红外/蓝绿双色复合探测抗海浪干扰方法研究

王金花， 姚宏宝， 周 魁， 马献华

（天津津航技术物理研究所，天津300192）

0 引言

本文研究红外、蓝绿激光对海面或目标的反射特性，并进行了模拟目标和模拟背景反射特性测试试验。试验结果表明红外、蓝绿双色激光对海面或目标的反射特性存在很大差异，基于此理论和试验数据分析，提出红外、蓝绿激光双色复合探测方法。

1 双色激光反射特性理论研究

1.1 双色激光的海面背景反射特性

激光光束探测海面的光学特性比较复杂，存在很多不确定的因素，不仅与激光的波长、激光的发射视场、接收视场等因素密切相关，同时与海面的光学特性、海面高度、海浪波长、海域风速、海水盐度、海水所含物质等因素息息相关［1］。由海面引起的光的吸收和海水体反射效应会对激光探测海面造成极大的负面影响［2］。红外/蓝绿激光对海面的回波特性，如海表面反射特性、吸收特性、海水体反射特性等方面有明显差别。

（1）红外/蓝绿双色激光的海水海表面反射特性

蓝绿激光和红外激光对海水存在时域差异［3］，不同波长激光对海水的衰减不同，海水的损耗对光谱具有选择性，532 nm蓝绿光处衰减最小，为10—4，主要表现为海水体反射和吸收，在海水中按指数衰减，海水体反射回来的激光回波可能会展宽；1 064 nm近红外波长衰减大，为103，主要表现为海表面反射和吸收，所以蓝绿激光和红外激光对海水海表面反射回波在波形形态和回波率上应有明显变化，而对舰船反射回波形态和回波率则相对稳定。

（2）海水对红外/蓝绿双色激光的吸收特性

除了蓝绿光外，海水的激光传输是不透明的［4］，海面的热辐射主要由海面几毫米厚的海水辐射。对于纯水的吸收系数见表1，此表为Sawyer W.R.测试，在（0.32～0.65）μm之间和根据Collins J.R.测量，在大于0.65μm的波长下纯水（每 m）的吸收系数［5］。

表1 不同波长下纯水的吸收系数

对于纯水，532 nm的激光海水光谱的吸收系数是0.024/m—1；1 064 nm的激光海水光谱的吸收系数是17.7/m—1。海水对激光的吸收是由多种复杂的因素造成的，导致海水吸收的主要因素是纯水、浮游植物和黄色物质［6］。海水中的溶解物质的吸收作用很大，任何溶解的物质都会导致吸收的增大。海水中的黄色物质是海洋生物和有机体腐败分解形成的可溶性有机物质，它对海水的吸收系数会随激光波长的减小而迅速增大［7］。而且，海水对激光的吸收在空间、时间上具有极大的易变性。在同一海域不同的时间、不同的深度，海水对激光的吸收都不同。通常海水的吸收随海水深度的增加而减小。海水温度的变化与海水对激光的吸收的关系不大。

（3）红外/蓝绿双色激光在海水中的海水体反射特性

红外激光在海水表面主要表现为海表面反射和吸收，而蓝绿激光还存在海水体反射。蓝绿激光在海水中的散射从微观机理上讲就是光子的传播路径发生了变化［8］。宏观上，激光在海水中的分布发生变化导致蓝绿激光海水体反射，可以认为由两部分组成：一部分是由水体本身造成的，纯水的海水体反射可以看作是分子散射，可用瑞利（Rayleigh）和起伏理论来处理；另一部分是由水体介质中接近入射的蓝绿激光波长的粒子引起的，此时散射能量集中在偏离传播方向附近很小的范围内，可以用米氏（Mie）理论来处理。单位入射的蓝绿激光光束在θ方向上产生的散射为i（θ）=λ2（i1+i2）/8π2（1）对上式进行积分，可以得到总的散射辐射为

对不同海域、不同海水类型，海水体反射的差异很大。对于深海海水，以瑞利散射为主；对于近海海水，则以米氏散射为主。同时，入射到海水中的激光束的能量分布在很宽的角度范围内，体积d V产生的散射光能量d F为

式中：A为体积散射系数；E（L）为入射光在散射体积上的照度。

考虑到海水体积，散射光的强度是极坐标θ，φ的函数，对上式进行化简，归一化可得

式中：δ（θ）为体积散射系数，对于水体本身引起的瑞利散射，δ（θ）与散射角的关系不大，也就是前向散射和后向散射基本相同，90°方向上的散射只减小了一半。对于海水中的介质引起的米氏散射，δ（θ）与散射角的关系较大，介质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，存在尖锐的前向散射区域。这说明了蓝绿激光在海水中的传输主要是沿着光的方向传播［9］。后向散射可能导致蓝绿激光信号信噪比的降低和激光脉冲到达目标时间的延迟。

1.2 双色激光对硬目标反射特性

红外、蓝绿双色激光对硬目标反射特性，主要表现为反射和吸收。不同目标对红外激光和蓝绿激光的反射和吸收不同，受目标的表面颜色、涂料、粗糙度等影响。对于硬目标，如舰船和木板，红外激光和蓝绿激光主要为反射和吸收，反射激光主要为目标表面漫反射。在距离一定的情况下，接收到的红外激光和蓝绿激光回波在幅度上是稳定的，回波率也是一定的，激光回波波形形态没有变化。

2 双色激光回波特性测试试验

2.1 双色激光对目标和背景回波测试数据

试验海浪浪高为（0.8～1.2）m。试验过程：对海浪测试1 min，然后目标进入探测视场，采集双色激光对海浪和目标回波特性。数据分析如下。

（1）回波幅度分析

双色回波幅度采集数据如图1、图2、图3所示分别为距海面3 m、5 m、10 m处红外光激光与蓝绿激光回波幅度采集数据。数据分析结果见表2。距海面3 m时，红外激光对海浪大部分回波处于饱和状态，蓝绿激光少数饱和，大部分处于（0.5～1.5）V。在相同距离，红外激光的回波幅度强于绿光。对目标双色回波均处于饱和状态。距海面5 m时，红外光对海浪大部分回波处于饱和状态，绿光对海面少数饱和，大部分处于（0.5～1）V。结果表明，在距海面5 m处，红外激光的回波幅度强于蓝绿激光。红外激光对目标处于饱和状态，蓝绿光处于临界饱和。距海面10 m时，双色激光对海浪均处于非饱和状态，红外激光对海浪回波幅度大部分在（0.5～1）V，对目标幅度为（1.5～2）V；蓝绿光对海面回波能量弱，大部分小于0.5 V，对目标幅度为1 V左右。红外激光的回波幅度强于蓝绿激光。对于目标，双色回波均处于不饱和状态。

表2 双色激光对海浪和目标回波幅度统计表

通过对双色激光回波幅度的测试，发现红外激光对海面回波幅度与对目标的回波幅度相近，蓝绿激光对海面回波幅度比对目标的回波幅度小，红外激光回波幅度大于蓝绿激光对海面回波幅度，两者对目标的回波幅度都比较强。

（2）回波脉冲宽度分析

双色回波脉冲宽度采集数据如图4、图5、图6所示，分别为距海面3 m、5 m、10 m处红外激光与蓝绿激光脉冲宽度采集数据。数据分析见表3。

距海面3 m时，双色激光对海面均有大部分回波处于饱和状态，对目标处于饱和状态，都有回波脉冲展宽。距海面5 m时，红外激光对海浪部分回波处于饱和状态，部分回波有展宽，对目标处于饱和状态，回波展宽为30 ns；蓝绿激光对海面激光回波明显展宽，（20～80）ns（在幅度波形中只有极少数回波幅度饱和），对目标处于近饱和状态，脉冲宽度20 ns左右。距海面10 m时，双色回波对海浪和目标均处于不饱和状态，红外激光对海浪和目标脉冲宽度小于20 ns；蓝绿激光对目标脉冲宽度为20 ns，没有展宽，对海浪有明显展宽（30～70）ns。

通过双色激光回波脉冲宽度的测试，发现蓝绿激光对海面在不饱和的情况下，幅度明显展宽而红光没有展宽现象。

表3 双色激光对海浪和目标回波脉冲宽度统计表

（3）回波率分析

双色激光回波率采集数据如图7、图8、图9所示，分别为距海面3 m、5m、10 m处红外光激光与蓝绿激光回波率采集数据。数据分析结果见表4。结果表明在相同距离，对海浪，红外光的回波率高于蓝绿激光回波率；对目标，双色回波率均为100%。在回波率上双色激光存在明显差异。

2.2 双色激光对目标和背景回波测试数据汇总

红外激光和蓝绿激光对海浪和目标在回波幅度、宽度、回波率上存在明显差异。

a）红外激光对海面回波幅度与对目标的回波幅度相近，蓝绿激光对海面回波幅度小于目标的回波幅度，红外激光回波幅度大于蓝绿激光对海面回波幅度，两着对目标回波幅度都比较强；

表4 双色激光对海浪和目标回波率统计表

b）在激光回波不饱和情况下，红外激光对海浪回波脉冲宽度无展宽，蓝绿激光对海浪回波脉冲宽度明显展宽，两者对目标回波脉冲宽度都无展宽；

c）双色激光回波率随距离的增大都减小，在相同距离，红外激光回波率高于蓝绿激光的回波率，对目标回波率都为100%。

3 双色复合抗海浪干扰算法

基于以上双色回波特性分析和试验测试结果，双色回波在幅度、脉冲宽度、回波率上存在明显差异，而且双色激光对海浪和目标激光特性也存在明显差别。采用分区可变阈值的目标判别方法实现激光探测抗海浪干扰。在不同的距离范围，对于双色激光回波在回波幅度、脉冲宽度和回波率上分别设置不同阈值。近距离，双色激光对目标和水面均处于饱和状态，脉冲宽度不能作为主要判别依据，将回波率作为主要判别依据；在中远距离，蓝绿激光在回波脉冲幅度上明显存在展宽现象，将脉冲宽度和幅度作为主要判别依据。目标判别分区阈值见表5，双色信息处理软件流程如图10所示。

表5 分区阈值目标判别列表

4 结束语

本文在理论研究的基础上就红外、蓝绿双色激光对海面和目标的反射特性进行分析，并进行了模拟目标和模拟背景反射特性测试试验，试验结果表明红外、蓝绿双色激光对海面和目标的反射特性存在很大差异。红外激光对海面回波幅度与对目标的回波幅度相近，蓝绿激光对海面回波幅度小于目标的回波幅度，红外激光回波幅度大于蓝绿激光对海面回波幅度，两者对目标回波幅度都比较强；在激光回波不饱和情况下，红外激光对海浪回波脉冲宽度无展宽，蓝绿激光对海浪回波脉冲宽度明显展宽，两者对目标回波脉冲宽度都无展宽；双色激光回波率随距离的增大都减小，在相同距离，红外激光回波率高于蓝绿激光的回波率，对目标回波率都为100%。经试验验证，此方法具有良好的抗海浪干扰效果。