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1.2.2 粗糙表面激光散射偏振特性的实验研究
实验研究可以追溯到早期人们对雷达波反射的观测，60年代起，人们利用激光展开了散射测量的实验。1967年，在Bell实验室,Renau等人推测退偏振效应源自于多次散射[19]。1978年，Blackett实验室的Gray发明了制备随机表面的光学方法[20]，获得了起伏周期在波长量级、有较大均方根斜率的“深槽型”强粗糙表面，使面散射的实验研究前进了一大步。Gray的实验装置如图1.1所示。
图1.1 Gray方法随机表面光学仪器：1-激光，2-10X 显微镜，
3-50um 光阑，4、5-凸透镜， 6-毛玻璃, 7-光刻胶膜
图1.2 Mendz增强后向散射示意图
1987年，Mendez 和O’Donnell实现用Gray方法制备强粗糙表面的散射场[21]。在他们的实验中最重要的发现是散射强度在后向(逆入射方向)上有一个清晰可辨的峰值,在它两边还有类似于干涉条纹的旁瓣，这种现象被称为增强后向散射。实验还显示,当线偏振光入射时,后向散射中包含有偏振方向与入射光相垂直的成分,即交叉偏振。后期人们还发现，除了预期的后向增强散射外,强粗糙表面的散射场中存在非偏振成分,且增强后向散射同时出现在完全偏振和非偏振成分里。1990年Kim分别在两种波长(0.633 um和10.6um)和两种入射偏振态(S波和P波)下，测量了三种镀金样品。他发现散射场中还存在非偏振成分，且增强后向散射同时出现完全偏振和非偏振成分，在入射角增大时，主要出现在非偏振成分里。Kurashov通过标量衍射理论和相干矩阵分析了单次散射的偏振状态与表面统计型性质和入射光束参数之间的关系[22]。郑小兵等人实验测量了玻璃材料如冕牌玻璃、花纹玻璃、钢化玻璃、建筑用宝石蓝玻璃、有机玻璃等以及经表面处理的喷砂玻璃和镀膜玻璃在1.06um或10.6um激光红外波段的后向散射特性[23]。结果表明,
图1.3 （a）实验装置图（b）、（c）1.06um 入射后向散射分布
（d）、（e）10.6um入射后向散射分布
散射强度与表面纹理结构、涂层材料的光学性质有关。对于降低玻璃表面镜反射来说,改变玻璃表面结构要比在表面镀增透膜更为有效。人为控制玻璃表面或涂层的光学性质可获得所需的散射特性。测量结果表明,国产常用的冕牌玻璃、宝石蓝玻璃、钢化玻璃和有机玻璃,具有类似的散射特性,均含有明显的镜反射后向峰,易于提取从表面反射回来的信号；镀膜玻璃由于表面涂层的增透作用,降低了镜反射幅值,但不改变其散射特性,仍以镜反射为主 ;喷砂玻璃有较好的漫射特性,散射回波小,不存在镜反射后向峰。若欲降低表面散射,改变玻璃表面结构 比表面镀膜较有效。适当调整玻璃的表面参数及涂层特性,可获得特定的散射分布。
Ram M. Narayanan和James E. Kalshoven等人实验测量了1064nm和532nm入射光情况下不同材质样板的斯托克斯矢量[24]。实验利用美国宇航局戈达德太空飞行中心（GSFC）的开发机载激光偏振传感器（ALPS），该系统采用1064 nm和532 nm的波长的Nd：YAG激光操作，并包含四个通道，在每个通道测量波长的偏振态。这个系统用来测量散射激光的斯托克斯参数。目标和接收间距约8米，α是入射角。实验装置如下图所示。实验材料包括帆布篷布，白纸，胶合板，水泥，铝盘和黑色阳极氧化铝板等。
图1.4 ALPS系统框图（1.激光源2.激光电源3.光圈4.扩束镜5.接收装置
6.光电倍增管7.数据采集设备8.电脑9.实验目标）
从图1.5中我们可以看到，帆布和混凝土在两个波长上是理想的扩散散射，因为其散射光强度在两个波长上不显示对入射角的任何依赖性，因此，他们理想的朗伯表面散射特性十分相似。白纸和夹板也有类似的属性。铝和阳极氧化铝板的第一斯托克斯参数下降非常迅速，并且随着入射角度而增加，他们都有一个强烈的镜面反射率。第二斯托克斯参数表示线性偏量，强大也较大。第三和第四斯托克斯参量相对来说非常微弱。实验数据提供了各种材料的偏振特性，有助于发展目标识别算法。