[發明專利]基于后向散射模型的單光子成像系統仿真模型及建模方法

有效

• 申請號: 202110886279.8
• 申請日: 2021-08-03
• 公開（公告）號: CN113325436B
• 公開（公告）日: 2021-12-14
• 發明（設計）人: 馬彩文;張振揚;蘇秀琴;陳松懋;汪書潮
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89;G01S7/48;G06F30/20
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 汪海艷

1.一種基于后向散射模型的單光子成像系統仿真模型建模方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、給定水下單光子成像系統中各器件、目標環境以及光在水下傳輸過程的相關仿真參數，利用所述相關仿真參數構建后向散射模型，確定后向散射光功率參數；

步驟2、確定單光子探測器接收到的所有信號；

步驟2.1、根據激光雷達方程和能量與回波信號光子之間的關系，確定單位反射率下單光子探測器接收的目標信號回波光子；

步驟2.2、根據后向散射光功率參數和探測水深以及水衰減系數的關系，得出單光子探測器接收的后向散射光子；

步驟2.3、根據激光雷達的能量方程計算單光子探測器中的背景噪聲光子數；

步驟2.4、根據暗計數率、時間分辨率、探測器累積時間t以及探測周期內時間柵格的個數，計算單光子探測器內部的暗計數；

步驟2.5、確定單光子探測器收集到的所有噪聲的噪聲回波等級；

步驟3、設計系統的脈沖響應函數，確定目標在水下單光子成像系統仿真模型中各像素的反射率，最終得到基于后向散射模型的水下單光子成像系統仿真模型；

步驟3.1、確定系統的脈沖響應函數；

其中，分別對應原高斯函數模型的期望、方差以及原指數函數模型期望的倒數，為余誤差函數；

步驟3.2、確定目標在水下單光子成像系統仿真模型中各像素的反射率；

其中，為每個像素的仿真反射率信息；

步驟3.3、得到基于后向散射模型的水下單光子成像系統仿真模型：

其中為第i,j個像素中信號分布的期望，為第i,j個像素中的回波光子數分布，表示每個像素的回波光子數服從泊松分布，為系統的脈沖響應函數，為第i,j個像素中的噪聲回波等級。

2.根據權利要求1所述的基于后向散射模型的單光子成像系統仿真模型建模方法，其特征在于，步驟1中，后向散射光功率參數包括探測目標散射相關系數、體積輻射函數及單程傳播衰減，通過以下公式計算：

探測目標散射相關系數

體積輻射函數

單程傳播衰減

其中，為光在水下傳播過程中單向散射率，為水體衰減系數，為非對稱系數，為光束從激光器照射水體的表面透過率，為目標物體在水體中的距離，z為大氣傳輸距離，為大氣衰減系數。

3.根據權利要求2所述的基于后向散射模型的單光子成像系統仿真模型建模方法，其特征在于，步驟2.1通過下式確定單位反射率下目標信號的回波光子：

其中，為水下單光子成像系統中激光器總能量，為目標反射率，為水體透過率，，為水下單光子成像系統中光學系統的接收孔徑，為探測所用的水缸透過率，為水下單光子成像系統中光學透鏡組接收發射傳輸效率，為水下單光子成像系統中光學鏡片器件衰減效率，為水下單光子成像系統中單光子探測器總效率，為單個光子能量，為系統到目標的距離，D= Z+z，z為大氣傳輸距離。

4.根據權利要求3所述的基于后向散射模型的單光子成像系統仿真模型建模方法，其特征在于，、及分別通過下式計算：

其中，為水下單光子成像系統光學系統中帶通濾波片的傳輸效率，為水下單光子成像系統光學系統中中性密度衰減片的傳輸效率，為水下單光子成像系統光學系統中光纖耦合效率，為發射光學系統透鏡組傳輸效率，為接收光學系統透鏡組傳輸效率，為單光子探測器填充因子，為單光子探測器量子轉換效率。

5.根據權利要求3所述的基于后向散射模型的單光子成像系統仿真模型建模方法，其特征在于，步驟2.2通過下式確定單光子探測器接收的后向散射光子：

其中，為后向散射截獲系數，u為水中光速。

6.根據權利要求5所述的基于后向散射模型的單光子成像系統仿真模型建模方法，其特征在于，步驟2.3通過下式確定單光子探測器的背景噪聲個數；

其中，為水下單光子成像系統中光學系統的瞬時視場。