[发明专利]一种基于大气散射介质调制的单像素成像方法

权利要求书

1.一种基于大气散射介质调制的单像素成像方法，所述方法包括：

激光束进入大气散射介质，以大气散射介质作为空间调制器，计算当前条件下的大气散射介质的单次调制样式；在该调制样式下，大气反射方向的光经过透镜到达目标，桶探测器收集所有来自目标的光信号，获得探测值的一个元素值；

随机改变激光束进入大气的传输方向，获得大气对光场调制的一系列不同的调制样式；以单次调制样式为行向量，将一系列不同的调制样式对应的行向量组成大气散射介质测量矩阵；并获得一系列不同的调制样式下对应的一系列探测值组成的测量向量；

基于测量向量和大气散射介质测量矩阵，利用图像重构算法恢复目标信号；

所述以大气散射介质作为空间调制器，计算当前条件下的大气散射介质的单次调制样式，具体为：

基于激光波长、激光传输方向、大气水平气象视距、大气分子和气溶胶光学厚度廓线信息，通过蒙特卡罗模拟方法计算大气散射介质的单次调制样式；

所述基于激光波长、激光传输方向、大气水平气象视距、大气分子和气溶胶光学厚度廓线信息，通过蒙特卡罗模拟方法计算大气散射介质的单次调制样式，具体包括：

设激光波长为λ，随机进入大气散射介质的方向相对于目标的天顶角和方位角为θ₀和水平气象视距为v；当10⁶个光子被发射，光子距目标的垂直高度为z，对应的大气分子和气溶胶光学厚度分别为τ_m(z)和τ_a(z)，基于蒙特卡罗模拟方法，以4个介于[0,1]之间的随机数完整模拟光子在大气散射介质中的传输过程：

确定碰撞性质：

已知某一高度z上的分子光学厚度与气溶胶光学厚度为τ_m(z)和τ_a(z)，借助一个在[0,1]区间内均匀取值的随机数r₀，当0≤r₀≤τ_m(z)/[τ_m(z)+τ_a(z)]时，确认光子与分子发生碰撞；当τ_m(z)/[τ_m(z)+τ_a(z)]r₀≤1时，确认光子与气溶胶发生碰撞；

确定光子自由路径：

对于一个随机碰撞过程，非碰撞概率r₁为一个在[0,1]间均匀取值的随机数，由公式l＝-ln(1-r₁)计算得到与r₁对应的光学距离值l；

确定碰撞后的方向：

分子的散射相函数采用Rayleigh散射相函数P(θ)：

其中，θ为散射角；

气溶胶粒子的散射相函数采用改进的Henyey-Greenstein相函数：

其中，g为不对称因子；

定义归一化的散射相函数p(θ,g)为：

则p(θ,g)的取值位于[0,1]之间；

利用两个在[0,1]间均匀取值的随机数r₂和r₃，确定碰撞后光子传输的散射角和方位角

r₂＝p(θ,g)

碰撞与传输过程重复进行，直至光子到达目标表面；以目标像元为中心，一定范围内均为分为若干间隔，记录每个间隔内接收的散射光子的数目，即获得当前传输条件下大气散射介质的调制样式；

所述基于测量向量和大气散射介质测量矩阵，利用图像重构算法恢复目标信号，具体包括：

当大气散射介质测量矩阵Φ满足RIP条件时，目标信号x通过下面的优化目标函数得到：

x＝Ψx'

其中，Ψ为正交基矩阵，x'是信号x在正交基矩阵上的投影系数向量；τ为常数因子，‖·‖_p代表lp范数，y为m维矢量的测量向量，由m个探测值组成，m也为调制次数，即大气散射介质测量矩阵Φ的行数为m。

2.根据权利要求1所述的基于大气散射介质调制的单像素成像方法，其特征在于，所述图像重构算法采用基于l₁范数最小的BP算法、基于l₁范数最小的GPSR算法或者基于l₀范数最小的贪婪追踪系列算法。