[发明专利]水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法

说明书

本发明涉及一种水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法，根据不同的水质的散射及吸收特性，针对水下主动激光成像系统，采用蒙特卡洛模拟方法对系统参数和性能，进行相应的优化和设计，从而提高反射光点或光条的成像对比度，保证系统测量原理的实施。本发明方法首先根据具体的成像系统建立三维实体模型，然后通过定义光源、定义水体固有特性以及目标表面散射模型，通过迭代光子的运动完成对光子整个运动路径的追踪与统计。本发明方法以同步扫描三角测距水下激光成像系统作为实施例，利用上述方法，得出扫描光点反射图像的对比度，改变系统参数重复上述模拟，得到相应关系曲线，最后综合考虑后确定系统优化设计参数。

技术领域

本发明属于水下视觉成像技术领域，具体涉及一种水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法。

背景技术

水下光成像，尤其是水下主动激光成像技术，相比于水下声成像有较高的成像分辨率，因而在海洋探索以及海洋军事方面具有重要的应用价值。现有技术出现了诸如水下同步扫描三角测距成像系统、结构光成像系统等多种水下激光主动成像系统。然而，由于水介质具有较强的吸收和散射光学特性，激光在水下传播受到了较大的衰减作用，限制了探测距离，也影响了水下激光成像系统的成像质量。因此，如何合理设计水下激光成像系统以减小散射光对系统的干扰，显得尤为重要。由于水介质对激光吸收和散射的复杂性，很难通过建立精确的数学模型对该系统进一步的定量优化设计。

发明内容

本发明目的在于针对水下激光主动成像系统，围绕激光主动成像系统反射光点对比度问题，提供一种水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法，从而提高该成像系统的成像质量。

为达到上述目的，本发明构思如下：

根据不同的水质的散射及吸收特性，针对水下主动激光成像系统，如同步扫描三角测距成像系统、结构光成像系统等接收器接收到的反射光点或光条的对比度问题，采用蒙特卡洛模拟方法对系统参数和性能，如目标距离、激光光强、基线距离、物镜口径等，进行相应的优化和设计，从而提高反射光点或光条的成像对比度，保证系统的工作性能。

根据上述构思，本发明采用如下技术方案：

一种水下激光主动成像系统的蒙特卡洛模拟及优化设计方法，包括以下步骤：

步骤1、建立水下激光主动成像系统的三维实体模型，包括激光光源、基线距离和成像物镜相对孔径的系统结构参数、海水介质固有特性、探测目标距离、目标表面散射模型以及探测器；

步骤2、定义模拟光源，根据仿真条件确定具体的光源的波长、功率，以及仿真的光子数；

步骤3、判断所有光子是否仿真完毕，若是，执行步骤12，否则执行步骤4；

步骤4、从光子库当中取出一个光子，设定初始光子初始位置为坐标原点，追踪该光子一次运动的轨迹，包括光子运动一次的步长的确定，散射角的确定，方位角的确定，从而确定该光子的新位置；

步骤5、根据得到的光子的新位置，判断光子是否被系统接收器所接收，若是，则执行步骤11，否则执行步骤6；

步骤6、根据得到的光子的新位置，判断该光子是否离开追踪区域，若是，则执行步骤3，否则执行步骤7；

步骤7、根据得到的光子的新位置，判断光子是否碰到了目标，若是则执行步骤8，否则执行步骤9；

步骤8、若判断光子碰到目标表面，根据目标表面的散射模型，确定光子新的运动方向，并标记该光子；

步骤9、根据随机数以及吸收概率，判断光子是否发生吸收事件，若是，放弃对该光子的追踪，并执行步骤3；否则执行步骤10；

步骤10、光子按照既定规则继续运动一个步长，并确定光子的新位置，并执行步骤5；