不同涂层飞机蒙皮半球空间激光偏振特性

李 伟, 王 伟, 崔 冬, 闫 炜

(机电动态控制重点实验室,陕西 西安 710065)

不同涂层飞机蒙皮半球空间激光偏振特性

李 伟, 王 伟, 崔 冬, 闫 炜

(机电动态控制重点实验室,陕西 西安 710065)

准后向测量不能反映目标半球空间的散射特性,只能描述后向小区域内的散射特性,偏振成像应用于引信探测尚难已实现,针对激光引信对空中目标空间激光偏振特性探测需求,提出了采用散射光强和消偏比来描述飞机蒙皮涂层激光偏振散射特性,并基于双向反射分布函数测量系统对飞机基底材料碳纤维、铝不同涂层样品的半球空间激光偏振散射特性进行测量。测试结果表明：飞机蒙皮样品激光偏振散射光强、消偏比和涂层颜色密切相关,与基底材料基本无关,即样品表面是面散射,单一入射角时偏振散射光强主要集中在镜向且镜向消偏比最小。

激光偏振特性；消偏比；双向反射分布函数

0 引言

激光引信探测的目标散射光强和相位信息容易受到背景环境干扰。目标散射光的偏振特征不随入射光强的改变而变化,这一特性有助于目标探测和识别［1,2］。双向反射分布函数(BRDF)能够较为全面地描述探测目标的空间散射分布特性［2,3］。近年来,国内外学者相继采用准后向测量和偏振成像等方法测量土壤、植被、人工目标的偏振光散射特性,从中获取目标光学偏振信息［4-11］。然而,准后向测量不能反映目标在整个空间上的散射特性,只能描述后向小区域内的散射特性,偏振成像应用于引信探测尚难已实现。为解决这两点不足,本文利用BRDF测量系统对涂覆了不同军用涂层的飞机蒙皮样品进行了空间散射光偏振特性测试,采用散射光强和消偏比两个特征量来获取样品的空间激光偏振特性。

1 偏振探测原理

偏振光测量常采用斯托克斯(Stokes)参量表示光的偏振状态［7,8］,此参量不但可以反映光的强度信息,还可以描述光的偏振信息。斯托克斯参量包含I、Q、U、V四个参量分别代表不同状态的偏振态光强［8-9,12］。其中:I为光波的总强度,当光波沿着z轴方向传播,光强在x轴方向或y轴方向的分量分别为Ix、Iy;Q为x方向与y方向上的线偏振光强差;U为+45°方向与―45°方向上的线偏振光的强度差;V为圆偏光强。针对线偏振光对不同目标/背景的影响,假设测试中表示圆偏光强的V=0,确定I、Q、U三个参量,就可以描述散射光的偏振状态。

斯托克斯参量测量原理如图1所示。在xoy平面,在与x轴的夹角为a的方向上进行观测所得到的光强为

式中:δ为波片的相位延迟;β为波片快轴同参考轴x轴的夹角;a为偏振片透光轴和参考轴的夹角。

图1 斯托克斯参量测量示意图

当δ选定为π/2,即波片为1/2波片,偏振器的检偏角a恒为0°,即与设定坐标系的x轴平行。此时,I(a,β,δ)成为参数β的方程。通过旋转相位延迟器和偏振片,测量出三个不同角度的线偏振分量光强,即可解得斯托克斯参量I、Q、U。

针对激光引信的工程应用,本文中只测量斯托克斯参量中光强I参量,取β=0°、90°,即测量I(0°)、I(90°)后,通过式(2)可得到光强参量为

式中:I(0°)为与入射同偏振方向的散射偏振光强;I(90°)为垂直入射偏振方向的散射偏振光强。实际测量时入射光经起偏器后变为线偏振光入射,探测系统只测量I(0°)、I(90°),即与入射同偏振方向散射偏振光强和垂直入射偏振方向的散射偏振光强即可。

消偏比或退偏比(Depolarization ratio)的计算式为［12］

式中:I//表示与入射同偏振方向散射偏振光强; I⊥表示垂直入射偏振方向的散射偏振光强。D= 0时表示散射为线偏振光,D=1时表示散射为完全非偏振光,0＜D＜1时表示散射为部分偏振光。

2 散射偏振光探测系统与定标

2.1 探测系统

图2为半球空间激光偏振特性测试系统原理示意图。

图2 半球空间激光偏振特性测试系统示意图

系统由主控设备、运动控制设备、发射设备、接收设备和信号处理设备组成。测量时,样品处于球心位置,静止不动,0.94μm激光束经扩束、起偏后成为线偏光照射样品表面,且在任何入射角下均被完全照射。运动控制设备控制光源在一个固定平面内按设定的入射分辨率沿圆弧运动逐一实现不同角度入射,在某一个固定入射角度下,控制光电探测器在半球空间运动,即实现代表半球空间经、纬方向的探测方位角、探测天顶角按照一定的探测分辨率对上半球空间进行离散化探测。通过调节1/2波片和检偏器,形成不同组合以测量不同偏振态的散射强度,实现目标样品的上半球空激光偏振散射特性测量。

2.2 测试系统定标

为确保测量数据的精度和可靠性,采用朗伯体对系统进行定标。从光电子学理论知道朗伯体的光强具有余弦分布,对偏振光的散射是完全退偏,即退偏比为1。因此,可以通过绘制所测朗伯体的光强分布、退偏比曲线,分析它与理论曲线的吻合程度,实现系统定标。

图3对比了朗伯体归一化实测曲线(去掉了后向遮挡点)和理论余弦曲线,从图3(a)中能看到归一化后的实测光强曲线明显比理论值小,左右对称性稍差,但曲线整体趋势还是呈现明显的余弦特性;图3(b)中朗伯体实测退偏比在0.8～1之间,并非与理论退偏比1吻合,由于朗伯体本身和系统探测精度及测量过程中的误差,实测数据不可能和理论数据完全一致。在实际测量中,也是看曲线的整体趋势是否和余弦特性相吻合。由图3(a)标准板实测数据计算的测量值相对误差的方差是0.05。

3 测试结果及分析

测量的四种样品如表1所示。

表1 测试样品表

按照式(2)、式(3)对不同样品进行数据处理得出光强幅度、消偏比曲线如图4、图5、图6和图7所示。由于测试系统本身结构的限制,测量存在后向遮挡问题,但并不影响其对光在空间散射特性测量。因此,在绘制偏振光散射光强曲线时将遮挡点剔除。针对激光引信的应用,测试探测方位角设置为0°。从测试曲线上,可以看到曲线直观地反映了目标样品在上半球空间的散射情况。下面对目标样品的测量结果作具体分析。

图4 灰褐硝基碳纤维蒙皮样品偏振激光散射光强和消偏比曲线

图4、5碳纤维、铝基底材料、不同颜色硝基涂层样品在单一入射角入射时,探测天顶角从―70°～+70°,按照5°分辨率探测,散射光强幅度分布在以镜向为轴很窄的椭圆形区域内,主要集中镜向附近30°,区域内的光强幅度近似满足高斯分布,光强分布峰值很高,方差很小,镜向时散射光强值最大,其散射类似于镜面反射。这种镜向效应是由于相对于入射光波长而言,本次测试样片属于小粗糙度目标。大入射角时散射光强值除了呈现镜向特性外,还表现出较明显的漫反射特性,如60°入射时的曲线。消偏比以镜向处为中心,呈现类反余弦曲线变化趋势。在镜向方向,消偏比达到最小值,接近0。说明在镜向方向,样品对激光散射的保偏性能最好,消偏最弱;而随着入射角的递增,样品目标散射激光的消偏比逐渐增大。分析图4、5光强和消偏比曲线,说明不同涂层飞机蒙皮材料以面散射为主,碳纤维、铝基底材料对样品散射、退偏影响微乎其微。

图5 绿褐硝基铝皮样品偏振激光散射光强和消偏比曲线

图6、7伪装绿涂层散射光强值相对于其他涂层样品值较小,散射光强分布基本还在以镜向为轴的椭圆形区域内,区域内的光强幅度也近似满足高斯分布,但光强幅度分布的区域较大主要集中镜向附近80°范围,光强分布峰值逐渐降低,方差很大,镜向效应强烈减弱,表现出非常明显的漫反射特性。相对于其涂层样品伪装绿涂层镜向消偏比值也较小,其值为0.3。消偏比曲线也呈现反余弦变化趋势,但与其它涂层样品相比较其变化趋势平缓,说明伪装绿涂层镜向方向保偏性较差,且退偏效应空间范围较大。伪装绿涂层相对于其他涂层呈现一定的特殊性,从散射曲线可分析其漫散射退偏效应要强于其它涂层,这是为满足伪装隐身需要做的特殊处理,其较强的退偏效应由涂层本身物理特性决定,散射机理有待于进一步研究。

图6 绿涂层硝基碳纤维蒙皮样品偏振激光散射特性

4 结束语

本文采用散射光强和消偏比来分析飞机蒙皮激光偏振散射特性,双向反射分布函数测量系统对碳纤维、铝基底材料飞机蒙皮不同涂层样品的空间激光散射偏振特性进行了测量。测量结果表明:样品散射光强值、退偏比和样品涂层颜色相关;不同底材料、不同涂层飞机蒙皮以面散射为主。单一入射角入射时散射光强主要分布在以镜向椭圆形区域内,区域内的光强度近似满足高斯分布,光强分布峰值很高,镜向散射光强值最大,其散射类似于镜面反射。大入射角时散射光强值除了呈现镜向特性外,还表现出较明显的漫反射特性。伪装涂层由于本身的物理特性,其空间偏振散射特性呈现出一定的特殊性。在大入射角下呈现出的漫反射特性,是否存在体散射有待于进一步研究。

图7 绿涂层聚氨酯碳纤维蒙皮样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 伟(1976―),男,硕士研究生,主要从事目标特性测试技术研究。