材料表面反射特性對近紅外激光脈沖測距的影響研究

楊米杰，金龍，王頔，金光勇

（長春理工大學 理學院，長春 130022）

脈沖激光測距因其測量速度快，發(fā)射激光峰值功率高，抗干擾能力強，價格低廉等特點，在星載雷達，工業(yè)測量，地貌測繪，智能交通等領域得到了廣泛的應用［1-6］。傳統(tǒng)的激光雷達，一般的將被測靶目標假設成一個郎伯反射面而進行系統(tǒng)計算［7-8］，但由于不同靶目標具有各自的材料表面反射特性，使其材質(zhì)的反射率、反射方位角、粗糙程度、顏色等變量在一定程度上會對脈沖激光接收系統(tǒng)所接收到的光功率帶來影響，從而影響測量范圍的測距精度，若依舊采用郎伯反射面進行計算，會導致嚴重的測量誤差，這就要求系統(tǒng)需根據(jù)靶目標的漫反射特性來分析實際的測距情況。因此研究被測物體表面的漫反射特性對計算接收到的漫反射功率是非常重要的［9-10］。為了建立具有高精度的脈沖激光測距模型，需具體分析不同靶目標的漫反射特性對測距的影響。本文針對近距離擴展目標，理論推導出基于漫反射物體的測距方程［11］，通過理論模擬和實驗計算出脈沖激光器接收系統(tǒng)的回波接收功率，并通過理論數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)進行對比分析與討論。

1 理論模型

設激光發(fā)射的功率為Pt，發(fā)射光學系統(tǒng)透過率為Kt，大氣單程透過率為Tα，目標面積At，測距儀發(fā)射端與靶目標的距離為r1，則激光器測距儀發(fā)射到靶目標上的單位立體角Ω內(nèi)的激光功率可表示為：

對于不同靶目標，單位立體角內(nèi)的激光功率表達式不同，當目標面積大于激光照射面積時，可將靶目標視為擴展目標，其表達式為：

當目標面積小于激光照射面積時，可將靶目標視為點目標，由于其發(fā)散角θr很小，可將球面以圓面積代替，其表達式為：

設激光發(fā)射光軸與靶目標漫反射面法線重合，則反射夾角為θ=0°的方向上的反射功率為：

因為所選靶目標可以近似為朗伯體，表面為漫反射時遵循郎伯定律。則測距儀接收到反射的全部功率功率為：

整理上述式子，將式（2），（6）代入（7）式，可得出點目標照射區(qū)域反射進入光電探測器接的回波接收激光功率：

把式（4），（6）代入（7）式，可得出擴展目標照射區(qū)域反射進入光電探測器的回波接收激光功率：

2 實驗系統(tǒng)搭建

實驗系統(tǒng)主要為脈沖激光測距系統(tǒng)、能量計、示波器、靶材、紅外夜視儀、米尺。其中，脈沖激光測距儀整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，脈沖激光側(cè)儀整體結(jié)構(gòu)分為驅(qū)動半導體激光器LD，APD光探測器，回波信號調(diào)整電路，整形電路，主控等部分。在實驗中采用近紅外夜視儀捕捉照射在靶目標上的光斑圖像，能量計主要測量脈沖輸出光功率，示波器則是觀測回波光信號轉(zhuǎn)換的電信號，然后通過光學接收系統(tǒng)對激光回波信號進行放大、調(diào)理并對其結(jié)果進行計算，提供激光脈寬、頻率、功率等信息。

圖1 脈沖激光測距儀結(jié)構(gòu)圖

為進一步研究不同靶目標在紅外波段（905nm）照射下的反射特性，實驗中分別測量得到了不同漫反射體在紅外波段激光照射下半球空間內(nèi)的回波接收功率。實驗選用三種不同表面粗糙程度的靶目標，粗糙程度層次分明。其中白色無釉陶土地磚的漫反射率最高，其反射特性最接近郎伯特性，與其它兩種靶材產(chǎn)生較顯著的實驗對比。實驗所選取的靶目標具體參數(shù)如下表1所示。

表1 靶目標具體參數(shù)

設計合理的實驗測量系統(tǒng)，將靶目標安裝在一個可以滑動以及轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)臺上，保證旋轉(zhuǎn)軸線在光軸上，旋轉(zhuǎn)臺最小分辨力為0.1度，發(fā)射波長為905nm，10kHz脈沖激光，光斑直徑為2mm，樣品加工成30cm×30cm。實驗過程中，每次采集回波電壓前使用紅外觀測儀觀察激光束是否照射到靶目標中心處，且觀測光斑是否完好，觀察激光器工作情況，實時比較輸出電壓波形。

通過上述裝置，對日常生活中常見的三種材料（白色A4紙、白色無釉陶土地磚、白色鏡面）進行了回波接收功率的測量，測量材料的回波接收信號隨不同距離、不同材料反射率和不同反射角度變化。具體測試如下：

（1）變距離方式：選取三種靶目標，取目標距離為1.90m、2.20m、2.50m、2.80m、3.10m，探測距離從示波器信號電壓飽和開始。

（2）變角度方式：選取三種靶目標，放置在2m處，從靶面角度0°開始，以一定角度間隔旋轉(zhuǎn)靶面實時采集示波器電壓幅值，直至±90°。

3 數(shù)值模擬對比

3.1 反射方位角（θ=0°）相同而目標距離不同時測量結(jié)果的對比討論

根據(jù)（9）式，可以對比不同靶目標材料對激光測距的影響。圖2為根據(jù)回波接收功率公式，模擬出的在一定反射角度下（θ=0°）兩種靶目標的回波接收功率隨目標距離的變化關系曲線。圖中兩條曲線分別為理論模擬的理想郎伯體反射光功率分布，實驗所測得的回波接收功率數(shù)據(jù)；對比實驗結(jié)果與仿真模擬數(shù)據(jù)可直觀看出物體的反射性能。

圖2 不同靶目標的接收功率隨距離變化關系

由圖2可見，即使各靶目標的反射方位角相同，回波接收功率有著不同分布。對于白色A4紙，回波接收功率隨著目標距離的增加而迅速降低；對于白色無釉陶土地磚，回波功率隨著目標距離的增加而緩慢降低；對于白色鏡面回波接收功率明顯遠大于理論模擬的回波接收功率。由此可見，對脈沖激光測距而言，物體表面的反射特性以及散射特性與所能測到目標距離有著一定的聯(lián)系。如果能夠事先獲取靶目標表面粗糙程度，而進行估計反演可增強和優(yōu)化脈沖激光測距的測量范圍，有助于找到最佳測量條件，這對于遠距離目標測距具有至關重要的作用。

3.2 目標距離相同（2m）而反射方位角不同時測量結(jié)果的對比討論

前面介紹了研究靶目標的不同粗糙程度以及不同距離對回波接收功率的影響，下面討論目標距離相同而反射方位角不同時對測量結(jié)果的影響。圖3為根據(jù)回波接收功率公式，模擬出的在一定距離下，不同靶目標的回波接收功率隨反射方位角變化關系曲線。本部分的測量實驗，采用不同角度對回波功率進行了理論模擬和實驗數(shù)據(jù)的對比分析。

圖3 不同靶目標的接收功率隨反射方位角變化關系

由圖3可見，不同材質(zhì)的靶目標，由其材質(zhì)表面的反射和散射特性的不同，其反射方位角對回波接收功率的影響各不相同。對于白色A4紙，回波接收功率以0°反射角為中心呈對稱分布且呈尖峰狀，回波接收功率分布偏離了余弦分布；對于白色無釉陶土地磚，回波接收功率以0°反射角為中心呈對稱分布且呈包絡狀，回波接收功率接近余弦分布；對于白色鏡面，回波接收功率非常大，當反射角大于一定角度時幅值迅速衰減，基本沒有返回信號，實驗數(shù)據(jù)與理論偏差較為顯著。

由上述分析結(jié)果可見，對于微粗糙的靶目標，當反射方位角增大時，后向散射增強效應隨之衰減，整體回波接收功率分布偏離余弦分布；對于強粗糙的靶目標，當反射方位角增大時，后向散射增強效應也隨之增強，整體回波功率接收功率接近余弦分布；對于微粗糙目標，由于其材質(zhì)表面粗糙度很小，鏡面反射很強，在反射方位角大于一定角度時基本無返回信號，在鏡面入射時，回波信號的數(shù)量級遠遠超過參考物為朗伯體時的計算結(jié)果，這種材料會導致探測器的過載現(xiàn)象，從而影響測距的精度。根據(jù)郎伯體相關理論可知，當Pr∝cosθ時，目標可近似認為是郎伯體，證明了白色無釉陶土地磚的郎伯特性優(yōu)于白色A4紙；而對于白色鏡面，通過數(shù)據(jù)對比，白色鏡面并不服從郎伯特性，反向證明了這種材料并非朗伯體。實驗中當反射方位角在大于±60°時，數(shù)據(jù)開始失真，這是由于系統(tǒng)受回波散射光以及背景光的影響，雖然幅值很小，但無法使其忽略。

由此可見，脈沖激光測距系統(tǒng)不僅受激光參數(shù)的影響，在粗糙程度、反射方位角、距離等因素的影響下，會導致激光漫發(fā)射特性發(fā)生較大的變化，從而降低了脈沖激光測距的精度，掌握靶目標在各種條件下的漫反射特性至關重要。因此，在保證脈沖激光測距整體誤差精度時，需考慮靶目標自身的誤差在其作為參考標準時帶來誤差。

4 結(jié)論

本文通過理論模擬與實驗數(shù)據(jù)進行了對比，分析了脈沖激光近程探測實際工作中回波信號與各參量之間的關系，討論了影響回波信號的基本因素，從理論模擬仿真與實驗數(shù)據(jù)的對比結(jié)果可知，粗糙表面的目標反射特性不能單純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數(shù)和低粗糙系數(shù)的反射模型，故對激光回波接收功率模型需要進一步修正。從實驗結(jié)果可以看出，實際材料特性均臨界于鏡面反射與漫反射之間，漫反射體也存在鏡面反射，而遇到鏡面反射體時，需要考慮這些材料可能導致探測器或者放大器過載現(xiàn)象。