材料表面反射特性对近红外激光脉冲测距的影响研究

杨米杰，金龙，王頔，金光勇

（长春理工大学 理学院，长春 130022）

脉冲激光测距因其测量速度快，发射激光峰值功率高，抗干扰能力强，价格低廉等特点，在星载雷达，工业测量，地貌测绘，智能交通等领域得到了广泛的应用［1-6］。传统的激光雷达，一般的将被测靶目标假设成一个郎伯反射面而进行系统计算［7-8］，但由于不同靶目标具有各自的材料表面反射特性，使其材质的反射率、反射方位角、粗糙程度、颜色等变量在一定程度上会对脉冲激光接收系统所接收到的光功率带来影响，从而影响测量范围的测距精度，若依旧采用郎伯反射面进行计算，会导致严重的测量误差，这就要求系统需根据靶目标的漫反射特性来分析实际的测距情况。因此研究被测物体表面的漫反射特性对计算接收到的漫反射功率是非常重要的［9-10］。为了建立具有高精度的脉冲激光测距模型，需具体分析不同靶目标的漫反射特性对测距的影响。本文针对近距离扩展目标，理论推导出基于漫反射物体的测距方程［11］，通过理论模拟和实验计算出脉冲激光器接收系统的回波接收功率，并通过理论数据和实验数据进行对比分析与讨论。

1 理论模型

设激光发射的功率为Pt，发射光学系统透过率为Kt，大气单程透过率为Tα，目标面积At，测距仪发射端与靶目标的距离为r1，则激光器测距仪发射到靶目标上的单位立体角Ω内的激光功率可表示为：

对于不同靶目标，单位立体角内的激光功率表达式不同，当目标面积大于激光照射面积时，可将靶目标视为扩展目标，其表达式为：

当目标面积小于激光照射面积时，可将靶目标视为点目标，由于其发散角θr很小，可将球面以圆面积代替，其表达式为：

设激光发射光轴与靶目标漫反射面法线重合，则反射夹角为θ=0∘的方向上的反射功率为：

因为所选靶目标可以近似为朗伯体，表面为漫反射时遵循郎伯定律。则测距仪接收到反射的全部功率功率为：

整理上述式子，将式（2），（6）代入（7）式，可得出点目标照射区域反射进入光电探测器接的回波接收激光功率：

把式（4），（6）代入（7）式，可得出扩展目标照射区域反射进入光电探测器的回波接收激光功率：

2 实验系统搭建

实验系统主要为脉冲激光测距系统、能量计、示波器、靶材、红外夜视仪、米尺。其中，脉冲激光测距仪整体结构图如图1所示，脉冲激光侧仪整体结构分为驱动半导体激光器LD，APD光探测器，回波信号调整电路，整形电路，主控等部分。在实验中采用近红外夜视仪捕捉照射在靶目标上的光斑图像，能量计主要测量脉冲输出光功率，示波器则是观测回波光信号转换的电信号，然后通过光学接收系统对激光回波信号进行放大、调理并对其结果进行计算，提供激光脉宽、频率、功率等信息。

图1 脉冲激光测距仪结构图

为进一步研究不同靶目标在红外波段（905nm）照射下的反射特性，实验中分别测量得到了不同漫反射体在红外波段激光照射下半球空间内的回波接收功率。实验选用三种不同表面粗糙程度的靶目标，粗糙程度层次分明。其中白色无釉陶土地砖的漫反射率最高，其反射特性最接近郎伯特性，与其它两种靶材产生较显著的实验对比。实验所选取的靶目标具体参数如下表1所示。

表1 靶目标具体参数

设计合理的实验测量系统，将靶目标安装在一个可以滑动以及转动的旋转台上，保证旋转轴线在光轴上，旋转台最小分辨力为0.1度，发射波长为905nm，10kHz脉冲激光，光斑直径为2mm，样品加工成30cm×30cm。实验过程中，每次采集回波电压前使用红外观测仪观察激光束是否照射到靶目标中心处，且观测光斑是否完好，观察激光器工作情况，实时比较输出电压波形。

通过上述装置，对日常生活中常见的三种材料（白色A4纸、白色无釉陶土地砖、白色镜面）进行了回波接收功率的测量，测量材料的回波接收信号随不同距离、不同材料反射率和不同反射角度变化。具体测试如下：

（1）变距离方式：选取三种靶目标，取目标距离为1.90m、2.20m、2.50m、2.80m、3.10m，探测距离从示波器信号电压饱和开始。

（2）变角度方式：选取三种靶目标，放置在2m处，从靶面角度0°开始，以一定角度间隔旋转靶面实时采集示波器电压幅值，直至±90°。

3 数值模拟对比

3.1 反射方位角（θ=0°）相同而目标距离不同时测量结果的对比讨论

根据（9）式，可以对比不同靶目标材料对激光测距的影响。图2为根据回波接收功率公式，模拟出的在一定反射角度下（θ=0∘）两种靶目标的回波接收功率随目标距离的变化关系曲线。图中两条曲线分别为理论模拟的理想郎伯体反射光功率分布，实验所测得的回波接收功率数据；对比实验结果与仿真模拟数据可直观看出物体的反射性能。

图2 不同靶目标的接收功率随距离变化关系

由图2可见，即使各靶目标的反射方位角相同，回波接收功率有着不同分布。对于白色A4纸，回波接收功率随着目标距离的增加而迅速降低；对于白色无釉陶土地砖，回波功率随着目标距离的增加而缓慢降低；对于白色镜面回波接收功率明显远大于理论模拟的回波接收功率。由此可见，对脉冲激光测距而言，物体表面的反射特性以及散射特性与所能测到目标距离有着一定的联系。如果能够事先获取靶目标表面粗糙程度，而进行估计反演可增强和优化脉冲激光测距的测量范围，有助于找到最佳测量条件，这对于远距离目标测距具有至关重要的作用。

3.2 目标距离相同（2m）而反射方位角不同时测量结果的对比讨论

前面介绍了研究靶目标的不同粗糙程度以及不同距离对回波接收功率的影响，下面讨论目标距离相同而反射方位角不同时对测量结果的影响。图3为根据回波接收功率公式，模拟出的在一定距离下，不同靶目标的回波接收功率随反射方位角变化关系曲线。本部分的测量实验，采用不同角度对回波功率进行了理论模拟和实验数据的对比分析。

图3 不同靶目标的接收功率随反射方位角变化关系

由图3可见，不同材质的靶目标，由其材质表面的反射和散射特性的不同，其反射方位角对回波接收功率的影响各不相同。对于白色A4纸，回波接收功率以0°反射角为中心呈对称分布且呈尖峰状，回波接收功率分布偏离了余弦分布；对于白色无釉陶土地砖，回波接收功率以0°反射角为中心呈对称分布且呈包络状，回波接收功率接近余弦分布；对于白色镜面，回波接收功率非常大，当反射角大于一定角度时幅值迅速衰减，基本没有返回信号，实验数据与理论偏差较为显著。

由上述分析结果可见，对于微粗糙的靶目标，当反射方位角增大时，后向散射增强效应随之衰减，整体回波接收功率分布偏离余弦分布；对于强粗糙的靶目标，当反射方位角增大时，后向散射增强效应也随之增强，整体回波功率接收功率接近余弦分布；对于微粗糙目标，由于其材质表面粗糙度很小，镜面反射很强，在反射方位角大于一定角度时基本无返回信号，在镜面入射时，回波信号的数量级远远超过参考物为朗伯体时的计算结果，这种材料会导致探测器的过载现象，从而影响测距的精度。根据郎伯体相关理论可知，当Pr∝cosθ时，目标可近似认为是郎伯体，证明了白色无釉陶土地砖的郎伯特性优于白色A4纸；而对于白色镜面，通过数据对比，白色镜面并不服从郎伯特性，反向证明了这种材料并非朗伯体。实验中当反射方位角在大于±60°时，数据开始失真，这是由于系统受回波散射光以及背景光的影响，虽然幅值很小，但无法使其忽略。

由此可见，脉冲激光测距系统不仅受激光参数的影响，在粗糙程度、反射方位角、距离等因素的影响下，会导致激光漫发射特性发生较大的变化，从而降低了脉冲激光测距的精度，掌握靶目标在各种条件下的漫反射特性至关重要。因此，在保证脉冲激光测距整体误差精度时，需考虑靶目标自身的误差在其作为参考标准时带来误差。

4 结论

本文通过理论模拟与实验数据进行了对比，分析了脉冲激光近程探测实际工作中回波信号与各参量之间的关系，讨论了影响回波信号的基本因素，从理论模拟仿真与实验数据的对比结果可知，粗糙表面的目标反射特性不能单纯地按照郎伯余弦反射模型求解，郎伯余弦反射模型不能很好地吻合高粗糙系数和低粗糙系数的反射模型，故对激光回波接收功率模型需要进一步修正。从实验结果可以看出，实际材料特性均临界于镜面反射与漫反射之间，漫反射体也存在镜面反射，而遇到镜面反射体时，需要考虑这些材料可能导致探测器或者放大器过载现象。