[發(fā)明專利]基于后向散射模型的單光子成像系統(tǒng)仿真模型及建模方法

有效

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• 申請日: 2021-08-03
• 公開（公告）號: CN113325436B
• 公開（公告）日: 2021-12-14
• 發(fā)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

本發(fā)明涉及一種基于后向散射模型的單光子成像系統(tǒng)仿真模型及建模方法。解決現(xiàn)有成像系統(tǒng)建模方法無法較為準確的實現(xiàn)水下單光子成像系統(tǒng)建模的問題。本發(fā)明通過給定相關參數(shù)，確定后向散射光功率參數(shù)；之后求得單位反射率下的回波光子以及背景噪聲個數(shù)，同時考慮系統(tǒng)的暗計數(shù)，構成單光子探測器接收到的所有信號。最后通過觀測方程，得到回波信號的期望，其中將系統(tǒng)的響應過程建模成泊松分布，參考響應函數(shù)設計為含指數(shù)分量的高斯函數(shù)模型，進而得到水下單光子成像系統(tǒng)仿真模型。利用該模型，通過匹配濾波可以驗證不同器件參數(shù)和衰減長度下水下單光子成像系統(tǒng)對于水下目標的成像能力，對未來實現(xiàn)更高衰減長度的成像具有一定的指導以及借鑒作用。

技術領域

本發(fā)明屬于水下光學成像技術領域，涉及一種基于后向散射模型的水下單光子成像系統(tǒng)仿真模型及建模方法。

背景技術

水下目標成像技術是現(xiàn)代海洋科考、水下資源勘探及水下軍事發(fā)展的重要技術手段。

水下目標成像中，受到水體以及水中雜質(zhì)等的影響導致光在水中面臨嚴重的能量衰減，使得探測目標能量極其微弱。單光子三維成像技術作為當下較為前沿的研究領域，可實現(xiàn)極弱光條件下復雜場景的成像。因此，水下單光子成像系統(tǒng)可以實現(xiàn)在未來具有實現(xiàn)高衰減長度成像的前景。

相較于單光子成像系統(tǒng)在大氣傳輸中的應用，水下傳輸環(huán)境面臨后向散射的干擾，因此，在大氣中的成像系統(tǒng)建模方法，不能直接應用在水下單光子成像系統(tǒng)的建模。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于后向散射模型的水下單光子成像仿真模型及模型構建方法，以解決現(xiàn)有成像系統(tǒng)建模方法無法較為準確的實現(xiàn)水下單光子成像系統(tǒng)建模的問題。本發(fā)明在建模時考慮水下傳輸環(huán)境后向散射對激光能量的干擾，并依托更好的數(shù)學模型，獲得最終的仿真結果，從仿真角度對后向散射對水下單光子成像的影響進行論證，對未來具體實施操作具有一定的指導以及借鑒作用。

本發(fā)明技術方案是提高一種基于后向散射模型的單光子成像系統(tǒng)仿真模型建模方法，其特殊之處在于，包括以下步驟：

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

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(jù)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(jù)后向散射光功率參數(shù)和探測水深以及水衰減系數(shù)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(jù)激光雷達的能量方程計算單光子探測器中的背景噪聲個數(shù)；

步驟2.4、根據(jù)暗計數(shù)率、時間分辨率、探測器累積時間t以及探測周期內(nèi)時間柵格的個數(shù)，計算單光子探測器內(nèi)部的暗計數(shù)；

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(tǒng)的脈沖響應函數(shù)，確定目標在水下單光子成像系統(tǒng)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(tǒng)仿真模型；

步驟3.1、確定系統(tǒng)的脈沖響應函數(shù)；

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

步驟3.2、確定目標在水下單光子成像系統(tǒng)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；