散射光強對測試結果的影響。支架及平臺四周包裹黑布能最大限度降低散射光強對測試結果的影響。這樣，利用該黑體腔及可調節光學平臺作為載物平臺即可實現對原載物平臺背景信號的屏蔽。

2.3 黑體腔BRDF測試系統

黑體腔式BRDF測試系統如圖5所示。

圖5中，將黑體腔放置在原目標所處的載物平臺位置，利用黑體腔代替目標原有背景。根據黑體腔的光學全吸收原理，完成屏蔽背景散射光的目的。圖5(b)是光路散射示意圖。將目標放置在圖中的黑體腔內部光學平臺上，由于平臺面積遠小于測試樣品面積，入射光源無法照射到光學平臺上，平臺無散射光強產生；入射光投影的區域分別由圖中1、2、3光路組成，由圖5(b)可知，光路1、2照射到樣品表面，是測試的有效信號，光路3照射到腔體內部(由于腔體口大于入射光斑的活動區域范圍，所以無入射光照射到黑體腔上表面的情況發生)，經過腔體的多次反射，最后被黑體腔完全吸收，這部分產生的信號也就是平常測試時的背景信號。上述分析表明，除了樣品的反射信號被探測器接收，無任何背景雜散信號進入探測器視場之內，完成消除背景散射光強的目標。

3 對比實驗與分析

應用該方法對黑體腔背景和原載物平臺背景進行不同入射角度下BRDF的比對測試。

測試時，黑體腔背景將里面的支架和可調光學平臺取出(由于待測樣品面積大于光學平臺及支架面積，光學平臺及支架對測試結果無影響)；原背景全面覆蓋低反射率黑天鵝絨黑布。設置測試入射角0°～40°，間隔10°；接收方位角0°；接收天頂角-70°～+70°，間隔5°，鏡向±5°加密，入射激光波長為940 nm。需要說明：由于測試系統本身結構的限制，測量存在后向遮擋問題，但并不影響其對光空間散射特性分布情況的整體表述。兩者0°入射的測試結果如圖6所示。

由圖6(a)整體可以看出，黑體腔背景測試數據遠小于覆蓋黑布原載物平臺背景的測試數據，兩者相差百倍以上，圖6(b)顯示黑體背景測試數據多在0.000 5附近，而圖6(a)中平臺背景的測試最小值大于0.75，兩者相差百倍以上。同時，由圖6(c)發現黑體背景測量最大值0.004 5，相對應的平臺背景測試最大值為0.23，兩者也相差50倍以上。說明黑體腔背景測試數據比原載物平臺背景測試數據小很多，基本可達到百倍以上的測試數值差距，最少也能達到50倍；并且0.000 5的信號值基本已達到了BRDF測試系統的探測能力下限。因而，黑體腔背景就屏蔽了原載物平臺背景信號，實現消除背景信號，測試低可探測目標BRDF的目的。

入射角為10°、20°、30°、40°時黑體腔和原載物平臺的BRDF測試結果與0°入射時的測試結果相差不大，本文就不一一列舉說明了。

實驗結果證明：黑體腔背景散射能量相對于原載物平臺背景可以忽略不計；真實測試時的低可探測目標比原載物平臺背景信號強，這樣利用黑體屏蔽背景法測試低可探測目標BRDF時可忽略黑體腔背景測試信號，測試結果只包含低可探測目標的測試信號，實現測試低可探測目標BRDF的目的。

下面分別以原載物平臺和黑體腔為背景對某激光隱身涂層樣片進行BRDF測試，設置測試入射角0°；接收方位角0°；接收天頂角-70°～+70°，間隔5°，測試波長940 nm。測試結果如圖7所示。

由圖7所示，黑體腔背景下的樣品測試信號比原載物平臺背景下的測試信號小，說明黑體腔屏蔽背景法消除了背景干擾信號對測試的影響，可實現低可探測目標的BRDF測試。同時發現上圖中兩者的測試信號相差不大，這是由于隱身涂層的激光散射信號遠大于背景干擾信號，且散射回波信號大部分為目標散射產生，只有很小一部分是由背景形成的。圖中天頂角的負角度空間比正角度空間兩種背景下的測試數值差距較小，說明入射光負角度空間的投影照射到的背景面積較小。

綜上，基于黑體屏蔽背景法的低可探測目標BRDF測試方法可有效測試低可探測目標BRDF。

4 總結

本文提出了利用黑體屏蔽背景測試低可探測目標BRDF的方法。該方法通過黑體腔替代原載物平臺測試背景，屏蔽原載物平臺測試背景信號，消除其對測試目標信號的干擾。通過應用該方法對黑體腔背景和原載物平臺背景不同入射角度下的BRDF進行了比對測試，發現黑體腔背景BRDF值遠遠小于原載物平臺背景BRDF值，兩者測試信號相差兩個數量級，說明該方法可降低百倍以上背景信號，能有效測試低可探測目標BRDF。最后在兩種背景下測試了某激光隱身涂層的BRDF，證明了該方法的可行性，需進一步研究近似黑體腔光學平臺上放置不同面積測試樣品時測試的可靠性問題。