一种快速测量高反光空间目标材质的方法与流程

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种快速测量高反光空间目标材质的方法。

背景技术：

激光雷达散射截面(lrcs)是用来描述目标对照射到它上面的激光光束的散射能力的物理量；可以定义为：在入射光波为均匀平面波时，激光光束光斑完全覆盖目标表面且待测目标表面材料为各项同性材料时，探测器接收到总的激光散射光光功率与入射激光光功率之比为：

式中，ei为目标处入射光波的电场强度振幅，er为激光雷达雷达接收机接收到的来自目标的散射光波的电场强度振幅，r则为目标和接收机之间的距离。由于探测方向不同时，在该方向上接收到的散射光功率不同，则计算得到的激光雷达散射截面在各个方向上也不同；即在不同的散射方向上，相同目标的激光雷达散射截面一般不相同；对于单站式的激光雷达散射截面称为激光雷达的后向散射截面。

目前常用的brdf测量装置有两种：一种是采用双圆弧轨道实现半球范围内方位角和入射角度的探测，如专利《一种测量物体表面双向反射分布的装置》，专利号：2009200033317.x，这种测量方法的局限性在于圆弧轨道遮光影响其测量结果以及受圆弧轨道加工精度不高，直接会影响到测量角度的定位精度不高，进而导致整个系统测量可靠性降低。

另一种装置采用光源固定，样品使用四维机械手固定，光电探测器可以安装在垂直面内做±180°旋转的方式完成对入射角和反射角的测量。如专利《一种新型双向反射分布函数测量装置》，专利号：201210075733.2，但是这种方式的局限性在于光电探测器接收面小，要求反射光束扩散角很小，这就意味着只能进行镜面物体表面的散射，如果是粗糙表面则很难实现散射到整个半球空间的各个光信号的采集，导致信号误差。

传统的太阳光照射下样品的双向反射分布函数的实验装置复杂，精密度要求高，通常需要采集上万个实验数据才可以进行模拟计算得到双向反射分布函数。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种快速测量高反光空间目标材质的方法。

本发明公开了一种快速测量高反光空间目标材质的方法，包括：

激光光源经过实验系统光路准直后入射到待测样品上；

激光经待测样品散射后，散射光信号被光电探测器接收；

光电探测器输出信号至信号处理系统进行处理，得到待测样品的激光雷达散射截面；

基于激光雷达散射截面和双向反射分布函数之间的函数关系，获得待测样品表面的双向反射分布函数；

将获得的双向反射分布函数在已有的双向反射分布函数特征库中进行匹配，识别出待测样品的表面材料。

作为本发明的进一步改进，激光光源经准直后的光束，采用双光路进行测量。

作为本发明的进一步改进，使用的激光为超连续谱激光，激光波长范围为：400nm-2200nm，该波长的激光可以模拟太阳光和近红外光辐照下的空间背景光。

作为本发明的进一步改进，根据先对超连续谱波长得到的雷达散射截面进行波长信号取均值，再基于激光雷达散射截面和双向反射分布函数之间的函数关系，获得待测样品表面的双向反射分布函数。

作为本发明的进一步改进，待测样品安装在五维位移台上且处于转台中心轴位置，入射激光方向保持不变，探测器所在的转臂保持静止，样品台上的待测样品随着转台转动。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明采用几百个的实验数据就可以分析和模拟太阳光照射下材料的双向放射分布函数；实验装置简单，计算出样品的激光雷达散射截面和双向反射分布函数，基于双向反射分布函数特征库进行匹配分析，可识别出待测样品的表面材料。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的实现快速测量高反光空间目标材质的方法的流程图；

图2为本发明一种实施例公开的实现快速测量高反光空间目标材质的方法的装置结构图；

图3为本发明一种实施例公开的后向散射光线方向示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

在实际测量中，入射光波的电场强度振幅不便于直接测量，应该变换成能够直接方便测量的物理量。由于光能流密度正比于光波的电场强度振幅的模的平方，即i∝|e|²，所以激光雷达散射截面可以表示为：

式中，r为目标到探测器的距离，is为散射回波在探测器方向处的光能流密度，ii为入射到目标表面上的光能流密度。由于公式中各个参量测量简单，因此常用在实验中计算激光雷达散射截面。

在实际应用中，激光雷达散射截面σ还可以定义为：

σ＝ρa0g

式中，ρ为目标表面半球反射率，a0为目标实际的投影面积，g为目标增益。

本发明采用双光路方法，设探测器d1的输出电压为ν1，探测器d2(固定在测量转臂末端)的输出电压为ν2，他们都正比于激光输出功率，而且比例系数均为常数。所以ν2/ν1＝k0是一个与输出功率无关的常量，但v2是与目标的散射截面有关，因为由雷达方程可知在一定条件下，散射截面与接收功率成正比，在此即是与比值成正比。目标散射截面探测定标采用标准体，其中面目标材料定标采用标准白板，三维体目标的散射截面测量定标采用朗伯球。

假设由探测器d2接收到白板散射回来的信号电压为ν1，同时由d1探测器接收到白板的参考电压为ν2，样片的信号电压为ν3，样片的参考电压为ν4，标准白板的电压比值为k0，样片的电压比值为ks，则：

设白板单位面积激光雷达散射截面为白板双向反射分布函数brdf为样片单位面积激光雷达散射截面为样片的双向反射分布函数brdf为在相同条件下，白板和样片的照射面积相同，所以：

双向反射分布函数和单位面积激光散射雷达截面之间的函数关系为：

联合式(1)、式(2)和式(3)得到：

标准白板是朗伯面，所以白板的双向反射分布函数为将其代入得：

由式(4)即可通过实验获取白板的单位面积散射截面，将实验结果与理论计算值进行对比，分析测量系统的可靠性以及改进方法等。

在实际测量中，brdf双向反射分布函数的测定要求照射面元的面积保持一致，因此：

其中θ为入射角。

基于上述原理，如图1、2所示，本发明提供一种快速测量高反光空间目标材质的方法，实现该方法的装置包括：测试光源、转台与样品架、信号检测与处理系统；具体包括：激光光源1、斩波器电源2、斩波器3、分束镜a4、透镜5、分束镜b6、探测器a7、探测器b8、锁相放大器9、微型计算机10、转台11、样品架12和步进电机13；其中，信号检测与处理系统包括锁相放大器和微型计算机；所有光电探测器均与锁相放大器相连，锁相放大器与微型计算机相连。该方法包括：

s1、超连续谱激光光源经过实验系统光路准直后入射到待测样品上；其中，

测试光源使用的激光为超连续谱激光，激光波长范围为：400nm-2200nm，该波长的激光可以模拟太阳光和近红外光辐照下的空间背景光。激光光源经准直后的光束，采用双光路的方法，减小激光强度不稳定引起的误差，提高测量精度；光束入射至转台与样品架的待测样品上。

s2、超连续谱激光经待测样品散射后，散射光信号被光电探测器接收；其中，

待测样品安装在五维位移台上且处于转台中心轴位置，入射激光方向保持不变，探测器所在的转臂保持静止，样品台上的待测样品随着转台转动；样品架为待测样品表面单站后向测量样品架，待测样品处在不同方位时，入射角随之改变，待测样品随着转台的轴线转动；

s3、光电探测器输出信号至信号处理系统进行处理，得到待测样品的激光雷达散射截面；

s4、基于激光雷达散射截面和双向反射分布函数之间的函数关系，获得待测样品表面的双向反射分布函数；具体为：

根据先对超连续谱波长得到的雷达散射截面进行波长信号取均值，再基于激光雷达散射截面和双向反射分布函数之间的函数关系，获得待测样品表面的双向反射分布函数；

s5、将获得的双向反射分布函数在已有的双向反射分布函数特征库中进行匹配，识别出待测样品的表面材料。

具体的：

本发明在空间目标的lrcs测量前，需进行实验系统噪声测量和稳定性测量；测量时，样品平面表面单站后向brdf及单位面积lrcs测量；首先对平面样品表面进行lrcs测量，测量时该表面应处在转轴上。如图3所示，后向测量时入射激光方向保持不变，探测器所在的转臂保持静止，样品台上的样品随转台b转动，样品处在不同方位时，入射角θi随之改变。对于后向散射，接收方向散射角θs＝θi。为激光入射方向，为接收方向(下同)，样品绕着转台的轴线转动。

空间目标lrcs仿真计算与分析：

由于实际材料表面的复杂性，因此利用实验测量获取典型材料的双向反射分布函数数据，采用经验和半经验的方法建立brdf统计模型，进而分析和计算目标lrcs是十分必要的。

对于几何简单体可以根据目标表面的brdf和lrcs之间的关系获得解析形式的σ⁰。根据brdf和lrcs的定义式，可得二者关系为：

式中：正好是面元材料的brdf。将上式沿目标表面积分，即得目标的lrcs：

σ＝∫∫adσ＝∫∫a4πf(θi,θs)cosθicosθsda(4-2)

通常可上述利用公示计算得到在各种入射-散射条件下的lrcs。

换算成brdf：

本发明的优点为：

本发明采用几百个的实验数据就可以分析和模拟太阳光照射下材料的双向放射分布函数；实验装置简单，计算出样品的激光雷达散射截面和双向反射分布函数，基于双向反射分布函数特征库进行匹配分析，可识别出待测样品的表面材料。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。