一种大尺寸目标室内激光散射特征的测量方法及测量系统

技术领域

本发明涉及信号特征控制技术领域，特别是光电特性研究与试验领域。

背景技术

以下对本发明的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本发 明的现有技术。

大尺寸目标的激光散射特性测量需要满足一定的远场条件。远场的基本 条件有两个：一是要求照射到目标上的光是平行光，二是要求激光探测器接 收的入射光是近似平行光。对于尺寸超过1m的大型目标，为了满足远场条 件，激光发射器和探测器到目标的距离较远，约为300m～1000m，在室内 很难实现。传统的大尺寸目标的激光散射特性测量均采用外场测量方法。

以激光散射截面(Laser radar cross section,LRCS)的单站测量方法为例， 传统的大尺寸目标的激光散射特性的测量方法如图1所示，具体包括：1) 将目标4置于转台3上；2)将激光发射器1和激光接收器2尽量靠近并同 时对准目标；3)激光发射器1发射激光沿发射光路5照射到目标4上，由 于距离较远，照射到目标4出的光信号近似为平行光；目标4反射回来的光 信号沿接收光路6照射到激光接收器2；4)在测量控制计算机7的控制下， 激光接收器2接收目标4反射回来的光信号，并转换为电压值V_目标；5)测 量控制计算机7控制转台3改变目标4的俯仰角和方位角，重复步骤4，最 终完成目标4的各个方向的反射光信号测量；6)用吸收率很高的织物覆盖 目标4，测量目标4反射光信号对应的电压值，作为背景V_背景。7)标准板的 LRCS已知，为σ^标准板；将标准反射板置于转台3上，测量其反射光信号对 应电压值V_标准板；8)通过公式1可以计算出目标在某个方位角俯仰角时的 LRCS：

传统方法的优点是简单直接，物理概念清楚。但其缺点也很明显，主要 有两个方面。一是测量精度差。外场远距离测量时，光信号通过大气从激光 发射器传输到目标，由目标反射后再传输到激光探测器，光信号所通过的路 径是测量距离的两倍。大气受到天气的影响很大，因此所产生的大气扰动、 后向散射等严重影响激光散射特性的测量精度。尤其是弱信号的测量，其误 差甚至可以达到100％以上。二是测量效率低。外场试验受天气条件的影响 大，如雨、风、雾霾、温湿度等，在很多时候甚至不能进行测量。有些地方 一年中只有几十天的测量时间，严重影响了激光散射特性的测量效率。

因此，现有技术中需要一种能够解决由于激光发射器和激光接收器到目 标的距离较远而导致大尺寸目标激光散射特性的测量精度差和测量效率低 的问题的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够提高大尺寸目标激光散射特性的测量 精度和测量效率的技术方案。

根据本发明的一个方面，提出一种大尺寸目标室内激光散射特性的测量 方法，包括：

通过转台调整放置在转台上的被测大尺寸目标的俯仰角和方位角；

每一次调整俯仰角和方位角后，测量经准直部件汇聚得到的汇聚光信 号，包括：由激光接收器接收由准直部件对所述被测大尺寸目标反射的光信 号进行汇聚得到的第一汇聚光信号，并将接收的第一汇聚光信号转换为第一 电压信号V₁；用高吸收率的织物覆盖所述被测大尺寸目标，或去掉所述被 测大尺寸目标，以测量背景反射的光信号；由所述激光接收器接收由所述准 直部件对所述背景反射的光信号进行汇聚得到的第二汇聚光信号，并将接收 的第二汇聚光信号转换为第二电压信号V₂；用标准反射板替换所述被测大 尺寸目标固定于所述转台上，以测量所述标准反射板反射的光信号；由所述 激光接收器接收由所述准直部件对所述标准反射板反射的光信号进行汇聚 得到的第三汇聚光信号，并将接收的第三汇聚光信号转换为第三电压信号 V₃；根据公式2，计算所述被测大尺寸目标的激光散射特征值σ₁：

${\sigma }_1=\frac{V_1-V_2}{V_3-V_2}\times {\sigma }_2$   (公式2)

式中，σ₁为所述大尺寸目标的激光散射特征值；σ₂为所述标准反射板 的激光散射特征值；V₁为第一电压信号；V₂为第二电压信号；V₃为第三电 压信号；其中，由激光发射器发射光信号，所述光信号被所述准直部件转换 成平行光并照射到所述被测大尺寸目标或所述标准反射板上；照射到所述被 测大尺寸目标或所述标准反射板上的光信号被所述被测大尺寸目标或所述 标准反射板反射，经所述准直部件汇聚后转化为所述汇聚光信号。

其中，在被测大尺寸目标的背对于激光发射器和激光接收器的一侧设置 有吸光屏，以减少室内墙壁反射对测量结果的影响。

其中，吸光屏为薄板型结构，吸光屏的外接圆的直径大于1.5倍的被测 大尺寸目标的外接圆直径；吸光屏与被测大尺寸目标或标准反射板之间的距 离大于5m。

其中，准直部件为透射式准直镜；激光发射器的光轴与透射式准直镜的 光轴之间的夹角以及与激光接收器的光轴与透射式准直镜的光轴之间的夹 角不大于0.05°。

其中，准直部件包括：反射式准直镜，以及分光镜；激光发射器发射的 光信号被分光镜透射后照射到反射式准直镜上；被测大尺寸目标反射的光信 号经反射式准直镜汇聚后，被分光镜反射并照射到所述激光接收器上。

根据本发明的另一个方面，提出一种大尺寸目标室内激光散射特性的测 量系统，包括：

标准反射板、用于放置被测大尺寸目标和标准反射板的转台、用于发射 光信号的激光发射器、用于接收被测大尺寸目标和标准反射板反射的光信号 的激光接收器、用于调整转台的俯仰角和方位角的控制器，以及高吸光率的 织物，被测大尺寸目标和标准反射板可拆卸地设置在转台上，根据本发明的 测量系统还包括：准直部件和吸光屏；

其中，准直部件通过高度和方向可调节的支架设置在激光发射器与被测 大尺寸目标之间以及激光接收器和被测大尺寸目标之间的光路上；激光发射 器与准直部件之间的水平距离以及激光接收与准直部件之间的水平距离均 为准直部件的焦距；吸光屏设置在被测大尺寸目标的背对于激光发射器和激 光接收器的一侧；

激光发射器发射的光信号，被准直部件转换成平行光并照射到被测大尺 寸目标或标准反射板上；照射到被测大尺寸目标或标准反射板上的光信号被 被测大尺寸目标或标准反射板反射，经准直部件汇聚后得到汇聚光信号；激 光接收器将汇聚光信号转换为电压信号。

其中，准直部件为透射式准直镜；激光发射器的光轴与透射式准直镜的 光轴之间的夹角以及与激光接收器的光轴与透射式准直镜的光轴之间的夹 角不大于0.05°。

其中，准直部件包括：反射式准直镜，以及设置在激光发射器与反射式 准直镜之间以及激光接收器和反射式准直镜之间的光路上；激光发射器发射 的光信号被分光镜透射后照射到反射式准直镜上；经准直部件汇聚后得到的 汇聚光信号，被分光镜反射后照射到激光接收器上。

其中，激光发射器的光轴与平行光的光轴之间的锐角夹角为离轴角θ， 离轴角θ小于10°，以保证照射到被测大尺寸目标或标准反射板上的平行 光的均匀性和平行度。

其中，吸光屏为薄板型结构，吸光屏的外接圆的直径大于1.5倍的被测 大尺寸目标的外接圆直径；吸光屏与被测大尺寸目标或标准反射板之间的距 离大于5m。

根据本发明的大尺寸目标室内激光散射特性的测量方法和测量系统，激 光发射器与被测大尺寸目标之间以及激光接收器和被测大尺寸目标之间的 光路上设置有准直部件，激光发射器发射的光信号被准直部件转换成平行光 后照射到被测大尺寸目标上，被测大尺寸目标反射的光信号被准直部件汇聚 后照射到激光接收器上，大大缩短了激光发射器与被测大尺寸目标之间以及 激光接收器被测大尺寸目标之间的距离，使得大尺寸目标的激光散射特性测 量可以在室内进行，提高了大尺寸目标激光散射特性的测量精度和测量效 率。此外，根据本发明的测量方法和测量系统，在光信号照射的室内范围内 设置有吸光屏，从而减少了室内墙壁反射对测量结果的影响，进一步提高了 大尺寸目标激光散射特性的测量精度。

附图说明

通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优 点将变得更加容易理解，在附图中：

图1是示出传统的大尺寸目标激光散射特性的外场测试方法的示意 图；

图2是示出根据本发明的大尺寸目标室内激光散射特性的测量方法的 流程图；

图3是示出根据本发明的大尺寸目标室内激光散射特性的测量方法的 第一实施例示意图；

图4是示出根据本发明的大尺寸目标室内激光散射特性的测量方法的 第二实施例示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性 实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的 限制。

大尺寸目标的激光散射特性测量需要满足两个基本条件：一是要求照射 到目标上的光是平行光，二是要求激光探测器接收的入射光是近似平行光。 对于尺寸超过1m的大型目标，为了满足远场条件，激光发射器和探测器到 目标的距离较远，约为300m～1000m，在室内很难实现。传统的大尺寸目 标的激光散射特性测量均采用外场测量方法。

外场远距离测量时，光信号通过大气从激光发射器传输到目标，由目标 反射后再传输到激光探测器，光信号所通过的路径是测量距离的两倍。大气 受到天气的影响很大，因此所产生的大气扰动、后向散射等严重影响激光散 射特性的测量精度。尤其是弱信号的测量，其误差甚至可以达到100％以上。 此外，外场试验受天气条件的影响大，如雨、风、雾霾、温湿度等，在很多 时候甚至不能进行测量。有些地方一年中只有几十天的测量时间，严重影响 了激光散射特性的测量效率。

因此，现有技术中需要一种能够解决由于激光发射器和激光接收器到目 标的距离较远而导致大尺寸目标激光散射特性的测量精度差和测量效率低 的问题的解决方案。

本发明以激光散射截面(Laser radar cross section,LRCS)的单站测量为 例，介绍大尺寸目标室内激光散射特性测量的技术方案。

根据本发明的一个方面，提供一种大尺寸目标室内激光散射特性的测量 方法。参见图2-4，根据本发明的大尺寸目标室内激光散射特性的测量方法， 包括：

步骤S1.通过转台调整放置在转台3上的被测大尺寸目标4的俯仰角和 方位角。

被测大尺寸目标4固定地设置在转台3上。转台3能够进行水平角度的 转动和俯仰角度的转动，进而调节被测大尺寸目标4的方位角和俯仰角，以 完成被测大尺寸目标4的各个方向的反射光信号的测量。根据本发明的优选 的实施例，采用控制器7调整转台3的方位角和俯仰角。

步骤S2.每一次调整俯仰角和方位角后，测量经准直部件汇聚得到的汇 聚光信号。

被测大尺寸目标4反射的光信号中包含多个方向的光束。为了过滤发散 角较大的光束，根据本发明的优选的实施例，在激光发射器1与被测大尺寸 目标4之间的发射光路5上设置有准直部件。由激光发射器1发射光信号的 光信号被准直部件转换成平行光后照射到被测大尺寸目标4或标准反射板 上。

准直部件可以是透射式准直镜8，也可以是反射式准直镜9，或者是本 领域技术人员熟知的其它准直部件，优选地，激光发射器1与准直部件之间 的水平距离以及激光接收器2与准直部件之间的水平距离均为准直部件的 焦距。

根据本发明的大尺寸目标室内激光散射特性的测量方法的第一实施例， 参见图3，准直部件为透射式准直镜8。透射式准直镜8通过高度和方向可 调节的支架设置在激光发射器1与被测大尺寸目标4之间的发射光路5上。 激光发射器1的光轴与透射式准直镜8的光轴之间的夹角不大于0.05°。

根据本发明的大尺寸目标室内激光散射特性的测量方法的第二实施例， 参见图4，准直部件包括：反射式准直镜9，以及分光镜10。激光发射器1 发射的光信号被分光镜10透射后照射到反射式准直镜9上；被测大尺寸目 标4反射的光信号经反射式准直镜9汇聚后，被分光镜10反射并照射到激 光接收器2上。激光发射器的光轴与平行光的光轴之间的锐角夹角为离轴角 θ，优选地，离轴角θ小于10°，从而保证照射到被测大尺寸目标4或标 准反射板上的平行光的均匀性和平行度。

测量经准直部件汇聚得到的汇聚光信号的具体步骤包括：

S21.由激光接收器2接收由准直部件对被测大尺寸目标4反射的光信 号进行汇聚得到的第一汇聚光信号，并将接收的第一汇聚光信号转换为第一 电压信号V₁。

S22.用高吸收率的织物覆盖被测大尺寸目标4，或去掉所述被测大尺 寸目标，以测量背景反射的光信号。

S23.由激光接收器2接收由准直部件对所述背景反射的光信号进行汇 聚得到的第二汇聚光信号，并将接收的第二汇聚光信号转换为第二电压信号 V₂。

S24.用标准反射板替换被测大尺寸目标4固定于转台3上，以测量所 述标准反射板反射的光信号。

S25.由激光接收器2接收由准直部件对标准反射板反射的光信号进行 汇聚得到的第三汇聚光信号，并将接收的第三汇聚光信号转换为第三电压信 号V₃。

S26.根据公式2，计算被测大尺寸目标4的激光散射特征值σ₁。

${\sigma }_1=\frac{V_1-V_2}{V_3-V_2}\times {\sigma }_2$  (公式2)

式中，

σ₁为被测大尺寸目标的激光散射特征值；

σ₂为标准反射板的激光散射特征值；

V₁为第一电压信号；

V₂为第二电压信号；

V₃为第三电压信号。

为了减少室内墙壁反射对测量结果的影响，根据本发明的优选的实施 例，在被测大尺寸目标4的背对于激光发射器1和激光接收器2的一侧设置 有吸光屏11。优选地，吸光屏11为薄板型结构，吸光屏11的外接圆的直 径大于1.5倍的被测大尺寸目标4的外接圆直径；吸光屏11与被测大尺寸 目标4或标准反射板之间的距离大于5m。

根据本发明的另一个方面，提供一种大尺寸目标室内激光散射特性的测 量系统。

参见图3-4，根据本发明的大尺寸目标室内激光散射特性的测量系统， 包括：标准反射板、转台3、激光发射器1、激光接收器2、控制器7、高吸 光率的织物、准直部件和吸光屏。

以下结合图3-4对根据本发明的大尺寸目标室内激光散射特性的测量 系统进行详细说明。

被测大尺寸目标4和标准反射板可拆卸地设置在转台3上，通过控制器 7调整放置在转台3上的被测大尺寸目标4的俯仰角和方位角。为了减少室 内墙壁反射对测量结果的影响，根据本发明的优选的实施例，在被测大尺寸 目标4的背对于激光发射器1和激光接收器2的一侧设置有吸光屏11。优 选地，吸光屏11为薄板型结构，吸光屏11的外接圆的直径大于1.5倍的被 测大尺寸目标4的外接圆直径；吸光屏11与被测大尺寸目标4或标准反射 板之间的距离大于5m。

准直部件通过高度和方向可调节的支架设置在激光发射器1与被测大 尺寸目标4之间的发射光路上以及激光接收器2和被测大尺寸目标4之间的 接收光路上，激光发射器1与准直部件之间的水平距离以及激光接收2与准 直部件之间的水平距离均为准直部件的焦距。准直部件可以是透射式准直镜 8，也可以是反射式准直镜9，或者是本领域技术人员熟知的其它准直部件。

根据本发明的大尺寸目标室内激光散射特性的测量系统的第一实施例， 参见图3，准直部件为透射式准直镜8。透射式准直镜8通过高度和方向可 调节的支架设置在激光发射器1与被测大尺寸目标4之间的发射光路5上。 激光发射器1的光轴与透射式准直镜8的光轴之间的锐角夹角以及激光接收 器2的光轴与透射式准直镜8的光轴之间的锐角夹角均不大于0.05°。

根据本发明的大尺寸目标室内激光散射特性的测量系统的第二实施例， 参见图4，准直部件包括：反射式准直镜9，以及分光镜10。激光发射器1 发射的光信号被分光镜10透射后照射到反射式准直镜9上；被测大尺寸目 标4反射的光信号经反射式准直镜9汇聚后，被分光镜10反射并照射到激 光接收器2上。激光发射器的光轴与平行光的光轴之间的锐角夹角为离轴角 θ，优选地，离轴角θ小于10°，从而保证照射到被测大尺寸目标4或标 准反射板上的平行光的均匀性和平行度。优选地，反射式准直镜9的口径为 M×cos(θ/2)、焦距f为M/(2×sinθ)、准直镜的曲率半径为2f，其中，M 为被测大尺寸目标4的外接圆的直径。

利用根据本发明的测量系统进行大尺寸目标室内激光散射特性测量时， 首先采用控制器7调整转台3的俯仰角和方位角。接下来，在每一次调整俯 仰角和方位角后，测量经准直部件汇聚得到的汇聚光信号，具体步骤包括：

S21.由激光接收器2接收由准直部件对被测大尺寸目标4反射的光信 号进行汇聚得到的第一汇聚光信号，并将接收的第一汇聚光信号转换为第一 电压信号V₁。

S22.用高吸收率的织物覆盖被测大尺寸目标4，或去掉所述被测大尺 寸目标，以测量背景反射的光信号。

S23.由激光接收器2接收由准直部件对所述背景反射的光信号进行汇 聚得到的第二汇聚光信号，并将接收的第二汇聚光信号转换为第二电压信号 V₂。

S24.用标准反射板替换被测大尺寸目标4固定于转台3上，以测量所 述标准反射板反射的光信号。

S25.由激光接收器2接收由准直部件对标准反射板反射的光信号进行 汇聚得到的第三汇聚光信号，并将接收的第三汇聚光信号转换为第三电压信 号V₃。

S26.根据公式2，计算被测大尺寸目标4的激光散射特征值σ₁。

本发明首先将激光发射器发射的光信号转换成平行光，转换后的平行光 沿着发射光路照射到被测大尺寸目标或标准反射板上，被测大尺寸目标或标 准反射板反射的光信号被准直部件汇聚后得到汇聚光信号，激光接收器接收 汇聚光信号并将汇聚光信号转换成电压信号。根据本发明的大尺寸目标激光 散射特性的测量方法和测量系统，照射到被测大尺寸目标上的光信号接近平 行光，并能大大激光发射器与被测大尺寸目标之间以及激光接收器被测大尺 寸目标之间的距离，使大尺寸目标激光散射特性的测量可以在室内进行，提 高了大尺寸目标激光散射特性的测量精度和测量效率。此外，根据本发明的 测量方法和测量系统，在光信号照射的室内范围内设置有吸光屏，从而减少 了室内墙壁反射对测量结果的影响，进一步提高了大尺寸目标激光散射特性 的测量精度。

虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本 发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要 求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方 式做出各种改变。