紅外/藍綠雙色復合探測抗海浪干擾方法研究

王金花， 姚宏寶， 周 魁， 馬獻華

（天津津航技術物理研究所，天津300192）

0 引言

本文研究紅外、藍綠激光對海面或目標的反射特性，并進行了模擬目標和模擬背景反射特性測試試驗。試驗結果表明紅外、藍綠雙色激光對海面或目標的反射特性存在很大差異，基于此理論和試驗數據分析，提出紅外、藍綠激光雙色復合探測方法。

1 雙色激光反射特性理論研究

1.1 雙色激光的海面背景反射特性

激光光束探測海面的光學特性比較復雜，存在很多不確定的因素，不僅與激光的波長、激光的發射視場、接收視場等因素密切相關，同時與海面的光學特性、海面高度、海浪波長、海域風速、海水鹽度、海水所含物質等因素息息相關［1］。由海面引起的光的吸收和海水體反射效應會對激光探測海面造成極大的負面影響［2］。紅外/藍綠激光對海面的回波特性，如海表面反射特性、吸收特性、海水體反射特性等方面有明顯差別。

（1）紅外/藍綠雙色激光的海水海表面反射特性

藍綠激光和紅外激光對海水存在時域差異［3］，不同波長激光對海水的衰減不同，海水的損耗對光譜具有選擇性，532 nm藍綠光處衰減最小，為10—4，主要表現為海水體反射和吸收，在海水中按指數衰減，海水體反射回來的激光回波可能會展寬；1 064 nm近紅外波長衰減大，為103，主要表現為海表面反射和吸收，所以藍綠激光和紅外激光對海水海表面反射回波在波形形態和回波率上應有明顯變化，而對艦船反射回波形態和回波率則相對穩定。

（2）海水對紅外/藍綠雙色激光的吸收特性

除了藍綠光外，海水的激光傳輸是不透明的［4］，海面的熱輻射主要由海面幾毫米厚的海水輻射。對于純水的吸收系數見表1，此表為Sawyer W.R.測試，在（0.32～0.65）μm之間和根據Collins J.R.測量，在大于0.65μm的波長下純水（每 m）的吸收系數［5］。

表1 不同波長下純水的吸收系數

對于純水，532 nm的激光海水光譜的吸收系數是0.024/m—1；1 064 nm的激光海水光譜的吸收系數是17.7/m—1。海水對激光的吸收是由多種復雜的因素造成的，導致海水吸收的主要因素是純水、浮游植物和黃色物質［6］。海水中的溶解物質的吸收作用很大，任何溶解的物質都會導致吸收的增大。海水中的黃色物質是海洋生物和有機體腐敗分解形成的可溶性有機物質，它對海水的吸收系數會隨激光波長的減小而迅速增大［7］。而且，海水對激光的吸收在空間、時間上具有極大的易變性。在同一海域不同的時間、不同的深度，海水對激光的吸收都不同。通常海水的吸收隨海水深度的增加而減小。海水溫度的變化與海水對激光的吸收的關系不大。

（3）紅外/藍綠雙色激光在海水中的海水體反射特性

紅外激光在海水表面主要表現為海表面反射和吸收，而藍綠激光還存在海水體反射。藍綠激光在海水中的散射從微觀機理上講就是光子的傳播路徑發生了變化［8］。宏觀上，激光在海水中的分布發生變化導致藍綠激光海水體反射，可以認為由兩部分組成：一部分是由水體本身造成的，純水的海水體反射可以看作是分子散射，可用瑞利（Rayleigh）和起伏理論來處理；另一部分是由水體介質中接近入射的藍綠激光波長的粒子引起的，此時散射能量集中在偏離傳播方向附近很小的范圍內，可以用米氏（Mie）理論來處理。單位入射的藍綠激光光束在θ方向上產生的散射為i（θ）=λ2（i1+i2）/8π2（1）對上式進行積分，可以得到總的散射輻射為

對不同海域、不同海水類型，海水體反射的差異很大。對于深海海水，以瑞利散射為主；對于近海海水，則以米氏散射為主。同時，入射到海水中的激光束的能量分布在很寬的角度范圍內，體積d V產生的散射光能量d F為

式中：A為體積散射系數；E（L）為入射光在散射體積上的照度。

考慮到海水體積，散射光的強度是極坐標θ，φ的函數，對上式進行化簡，歸一化可得

式中：δ（θ）為體積散射系數，對于水體本身引起的瑞利散射，δ（θ）與散射角的關系不大，也就是前向散射和后向散射基本相同，90°方向上的散射只減小了一半。對于海水中的介質引起的米氏散射，δ（θ）與散射角的關系較大，介質粒子使后向散射和前向散射角增大，但前向散射增加的幅度大，存在尖銳的前向散射區域。這說明了藍綠激光在海水中的傳輸主要是沿著光的方向傳播［9］。后向散射可能導致藍綠激光信號信噪比的降低和激光脈沖到達目標時間的延遲。

1.2 雙色激光對硬目標反射特性

紅外、藍綠雙色激光對硬目標反射特性，主要表現為反射和吸收。不同目標對紅外激光和藍綠激光的反射和吸收不同，受目標的表面顏色、涂料、粗糙度等影響。對于硬目標，如艦船和木板，紅外激光和藍綠激光主要為反射和吸收，反射激光主要為目標表面漫反射。在距離一定的情況下，接收到的紅外激光和藍綠激光回波在幅度上是穩定的，回波率也是一定的，激光回波波形形態沒有變化。

2 雙色激光回波特性測試試驗

2.1 雙色激光對目標和背景回波測試數據

試驗海浪浪高為（0.8～1.2）m。試驗過程：對海浪測試1 min，然后目標進入探測視場，采集雙色激光對海浪和目標回波特性。數據分析如下。

（1）回波幅度分析

雙色回波幅度采集數據如圖1、圖2、圖3所示分別為距海面3 m、5 m、10 m處紅外光激光與藍綠激光回波幅度采集數據。數據分析結果見表2。距海面3 m時，紅外激光對海浪大部分回波處于飽和狀態，藍綠激光少數飽和，大部分處于（0.5～1.5）V。在相同距離，紅外激光的回波幅度強于綠光。對目標雙色回波均處于飽和狀態。距海面5 m時，紅外光對海浪大部分回波處于飽和狀態，綠光對海面少數飽和，大部分處于（0.5～1）V。結果表明，在距海面5 m處，紅外激光的回波幅度強于藍綠激光。紅外激光對目標處于飽和狀態，藍綠光處于臨界飽和。距海面10 m時，雙色激光對海浪均處于非飽和狀態，紅外激光對海浪回波幅度大部分在（0.5～1）V，對目標幅度為（1.5～2）V；藍綠光對海面回波能量弱，大部分小于0.5 V，對目標幅度為1 V左右。紅外激光的回波幅度強于藍綠激光。對于目標，雙色回波均處于不飽和狀態。

表2 雙色激光對海浪和目標回波幅度統計表

通過對雙色激光回波幅度的測試，發現紅外激光對海面回波幅度與對目標的回波幅度相近，藍綠激光對海面回波幅度比對目標的回波幅度小，紅外激光回波幅度大于藍綠激光對海面回波幅度，兩者對目標的回波幅度都比較強。

（2）回波脈沖寬度分析

雙色回波脈沖寬度采集數據如圖4、圖5、圖6所示，分別為距海面3 m、5 m、10 m處紅外激光與藍綠激光脈沖寬度采集數據。數據分析見表3。

距海面3 m時，雙色激光對海面均有大部分回波處于飽和狀態，對目標處于飽和狀態，都有回波脈沖展寬。距海面5 m時，紅外激光對海浪部分回波處于飽和狀態，部分回波有展寬，對目標處于飽和狀態，回波展寬為30 ns；藍綠激光對海面激光回波明顯展寬，（20～80）ns（在幅度波形中只有極少數回波幅度飽和），對目標處于近飽和狀態，脈沖寬度20 ns左右。距海面10 m時，雙色回波對海浪和目標均處于不飽和狀態，紅外激光對海浪和目標脈沖寬度小于20 ns；藍綠激光對目標脈沖寬度為20 ns，沒有展寬，對海浪有明顯展寬（30～70）ns。

通過雙色激光回波脈沖寬度的測試，發現藍綠激光對海面在不飽和的情況下，幅度明顯展寬而紅光沒有展寬現象。

表3 雙色激光對海浪和目標回波脈沖寬度統計表

（3）回波率分析

雙色激光回波率采集數據如圖7、圖8、圖9所示，分別為距海面3 m、5m、10 m處紅外光激光與藍綠激光回波率采集數據。數據分析結果見表4。結果表明在相同距離，對海浪，紅外光的回波率高于藍綠激光回波率；對目標，雙色回波率均為100%。在回波率上雙色激光存在明顯差異。

2.2 雙色激光對目標和背景回波測試數據匯總

紅外激光和藍綠激光對海浪和目標在回波幅度、寬度、回波率上存在明顯差異。

a）紅外激光對海面回波幅度與對目標的回波幅度相近，藍綠激光對海面回波幅度小于目標的回波幅度，紅外激光回波幅度大于藍綠激光對海面回波幅度，兩著對目標回波幅度都比較強；

表4 雙色激光對海浪和目標回波率統計表

b）在激光回波不飽和情況下，紅外激光對海浪回波脈沖寬度無展寬，藍綠激光對海浪回波脈沖寬度明顯展寬，兩者對目標回波脈沖寬度都無展寬；

c）雙色激光回波率隨距離的增大都減小，在相同距離，紅外激光回波率高于藍綠激光的回波率，對目標回波率都為100%。

3 雙色復合抗海浪干擾算法

基于以上雙色回波特性分析和試驗測試結果，雙色回波在幅度、脈沖寬度、回波率上存在明顯差異，而且雙色激光對海浪和目標激光特性也存在明顯差別。采用分區可變閾值的目標判別方法實現激光探測抗海浪干擾。在不同的距離范圍，對于雙色激光回波在回波幅度、脈沖寬度和回波率上分別設置不同閾值。近距離，雙色激光對目標和水面均處于飽和狀態，脈沖寬度不能作為主要判別依據，將回波率作為主要判別依據；在中遠距離，藍綠激光在回波脈沖幅度上明顯存在展寬現象，將脈沖寬度和幅度作為主要判別依據。目標判別分區閾值見表5，雙色信息處理軟件流程如圖10所示。

表5 分區閾值目標判別列表

4 結束語

本文在理論研究的基礎上就紅外、藍綠雙色激光對海面和目標的反射特性進行分析，并進行了模擬目標和模擬背景反射特性測試試驗，試驗結果表明紅外、藍綠雙色激光對海面和目標的反射特性存在很大差異。紅外激光對海面回波幅度與對目標的回波幅度相近，藍綠激光對海面回波幅度小于目標的回波幅度，紅外激光回波幅度大于藍綠激光對海面回波幅度，兩者對目標回波幅度都比較強；在激光回波不飽和情況下，紅外激光對海浪回波脈沖寬度無展寬，藍綠激光對海浪回波脈沖寬度明顯展寬，兩者對目標回波脈沖寬度都無展寬；雙色激光回波率隨距離的增大都減小，在相同距離，紅外激光回波率高于藍綠激光的回波率，對目標回波率都為100%。經試驗驗證，此方法具有良好的抗海浪干擾效果。