第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
激光的问世给光学领域带来革命性的变化，由于其高亮度、高相干性和高准直性等特性，激光在工业、军事、通信、医学和科学研究等领域发挥了独特的作用。而目标激光散射特性描述了激光与目标相互作用而产生的物理现象，揭示了目标与激光相互作用固有本性。随着激光技术的日趋成熟和应用领域的不断扩展，各种各样的激光系统在军事航天领域中起着至关重要的作用。在以激光为光源的系统中，高相干性的激光从粗糙表面反射或通过折射率无规涨落的媒质传播时会形成无规的强度分布即激光散斑，传统上，雷达天文学、孔径雷达、声学成像、激光全息照相等成像信息系统中，通常将激光散斑视为影响图像信息质量的噪声而进行抑制[1-5]。然而根据散射理论，激光散斑形成与目标性质、照射光场、接收孔径等有密切联系，即激光散斑中同时也携带了光波和散射物体的信息，因此激光散斑作为一种信息载体被广泛应用于测量（物体振动、位移、形变、粗糙度、晶体长度变化）、检测材料裂纹、微血管血流和生物组织及医学诊断等众多领域[6-15]。随着光电探测器件 CCD(Charge-coupled Device)制造和计算机技术的发展，激光散斑测量技术省略了传统的显影和定影过程，人们又将激光散斑测量技术与光信息处理、全息照相、干涉测量及表面粗糙度测量技术等结合，使得激光散斑测量在工程、国防等领域的重大应用前景[16]。同时，由于激光散斑测量技术具有结构简单、不需要光学平滑表面、全场非接触测量、无损性、实时性等优点，在各光学测量检查中已逐渐成为理论和应用研究的热点[17-29]，因此对激光散斑测量技术做进一步研究具有非常重要的意义。另一方面，在高分辨 3D 目标识别成像中，常常是通过测量目标距离分辨激光雷达散射截面来预测和探知目标的形状尺寸表面散射特征等基本信息，因此如何测量得到更高分辨率的距离分辨激光雷达散射截面一直是研究的重点。对于粗糙度大于入射激光波长的目标而言，其激光散斑图像所包含的目标物理信息为其无损测量和检测提供了可能，进一步激光波长变化引起的散斑图像沸腾和解相关成为提高目标距离分辨率识别的新理论依据。当频率可调的激光持续照射粗糙目标时，其后向散射形成的散斑场呈现沸腾解相关状态，而激光波长变化引起的散斑强度起伏互谱密度函数与目标距离分辨激光雷达散射截面密切相关，应用激光散斑波长解相关技术获取距离分辨激光雷达散射截面，可以最终获得目标尺寸形状表面特征。利用散斑解相关技术进行激光雷达目标识别检测应用广泛，它可以在减小光学成像系统设备要求的同时得到更高的目标分辨率，也为如机械视觉 3D 成像和空间三维度量等工业方面提供了重要的技术依据。当探测识别的粗糙目标处于复杂运动状态，如包含有快速平移和微小章动和旋转，则由于运动多普勒频移与测量频率成正比，尽管雷达探测可以跟踪目标，但对于多普勒频移量很小时，却难以检测获得目标的旋转速度或周期，成为微运动目标特征提取与识别的瓶颈。目标激光散斑波长解相关技术，采用波长可调的激光照射目标产生的激光散斑图像呈现平移和沸腾现象，利用比微波段高 3~4 个量级多普勒频移以及粗糙旋转物体的动态散斑图像处理可以获得目标的微运动特征。因此，研究目标的激光散斑统计特性，通过激光散斑沸腾状态与波长解相关技术提取目标形状尺寸特征、激光散斑平移状态特征提取目标微运动参数作为一种新的目标识别探测方法，也是激光雷达目标探测识别的关键技术之一，可以对空间目标、地面背景目标等的光学特性进行探测，鉴别和状态分析。通过实验数据获取，理论预估、建模仿真的研究，为目标监视、跟踪、特征提取和识别提供重要的技术支撑。
1.2 国内外研究进展
1.2.1 激光散斑静态统计特性
从 1981 年之后十年内，Yamaguchi 等人一直致力于激光散斑测量物体小变形情况下的位移和相关效应的研究，他们从物体变形前后散斑场的互相关函数入手，导出相关函数与相关位移、相关位移与物体变形之间的关系，在小变形前提下假设散斑位移在小区域内均匀变化，给出衍射场、客观散斑记录、主观散斑、离焦和远离中心成像记录等系统的位移与物面变形的关系，并通过面内位移、面内应变、离面位移等实验进行验证。依据这些理论，Yamaguchi 采用一维光电二极管线阵来接收散斑场，根据互相关函数极值判断真实的散斑位移，成功研制了激光散斑应变计，之后，他们又将散斑位移理论推广到圆柱体，计算了圆柱体扭转时的轴向应变和剪切应变[33-34]。同时，Junji Ohtsubo and ToshimitsuAsakura 等人利用贝塞尔函数二阶无穷级，给出部分发展散斑强度微分的概率密度函数的近似形式，得到完全发展散斑在特殊情况下的概率密度函数[35]。此后，G. Rasigni 等人提出模拟高斯随机表面的方法，据此根据 Kirchllof 近似模拟不同偏振态入射光被一维高斯随机表面散射后的强度分布，奠定了模拟二维激光散斑场的基础[36]，ThomasThumer 等人发现模拟散斑场性质和成熟散斑场理论一致[37]。二十世纪九十年代， Gudimetla, V S Rao 等构建了部分发展散斑图像强度的三点联合概率密度函数，改进了一阶贝塞尔函数产生的无穷项之和，解释了完全发展高斯散斑对应的概率密度函数，并应用这一结果得到附带条件下的强度密度函数，从而推动光学散射问题研究以及激光雷达光学信噪比计算的发展[38]。进一步，他们又得到非相关的激光散斑图像、部分发展散斑中两点的强度概率密度函数和强度的相关函数，将孔径平均方法应用到散斑消除技术[39]。O. Korotkova 等在入射光为球面波与平面波的情况下，基于 Rytov 理论和 Kolmogorov 谱模型，推导了准光滑和朗波目标两种有限情况下，粗糙表面是满足高斯谱的一个薄副相位屏模型，分析解释了采用双战装置时强或弱空气湍流情况下互相关函数和粗糙目标最低阶高斯光束的闪烁指数函数[40]。
第二章 激光散斑强度概率密度函数
2.1 引言
从可见光波长的尺度分析，一般物体的表面是粗糙的，这样表面可以看作是由无规则分布的大量面元构成，当相干光照射这样的表面时，每个面元就相当于一个衍射单元，整个表面则相当于无规则分布的大量衍射单元构成的“位相光栅”，对比较粗糙的表面来说，不同衍射单元会给入射光引入的附加相位之差可达2π 的若干倍，经表面上不同面元透射或反射的光振动在空间相遇时将发生干涉。由于诸面元无规则分布而且数量很大，随着观察点的改变，干涉效果将急剧而无规则变化，从而形成了无规分布颗粒状结构衍射图样-散斑[13]。当用高度相干的激光照射光学粗糙表面时，将会出现激光散斑图样如图 2.1。根据散斑的形成可以知道，散斑图像的形成与物体表面特性和照明光场的相干性等因素有关，当目标表面的粗糙程度等于或大于激光波长时，激光散斑表现出一些有很明显的特征：①在散射光形成的三维空间中散斑图像显示出高的对比性。②入射光频率的变化或者粗糙目标的微小运动会引起散斑图像的移动或解相关。因此可以用高相干的激光照射目标表面并通过不同的散斑图像可获取目标的信息。激光散斑是由粗糙目标表面被相干光照射产生的，因此是一种随机过程，要研究它常常使用概率统计的方法，可以获得散斑的强度分布、对比度和散斑运动规律等特点。
第三章 接收孔径对曲面目标的激光.........31
3.1 引言.........31
3.2 旋转曲面产生的散斑强度互相关函数 .........31
3.3 探测孔径对互相关函数的影响.........33
3.4 方型接收孔径上曲面目标激光散斑.........40
3.5 粗糙圆柱产生的散斑特性.........47
3.6 小结.........54
第四章 动态散斑的平移与沸腾.........55
4.1 引言.........55
4.2 散斑强度起伏相关函数 .........56
4.3 积分散斑强度的统计特性.........70
4.4 散斑运动的特征 .........72
4.5 多普勒效应与散斑运动状态的关系.........84
4.6 小结.........88
第五章 激光散斑方法测量目标微运动.........89
5.1 引言.........89
5.2 散斑测量目标三维平动 .........89
5.3 振动产生的动态散斑特征.........95
5.4 圆柱旋转的动态散斑及其谱特征......... 101
5.5 小结...........108
结论
本文依据粗糙面散射理论、时域散射二阶统计特征，结合粗糙物体激光散射，针对技术发展需求，研究了粗糙面激光散斑统计特性、探测孔径上积分散斑的统计特性、运动目标产生的动态散斑特性、动态散斑测量目标运动特征、距离分辨激光雷达散射截面计算以及激光散斑波长解相关特性。论文取得成果如下：
1 研究了粗糙面激光散斑的强度相关函数及功率谱密度，推导了散射光场中任意一点的瞬时强度的统计分布及物理模型，给出了两个独立散斑、探测器上多个散斑情况下散斑强度的概率密度函数，实验测量了刨床标准板及圆柱目标产生的散斑图像，计算分析了其概率密度函数特征。
2 利用粗糙面散射理论，给出旋转曲面对高斯光束散射后在远场产生的动态散斑特性。推导了探测孔径上散斑强度起伏的互相关函数模型，计算了平面目标与球形目标的相关距离；分析了曲面目标以恒定角速度旋转时散斑强度起伏的相关时间随曲率半径的变化关系；推导了目标旋转引起的散斑解相关角度的表达式，模拟并测量分析了方形探测孔径上散斑数目、散斑尺寸的变化特性；考虑远场情况，给出了入射光束照射面积大于圆柱表面尺寸时的散斑强度起伏相关函数，从数值计算和实验测量两方面分析了空间相关长度和相关时间与圆柱半径以及圆柱旋转速度的变化关系。
3 分别给出平行光束、高斯光束以及高斯谢尔模式光束照射运动目标，经过自由空间，单透镜以及双透镜三种光学系统后形成的动态散斑统计特性；在每一个光学条件下，推导了散斑强度起伏相关函数的相关时间、时间延迟以及多普勒平移的具体形式，结果表明散射目标在空间均速运动时，散斑沸腾状态会随着散斑传输距离与散斑尺寸比值的减小而变得更显著，当目标在空间运动速度是非均匀的，散斑沸腾状态将受到光学系统中散射光中的多普勒频差的影响。
4 建立了高斯光束照射三维平动、振动、旋转情况下的散斑强度起伏相关函数及功率谱密度统计模型。给出了在时变散斑强度起伏的自相关函数与目标运动速度之间的关系以及入射高斯光束束腰半径对测量的影响，描述了在衍射场中振动散斑的平均功率谱特征及其决定因素；借助文献 Wang 的分析方法，给出了旋转圆柱散射接收功率谱的近似形式，分析估计了平移效应功率谱密度的带宽依赖于接收场散斑大小和目标旋转速度，以及旋转引起的散斑平移和散斑沸腾对接收信号带宽的影响，实验测量分析了旋转速度与激光散斑强度相关时间之间的依赖关系。这些结果对于应用动态散斑自相关函数及其功率密度进行目标运动特性的相对测量提供了理论参考依据。
参考文献
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