·激光应用技术·

迷彩涂层1064 nm激光散射特性测量及建模

周 冰¹,高宇辰²,刘贺雄¹,贺 宣¹

(1.陆军工程大学石家庄校区电子与光学工程系,河北 石家庄 050003;2.酒泉卫星发射中心,甘肃 酒泉 732750)

摘 要: 迷彩涂层1064 nm激光散射特性对激光探测装备的极限作用距离和军事装备激光隐身性能有显著影响,而目前对涂层材料的激光散射特性的研究大都是针对单一种类涂层。本文根据不同类型迷彩涂层由不同颜色组成的特点,通过分别测量不同颜色迷彩涂层的双向反射分布函数(BRDF),再根据国军标中不同迷彩涂层颜色的面积比例规定进行加权计算,得到不同种类迷彩涂层的BRDF。以草原夏季型迷彩涂层为例,利用上述方法对其BRDF进行测量和计算,并利用五参数经验模型进行参数建模,得到草原夏季型迷彩涂层的参数模型。通过拼接实验,验证了计算方法的正确性。对于进一步研究军事装备的涂层材料激光散射特性提供数据依据,为研究类似情况下多种材料复合涂层的激光散射特性研究提供了借鉴思路。

关键词: 激光；1064 nm；激光散射特性；双向反射分布函数

1 引 言

激光自出现以后,就在军事领域得到了广泛的应用,以激光测距、激光半主动制导为代表的激光装备在战场中发挥着越来越大的作用^[1-2]。激光发射系统发射激光,照射敌方目标,激光接收系统接收经过目标散射的激光,从而实现测距或目标指示攻击的功能。目标表面材料的激光散射特性是影响此类激光装备作战性能的重要因素^[3],而对于目标表面材料BRDF的实验测量是研究目标表面材料激光散射特性的重要途径。并且随着新型数码迷彩的广泛应用,越来越多的军事目标军事装备喷涂多色彩复合的迷彩涂层,迷彩涂层激光散射特性是影响此类激光装备性能的重要因素之一^[4]。目前,这类激光装备大都采用1064 nm波长激光^[5]。所以,研究迷彩涂层在1064 nm波长下的激光散射特性,对于分析迷彩涂层军事装备的激光散射特性,了解激光探测装备的极限作用距离,具有十分重要的军事意义。

目前,对目标表面BRDF的测量大都是针对单一种类涂层或者单一目标类型地物,例如:白漆涂层、土壤、植被等。对于军事目标的表面材料BRDF的测量,主要针对军事装备外层钢板等材料,例如,导弹蒙皮、坦克前甲板或装甲隐身涂层。而对于军事目标最常见的迷彩涂层测量的研究较少。

不同颜色的迷彩涂层在装备上的分布是完全随机的,单一涂层的激光散射特性无法表达实际军事装备迷彩涂层的激光散射特性^[6-7]。本文根据迷彩涂层分布特点和规律,提出了计迷彩涂层BRDF计算方法,并通过实验,测量得到某型数码迷彩四种颜色的BRDF,并将测量数据进行参数化建模,得到每种颜色迷彩涂层的BRDF模型。根据迷彩涂层不同应用类型的喷涂比例,采用加权算法得到不同类型迷彩涂层的整体BRDF模型,通过实验测量等比例、不等比例复合型迷彩涂层的BRDF,并与模型计算得到的结果进行对比,验证比例加权模型的正确性。

2 迷彩涂层激光散射特性测量原理

对于目标表面材料的激光散射特性,通常选用双向反射分布函数(BRDF)这一概念来描述,BRDF最早由尼科迪默斯(Nicodemus)于1970年提出^[8],定义为:

(1)

其中,θ _i ,φ _i ,θ _r ,φ _r 分别表示入射激光的方位角、天顶角和反射激光的方位角、天顶角;dE _i 表示光源在入射点附近面元上的入射辐照度;dL _r 为相应的反射辐亮度。

军用装备的迷彩涂层通常由3到4种颜色组成。根据装备配属区域环境的不同(如草原、林地、戈壁等),选取不同类型的迷彩涂层(如林地迷彩、荒漠迷彩等),以获得更好的伪装效果。对于单台装备的局部位置,使用哪种颜色的迷彩涂层是随机的。某一种涂层材料的激光散射特性无法表达各种迷彩类型的相关散射特性。通过查阅相关国军标可知,不同类型迷彩涂层的组成颜色共有十余种,包括深绿色、中绿色、黄绿色、枯草色、黄土色等^[9]。选取不同颜色、不同面积比例,得到不同类型的迷彩涂层,包括林地南方夏季型、林地北方秋季型、草原夏季型、荒漠沙色型等等。所以,一旦确定了军事装备的配属区域,其使用的迷彩涂层类型、选取的涂层颜色和面积比例权重是确定的。而每种颜色迷彩涂层的激光散射特性也是确定的。将每种颜色迷彩涂层的BRDF模型进行加权平均就可以得到不同种类迷彩涂层整体的BRDF,例如:

(2)

根据朗伯面的性质可知,测量信号随测量角的余弦变化。探测器输出电压V _d 与测量角的余弦之比为常数。入射激光条件不变的情况下,只需测出某一特定角度的,即可通过待测板的测量值V _s (θ _r )求出待测板f _r,s 随θ _r 的变化:

3 实验过程及实验结果

3.1 实验设备及实验过程

通过查阅国军标,某型号夏季草原型迷彩涂装的颜色及面积比例分别为:中绿60 %、深绿10 %、黄土30 %^[13]。由此可得到夏季草原型迷彩涂层的加权公式为:

由图2所示的测量结果可知,由于4种迷彩涂层样板均为钢基涂层板,基底材料相同、涂层表面粗糙度相近,导致测量结果的整体趋势相近。但峰值大小等存在较大差异,黄土色、褐土色样板的BRDF总体大于中绿色和深绿色样板。实验的测量结果也进一步验证了迷彩涂层1064 nm激光散射特性研究的重要意义。

图1 测量原理图

Fig.1 Schematic diagram

为提高实验精度,采用对比测量法^[10]。将待测涂层样板的反射辐亮度与同等条件下标准朗伯体的反射辐亮度之比。本实验选取经过中国计量科学研究院的标定的聚四氟乙烯(PTFE)参考板,有良好的朗伯体性质。已知对于1064 nm波长激光,其半球反射率为ρ _d =0.998。参考板的BRDF可以表示为:

f _r,d =ρ _d /π

敌手已落败，毫无还手之力，以秦铁崖的胸襟，不会杀他，也不屑杀他。奇怪的是，花五奇居然死了。只见他伏于地面一动不动，身下汩汩地流出鲜血。原来，他刚才撕下自己衣服前襟时，有一片破布料残留在胸前，旗子一样飘扬。兵器掉下，却未落地，而是勾在那片破布上，秦铁崖在他身后，没留意这个。花五奇脸朝下摔在地上，正好伏在兵器上。那古怪兵器有太多的勾，太多的尖，太多的刃，结果可想而知。

(3)

a 、b 、c 、d 分别代表不同颜色在迷彩涂层中面积比例加权因子。因文章篇幅和材料限制,本文以夏季草原型迷彩涂层为例进行测量。对组成夏季草原型迷彩涂层的三种颜色,深绿色、中绿色和黄土色的BRDF进行测量,进而得到草原夏季型迷彩涂层的BRDF。

(4)

3.2 实验结果及分析

主堆石料、下游堆石料采用库区右岸料场安山岩和石英砂岩开挖料，混凝土骨料外购，质量均满足设计要求。过渡料及垫层料由砂砾料破碎后制备，其中垫层料细颗粒含量偏低。

咱在那边安顿好了，你还可以再弄株无花果树种着。汤翠恨不得侯大同把无花果起到新房的卧室里去，她见不得男人受委屈。

图2 四种颜色迷彩涂层BRDF测量结果

Fig.2 Measurement results of BRDF of four color camouflage coating

激光发射装置固定,通过调整样板的角度来调整激光入射角,通过调整探测器的位置以接收不同散射角的激光能量。实验过程中,探测器距离激光光斑中央的距离相等,探测器接收探头中心与激光光轴在同一平面,测量原理如图1所示。

中国大学目前的学术环境随着时代的变迁发生了蜕变，人才成长的环境宽严失当，学风浮躁、追求肤浅、理想浮夸。在高等教育大众化的背景下，现代大学生是否能感受到学习和生活的快乐？也许他们承受了太多的压力，以至于顾不上自身的价值，忘却了生活的真谛，忽视了心灵的力量；也许他们把现实社会看得如此的实际，以至于把自身命运与财富的积累视为一体，放弃了崇高的信念和远大的理想。[3]

分别测量4种颜色迷彩样板在天顶角φ _i 不变,方位角θ _i 为0°、30°时的散射能量分布,间隔5°测量一次。由于激光器与探测器存在遮挡,部分角度无法测量。图2为四种颜色迷彩样板的测量结果。

4 参数化建模

由于BRDF函数表示的是任意入射角激光经过散射后任意反射角的光强分布,而实验只能针对有限的激光入射角和散射角进行测量。为得到涂层全面的激光散射特性,还需对测量数据进行参数化建模。通过查阅文献可知,对于迷彩涂层这类钢基涂层样板,五参数统计模型具有很好的适应性^[11-12]。本文选用五参数模型对BRDF测量结果进行参数建模,五参数模型表达式具体如下:

(5)

式中,第一项代表镜面反射分量；第二项代表漫反射分量；k _b ,k _d 分别为镜面反射分量和漫反射分量系数；k _b ,k _r ,k _d ,b ,a 分别为模型的5个待定参数。对BRDF进行参数化建模,求解模型待定参数,要求数据拟合结果最好,就是要使拟合实验数据的标准均方差最小。下式为均方差计算公式:

min(E (x ))=

在铁路污工梁人行道设计标准中，采用U型螺栓等预埋件连接的角钢支架成为宽0.50～1.55m人行道的主导方法，这些连接件成为承受托架动静载荷的关键着力点[1]。由于螺栓连接方式及受力状态比较复杂，加之在运营过程中外界环境和列车振动的影响以及在日常维修不当，在人行道宽度较大的桥梁中逐渐出现螺栓弯曲和折断的病害，然而这些关键连接件一旦出现问题，可能造成托架脱落导致的人身伤害。

(6)

其中,f _r1 为实验的实测数据;f _r 为模型的拟合结果;g ₁(θ _i ),g ₂(θ _r )为加权函数。得到四种颜色涂层样板的BRDF参数模型如表1所示。

表1 四种颜色迷彩样板模型参数及反演参数误差

Tab.1 Parameters and inversion parameter errors of four color camouflage pattern

脉冲激光器发出的激光经过扩束、准直,将激光光斑限制为3 cm左右,小于待测样板,一方面可以降低迷彩样板接收的激光能量密度,避免损伤样板；另一方面,光斑扩大可以降低迷彩样板表面不均匀性带来的测量误差。本文使用的脉冲激光器工作波长为1064 nm,属于近红外波段,实验中,使用上转换片来观察光斑尺寸和光路准直性。

f _{r草原夏季型}=0.6f _r中绿+0.1f _r深绿+0.3f _r黄土

(7)

由此,得到夏季草原型迷彩涂层的BRDF如图3所示。

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图3 夏季草原型迷彩涂层BRDF

Fig.3 Summer prairie type BRDF of camouflage coating

利用五参数模型对计算得到夏季草原型迷彩涂层BRDF进行参数建模,得到夏季草原型迷彩涂层的五参数模型参数如表2所示。

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表2 夏季草原型迷彩涂层BRDF模型参数

Tab 2.Parameters of BRDF model of summer grassland camouflage coating

5 验证试验

为验证迷彩涂层基于比例加权的BRDF计算方法的正确性,分别设计两组迷彩涂层拼接实验。

第一组将黄土色与深绿色迷彩样板并列放置,为便于确定光斑照射样板比例,调整样板位置使激光光束以各50 %的比例照射两块样板,如图4(a)所示。第二组将黄土色、深绿色迷彩样板放置在褐土色迷彩样板上方,调整样板位置使激光光束中心与三块样板的交点重合,使光斑照射黄土色、深绿色、褐土色迷彩样板的比例分别为25 %、25 %、50 %,如图4(b)所示。

实验中,使用上转换片检查激光光斑位置及照射比例情况。测量正入射情况下,拼接迷彩样板的BRDF。

图4 模型验证实验样板拼接示意图

Fig.4 Schematic diagram of model verification experiment

根据本文提出的复合涂层BRDF计算方法,等比例拼接样板的BRDF可由黄土色、深绿色迷彩样板的BRDF参数模型得到,不等比例拼接样板的BRDF可由黄土色、深绿色、褐土色迷彩样板的BRDF参数模型得到:

(8)

拼接样板的实验测量值及BRDF计算公式的拟合结果如图5所示。由此可见,本文提出的复合涂层BRDF计算方法计算值与拼接样板的测量结果相近。验证了计算方法的正确性。

图5 拼接样板BRDF的测量值与参数拟合值对比图

Fig.5 Contrast figure of measured value and parameter fitting value

6 结 论

本文设计了BRDF测量实验,并测量了四种迷彩颜色的BRDF。根据国军标中对于迷彩涂层不同颜色喷涂面积比例的规定,提出了不同类型迷彩涂层BRDF计算方法,并以夏季草原型迷彩涂层为例进行计算,得到了夏季草原型迷彩涂层的参数化模型。通过实验测量了迷彩样板等比例、不等比例两组拼接靶板的BRDF,与加权比例参数化模型进行了对比,验证了计算方法的正确性。实验证明,本文提出的BRDF参数化模型与测量结果拟合程度较好。本文建立的迷彩涂层BRDF参数化模型,为进一步研究喷涂迷彩涂层的军事装备激光散射特性提供数据支撑。对于迷彩涂层BRDF建模方法的研究,为类似情况下,多种材料复合涂层的BRDF研究提供了借鉴思路。

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Measurement and modeling of 1064 nm laser scattering characteristics of camouflage coating

ZHOU Bing¹,GAO Yu-chen²,LIU He-xiong¹,HE Xuan¹

(1.Electronic & Optical Engineering Department,Army Engineering University of PLA,Shijiazhuang 050003,China;2.Jiuquan Satellite Launch Center,Jiuquan 732750,China)

Abstract :The laser scattering characteristics of the camouflage coating 1064 nm have significant influence on the limiting range of laser detection equipment and the laser stealth performance of the military equipment,and at present the research of the laser scattering properties of coating materials are mostly for single type coating.According to the characteristics of different kinds of camouflage coating composed of different colors,through measuring the different colors of camouflage coatings bidirectional reflectance distribution function(BRDF),and according to the area proportion of the color of different camouflage coatings in the national army standard,the BRDF of different types camouflage coated is carried out.Taking grassland summer camouflage coating as an example,and using the above method,the BRDF is measured and calculated,and by using the five-parameter empirical model,the parametric model of grassland summer camouflage coating was obtained.The correctness of the method is verified by splicing experiment.The paper provides data basis for further research on laser scattering characteristics of coating materials for military equipment,and provides some ideas for reference for study the laser scattering characteristics of multiple materials under similar conditions.

Keywords :laser;1064 nm;laser scattering characteristics;BRDF

中图分类号: TN977

文献标识码: A

DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2019.09.002

文章编号: 1001-5078(2019)09-1041-06

作者简介: 周 冰(1976-),男,博士,副教授,主要从事光电对抗方面的研究。E-mail:zhbgcgc@163.com

收稿日期: 2018-12-11

标签：激光论文;  1064论文;  nm论文;  激光散射特性论文;  双向反射分布函数论文;  陆军工程大学石家庄校区电子与光学工程系论文;  酒泉卫星发射中心论文;