激光反射率检测体系

0引言

随着CCD技术和激光探测技术的发展，针对目标激光漫反射率的研究在国防航空和航天工业中起着越来越重要的作用，并被广泛应用在诸如目标激光漫反射特性和激光系统性能测试等各个领域［1，2］。本文介绍了目标激光漫反射率测量系统与实验过程，采用大口径激光接收能量计对目标板（靶板）进行了激光漫反射率的测量、标定，准确得到了目标板的激光漫反射率［3—6］。

1系统测试原理

目标漫反射率测量原理如图1所示，激光垂直入射到目标表面，能量计与激光器的夹角为θ。在测试目标的反射率时，设目标与激光发射器之间的距离为R1，激光器发射的激光脉冲能量为E0，则打到靶上的激光能量为Ei漫反射光具有一定的空间分布，设待测目标反射表面为朗伯表面，其漫反射规律符合余弦定律，漫反射光可看作二次发光源，其辐射空间范围的立体角Ω由（5）式可见，为求得目标的反射率ρ，不仅要测出激光出射口处的能量E0，还应测定系数β、γ、α。这三个系数中α角是可以测定的，若R2＝100m，一般设置α＝1°时，激光器与接收能量计之间的间距可达1．75m，便可方便操作了。而cos1°＝0．999885，因此在计算时可认定cosα＝1；修正系数γ是可以标定的，但大气衰减系数β则与测量时的气象条件相关，必须实时、实地用大气透过率测试仪实时测量，这会给使用带来不便和困难。为此，若将能量计置于距离R＝R1＋R2处测出E′0，则ρ值计算公式（5）中的β便会自动消除了。式（5）可简化为为在距离R处正确测出E′0，要求能量计有足够大的动态范围，能量计的接收口径D要足够大。

2测试系统组成

目标反射率测试仪主要由发射子系统、接收子系统以及数据处理模块等几部分组成，实验布局如图2所示。

2．1激光发射器

激光器安装在三维调整平台上，激光电源及冷却水箱放置在侧面固定框架上，其特点是激光器带有同轴的红光指示激光源。激光器采用1．57μmOPO固体重频激光器，为了压缩输出激光的发散角，激光器出射端备有发射光学系统，并在出射端有激光衰减器、分光器、监测能量计等。

2．2待测靶板和全反射镜装置

测量时将其置于离激光器R1处，待测靶板和全反射镜装置分别安装在各自的三维调整架上，测E′0时用全反射镜装置，测Eα时用待测靶板。

2．3激光能量接收测量装置

大口径激光能量计安装在三维调整平台上，其特点之一是接收口径大，D达到250mm，因此要求平台的载重能力大于25kg；另一技术特点是测瞄合一，即能量测量和CCD观察瞄准用同一套光学系统。

3测试系统的光轴校正方法

为了提高测量目标反射率ρ的检测精度，保证重复测量的一致性和稳定性，测试系统的光轴必须严格校正。

3．1测量时的光轴校正

要求激光发射轴与全反射平面反射镜法线及激光接收能量测量装置的接收光学系统光轴共面且对中，校正时将借助水泡使激光器支撑平台、全反射镜平台和能量测量平台基本在同一水平面内，并使与激光发射同轴的红色半导体激光，打到R1处的全反射镜的镜面上，进一步调整全反射镜平台的方位、俯仰及高低，直至打在全反射镜镜面中心的红光又原路顶回激光发射口的中心，如此保持平台的俯仰及高低不变，将反射镜的法线方位角旋转角度，这样红光便改变方向（θ角），此红光传播至R2处的能量测量装置上时，又被镜面垂直于能量计光轴的另一调整用小全反射镜接收，调整能量测试平台的高低、俯仰、方位，使红色光斑位于能量测试装置的入口中心，并且此小全反镜又将红光原路顶回R1处的全反射镜，这样调整后就能保证激光发射、反射及接收三者光轴共面并对中。

3．2测量Eα时的光轴校正

将R1处的全反射平面镜调整平台移开，原地换上待测目标，并将能量测试装置上的小全反射镜取下移至待测目标中心并固定，同样调整待测目标平台的高低、方位以及俯仰，使红光光斑居中并原路顶回激光发射器中心位置，此时激光能量测量装置的光轴与目标法线夹角即为α角，由于经待测目标反射之后，入射激光已经变为漫反射光。另外，也可以借助CCD观瞄系统观察待测目标上的红光光斑，调整并使其达到对中的目的。

4结果与分析

通过对被测漫反射靶板在平行光垂直入射条件各方向反射率的测量数据及被测靶板全空间总反射率的测量数据（70％），用最小二乘法拟合得到反射率椭球方程为从坐标原点到上述方程所表示的椭球表面上的任一个点的矢量长度表征该反射方向上以该矢量长度为半径（单位为m）的单位面积内的反射率，矢量方向为反射方向。表1列出了几个典型方向的单位面积反射率。设实际测量时探测器接收面距离反射靶板为L，由上述反射率椭球计算出半径为r（θ）的单位面积内的反射率r，探测器接收面直径为d，则依据平方反比定律可由下式得到探测器接收到辐射量占入射到靶板的辐射量的比例式中单位均为m。实验室内以1．57μm激光光源在夹角为5°，测量距离为4．2m的条件下进行了反射率的测量，探测器接收面直径为250mm，测量结果为0．000315。依上式计算的理论结果为0．000324。两者吻合得较好，测试设备完全满足系统设计使用需求。

5结论

本文提出了一种由大口径激光能量仪构成的目标激光漫反射率测试系统。该系统具有以下特点：测瞄合一，在结构上保证CCD观瞄系统光轴与1．57μm激光探测器光轴一致。且CCD观瞄系统和激光能量仪机构合一，操作简单，快速实现对目标漫反射率测量。