紅外/藍(lán)綠雙色復(fù)合探測抗海浪干擾方法研究

王金花， 姚宏寶， 周 魁， 馬獻(xiàn)華

（天津津航技術(shù)物理研究所，天津300192）

0 引言

本文研究紅外、藍(lán)綠激光對海面或目標(biāo)的反射特性，并進(jìn)行了模擬目標(biāo)和模擬背景反射特性測試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明紅外、藍(lán)綠雙色激光對海面或目標(biāo)的反射特性存在很大差異，基于此理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，提出紅外、藍(lán)綠激光雙色復(fù)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(xué)特性比較復(fù)雜，存在很多不確定的因素，不僅與激光的波長、激光的發(fā)射視場、接收視場等因素密切相關(guān)，同時(shí)與海面的光學(xué)特性、海面高度、海浪波長、海域風(fēng)速、海水鹽度、海水所含物質(zhì)等因素息息相關(guān)［1］。由海面引起的光的吸收和海水體反射效應(yīng)會(huì)對激光探測海面造成極大的負(fù)面影響［2］。紅外/藍(lán)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(lán)綠雙色激光的海水海表面反射特性

藍(lán)綠激光和紅外激光對海水存在時(shí)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(lán)綠光處衰減最小，為10—4，主要表現(xiàn)為海水體反射和吸收，在海水中按指數(shù)衰減，海水體反射回來的激光回波可能會(huì)展寬；1 064 nm近紅外波長衰減大，為103，主要表現(xiàn)為海表面反射和吸收，所以藍(lán)綠激光和紅外激光對海水海表面反射回波在波形形態(tài)和回波率上應(yīng)有明顯變化，而對艦船反射回波形態(tài)和回波率則相對穩(wěn)定。

（2）海水對紅外/藍(lán)綠雙色激光的吸收特性

除了藍(lán)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(shù)見表1，此表為Sawyer W.R.測試，在（0.32～0.65）μm之間和根據(jù)Collins J.R.測量，在大于0.65μm的波長下純水（每 m）的吸收系數(shù)［5］。

表1 不同波長下純水的吸收系數(shù)

對于純水，532 nm的激光海水光譜的吸收系數(shù)是0.024/m—1；1 064 nm的激光海水光譜的吸收系數(shù)是17.7/m—1。海水對激光的吸收是由多種復(fù)雜的因素造成的，導(dǎo)致海水吸收的主要因素是純水、浮游植物和黃色物質(zhì)［6］。海水中的溶解物質(zhì)的吸收作用很大，任何溶解的物質(zhì)都會(huì)導(dǎo)致吸收的增大。海水中的黃色物質(zhì)是海洋生物和有機(jī)體腐敗分解形成的可溶性有機(jī)物質(zhì)，它對海水的吸收系數(shù)會(huì)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(shí)間上具有極大的易變性。在同一海域不同的時(shí)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(guān)系不大。

（3）紅外/藍(lán)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(xiàn)為海表面反射和吸收，而藍(lán)綠激光還存在海水體反射。藍(lán)綠激光在海水中的散射從微觀機(jī)理上講就是光子的傳播路徑發(fā)生了變化［8］。宏觀上，激光在海水中的分布發(fā)生變化導(dǎo)致藍(lán)綠激光海水體反射，可以認(rèn)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(zhì)中接近入射的藍(lán)綠激光波長的粒子引起的，此時(shí)散射能量集中在偏離傳播方向附近很小的范圍內(nèi)，可以用米氏（Mie）理論來處理。單位入射的藍(lán)綠激光光束在θ方向上產(chǎn)生的散射為i（θ）=λ2（i1+i2）/8π2（1）對上式進(jìn)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(shí)，入射到海水中的激光束的能量分布在很寬的角度范圍內(nèi)，體積d V產(chǎn)生的散射光能量d F為

式中：A為體積散射系數(shù)；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(qiáng)度是極坐標(biāo)θ，φ的函數(shù)，對上式進(jìn)行化簡，歸一化可得

式中：δ（θ）為體積散射系數(shù)，對于水體本身引起的瑞利散射，δ（θ）與散射角的關(guān)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(zhì)引起的米氏散射，δ（θ）與散射角的關(guān)系較大，介質(zhì)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(qū)域。這說明了藍(lán)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(dǎo)致藍(lán)綠激光信號(hào)信噪比的降低和激光脈沖到達(dá)目標(biāo)時(shí)間的延遲。

1.2 雙色激光對硬目標(biāo)反射特性

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

2 雙色激光回波特性測試試驗(yàn)

2.1 雙色激光對目標(biāo)和背景回波測試數(shù)據(jù)

試驗(yàn)海浪浪高為（0.8～1.2）m。試驗(yàn)過程：對海浪測試1 min，然后目標(biāo)進(jìn)入探測視場，采集雙色激光對海浪和目標(biāo)回波特性。數(shù)據(jù)分析如下。

（1）回波幅度分析

雙色回波幅度采集數(shù)據(jù)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(lán)綠激光回波幅度采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表2。距海面3 m時(shí)，紅外激光對海浪大部分回波處于飽和狀態(tài)，藍(lán)綠激光少數(shù)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(qiáng)于綠光。對目標(biāo)雙色回波均處于飽和狀態(tài)。距海面5 m時(shí)，紅外光對海浪大部分回波處于飽和狀態(tài)，綠光對海面少數(shù)飽和，大部分處于（0.5～1）V。結(jié)果表明，在距海面5 m處，紅外激光的回波幅度強(qiáng)于藍(lán)綠激光。紅外激光對目標(biāo)處于飽和狀態(tài)，藍(lán)綠光處于臨界飽和。距海面10 m時(shí)，雙色激光對海浪均處于非飽和狀態(tài)，紅外激光對海浪回波幅度大部分在（0.5～1）V，對目標(biāo)幅度為（1.5～2）V；藍(lán)綠光對海面回波能量弱，大部分小于0.5 V，對目標(biāo)幅度為1 V左右。紅外激光的回波幅度強(qiáng)于藍(lán)綠激光。對于目標(biāo)，雙色回波均處于不飽和狀態(tài)。

表2 雙色激光對海浪和目標(biāo)回波幅度統(tǒng)計(jì)表

通過對雙色激光回波幅度的測試，發(fā)現(xiàn)紅外激光對海面回波幅度與對目標(biāo)的回波幅度相近，藍(lán)綠激光對海面回波幅度比對目標(biāo)的回波幅度小，紅外激光回波幅度大于藍(lán)綠激光對海面回波幅度，兩者對目標(biāo)的回波幅度都比較強(qiáng)。

（2）回波脈沖寬度分析

雙色回波脈沖寬度采集數(shù)據(jù)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(lán)綠激光脈沖寬度采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析見表3。

距海面3 m時(shí)，雙色激光對海面均有大部分回波處于飽和狀態(tài)，對目標(biāo)處于飽和狀態(tài)，都有回波脈沖展寬。距海面5 m時(shí)，紅外激光對海浪部分回波處于飽和狀態(tài)，部分回波有展寬，對目標(biāo)處于飽和狀態(tài)，回波展寬為30 ns；藍(lán)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(shù)回波幅度飽和），對目標(biāo)處于近飽和狀態(tài)，脈沖寬度20 ns左右。距海面10 m時(shí)，雙色回波對海浪和目標(biāo)均處于不飽和狀態(tài)，紅外激光對海浪和目標(biāo)脈沖寬度小于20 ns；藍(lán)綠激光對目標(biāo)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(fā)現(xiàn)藍(lán)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(xiàn)象。

表3 雙色激光對海浪和目標(biāo)回波脈沖寬度統(tǒng)計(jì)表

（3）回波率分析

雙色激光回波率采集數(shù)據(jù)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(lán)綠激光回波率采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表4。結(jié)果表明在相同距離，對海浪，紅外光的回波率高于藍(lán)綠激光回波率；對目標(biāo)，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(biāo)和背景回波測試數(shù)據(jù)匯總

紅外激光和藍(lán)綠激光對海浪和目標(biāo)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(biāo)的回波幅度相近，藍(lán)綠激光對海面回波幅度小于目標(biāo)的回波幅度，紅外激光回波幅度大于藍(lán)綠激光對海面回波幅度，兩著對目標(biāo)回波幅度都比較強(qiáng)；

表4 雙色激光對海浪和目標(biāo)回波率統(tǒng)計(jì)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(lán)綠激光對海浪回波脈沖寬度明顯展寬，兩者對目標(biāo)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(lán)綠激光的回波率，對目標(biāo)回波率都為100%。

3 雙色復(fù)合抗海浪干擾算法

基于以上雙色回波特性分析和試驗(yàn)測試結(jié)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(biāo)激光特性也存在明顯差別。采用分區(qū)可變閾值的目標(biāo)判別方法實(shí)現(xiàn)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(shè)置不同閾值。近距離，雙色激光對目標(biāo)和水面均處于飽和狀態(tài)，脈沖寬度不能作為主要判別依據(jù)，將回波率作為主要判別依據(jù)；在中遠(yuǎn)距離，藍(lán)綠激光在回波脈沖幅度上明顯存在展寬現(xiàn)象，將脈沖寬度和幅度作為主要判別依據(jù)。目標(biāo)判別分區(qū)閾值見表5，雙色信息處理軟件流程如圖10所示。

表5 分區(qū)閾值目標(biāo)判別列表

4 結(jié)束語

本文在理論研究的基礎(chǔ)上就紅外、藍(lán)綠雙色激光對海面和目標(biāo)的反射特性進(jìn)行分析，并進(jìn)行了模擬目標(biāo)和模擬背景反射特性測試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明紅外、藍(lán)綠雙色激光對海面和目標(biāo)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(biāo)的回波幅度相近，藍(lán)綠激光對海面回波幅度小于目標(biāo)的回波幅度，紅外激光回波幅度大于藍(lán)綠激光對海面回波幅度，兩者對目標(biāo)回波幅度都比較強(qiáng)；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(lán)綠激光對海浪回波脈沖寬度明顯展寬，兩者對目標(biāo)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(lán)綠激光的回波率，對目標(biāo)回波率都為100%。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，此方法具有良好的抗海浪干擾效果。