[发明专利]基于双向反射理论的水下目标反射偏振光的仿真方法

说明书

本发明提供一种基于双向反射理论的水下目标反射偏振光的仿真方法，解决目前多为基于特定环境下通过实验的方式获得先验知识并对图像进行复原，存在局限性，对不同环境先验知识不足的问题。包括：1)设置初始光源、散射环境以及反射目标的参数；2)根据初始光源参数，采样初始光子坐标、运动矢量、斯托克斯矢量；根据散射环境参数，计算衰减系数、散射系数、单次反照率；3)模拟光子移动，采样光子移动步长、能量权值；4)根据光子移动步长和能量权值，判断光子行为；5)根据接收到的光子的运动矢量，计算最终接收光子的斯托克斯矢量；6)对最终接收到的光子进行统计分析，获得设定环境参数下的光子传输特性以及偏振特性的分析结果。

技术领域

本发明属于水下光学成像技术领域，具体涉及一种基于双向反射理论的水下目标反射偏振光的仿真方法。

背景技术

水下光学成像技术利用对海水穿透能力很强的蓝、绿激光代替声波进行通信或探测活动。水下成像系统模型如下：发射光子—光子传输—目标反射—光子传输—接收光子。水下光学成像具有探测目标直观、成像分辨率高、信息含量高等优点，其作为一种新兴的技术与声学成像手段相互补充，在水下成像探测中发挥着重要的作用。

但是由于水介质及水下散射粒子如泥沙、藻类等悬浮颗粒的尺寸与蓝、绿激光波长近似，造成光子发生强烈散射，最终导致水下成像质量降低。目前的水下光学成像质量优化技术包括图像增强和图像复原；前者作用范围有限，不能很好的解决因强烈散射造成的图像雾化现象；后者为基于物理模型的方法，需要足够的假设条件或先验知识作为基础。

Ishimaru等人在《Polarized pulse waves in random discrete scatterers》论文中利用矢量辐射传输方程，分析了聚苯乙烯球形散射介质中偏振度与光学厚度的关系。Laan等人在《Detection range enhancement using circularly polarized light inscattering environments for infrared wavelengths》论文中采用线偏振光和圆偏振光作为入射光源，研究了红外波段偏振光在霾粒子和撒哈拉沙尘粒子中的传输特性。Zhang等人在《Effect of underwater suspended particles on the transmissioncharacteristics of polarized lasers》论文中基于蒙特卡洛模型计算了不同复折射率下，透射距离变化对线偏振光和圆偏振光的前向散射偏振度的影响。

可见，目前对水下光学成像物理模型的建立还停留在对光源在传输介质中的前向散射以及后向散射的特性分析步骤，并未考虑目标反射光的散射和衰减这一因素，即现有的水下光子传输模型无法为基于物理模型的图像复原方法提供足够的假设条件或先验知识。因此目前多为基于特定环境下通过实验的方式获得先验知识并对图像进行复原，存在局限性。

因此，有必要提供一种用于水下光子散射及反射特性模拟分析的仿真方法，解决对不同环境先验知识不足的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决目前多为基于特定环境下通过实验的方式获得先验知识并对图像进行复原，存在局限性，对不同环境先验知识不足的问题，而提供了一种基于双向反射理论的水下目标反射偏振光的仿真方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

基于双向反射理论的水下目标反射偏振光的仿真方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)设置初始光源、散射环境以及反射目标的参数；

2)根据初始光源参数，采样初始光子坐标、运动矢量和斯托克斯矢量；根据散射环境参数，计算衰减系数、散射系数和单次反照率；

3)模拟光子移动，根据衰减系数，采样光子移动步长和能量权值；

4)根据光子移动步长和能量权值，判断光子行为：